概述

高速加工的概念：高速加工（HSM或HSC）是二十世紀迅速走向?qū)嶋H應(yīng)用的先進加工技術(shù)。通常是指高的主軸轉(zhuǎn)速（10,000-100,000r/min）、高的進給/快移速度(可達40m-180m/min)下的銑削加工。國際上廣泛應(yīng)用于航空航天制造業(yè)、模具制造業(yè)、汽車零部件加工、精密零件加工。具體作用：解決新材料的加工問題，適應(yīng)表面質(zhì)量高、精度高、形狀復(fù)雜的3D曲面加工，減少和避免費時、費錢的電火花加工，解決薄壁零件的加工問題，高速復(fù)合加工還可以減少搬運次數(shù)、裝夾次數(shù)，避免重復(fù)定位帶來的加工誤差等，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?shù)倪M給量，小的徑向和軸向切削深度，即切削體積。由于在切削時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，高速銑削工藝相對常規(guī)加工具有很多優(yōu)點：

·提高生產(chǎn)率
·改善工件的加工精度和表面質(zhì)量
·實現(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度、高硬度脆性材料

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

高速銑削是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程技術(shù)，是機床、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，對其中的每一項指標都有較高要求。

高速機床是實現(xiàn)高速加工的前提和基礎(chǔ)。符合高速加工要求的機床應(yīng)具備的必要條件有：高的主軸轉(zhuǎn)速（10000~20000r/min越來越普及，100000~200000r/min的高速主軸正在研制開發(fā)中）、高速和高加（減）速的切削進給機構(gòu)（進給/快移速度可達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，前饋控制，精確矢量補償，最佳拐角減速等)、高速切削機床的安全防護與實時監(jiān)控系統(tǒng)。對刀具而言，高速銑削必須具備安全性和高的耐磨度。從而要從以下幾個方面考慮：刀具材料，刀具結(jié)構(gòu)，刀桿結(jié)構(gòu)，刀具的動平衡等。

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



圖1 薄壁件加工實例

高速加工編程時主要關(guān)心的問題

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)進行數(shù)控編程時，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較為合理、有效地進行高速加工的數(shù)控編程，需要考慮的問題主要有以下幾個方面相關(guān)：

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



圖2 曲面3維等步距加工示意圖

二、由于高速加工中，刀具的運動速度很高，而高速加工中采用的刀具通常又很小，這就要求在加工過程中保持固定的刀具載荷，避免刀具過載。因為刀具載荷的均勻與否會直接影響刀具的壽命、對機床主軸等也有直接影響，在刀具載荷過大的情況下還會導(dǎo)致斷刀。

三、采用更加安全和有效的加工方法與迅速進行安全檢查校驗與分析。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
（當前刀具無法避免干涉）
* 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、退刀方式

在Cimatron系統(tǒng)中, 有多種多樣的進、退刀方式，如在走輪廓時，有輪廓的法向進、退刀，輪廓的切向進、退刀和相鄰輪廓的角分線進、退刀等。針對高速加工時應(yīng)盡量采用輪廓的切向進、退刀方式以保證刀路軌跡的平滑。在對曲面進行加工時，刀具可以是Z 向垂直進、退刀，曲面法向的進、退刀，曲面正向與反向的進、退刀和斜向或螺旋式進、退刀等。在實際加工中，用戶可以采用曲面的切向進刀或更好的螺旋式進刀。而且螺旋式進刀切入材料時，如果加工區(qū)域是上大下小，螺旋半徑會隨之減小以進刀到指定深度，有些CAM系統(tǒng)具有基于知識的加工，在檢查刀具信息后發(fā)現(xiàn)刀具具有盲區(qū)時，螺旋加工半徑不會無限制減小，以避免撞刀（參見圖示）。這些對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咚偌庸さ囊蟆Ｈ繚諦星幸頻妒保毒叨嗍侵苯喲怪庇讜蔥星蟹較虻姆ㄏ蛞頻叮率溝毒唄肪噸寫嬖詡飩牽輝諢非械那榭魷攏芳湟頻兌彩譴釉垂旒５姆ㄏ蛑苯右頻叮倉率溝堵飯旒４嬖誆黃交榭觶輝詰雀呦嘸庸ぶ械牟慵湟頻妒保泊嬖諞頻都飩恰Ｕ廡┗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小（側(cè)向切削用量和深度切削用量很小），移刀運動量也會急劇增加。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）較小的情況下會由于圓弧半徑過小而導(dǎo)致圓弧接近一點，即近似為行間的直接直線移刀，從而也導(dǎo)致機床預(yù)覽減速，影響加工的效率，對加工中心也不利。

b.行切的移刀采用內(nèi)側(cè)或外側(cè)圓弧過渡移刀。該種方法在一定程度上會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）進行精加工時，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。這時用戶可以考慮采用下面更為高級的移刀方式

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，由于移刀軌跡直接在兩個刀路軌跡之間進行生成圓弧，在間距較大的情況下，會產(chǎn)生過切。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

在進行等高加工時，用戶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)彎走刀與進行光滑的移刀一樣，對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，用戶應(yīng)予以采用。

二、圓環(huán)走刀；該種方法是較為高級的走拐角方式，就象駕駛高速跑車在高速公路上跑時，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)島來轉(zhuǎn)彎一樣。這種方法在走銳角彎路時效果特別明顯。

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，用戶可以使用螺旋式三軸聯(lián)動的加工方法。使用該種方法進行輪廓加工時，刀具一邊沿輪廓切削，一邊在縱向進刀，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圓的運動來逐次對零件表面進行高速與小切量的切削。采用該種方法可以有效地進行零件上窄槽和輪廓的高速小切量切削，對刀具有很好的保護作用。在進行零件的精加工時，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，而且刀具運動也更光滑平穩(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，在斜面上會留有臺階，導(dǎo)致殘留馀量不盡均勻。這樣對后續(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。因此在進行粗切時，用戶應(yīng)選擇具有優(yōu)秀的層間二次粗加工功能，在粗切時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。

在最后階段對零件進行清根時，利用具有斜率分析的清根算法，對陡峭拐角和平坦拐角區(qū)別對待，即對陡峭拐角的清根使用等高線一層一層清根，對平坦區(qū)域采用沿輪廓清根，可以更好地保護刀具，獲得更好的表面質(zhì)量。

在等高線精加工時，應(yīng)使用螺旋式改變進刀位置的方式，以避免在固定位置留有進刀痕跡，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加工的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的干涉檢查更為合理，因為系統(tǒng)是把刀具信息與上次加工的殘留毛坯進行校驗。

讀者可以利用Cimatron系統(tǒng)提供的結(jié)果校驗工具進行馀量可視化分析，加快作出進一步調(diào)整加工策略和進行補充加工的決定。

我們可以利用Cimatron系統(tǒng)具有的自動化編程機制，制定結(jié)合工廠實際的加工模板，提升加工的效率與可靠性。同時可以針對高速機床的控制系統(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

隨著高速銑削技術(shù)的不斷普及，越來越多的企業(yè)已經(jīng)在生產(chǎn)實踐中開始應(yīng)用該技術(shù)，如知名的海爾集團、西航公司的安泰葉片公司等。而高速銑削加工是一項綜合技術(shù)的應(yīng)用，編程是其中的一項關(guān)鍵性工作，也是一項創(chuàng)造性的工作。理想的產(chǎn)品來自于技術(shù)與經(jīng)驗的有效結(jié)合和在實踐中的不斷探索。對于開始采用高速加工技術(shù)的企業(yè)來說，要有一個適應(yīng)、探索、總結(jié)和提高的過程。