CAM數(shù)控編程等方面對高速加工關(guān)鍵技術(shù)闡述

    高速加工不但可以成倍地提高生產(chǎn)效率，還可進(jìn)一步改善零件的加工精度和表面質(zhì)量，解決一些常規(guī)加工中難以解決的某些特殊材料的高效加工問題，因此，高速加工技術(shù)在世界上引起了高度重視。本文從機(jī)床、刀具、材料及CAM數(shù)控編程等方面對高速加工的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，文章最后還給出了兩個高速加工的實例。
一、前言
    模具作為模壓產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵工裝，其設(shè)計與生產(chǎn)周期日益成為決定新產(chǎn)品開發(fā)周期的決定因素。目前工業(yè)發(fā)達(dá)國家的航空航天、汽車、機(jī)械、模具、機(jī)床等行業(yè)首先得益于該項新技術(shù)，使上述行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高，成本大幅度降低，獲得了市場競爭優(yōu)勢。在汽車工業(yè)中，過去新車型的開發(fā)周期一般為10年，現(xiàn)在縮短為2～3年。福特、通用、豐田等公司的新車型開發(fā)周期僅為1年半，這一切都得益于企業(yè)模具設(shè)計與制造手段的現(xiàn)代化水平的提高。高速切削技術(shù)逐漸應(yīng)用于加工鑄鐵和硬鋁合金，尤其是加工大型覆蓋件沖壓模、鍛模、壓鑄模和注射模，目的是在減少加工時間和研制時間的同時提高尺寸公差和表面一致性。目前國際上高速切削加工技術(shù)主要應(yīng)用于汽車工業(yè)、模具行業(yè)、航空航天行業(yè)，尤其是在加工復(fù)雜曲面的領(lǐng)域，工件本身或刀具系統(tǒng)剛性要求較高的加工領(lǐng)域，顯示了強(qiáng)大的功能。國內(nèi)高速切削加工技術(shù)的研究與應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代，也是主要應(yīng)用于模具、航空、航天和汽車工業(yè)，但采用的高速切削CNC機(jī)床、高速切削刀具和CAD/CAM軟件等以進(jìn)口為主。
二、高速切削加工應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)
    數(shù)控高速切削加工作為模具制造中最為重要的一項先進(jìn)制造技術(shù)，是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)。在常規(guī)切削加工中備受困擾的一系列問題，通過高速切削加工的應(yīng)用得到了解決。其切削速度、進(jìn)給速度相對于傳統(tǒng)的切削加工，以級數(shù)級提高，切削機(jī)理也發(fā)生了根本的變化。與傳統(tǒng)切削加工相比，切削加工發(fā)生了本質(zhì)性的飛躍，其單位功率的金屬切除率提高了30%～40%，切削力降低了30%，刀具的切削壽命提高了70%，留于工件的切削熱大幅度降低，低階切削振動幾乎消失。隨著切削速度的提高，單位時間毛坯材料的去除率增加，切削時間減少，加工效率提高，從而縮短了產(chǎn)品的制造周期，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。同時，高速加工的小量快進(jìn)使切削力減少，切屑的高速排除，減少了工件的切削力和熱應(yīng)力變形，提高了剛性差和薄壁零件切削加工的可能性。由于切削力的降低，轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的低階固有頻率，而工件的表面粗糙度對低階頻率最為敏感，由此降低了表面粗糙度。在模具的高淬硬鋼件（HRC45～65）的加工過程中，采用高速切削可以取代電加工和磨削拋光的工序，避免了電極的制造和費(fèi)時的電加工時間，大幅度減少了鉗工的打磨與拋光量。一些市場上越來越需要的薄壁模具工件，高速銑削可順利完成。而且在高速銑削CNC加工中心上，模具一次裝夾可完成多工步加工。這些優(yōu)點(diǎn)在資金回轉(zhuǎn)要求快、交貨時間緊急、產(chǎn)品競爭激烈的模具等行業(yè)是非常適宜的。
