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机械资讯 563 期

CAD/CAM 的使用与切削

精密机械研究发展中心
自控应用部 文 /殷晓暐
2004年1月

随着 CAD/CAM 软体的发展与刀具及机台的进步，高速切削的理想已越来越接近可能。在各项软硬体功能都越趋强大复杂的同时，使用者该如何将 CAD/CAM 软体、刀具及机台成功地整合使用，使其发挥最大的效益？本文从 CAD/CAM 软体功能的探讨出发，配合高速切削的理论及实务上的经验，与读者们分享科技进步带来的效益与喜悦。

CAD

任何 CAM 的加工模组都必须搭配足够的 CAD 能力，才能满足使用者的基本需求。以最常见的档案格式转换而言，在不同软体档案格式间，通常以 IGES 、 STEP 或 PARASOLID 格式转换，但免不了会有所谓破面的情况发生，外形设计时，破碎面的发生亦常见到，补破面、曲面融合、桥接、编织等均是常需使用到的功能，软体必须有足够的功能以应付类似情况。

另一情况为加工程式制作过程中，为避免刀具路径转折处在表面显现，通常会把表面延伸出一段长度，以使刀具的出刀进刀痕迹及残料或毛边不明显，此时曲面延伸的功能就必须提供，并且需要依曲率或切线方式延伸，以得到平顺的刀具路径。另外，在模仁加工时，入子的预留孔需暂时缝补，以免软
图一: 3D等距的刀具路径

体计算出掉入孔内的路径，在此情况下， CAD 软体亦必须提供足够的功能以因应此类需求。

有趣的是，通常 CAM 工程师花最多时间的地方不在加工程式的制作，而在 CAD 图面的处理上，此情况在拆电极时尤为明显，若软体功能不强，或人员使用不熟悉，则程式制作的效率将大打折扣。

CAM

CAM 一般包含了等高层降、沿曲线投影、边界投影、区域投影、 3D 等距、清角 …等许多功能，不同软体，名称或许不同，但功能大同小异。差异较大的反而是使用者的切削策略，相对的，对于某些较新的切削策略，软体必须有对应的功能。

举例而言，对模仁硬材的粗铣，切削效率及刀具寿命的两难是加工 者 最困扰的问题，目前较新的方式为以摆线开槽或螺旋下刀开孔的方式，再以环绕等高去除留料，第二刀再以残料二次加工的方式将残料去除至可以轮廓加工的薄层，此种方式的特色是第一刀的 ap 相当深，通常在 5-20mm 之间不等，但 ae 仅约 0.15-0.7mm 左右，此种切法刀具每刃负荷较轻，寿命较长，可以用到较长的刀刃，整体的切削效率亦可大幅提高。此类切削策略需要软体提供摆线开槽、螺旋下刀等功能，及残料二次加工的能力，尤其是残料二次加工的计算效率、稳定性及精度，需要使用者特别注意。其他如圆弧转角进出刀 ( R 进 R 出 )、转角减速、螺旋投影加工、 3D 等距投影甚至插铣等都是较新的切削工法。

相对于软体功能的愈趋多样化，各式新奇的切削工法不断地出炉，但如果对机器没有深入了解，常常无法很正确地使用适合的切削条件加工。以下，我们举几个例子解说：

图二 : 电极垂直壁的切削

1. 3D 等距  

某些曲面来说，使用沿着曲面轮廓的刀具路径，并且每刀之间距离不因曲面倾斜角度不同而变化，可使刀痕平均稳定，是相当好的切削工法。但对某些曲面来说，使用此种三轴同动切削的工法，将导致某一轴的移动量远小于另二轴，如 图 (一) ， Z 轴的移动量太小 (例 1 m m )，使得机台无法实际执行此一微动量，直到累积到一定量才移动，此即所谓的迟滞现象，此时曲面切削起来表面便不理想，出现刮痕等现象，反而不如简单的等高加工方法。

2. 直角及棱线的加工 一般而言，工具机出机时的控制参数，仅针对一般加工需求，在转角的锐利度上有其限制。对于某些需要直角或棱线相当锐利的工件，如电极或鞋底面纹路的加工，则需要较特殊的方式处理。若工件几何形状较单纯，如 图 (二) 的电极，则可以等高切削，将电极的四个面分别延伸，并分为二组，分次分组加工，如此便可避免机台因惯性的关系，在需要锐利直角处过切。但若工件形状相当复杂，且一般出机加工参数无法达到时，则需请原厂另外特别调整参数，以达到要求，当然，加工的时间也会因此增加，此类情况多发生在鞋模及灯模业。
3. 两轴同动的轴向选择

