五坐標(biāo)高速銑削加工與編程的關(guān)鍵技術(shù)（一）

一、前言
    數(shù)控高速切削制造技術(shù)促進(jìn)了機械冷加工制造業(yè)的飛速發(fā)展，革新了產(chǎn)品設(shè)計概念，如通過采用整體件加工取代零部件的分項制造裝配，提高了加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品制造周期。高速切削加速了汽車、模具、航空、航天、光學(xué)、精密機械等產(chǎn)品的更新?lián)Q代，加速了制造技術(shù)與裝備的升級，推動了企業(yè)技術(shù)進(jìn)步。但目前國內(nèi)存在相當(dāng)一部分高速機床因各方面的原因并沒有達(dá)到理想的效果，如刀具配置跟不上而低速使用，高速電主軸因長期受重載荷或使用不當(dāng)造成壽命低下，企業(yè)高速切削工藝參數(shù)庫及CAD\CAM高速編程軟件包造成高速切削應(yīng)用不是很好，高速切削工藝流程與傳統(tǒng)的工藝流程沒有有機結(jié)合，沒有充分發(fā)揮高速切削加工變形小、加工效率高、定位裝夾少的優(yōu)勢。
    高速銑削機床的特點，采用主軸運動結(jié)構(gòu)實現(xiàn)載荷的平穩(wěn)，減小工作臺由于運動的慣性，尤其是當(dāng)工作臺承載較大時，工作臺本身和工件的運動載荷對高速切削極容易引起沖擊，機床結(jié)構(gòu)的新穎性對高速切削有著重要的影響，傳統(tǒng)機床依靠工作臺移動實現(xiàn)機床的XY方向的移動不是很適合高速切削。高速機床有瑞士Mikron公司VCP710、美國Cincinnati公司HyperMach五軸加工中心、日本Mazak公司SMM－2500UHS、德國Roders公司RFM1000、意大利FIDIA公司KR214六坐標(biāo)加工中心、FIDIA公司D218五坐標(biāo)加工中心等。
    一般情況下，高速切削其切削速度比常規(guī)速度高出5～10倍，其材料的去除率是常規(guī)切削的3～5倍以上。對于鋁合金銑削可達(dá)到1100m/min以上，鑄鐵可到700m/min，鋼材可到380m/min以上，鉆削200～1200m/min，磨削150～360m/min。采用FIDIA KR214五坐標(biāo)高速銑削加工中心機床及機床驗收標(biāo)準(zhǔn)試切產(chǎn)品。
二、高速銑削刀具刀柄
      由于高速切削時，主軸、刀柄及刀具在高速旋轉(zhuǎn)情況下，較小的偏心就會產(chǎn)生較大的離心力，由振動引起產(chǎn)品的質(zhì)量、降低主軸和刀具的使用壽命。常規(guī)的刀具刀柄系統(tǒng)難以滿足高速切削時的切削剛度和精度要求。現(xiàn)階段比較流行常用的高速刀柄系統(tǒng)主要有德國的HSK刀柄、美國KM刀柄、日本NC5刀柄。HSK刀柄及KM刀柄均為1:10的錐度，采用主軸錐孔和刀柄端面過定位的方式，實現(xiàn)刀具的定位夾緊，其重復(fù)定位精度在傳統(tǒng)7:24的錐度刀柄±2.5μm提高到±1μm，采用這種刀柄系統(tǒng)可以提高主軸剛度、由于其契形效果好，能提高刀具的抗扭能力，且轉(zhuǎn)速越高其鎖緊力越大。但這種刀柄價格較貴，一般為常規(guī)刀柄的1.5～2倍，其最低轉(zhuǎn)速小于KM刀柄。一般情況下，高速銑削時，刀具刀柄的不平衡力小于切削力時，不影響刀具的使用壽命和切削效率。
      根據(jù)高速切削的動平衡規(guī)定，主軸轉(zhuǎn)速至少要達(dá)到8000 r/min以上。其進(jìn)給速度至少大于20m/min。50柄轉(zhuǎn)速達(dá)到10000～20000 r/min，40柄以及HSK刀柄20000～40000 r/min，KM刀柄達(dá)到35000 r/min以上。由于高速銑削動平衡的要求，在配置高速銑削刀柄刀具時優(yōu)先配置經(jīng)過動平衡測試的刀具系統(tǒng)，其次用戶可以自行采用動平衡機及調(diào)整系統(tǒng)進(jìn)行動平衡調(diào)節(jié)，但其使用非常麻煩。美國Kennametal公司推出了一種通過調(diào)節(jié)主軸系統(tǒng)的自動平衡刀柄系統(tǒng)TABS刀柄，但目前應(yīng)用還不廣泛。為有效發(fā)揮高速切削的加工效率，在配置高速刀具夾持刀柄系統(tǒng)時顯得非常重要，傳統(tǒng)的彈簧夾頭、螺釘連接刀柄已不能滿足高速銑削夾持精度高、結(jié)構(gòu)對稱性好、傳遞扭矩大等要求，以下為作者總結(jié)的高速刀具及刀柄配置經(jīng)驗。
