高速加工技術(shù)及其在模具制造中的應(yīng)用

１ 引言
　　20世紀(jì)30年代，德國(guó)科學(xué)家Salomon 通過對(duì)不同材料進(jìn)行切削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：隨著切削速度的增加，切削溫度隨之增加，單位切削力也隨之增加，而當(dāng)切削速度增加到一定臨界值時(shí)，如再增加，切削溫度和切削力反而急劇下降。由此，提出了高速加工的概念，所謂高速加工就是指切削速度高于臨界速度的切削加工。對(duì)不同的切削材料和不同的切削方式來說，高速切削定義的切削速度的范圍也不同，對(duì)于銑削鋁、鎂合金，切削速度大于1000MM／MIN可稱為高速加工，而對(duì)于加工鑄鐵或鋼，切削速度大于305／MIN就可以稱為高速加工了。隨著技術(shù)的發(fā)展，高速加工的概念也在不斷變化，一般而言，高速銑削除了具有高的切削速度和主軸轉(zhuǎn)速外，還應(yīng)具有高的進(jìn)給速度。如一般精銑加工可達(dá)到5000～15000MM／MIN　快速進(jìn)給可達(dá)到20000～60000MM／MIN。
    與常規(guī)切削加工相比，高速加工有如下一些優(yōu)點(diǎn):
①由于采用高的切削速度和高的進(jìn)給速度，高速加工能在單位時(shí)間內(nèi)切除更多的金屬材料，因而切削效率高；
②在高速加工的時(shí)候，可以采用較少的步距，達(dá)到提高零件表面質(zhì)量的目的，采用高速加工技術(shù)，可以使得零件表面達(dá)到磨削的效果；
③由于高速加工時(shí)切削力大大降低、大部分切削熱被切屑帶走，因而工件的變形大大減少；
④高的切削速度意味著高的主軸轉(zhuǎn)速，機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)激勵(lì)的振動(dòng)頻率能大大高于工藝系統(tǒng)的固有頻率，因而使機(jī)床和工藝系統(tǒng)的振動(dòng)小，工作平穩(wěn)，這也有利于提高被加工零件的精度和表量；
⑤由于高速加工時(shí)，切削溫度較低，單位切削力較小，因而刀具的耐用度能得到提高。由于這些優(yōu)點(diǎn)，所以高速加工首先在航空航天制造領(lǐng)域得到應(yīng)用。
高速加工給航空航天帶來的影響有：
①傳統(tǒng)非常難以加工薄壁零件、柔性材料零件的加工，可以利用高速加工的切削力小、切削溫度低的優(yōu)點(diǎn)，利用高速加工技術(shù)進(jìn)行加工；
②高速加工的切削力小、切削效率高，可以采用長(zhǎng)徑比很大的刀具進(jìn)行加工，因而傳統(tǒng)的必須設(shè)計(jì)為組合件的一些零件可以設(shè)計(jì)為整體件了。如蜂窩零件、飛機(jī)的整體框梁等。由于當(dāng)時(shí)高速加工屬于尖端的加工技術(shù)，并且主要應(yīng)用于航空航天等國(guó)防制造領(lǐng)域，因而發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)高速加工機(jī)床的出口實(shí)行管制政策。隨著技術(shù)的進(jìn)步，高速加工技術(shù)不斷成熟，高速加工機(jī)床的成本也不斷下降，使得高速加工技術(shù)已具有向民用制造業(yè)轉(zhuǎn)移的可能性，高速加工技術(shù)在模具制造業(yè)有廣闊的應(yīng)用前景。
根據(jù)高速加工技術(shù)的特點(diǎn)，高速加工技術(shù)應(yīng)用于模具制造業(yè)中主要有如下一些優(yōu)點(diǎn)：
