概述

高速加工的概念：高速加工（HSM或HSC）是二十世紀(jì)迅速走向?qū)嶋H應(yīng)用的先進(jìn)加工技術(shù)。通常是指高的主軸轉(zhuǎn)速（10,000-100,000r/min）、高的進(jìn)給/快移速度(可達(dá)40m-180m/min)下的銑削加工。國(guó)際上廣泛應(yīng)用于航空航天制造業(yè)、模具制造業(yè)、汽車(chē)零部件加工、精密零件加工。具體作用：解決新材料的加工問(wèn)題，適應(yīng)表面質(zhì)量高、精度高、形狀復(fù)雜的3D曲面加工，減少和避免費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢(qián)的電火花加工，解決薄壁零件的加工問(wèn)題，高速?gòu)?fù)合加工還可以減少搬運(yùn)次數(shù)、裝夾次數(shù)，避免重復(fù)定位帶來(lái)的加工誤差等，提高了加工質(zhì)量及加工效率。

高速銑削的一般特征

高速銑削一般采用高的銑削速度，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給量，小的徑向和軸向切削深度，即切削體積。由于在切削時(shí)大量的切削熱被切屑帶走，工件表面溫度較低。而且隨著銑削速度的提高，切削力略有下降，表面質(zhì)量提高，加工生產(chǎn)率也隨之提高。由于高速銑削的的上述特點(diǎn)，高速銑削工藝相對(duì)常規(guī)加工具有很多優(yōu)點(diǎn)：

·提高生產(chǎn)率
·改善工件的加工精度和表面質(zhì)量
·實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)零件的加工
·有利于使用較小的刀具加工
·有利于加工薄壁零件和高強(qiáng)度、高硬度脆性材料

由于上述優(yōu)點(diǎn)，綜合效率提高、質(zhì)量提高、工序簡(jiǎn)化，盡管機(jī)床投資和刀具投資以及維護(hù)費(fèi)用增加，但高速銑削工藝的綜合效益仍有顯著提高。

高速銑削是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程技術(shù)，是機(jī)床、刀具、刀柄結(jié)構(gòu)、加工工藝技術(shù)、控制系統(tǒng)、CAD/CAM軟件等多種因素綜合作用的結(jié)果。與傳統(tǒng)加工工藝技術(shù)相比，對(duì)其中的每一項(xiàng)指標(biāo)都有較高要求。

高速機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速加工的前提和基礎(chǔ)。符合高速加工要求的機(jī)床應(yīng)具備的必要條件有：高的主軸轉(zhuǎn)速（10000~20000r/min越來(lái)越普及，100000~200000r/min的高速主軸正在研制開(kāi)發(fā)中）、高速和高加（減）速的切削進(jìn)給機(jī)構(gòu)（進(jìn)給/快移速度可達(dá)40~180m/min，加速度現(xiàn)多為1g~2g）、高速CNC控制系統(tǒng)(加減預(yù)差補(bǔ)，前饋控制，精確矢量補(bǔ)償，最佳拐角減速等)、高速切削機(jī)床的安全防護(hù)與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。對(duì)刀具而言，高速銑削必須具備安全性和高的耐磨度。從而要從以下幾個(gè)方面考慮：刀具材料，刀具結(jié)構(gòu)，刀桿結(jié)構(gòu)，刀具的動(dòng)平衡等。

除了機(jī)床、刀具等硬件滿(mǎn)足高速加工的前提和基礎(chǔ)，高速加工對(duì)數(shù)控編程也提出了與普通加工更高的要求。本篇重點(diǎn)闡述CAD/CAM軟件在高速加工中的應(yīng)用。



圖1 薄壁件加工實(shí)例

高速加工編程時(shí)主要關(guān)心的問(wèn)題

采用高速銑削加工編程的原則主要與數(shù)控伺服系統(tǒng)，加工材料，所用刀具等方面有關(guān)。使用CAM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控編程時(shí)，刀具選擇、切削用量以及選擇合適的加工參數(shù)可以根據(jù)具體情況設(shè)置外，加工方法的選擇就成為高速加工數(shù)控編程的關(guān)鍵。如何選擇合適的加工方法來(lái)較為合理、有效地進(jìn)行高速加工的數(shù)控編程，需要考慮的問(wèn)題主要有以下幾個(gè)方面相關(guān)：