     第一、優(yōu)先配置熱脹式刀柄通過熱脹式加熱儀裝置進(jìn)行加熱，通過熱脹冷縮的原理對刀具進(jìn)行夾緊，其回轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)對稱性、動平衡性能均較液壓式刀柄好，在歐洲應(yīng)用非常廣泛，尤其適合模具等行業(yè)產(chǎn)品的高速切削加工，該刀柄可達(dá)到40000r/min。其中熱脹式裝刀裝置以德國Thermal Grip為典型代表。
     其次、液壓式刀柄是高精度、高性能的刀柄夾持柄，其回轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)對稱性和動平衡性能均較好，減振性好，可有效提高切削效率和刀具的使用壽命，液壓式刀柄以德國雄克公司的為典型代表，經(jīng)過動平衡后轉(zhuǎn)速可達(dá)到25000r/min。
     第三、整體式刀柄，如日本Nikken公司刀柄、奧地利盤石的整體鋁合金銑削刀柄，其結(jié)構(gòu)主要是刀體和刀柄為一體，在經(jīng)過動平衡測試調(diào)整后，再安裝銑削刀片進(jìn)行動平衡調(diào)節(jié)來滿足高速銑削加工的需要，整體式刀柄尤其適合模具的高速粗加工和鋁合金高速銑削。其轉(zhuǎn)速一般可以達(dá)到10000～30000r/min之間。
   最后、高速銑削應(yīng)用精密彈簧夾頭刀柄和側(cè)固式刀柄時，其轉(zhuǎn)速由于本身結(jié)構(gòu)的限制，一般難以達(dá)到20000 r/min，精密彈簧夾頭刀柄一般可達(dá)到12000～15000 r/min，而側(cè)固式刀柄則難以達(dá)到10000 r/min，在高速機床上盡量少用。
2.高速銑削刀具
      由于高速銑削對刀具刀柄要求較高，在購置高速刀具時盡量購置經(jīng)過動平衡測試的刀具，常用的硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、立方氮化硼（PCBN），聚晶金剛石（PCD）在經(jīng)過長時間磨損后，可應(yīng)用于普通數(shù)控機床進(jìn)行加工。另外一個方面由于高速切削的安全性，在進(jìn)行工件加工時一定要注意加工防護(hù)，如40mm直徑刀具，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到30000r/min,其射出的速度可達(dá)到63m/s的速度，接近于230km/h的汽車速度，切削過程中如出現(xiàn)斷刀摔出，勢必有較大的沖擊動量。同時對沒有把握的刀具刀柄一定要經(jīng)過高速動平衡儀測試出真實數(shù)據(jù)，方可進(jìn)行產(chǎn)品加工。此外由于高速運轉(zhuǎn)時，刀具的長度在高速環(huán)境下其刀具直徑和長度與靜態(tài)條件下有所差別，采用激光機內(nèi)對刀儀可有效解決數(shù)控編程的刀具工藝參數(shù)的確定，因此在購置高速銑削機床時，配置激光機內(nèi)對刀儀是不應(yīng)少的選項，尤其在進(jìn)行高精度產(chǎn)品的銑削加工時更能體現(xiàn)其優(yōu)勢。
    高速切削鋼材時，刀具材料應(yīng)選用熱硬性和疲勞強度高的P類硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、立方氮化硼(CBN)與CBN復(fù)合刀具材料(WBN)等。切削鑄鐵，應(yīng)選用細(xì)晶粒的K類硬質(zhì)合金進(jìn)行粗加工，選用復(fù)合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼(PCNB)復(fù)合刀具進(jìn)行精加工。精密加工有色金屬或非金屬材料時，應(yīng)選用聚晶金剛石PCD或CVD金剛石涂層刀具。高速銑削時應(yīng)針對相應(yīng)的材料選擇合適的刀柄和刀具材料，鋁合金高速銑削時可優(yōu)先選用采用鑲刀片的整體刀柄。
三、五坐標(biāo)高速銑削刀具軌跡設(shè)計