1.高速切削加工
    高速加工切削系統(tǒng)主要由可滿足高速切削的高速加工中心、高性能的刀具夾持系統(tǒng)、高速切削刀具、安全可靠的高速切削CAM軟件系統(tǒng)等構(gòu)成，因此，高速加工實質(zhì)上是一項大的系統(tǒng)工程。隨著切削刀具技術(shù)的進(jìn)步，高速加工已可以應(yīng)用于加工合金鋼（HRC>30），廣泛地應(yīng)用于汽車和電子元件產(chǎn)品中的沖壓模、注塑模具等零件的加工。高速加工的定義依賴于被加工的工件材料的類型。圖1是采用高速加工時對不同材料普遍采用的切削速度。例如，高速加工合金鋼采用的切削速度為500m/min，而這一速度在加工鋁合金時為常規(guī)采用的順銑速度。 
    隨著高速加工的應(yīng)用范圍擴(kuò)大，對新型刀具材料的研究、刀具設(shè)計結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、數(shù)控刀具路徑新策略的產(chǎn)生和切削條件的改善等也有所提高。而且，切削過程的計算機(jī)輔助模擬技術(shù)也出現(xiàn)了，這項技術(shù)對預(yù)測刀具溫度、應(yīng)力、延長刀具使用壽命很有意義。鑄造、沖模、熱壓模和注塑模加工的應(yīng)用代表了鑄鐵、鑄鋼和合金鋼的高速切削應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。工業(yè)領(lǐng)先的國家在沖模和鑄模制造方面，研制時間大部分耗費(fèi)在機(jī)械加工和拋光加工工序上，如圖1所示。沖�；蜩T模的機(jī)械加工和拋光加工約占整個加工費(fèi)用的2/3，而高速銑可正好用來縮短研制周期，降低加工費(fèi)用。
2.高速銑削加工機(jī)床
    超高速切削技術(shù)是切削加工的發(fā)展方向，也是時代發(fā)展的產(chǎn)物。高速切削技術(shù)是切削加工技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，它隨著CNC技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料和新結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而邁上更高的臺階。然而，高速切削技術(shù)自身也存在著一些急待解決的問題，如高硬度材料的切削機(jī)理、刀具在載荷變化過程中的破損、建立高速切削數(shù)據(jù)庫、開發(fā)適用于高速切削加工狀態(tài)的監(jiān)控技術(shù)和綠色制造技術(shù)等。高速切削所用的CNC機(jī)床、刀具和CAD/CAM軟件等，技術(shù)含量高，價格昂貴，使得高速切削投資很大，這在一定程度上制約了高速切削技術(shù)的推廣應(yīng)用。高速切削的高效應(yīng)用要求機(jī)床系統(tǒng)中的部件都必須先進(jìn)，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)機(jī)床結(jié)構(gòu)的剛性
    要求提供高速進(jìn)給的驅(qū)動器(快進(jìn)速度約40m/min,3D輪廓加工速度為10m/min),能夠提供0.4m/s2到10m/s2的加速度和減速度。
(2)主軸和刀柄的剛性
    要求滿足10000r/min到50000r/min的轉(zhuǎn)速，通過主軸壓縮空氣或冷卻系統(tǒng)控制刀柄和主軸間的軸向間隙不大于0.0002英寸。
(3)控制單元
    要求32或64位并行處理器，具有高的數(shù)據(jù)傳輸率，能夠自動加減速。
(4)可靠性與加工工藝
    能夠提高機(jī)床的利用率（6000h/y）和無人操作的可靠性，工藝模型有助于對切削條件和刀具壽命之間關(guān)系的理解。