一、由于高速加工中心具有前視或預(yù)覽功能，在刀具需要進(jìn)行急速轉(zhuǎn)彎時(shí)加工中心會(huì)提前進(jìn)行預(yù)減速，在完成轉(zhuǎn)彎后再提高運(yùn)動(dòng)速度。機(jī)床的這一功能主要是為了避免慣性沖擊過(guò)大，從而導(dǎo)致慣性過(guò)切或損壞機(jī)床主軸而設(shè)置的。有些高速加工中心盡管沒(méi)有這一功能也能較好地承受慣性沖擊，但該情況對(duì)于機(jī)床的主軸也是不利的，會(huì)影響主軸等零件的壽命。在使用CAM進(jìn)行數(shù)控編程時(shí)，要盡一切可能保證刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的光滑與平穩(wěn)。



圖2 曲面3維等步距加工示意圖

二、由于高速加工中，刀具的運(yùn)動(dòng)速度很高，而高速加工中采用的刀具通常又很小，這就要求在加工過(guò)程中保持固定的刀具載荷，避免刀具過(guò)載。因?yàn)榈毒咻d荷的均勻與否會(huì)直接影響刀具的壽命、對(duì)機(jī)床主軸等也有直接影響，在刀具載荷過(guò)大的情況下還會(huì)導(dǎo)致斷刀。

三、采用更加安全和有效的加工方法與迅速進(jìn)行安全檢查校驗(yàn)與分析。舉例如下：

刀柄、夾頭干涉檢查，保證刀路軌跡的安全

RE-EXECUTION WILL BE DUE TO PROCEDURE BEING SUSPENDED
* PROCEDURE EXECUTION START TIME : 08/10/2004.13:59:30
* See Set : NC Special Approx. Faces
* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *
* ENTRY POINT: X = -65.30 Y = 2.20 Z = 20.00
* ENTRY POINT: X = -33.64 Y = 56.20 Z = 15.00
* ENTRY POINT: X = -38.17 Y = 56.20 Z = 10.00
* ENTRY POINT: X = -38.23 Y = 56.20 Z = 5.00
* ENTRY POINT: X = 0.00008 Y = -51.80 Z = 0.00000
* PROC. OPTIMIZATION START TIME：08/10/2004.13:59:31
* THE CURRENT SET OF HOLDERS GOUGES THE STOCK
* HOLDER 1 SHOULD BE RAISED TO 34.88 ABOVE THE CUTTER TIP
（刀柄1應(yīng)高出刀尖34.88mm）
* EXISTING CUTTERS CANNOT AVOID GOUGING
（當(dāng)前刀具無(wú)法避免干涉）
* PROC. OPTIMIZATION END TIME : 08/10/2004.13:59:41
* PROCEDURE EXECUTION END TIME：08/10/2004.13:59:41

高速加工編程采用的編程策略

采用光滑的進(jìn)、退刀方式

在Cimatron系統(tǒng)中, 有多種多樣的進(jìn)、退刀方式，如在走輪廓時(shí)，有輪廓的法向進(jìn)、退刀，輪廓的切向進(jìn)、退刀和相鄰輪廓的角分線進(jìn)、退刀等。針對(duì)高速加工時(shí)應(yīng)盡量采用輪廓的切向進(jìn)、退刀方式以保證刀路軌跡的平滑。在對(duì)曲面進(jìn)行加工時(shí)，刀具可以是Z 向垂直進(jìn)、退刀，曲面法向的進(jìn)、退刀，曲面正向與反向的進(jìn)、退刀和斜向或螺旋式進(jìn)、退刀等。在實(shí)際加工中，用戶(hù)可以采用曲面的切向進(jìn)刀或更好的螺旋式進(jìn)刀。而且螺旋式進(jìn)刀切入材料時(shí)，如果加工區(qū)域是上大下小，螺旋半徑會(huì)隨之減小以進(jìn)刀到指定深度，有些CAM系統(tǒng)具有基于知識(shí)的加工，在檢查刀具信息后發(fā)現(xiàn)刀具具有盲區(qū)時(shí)，螺旋加工半徑不會(huì)無(wú)限制減小，以避免撞刀（參見(jiàn)圖示）。這些對(duì)程序的安全性提供了周全的保障。