①減少加工工序，粗加工后，直接精加工，不需要半精加工；②表面質(zhì)量提高，減少或不需要打磨；③精度提高，減少試模工作量；④可以使用小刀具加工模具細(xì)節(jié)，減少電極制作和電加工工序；⑤可以在高精度、大進(jìn)給的方式完成淬火鋼的精加工，且達(dá)到很高的模具表面質(zhì)量，因而可以減少傳統(tǒng)加工因精加工后再淬火引起模具變形。速加工技術(shù)主要涉及機(jī)床、刀具、和高速加工數(shù)控編程3個(gè)方面。目前，高速加工機(jī)床和刀具技術(shù)已取得了相當(dāng)進(jìn)展，為高速加工技術(shù)得廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
２ 高速加工機(jī)床
　　實(shí)施高速加工技術(shù)，首先應(yīng)有高速加工機(jī)床。高速加工機(jī)床具有不同于傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)　
　�。ǎ保└咚偌庸�機(jī)床的主軸部件，要求采用耐高溫、高速、能承受大的負(fù)荷的軸承，同時(shí)主軸動(dòng)平衡性能好，有良好的熱穩(wěn)定性，能夠傳遞足夠的力距和功率且能承受高的離心力。主軸的剛性好、有恒定的力矩。帶有檢測(cè)過熱裝置和冷卻裝置。
　   （２）高速加工機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)一般采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高的進(jìn)給速度，達(dá)到大的加速度。
　   （３）高速加工機(jī)床采用高性能的數(shù)控系統(tǒng)，克服傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)算速度低和伺服滯后等缺陷，從而能實(shí)現(xiàn)高精密伺服控制、高速數(shù)控運(yùn)算和全公差控制功能。
　�。ǎ矗└咚偌庸さ臋C(jī)床結(jié)構(gòu)一般通過優(yōu)化設(shè)計(jì)采用較輕的移動(dòng)部件，從而能獲得高的加速度特征。
　�。ǎ担�為了能獲得高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剛度，適應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)的需要，高速加工機(jī)床對(duì)刀具有嚴(yán)格的要求，尤其是對(duì)主軸于刀柄的聯(lián)結(jié)有特殊的要求，廣泛使用的HSK刀具一般使用110的小錐度，而不使用傳統(tǒng)的大錐度刀柄。
　　（６）高速加工具有數(shù)控代碼預(yù)覽功能，即高速加工機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)在進(jìn)行切削加工的過程中，其讀取的加工代碼可以有一定量的超前，以便于機(jī)床調(diào)整進(jìn)給速度以適應(yīng)刀具軌跡變化的需要。
３ 面向高速加工的數(shù)控編程基本原則
　　高速加工對(duì)加工工藝走刀方式有著特殊的要求，高速加工的數(shù)控編程是一項(xiàng)非常復(fù)雜的技術(shù)，NC代碼的編程員必須了解高速加工的工藝過程，再編制數(shù)控加工程序時(shí)，將這些加工工藝考慮進(jìn)去，一般來說，在利用高速加工技術(shù)進(jìn)行模具加工時(shí)，應(yīng)注意如下一些原則：
　�。ǎ保└咚偌庸�時(shí)，由于進(jìn)給速度和切削速度很高，應(yīng)當(dāng)避免刀具突然切入和切出工件，避免切削力的突然變化減少?zèng)_擊。因而，編程者應(yīng)當(dāng)能夠充分預(yù)見刀具是如何切入工件，如何切出工件，盡量采用平穩(wěn)的切入切出方式，下刀或行間、層間的過渡部分最好采用斜式下刀或圓弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料。