      高速切削有著比傳統(tǒng)切削特殊的工藝要求，除了高速切削機床和高速切削刀具，具有合適的CAM編程軟件也是至關(guān)重要的。一個優(yōu)秀的高速加工CAM編程系統(tǒng)應(yīng)具有很高的計算速度、較強的插補功能、全程自動過切檢查及處理能力、自動刀柄與夾具干涉檢查、進(jìn)給率優(yōu)化處理功能、刀具軌跡編輯優(yōu)化功能、加工殘余分析功能等。數(shù)控編程時應(yīng)首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次要盡一切可能保證刀具軌跡光滑平穩(wěn)，這會直接影響加工質(zhì)量和機床主軸等零件的壽命；最后要盡量使刀具載荷均勻，這會直接影響刀具的壽命。國內(nèi)外比較成熟適用于高速加工編程的有美國EDS公司UnigraphicsNX、英國DelCAM公司的PowerMill、以色列的Cimatron軟件。
1.五軸刀具軌跡設(shè)計的關(guān)鍵點
       在進(jìn)行刀具軌跡設(shè)計之前，CAD三維模型的系統(tǒng)精度盡可能設(shè)置高一些，尤其是在不同的CAD系統(tǒng)之間進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換時，優(yōu)先采用CATIA(*.model)格式、Parasolid（*.x_t）格式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，其次采用IGES格式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)使用IGES格式時，系統(tǒng)精度一般不應(yīng)低于0.01mm，尤其在進(jìn)行五軸高速切削精密零件時模型的精度、刀具插補精度對刀具軌跡的輸出有著重要影響。
    空間曲面軸加工涉及的內(nèi)容比較多，尤其是五軸加工時更明顯。進(jìn)行五軸加工時涉及加工導(dǎo)動曲面、干涉面、軌跡限制區(qū)域、進(jìn)退刀及刀軸矢量控制等關(guān)鍵技術(shù)。四軸五軸加工的基礎(chǔ)是理解刀具軸的矢量變化。四軸五軸加工的關(guān)鍵技術(shù)之一是刀具軸的矢量（刀具軸的軸線矢量）在空間是如何發(fā)生變化的，而刀具軸的矢量變化是通過擺動工作臺或主軸的擺動來實現(xiàn)的。對于矢量不發(fā)生變化的固定軸銑削場合，一般用三軸銑削即可加工出產(chǎn)品，五軸加工關(guān)鍵就是通過控制刀具軸矢量在空間位置的不斷變化或使刀具軸的矢量與機床原始坐標(biāo)系構(gòu)成空間某個角度，利用銑刀的側(cè)刃或底刃切削加工來完成。
①Line :刀具軸的矢量方向平行于空間的某條直線形成的固定角度方式；
②Pattern Surface:曲面法向式為刀具軸的矢量時刻指向曲面的法線方向；
③From point：點位控制刀具軸的矢量遠(yuǎn)離空間某點；To point：刀具軸的矢量指向空間某點；
④Swarf Driver：刀具軸的矢量沿著空間曲面（曲面具有直紋性）的直紋方向發(fā)生變化；
⑤刀具軸矢量連續(xù)插補控制。從上述刀具軸的矢量控制方式來看，五軸數(shù)控銑削加工的切削方式可以根據(jù)實際產(chǎn)品的加工來進(jìn)行合理的刀具軌跡設(shè)計規(guī)劃。 
    UGII/Contour Milling三軸高速等高分層粗銑削時，刀具軌跡之間的圓弧過渡。高速銑削加工的支持：系統(tǒng)提供的等高分層加工應(yīng)用于高速銑削場合，在轉(zhuǎn)角處以圓角的形式過渡，避免90度急轉(zhuǎn)（高速場合對導(dǎo)軌和電機容易損壞），同時采用螺旋進(jìn)退刀，系統(tǒng)還提供環(huán)繞等多種方式支持高速加工刀具軌跡的生成策略。UGII/Variable Axis Milling可變軸銑削模塊支持定軸和多軸銑削功能，可加工UGII造型模塊中生成的任何幾何體，并保持主模型相關(guān)性。該模塊提供多年工程使用驗證的3~5軸銑削功能，提供刀軸控制、走刀方式選擇和刀具路徑生成功能。刀具軸矢量控制方式、加工策略。
      UGII/Sequential Milling順序銑模塊可實現(xiàn)控制刀具路徑生成過程中的每一步驟的情況、支持2~5軸的銑削編程、和UGII主模型完全相關(guān)，以自動化的方式，獲得類似APT直接編程一樣的絕對控制、允許用戶交互式地一段一段地生成刀具路徑，并保持對過程中每一步的控制、提供的循環(huán)功能使用戶可以僅定義某個曲面上最內(nèi)和最外的刀具路徑，由該模塊自動生成中間的步驟、該模塊是UGII數(shù)控加工模塊中如自動清根等功能一樣的UGII特有模塊，適合于高難度的數(shù)控程序編制。