在投影加工使用 Zig-Zag 或单向走刀加工方式时，通常使用者会选择 X-Z 平面，亦即只有 X 和 Z 轴同动。对部份机台，此选择是对的，如大部份传统的 C 型结构机台，但对很多小型龙门机台， Y 轴的动态反而比 X 轴好得多。也不易过切，因此在选择动作轴向的时候，使用者需要考虑机台的动态特性，而不只是单纯的走刀方式。

4. 主轴、刀把的平衡与表面粗糙度

主轴及刀把的平衡对表面粗糙度有很大的关系。平衡越好，切削时的振动越小，相对的表面粗糙度也会越好。对需要良好工件表面的情况，如部份电极及母模面，若转速需要很高 (小刀)，刀把需要特别做线上动平衡，且须要在主轴夹持后执行，若能购买可调整动平衡的刀把，将会便利很多。

另一方面，主轴及刀把的平衡对小刀断刀率也有极大的影响。针对细小深槽的加工，最小刀径往往小到 R0.4mm ，为达理想切削速度，转速至少在 20000rpm 以上，若主轴偏摆及整体动平衡不佳，不论切削条件放得多轻，往往一进刀即断刀，使用者不可不慎。
5. 粗铣的留料与主轴的特性

对较大型的模具，如汽机车钣金模，粗铣的留料有时必须相当小心。针对此类模具，通常使用大型重切削机台， BT50 刀把，最高转速 6000rpm ，一般面铣加工时，切深 5mm 均没有任何问题，但对轮廓加工时则需多加考虑，此与主轴特性有关。为达到较高的转速，一般主轴设计轴承斜角使用 15-25 o ，轴向承受切削力的能力较差，若粗铣留料较多，在陡峭面转折时，主轴轴向承受相当大的切削力，若此情况常发生，则主轴寿命将会大幅减短，程式设计人员需要尽量降低粗铣后的留料，以延长主轴寿命。为达到较佳的切削效率，可以使用前述的残料二次加工的做法，先重切削粗铣一遍，再利用较小的刀具，执行残料二次加工，并同时将留料降至合理厚度，最后再精修。

然而，就另一方面来说，留料太薄，也会产生不良影响。原因为大型机台热变形往往相当大，从数条至数十条不等，并且加上粗铣加工时间往往很长，机台的热机状况及室温对机台变形量的影响必须考虑进去，因此留料最好至少有 0.5mm 以上，以免因热变形产生过切情况。

后处理、 NURBS 及控制器特殊指令

针对大部份的使用者而言，后处理器愈方便愈好，许多人也不想在此一领域多加着墨，因此，在购买软体时，直接请软体商针对厂内机台及控制器，写好适用的后处理器即可使用。一般而言，采用控制器的模式均为高速高精度，这种做法并无不当，但有时却少利用了部份的功能，例如 NURBS 。

对如 图 (三 )的工件，若无棱线要求且弧度需平顺，一般只能靠缩小尺寸的内外公差值，增加弧面上的点资料，以达到滑顺的弧面，但此时程式变大，点密度变高，若机台控制器速度不快，则运算效率不够，切削速度便变慢。此时，若使用 NURBS 功能，可以缩小程式，并使曲面圆弧化，同时保持较高的切削速度，不失为一可尝试的方法。同样的情况，亦出现在部份的控制器上，有较特别的圆弧化指令可以使用，以达到最佳的切削表现，需要提醒的是，此类圆弧化的功能，对前述需要棱线分明的工件并不适用，因此需要特别注意。

图三 : 适用NURBS曲线的工件例

最后 CAD/CAM 的自动化 (或客制化)亦是相当重要的一环。从模具设计开始，即有一连串的标准品零件可套用， CAM 人员接受图档后，加工条件的设定繁锁，加工单填写，图面审核等，都需要许多人工执行，若将最佳的加工条件标准化、客制化，以一个指令即设定好许多的切削条件，甚至可以自动出加工单及工件图面，将可以大幅提升 CAD/CAM 人员的产出。当然，初期的软体投资所费不贷，管理者必须明确了解 CAD/CAM 人员的工作流程及可自动化的部份，确认所须的功能后，再请软体公司设计方能达到预估的效果。

不论 CAD/CAM 软体如何更新，机台及刀具如何进步，使用者永远是技术的核心。如何正确地了解机台，配合实际的加工经验选择刀具，规划最适的切削策略，是使用者必须不断努力学习的课题。在 CAD/CAM 软体、刀具及机台组成的三角形中，真正的关键是三角中央的使用者。

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