　�。ǎ玻┰谶M(jìn)行高速加工時(shí)遇到加工方向改變時(shí)，機(jī)床為了保證加工的精度，避免過切，通過其預(yù)覽功能，在加工方向進(jìn)行改變時(shí)一般會(huì)自動(dòng)進(jìn)行進(jìn)給速度的調(diào)整。但是，當(dāng)加工方向突然改變時(shí)，由于機(jī)床的加速度是有限制的，因而，有可能做不到及時(shí)的速度調(diào)整，造成過切或（欠切），嚴(yán)重的將造成刀具斷裂。同時(shí)，不斷地調(diào)整進(jìn)給速度會(huì)嚴(yán)重降低生產(chǎn)效率。因而，編寫高速加工數(shù)控加工程序時(shí)，應(yīng)盡量避免加工方向的突然改變。行切的端點(diǎn)采用圓弧連接，避免直線連接、層間應(yīng)采用螺旋式連接，避免直線連接。
　�。ǎ常┮�盡可能維持恒定切削負(fù)載，切削深度、進(jìn)給量和切削線速度一定要協(xié)調(diào)好。當(dāng)遇到某處切削深度有可能增加時(shí)，應(yīng)降低進(jìn)給速度，以保持恒定的負(fù)載。編寫高速加工的數(shù)控程序時(shí)，應(yīng)能充分考慮殘留余量的效應(yīng)，最好編程軟件有殘留余量的分析功能，做基于殘留余量的刀具軌跡計(jì)算。同時(shí)，要注意刀具的實(shí)際切削位置，避免切削線速度減低的現(xiàn)象發(fā)生，確實(shí)處于正常的高速加工切削速度范圍，應(yīng)盡量使用多坐標(biāo)編程，通過刀軸旋轉(zhuǎn)來維持恒定的切觸點(diǎn)位置，維持恒定的切削速度。
　�。ǎ矗┑毒呗窂皆胶�(jiǎn)單越好，應(yīng)盡量采用圓弧、曲線等插補(bǔ)功能，傳統(tǒng)的加工模具時(shí)采用的密集點(diǎn)數(shù)據(jù)刀具路徑，不太適合于高速加工，一方面數(shù)據(jù)量太大，加重?cái)?shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)，造成進(jìn)給速度要適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)的處理速度而減低。另一方面，密集的直線段之間，是CO連續(xù)的，因而數(shù)控系統(tǒng)要不斷地調(diào)整進(jìn)給速度，造成進(jìn)給速度升不上去，嚴(yán)重影響加工效率。
　　（５）在進(jìn)行高速加工編程時(shí)，無論從加工精度還是加工安全性考慮，都應(yīng)該進(jìn)行充分的干涉檢查和加工過程仿真。
　　（６）注意進(jìn)行多種加工方案的對(duì)比分析，選取最佳的切削方案。
４ 高速加工對(duì)NCP系統(tǒng)的要求
　　為了能適應(yīng)高速加工數(shù)控編程的要求，針對(duì)高速加工的數(shù)控編程系統(tǒng)應(yīng)該滿足相應(yīng)的特殊要求。
　�。ǎ保㎞CP系統(tǒng)應(yīng)該具有高的計(jì)算編程速度，在高速加工中，一般可采用非常小的進(jìn)給量和切削深度，因而計(jì)算量較傳統(tǒng)的數(shù)控編程大得多。同時(shí)，由于高速加工對(duì)工藝的嚴(yán)格要求一般需要不同方案的對(duì)比分析，這更加大了編程工作量，所以要求編程系統(tǒng)應(yīng)該具有高的編程計(jì)算速度。