    常見國內(nèi)外高速加工中心的代表如表1所示。與傳統(tǒng)普通數(shù)控機(jī)床相比，其機(jī)床結(jié)構(gòu)、加工速度和性能表現(xiàn)更加優(yōu)秀，如德國的DMC85高速加工中心，采用直線電機(jī)和電主軸，其主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到30000r/min，進(jìn)給速度達(dá)到120m/min，加速度超過1g（重力加速度）。高速機(jī)床要求高性能的主軸單元和冷卻系統(tǒng)、高剛性的機(jī)床結(jié)構(gòu)、安全裝置和監(jiān)控系統(tǒng)以及優(yōu)良的靜動力特性等，具有技術(shù)含量高、機(jī)床制造難度大等特點(diǎn)。目前國內(nèi)的高速機(jī)床，其性能與國外相比還存在一定的差距。
3.高速切削加工的刀柄和刀具
    由于高速切削加工時離心力和振動的影響，要求刀具具有很高的幾何精度和裝夾重復(fù)定位精度，很高的剛度和高速動平衡的安全可靠性。由于高速切削加工時較大的離心力和振動等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的7:24錐度刀柄系統(tǒng)在進(jìn)行高速切削時表現(xiàn)出明顯的剛性不足、重復(fù)定位精度不高、軸向尺寸不穩(wěn)定等，主軸的膨脹引起刀具及夾緊機(jī)構(gòu)質(zhì)心的偏離，影響刀具的動平衡能力。目前應(yīng)用較多的是HSK高速刀柄和國外現(xiàn)今流行的熱脹冷縮緊固式刀柄。熱脹冷縮緊固式刀柄的加熱系統(tǒng)，其剛性較好，但是刀具可換性較差，一個刀柄只能安裝一種連接直徑的刀具。由于此類加熱系統(tǒng)比較昂貴，在初期時采用HSK類的刀柄系統(tǒng)即可。當(dāng)企業(yè)的高速機(jī)床數(shù)量超過3臺以上時，采用熱脹冷縮緊固式刀柄比較合適。
    刀具是高速切削加工中最活躍重要的因素之一，它直接影響著加工效率、制造成本和產(chǎn)品的加工精度。刀具在高速加工過程中要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊和振動等載荷，因此其硬度和耐磨性、強(qiáng)度和韌性、耐熱性、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性等基本性能是實現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵因素之一。同時不同的材料的工件高速切削在刀具的選用上要注意其與工件材料的匹配性，表2為常用高速刀具對不同工件材料切削加工的適應(yīng)性能力。高速切削加工的刀具技術(shù)發(fā)展速度很快，應(yīng)用較多的如金剛石（PCD）、立方氮化硼（CBN）、陶瓷刀具、涂層硬質(zhì)合金、（碳）氮化鈦硬質(zhì)合金TIC（N）等。目前由于高速機(jī)床和刀具材料價格比較昂貴是影響高速加工在國內(nèi)普及的重要原因之一。其中涂層硬質(zhì)合金在高速加工中應(yīng)用最為廣泛，可用于耐熱合金、鈦合金、高溫合金、鑄鐵、純鋼、鋁合金及復(fù)合材料的高速切削。
    在加工鑄鐵和合金鋼的切削刀具中，硬質(zhì)合金是最常用的刀具材料。硬質(zhì)合金刀具耐磨性好，但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。為提高硬度和表面光潔度，硬質(zhì)合金刀具采用硬的涂層材料進(jìn)行涂層，如氮化鈦、氮化鈦鋁和碳氮化鈦等。直徑在10～40mm范圍內(nèi)，且有碳氮化鈦涂層的硬質(zhì)合金刀片能夠加工洛氏硬度小于42的材料；而氮化鈦鋁涂層的刀具能夠加工洛氏硬度為42甚至更高的材料。可根據(jù)使用要求，選用不同的刀具材料和涂層材料。表3給出了硬質(zhì)合金刀具加工鋁合金材料的切削參數(shù)。
    應(yīng)用于高速切削的刀具和涂層材料可分為：加工鑄鐵的立方氮化硼和氮化硅刀具，加工洛氏硬度達(dá)42的合金鋼的氮化鈦和碳氮化鈦涂層的合金刀具，加工洛氏硬度為42甚至更高的合金鋼的氮化鈦鋁和鋁氮化鈦涂層合金刀具等。經(jīng)過實踐驗證，在復(fù)合材料的銑削加工過程中由于切屑呈現(xiàn)粉末狀，因此要求切削刃比較鋒利耐磨，采用金剛石材料的刀具其效率和精度比普通硬質(zhì)合金要好。鈦合金的切削采用涂層硬質(zhì)合金和YG8的普通硬質(zhì)合金比較理想。