圖3 為高速加工提供豐富的走刀路徑

采用光滑的移刀方式

這里所說(shuō)的移刀方式主要指的是行切中的行間移刀，環(huán)切中的環(huán)間移刀，等高加工的層間移刀等。普通CAM軟件中的移刀大多不適細(xì)咚偌庸さ囊?。瓤澲B星幸頻妒保毒叨嗍侵苯喲怪庇讜蔥星蟹較虻姆ㄏ蛞頻?，致蕼隙締h肪噸寫(xiě)嬖詡飩牽輝諢非械那榭魷攏芳湟頻兌彩譴釉垂旒５姆ㄏ蛑苯右頻?，覀}(cāng)率溝堵飯旒４嬖誆黃交榭觶輝詰雀呦嘸庸ぶ械牟慵湟頻妒?，也存哉涱l都飩?。諒T┗岬賈錄庸ぶ行鈉搗鋇腦だ蘭跛儆跋熗思庸さ男噬踔潦垢咚偌庸げ懷晌咚偌庸ぁ?

高速加工中，采用的切削用量都很?。▊?cè)向切削用量和深度切削用量很?。?，移刀運(yùn)動(dòng)量也會(huì)急劇增加。因此必須要求CAM產(chǎn)生的刀路軌跡中的移刀平滑。在支持高速加工的Cimatron系統(tǒng)軟件中，則提供了非常豐富的移刀策略。

一、行切光滑移刀

a. 行切的移刀直接采用切圓弧連接。該種方法在行切切削用量（行間距）較大的情況下處理得很好，在行切切削用量（行間距）較小的情況下會(huì)由于圓弧半徑過(guò)小而導(dǎo)致圓弧接近一點(diǎn)，即近似為行間的直接直線移刀，從而也導(dǎo)致機(jī)床預(yù)覽減速，影響加工的效率，對(duì)加工中心也不利。

b.行切的移刀采用內(nèi)側(cè)或外側(cè)圓弧過(guò)渡移刀。該種方法在一定程度上會(huì)解決在前面采用切圓弧移刀的不足。但是在使用非常小的刀子（0 .6mm直徑的球頭刀）進(jìn)行精加工時(shí)，由于刀路軌跡間距非常的小（側(cè)向切削用量為0.2mm），使得該方法也不夠理想。這時(shí)用戶(hù)可以考慮采用下面更為高級(jí)的移刀方式

c.切向的移刀采用高爾夫球竿頭式移刀方式。

二、環(huán)切的光滑移刀

a. 環(huán)切的移刀采用環(huán)間的圓弧切出與切入連接。這種方法的弊端是在加工3D復(fù)雜零件時(shí)，由于移刀軌跡直接在兩個(gè)刀路軌跡之間進(jìn)行生成圓弧，在間距較大的情況下，會(huì)產(chǎn)生過(guò)切。因此該方法一般多用于2.5軸的加工，在加工中所有的加工都在一個(gè)平面內(nèi)。 b. 環(huán)切的移刀采用空間螺旋式移刀。該種移刀方法由于移刀在空間完成，避免了上面方法的弊端。

三、層間的空間螺旋移刀

在進(jìn)行等高加工時(shí)，用戶(hù)要采用螺旋式等高線間的移刀。

應(yīng)采用光滑的轉(zhuǎn)彎走刀

采用光滑的轉(zhuǎn)彎走刀與進(jìn)行光滑的移刀一樣，對(duì)保證高速加工的平穩(wěn)與效率同樣重要。



圖5 擺線式加工

一、圓角走刀；該種走刀方式并不是什么新的走拐角方式，一般CAM系統(tǒng)都有提供。該方式較適合高速加工，用戶(hù)應(yīng)予以采用。

二、圓環(huán)走刀；該種方法是較為高級(jí)的走拐角方式，就象駕駛高速跑車(chē)在高速公路上跑時(shí)，要想在不損失速率的情況下轉(zhuǎn)彎和保證轉(zhuǎn)彎更平穩(wěn)，沿著立交環(huán)島來(lái)轉(zhuǎn)彎一樣。這種方法在走銳角彎路時(shí)效果特別明顯。