　　（２）NCP系統(tǒng)應(yīng)該具有全程自動(dòng)防過切能力和自動(dòng)的干涉檢查能力。高速加工以高出傳統(tǒng)數(shù)控加工近10倍的切削速度和進(jìn)給速度，一旦發(fā)生過切或干涉，其后果將十分嚴(yán)重。傳統(tǒng)的模具數(shù)控加工編程系統(tǒng)一般采用面向曲面的局部加工，比較容易發(fā)生過切現(xiàn)象，一般都是靠人工選擇干預(yù)的方式來防止，很難保證過切防護(hù)的安全性。另外，高速加工在模具的加工制造中經(jīng)常用于模具細(xì)節(jié)部分的加工，以取代傳統(tǒng)的電極加工，這是，比較容易發(fā)生刀柄的干涉，這就要求NCP編程系統(tǒng)能自動(dòng)檢查報(bào)告。
　�。ǎ常┻m合高速加工的NCP系統(tǒng)，應(yīng)該能自動(dòng)進(jìn)行進(jìn)給速率和切削速度的優(yōu)化處理，從而保證在高速加工時(shí)的最大的切削效率、最佳的切削條件和切削加工的安全性。
　�。ǎ矗└咚偌庸ぞ幊滔到y(tǒng)應(yīng)有刀具軌跡的編輯優(yōu)化功能，避免多余的空刀和通過對(duì)刀具軌跡的鏡向、復(fù)制、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作避免重復(fù)計(jì)算，提高編程效率。
　　（５）高速加工編程系統(tǒng)應(yīng)該有NURBS曲線插補(bǔ)的編程功能，通過使用NURBS插補(bǔ)編程，減
少程序長(zhǎng)度。
　�。ǎ叮┻m合高速加工編程的系統(tǒng)應(yīng)該有符合高速加工工藝要求的加工策略。如豐富的行間、層間連接方法，豐富的進(jìn)刀和退刀方法，基于殘留余量的刀具軌跡計(jì)算方法。
　�。ǎ罚┻m合高速加工變編程系統(tǒng)，最好能引入工藝系統(tǒng)的參數(shù)、材料的最佳切削條件、機(jī)床的允許加速度等參數(shù)，能夠自動(dòng)確定允許的加工方向變化的程度（即確定不同曲率半徑的圓弧段允許的進(jìn)給速度的變化程度），軌跡上最小的曲率半徑與進(jìn)給速度的關(guān)系，能夠滿足高速加工對(duì)切削線速度的自動(dòng)的調(diào)整。
５ 具有高速加工編程能力的NCP系統(tǒng)簡(jiǎn)介
　 目前有關(guān)適合高速加工編程的NCP（CAM）系統(tǒng)的研究引起了較為廣泛的重視，在許多商用CAD／CAM統(tǒng)，如英國(guó)DEICOM公司的POWERMILL、以色列的CIMATRON、美國(guó)的UNGRAPHICS　PTC公司的PRO／ENGINRRRING，CNC公司的MASTERCAM等在傳統(tǒng)的NCP模塊中添加了適合于高速加工編程的工藝策略。概括起來主要有如下一些方法：
　　（１）采用光滑的進(jìn)刀、退刀方式。
　　在傳統(tǒng)切削輪廓的加工過程中，有法向進(jìn)、退刀，切向進(jìn)退刀和相鄰輪廓的角分線進(jìn)退刀等。而在高速切削加工輪廓的過程中，應(yīng)盡量采取輪廓的切向進(jìn)退刀方式以保證刀具軌跡的平滑。在對(duì)曲面進(jìn)行加工時(shí)，傳統(tǒng)的數(shù)控加工方法一般采用Ｚ向垂直進(jìn)、退刀，曲面正向與反向的進(jìn)、退刀等方式，而在采用高速切削的方法進(jìn)行曲面加工時(shí)，可采用斜向或螺旋式的進(jìn)刀方式。同時(shí)，ＣＡＭ系統(tǒng)應(yīng)該采用基于知識(shí)的加工方法，這樣當(dāng)螺旋式進(jìn)刀切入材料時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢查刀具信息，如果發(fā)現(xiàn)刀具具有盲區(qū)時(shí)，螺旋加工半徑就不會(huì)無限制減小，從而避免撞刀。這就對(duì)加工過程的安全性提供了周全的保障。
　�。ǎ玻┎捎霉饣�的移刀方式。
　　這里所說的移刀方式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。應(yīng)用于傳統(tǒng)切削加工方式的CAM軟件中的移刀方式大多不適合高速加工的要求。如在行間移刀時(shí)，刀具大多是直接垂直于原來行切方向的法向移刀，導(dǎo)致刀具路徑中存在尖角；在環(huán)切的情況下，環(huán)間移刀也是從原來切削軌跡的法向直接移刀，也會(huì)導(dǎo)致刀具軌跡出現(xiàn)不平滑的情況；在等高線加工的層間移刀時(shí)，也存在移刀尖角。這些導(dǎo)致加工中心頻繁的預(yù)覽減速影響了加工的效率，從而使高速加工不能真正達(dá)到高速加工的
目的。
　　在行間切削用量（行間距）較大的情況下，可以采用切圓弧連接的方法進(jìn)行移刀。但是當(dāng)行間距較小時(shí)，會(huì)由于半徑過小而使圓弧近似地成為一點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致行間的移刀變?yōu)橹本�移刀，從而也導(dǎo)致機(jī)床預(yù)覽減速，影響加工的效率。在這種情況下，應(yīng)該采用高爾夫球竿頭式移刀方式。環(huán)切的移刀通常有兩種方式，一種是圓弧切出與切入連接。這種方法的缺點(diǎn)是在加工3D復(fù)雜零件時(shí)，由于移刀軌跡直接在兩個(gè)刀具路徑之間生成圓弧，在間距較大的情況下，會(huì)產(chǎn)生過切，因此該方法一般多用于在加工中所有的刀具路徑都在一個(gè)平面內(nèi)的2.5軸加工；另一種是空間螺線式移刀。這種方法由于移刀在空間完成，所以避免了上面方法的缺點(diǎn)。在進(jìn)行等高加工時(shí)，切削層之間應(yīng)采用多種螺旋式的移刀方式。
　�。ǎ常┘庸�殘余分析功能。
　　高速加工過程中，為了延長(zhǎng)刀具的使用壽命和保證加工零件的表面質(zhì)量，應(yīng)盡可能保持穩(wěn)定的切削參數(shù)，包括保持切削厚度、進(jìn)給量和切削線速度的穩(wěn)定性。當(dāng)遇到某處切削深度有可能增加時(shí)，應(yīng)該降低進(jìn)給速度，因?yàn)樨?fù)載的變化會(huì)引起刀具的偏斜，從而降低加工精度、表面質(zhì)量和縮短刀具壽命。所以，在很多情況下有必要對(duì)工件輪廓的某些復(fù)雜部分進(jìn)行預(yù)處理，以使高速運(yùn)行的精加工小直刀具不會(huì)因?yàn)榍暗拦ば蚴褂玫拇笾睆降毒吡粝碌?ldquo;加工殘余”而導(dǎo)致切削負(fù)載的突然加大。因此，許多軟件提供了適用于高速加工的 “加工殘余分析”的功能，這一功能使得CAM系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地知道每次切削后加工殘余所在的位置。這既是保持刀具負(fù)載不變的關(guān)鍵，更是關(guān)系到高速加工成敗的關(guān)鍵。
　�。ǎ矗┚哂腥�程自動(dòng)過切處理及自動(dòng)刀柄干涉檢查功能。
高速加工的切削速度比傳統(tǒng)的加工方法高出大約10倍多，一旦發(fā)生過切或干涉，其后果不堪設(shè)想。在高速加工中，一個(gè)提高加工效率的重要手段是采用殘余量加工或清根加工，也就是采用多次加工或采用系列刀具從大到小分次加工，直至達(dá)到所需尺寸，而避免用小刀一次加工完成。這就要求系統(tǒng)能夠自動(dòng)提示最小刀具直徑以及最短夾刀長(zhǎng)度，并能自動(dòng)進(jìn)行刀具干涉檢查。此外，在進(jìn)行數(shù)控加工之前，為了能夠讓用戶直觀地判斷加工過程是否發(fā)生過切或刀柄的干涉，CAM系統(tǒng)應(yīng)該提供加工過程的動(dòng)態(tài)仿真驗(yàn)證，即把加工過程中的零件模型、刀具實(shí)體、切削加工過程及加工結(jié)果，采用不同的顏色一起動(dòng)態(tài)顯示出來，模擬零件的實(shí)際加工過程，不僅可以觀察加工過程，而且可以檢驗(yàn)刀具與約束面是否存在干涉或加工過切的情形；更為先進(jìn)的方法是將機(jī)床模型與加工過程仿真結(jié)合在一起，還可以觀察刀具是否與加工零件以外的其它部件（如夾具）發(fā)生干涉碰撞。