應(yīng)采用更適合高速加工的加工方法

Cimatron先進(jìn)的CAM系統(tǒng)提供了許多更適合高速加工的加工方法。如在輪廓加工中，用戶(hù)可以使用螺旋式三軸聯(lián)動(dòng)的加工方法。使用該種方法進(jìn)行輪廓加工時(shí)，刀具一邊沿輪廓切削，一邊在縱向進(jìn)刀，這保證了刀具載荷的穩(wěn)定，刀路軌跡也自然平滑。采用擺線式加工：擺線試加工是利用刀具沿一滾動(dòng)圓的運(yùn)動(dòng)來(lái)逐次對(duì)零件表面進(jìn)行高速與小切量的切削。采用該種方法可以有效地進(jìn)行零件上窄槽和輪廓的高速小切量切削，對(duì)刀具有很好的保護(hù)作用。在進(jìn)行零件的精加工時(shí)，在加工中心支持Nurbs代碼的情況下，應(yīng)采用Nurbs編程。這樣產(chǎn)生的刀路軌跡的數(shù)據(jù)量不僅少，而且刀具運(yùn)動(dòng)也更光滑平穩(wěn)高效。

利用CAM內(nèi)在的優(yōu)秀功能

許多CAM系統(tǒng)都有很多高級(jí)的加工能力，充分利用和挖掘這些能力加工極大地改善加工的效果。

粗切時(shí)使用具有層間二次粗加工優(yōu)化的功能。在等高線粗切中，由于零件上存在斜面，在斜面上會(huì)留有臺(tái)階，導(dǎo)致殘留馀量不盡均勻。這樣對(duì)后續(xù)的加工不利，如刀具載荷不均勻。盡管系統(tǒng)具有載荷的分析與優(yōu)化，但畢竟將影響加工的效率和質(zhì)量。因此在進(jìn)行粗切時(shí)，用戶(hù)應(yīng)選擇具有優(yōu)秀的層間二次粗加工功能，在粗切時(shí)就得到了馀量均勻的結(jié)果，為后續(xù)加工提供更有利的條件，也提高了加工的效率。

在最后階段對(duì)零件進(jìn)行清根時(shí)，利用具有斜率分析的清根算法，對(duì)陡峭拐角和平坦拐角區(qū)別對(duì)待，即對(duì)陡峭拐角的清根使用等高線一層一層清根，對(duì)平坦區(qū)域采用沿輪廓清根，可以更好地保護(hù)刀具，獲得更好的表面質(zhì)量。

在等高線精加工時(shí)，應(yīng)使用螺旋式改變進(jìn)刀位置的方式，以避免在固定位置留有進(jìn)刀痕跡，保證加工結(jié)果的整體優(yōu)良。



圖6 生成正確的加工代碼

在編程過(guò)程中，應(yīng)利用有效的刀柄干涉檢查的功能，確保刀具的安全性。要選擇具有毛坯殘留知識(shí)加工的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的干涉檢查更為合理，因?yàn)橄到y(tǒng)是把刀具信息與上次加工的殘留毛坯進(jìn)行校驗(yàn)。

讀者可以利用Cimatron系統(tǒng)提供的結(jié)果校驗(yàn)工具進(jìn)行馀量可視化分析，加快作出進(jìn)一步調(diào)整加工策略和進(jìn)行補(bǔ)充加工的決定。

我們可以利用Cimatron系統(tǒng)具有的自動(dòng)化編程機(jī)制，制定結(jié)合工廠實(shí)際的加工模板，提升加工的效率與可靠性。同時(shí)可以針對(duì)高速機(jī)床的控制系統(tǒng)編制適合高速加工的后置處理，指導(dǎo)NC程序生成正確加工代碼：

結(jié)束語(yǔ)

隨著高速銑削技術(shù)的不斷普及，越來(lái)越多的企業(yè)已經(jīng)在生產(chǎn)實(shí)踐中開(kāi)始應(yīng)用該技術(shù)，如知名的海爾集團(tuán)、西航公司的安泰葉片公司等。而高速銑削加工是一項(xiàng)綜合技術(shù)的應(yīng)用，編程是其中的一項(xiàng)關(guān)鍵性工作，也是一項(xiàng)創(chuàng)造性的工作。理想的產(chǎn)品來(lái)自于技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)的有效結(jié)合和在實(shí)踐中的不斷探索。對(duì)于開(kāi)始采用高速加工技術(shù)的企業(yè)來(lái)說(shuō)，要有一個(gè)適應(yīng)、探索、總結(jié)和提高的過(guò)程。