　�。ǎ担┎捎眯碌募庸し椒�。
　�。幔�基于毛坯殘留知識(shí)的加工。
近年來，許多軟件為了適應(yīng)高速加工的需要，引入了“二次粗加工”的思想，該思想正是“毛坯殘留知識(shí)”算法的核心�；�于毛坯殘留知識(shí)的加工，簡(jiǎn)單地講就是基于殘留毛坯的加工。在目前使用的許多粗加工方法中，這種方法已經(jīng)得到大家的一致認(rèn)可。它的工作過程是：先執(zhí)行首次粗加工，然后將加工得到的形狀作為生成下次粗加工刀位軌跡的新毛坯。然后根據(jù)新毛坯，使用各種走刀方式（如行切，環(huán)切等）進(jìn)行粗加工。其實(shí)整個(gè)過程的思想就是始終保持刀具切到材料，減少空走刀，以達(dá)到提高加工效率的目的。在具有這一加工方式的CAM 軟件中，一旦你指定初始毛坯，并設(shè)定之后的加工為基于殘余毛坯的方式，系統(tǒng)在計(jì)算下一步刀位時(shí)總是基于上一步加工后的殘余毛坯。因?yàn)橛辛水?dāng)前毛坯信息，所以隨后產(chǎn)生的刀具軌跡就可以做到比較優(yōu)化、合理。
　�。猓�?dāng)[線加工。
　　為了提高切削速度，人們提出一種被稱為“擺線”加工的刀位軌跡計(jì)算新方法。這種加工方式是使用切削刀具的側(cè)刃來切削被加工材料。“擺線”是圓上一固定點(diǎn)隨著圓沿直線滾動(dòng)時(shí)生成的軌跡。一般來說，擺線是這樣一種曲線：假如曲線A上有一固定點(diǎn)，當(dāng)A沿另一曲線B進(jìn)行無滑動(dòng)的滾動(dòng)時(shí)，固定點(diǎn)的軌跡就是擺線。“擺線”加工非常適合高速銑削，因?yàn)榍邢鞯牡毒呖偸茄刂�一條具有固定半徑的曲線運(yùn)動(dòng)。在整個(gè)加工過程中，它使刀具運(yùn)動(dòng)總能保持一致的進(jìn)給率。
　�。ǎ叮┨峁㎞URBS插補(bǔ)指令生成技術(shù)。
傳統(tǒng)的模具型面數(shù)控加工時(shí)經(jīng)常采用直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)技術(shù)，在高速加工中已不太適用，一則是因?yàn)閿?shù)據(jù)量大，增加機(jī)床數(shù)控處理時(shí)間，一則是不便機(jī)床進(jìn)行進(jìn)給速度控制，影響加速加工的效率。許多軟件和機(jī)床提供NURBS曲線插補(bǔ)技術(shù)　一方面大大降低了數(shù)控程序的數(shù)據(jù)量，一方面光滑了數(shù)控加工刀具軌跡。
６ 結(jié)束語(yǔ)
　　高速加工技術(shù)在模具制造中有廣泛的應(yīng)用前景，高速加工機(jī)床和數(shù)控技術(shù)日趨成熟。面向高速加工技術(shù)的數(shù)控編程技術(shù)的發(fā)展顯得相對(duì)落后，成了制約高速加工技術(shù)在模具制造中廣泛應(yīng)用的瓶頸。值得高興的是，目前眾多的CAM技術(shù)研究者和各大CAD／CAM軟件開發(fā)商正在對(duì)高速加工的數(shù)控編程技術(shù)進(jìn)行廣泛而深入的研究，相信在不遠(yuǎn)的將來，完全適合模具的高速加工的數(shù)控編程系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)。