高速加工技術及其在模具製造中的應用

關鍵詞　高速加工 模具製造 數控程式設計

１ 引言

２０世紀３０年代，德國科學家Salomon 通過對不同材料進行切削試驗，發現了一個有趣的現象：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，而當削速度增加到一定臨界值時，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於臨界速度的切削加工。對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範圍也不同，對於銑削鋁、鎂合金，切削速度大於１０００ｍ／ｍｉｎ可稱為高速加工，而對於加工鑄鐵或鋼，切削速度大於３０５ｍ／ｍｉｎ就可以稱為高速加工了。隨著技術的發展，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速外，還應具有高的進給速度。如一般精銑加工可達到５０００～１５０００ｍｍ／ｍｉｎ　快速進給可達到２００００～６００００ｍｍ／ｍｉｎ。與常規切削加工相比，高速加工有如下一些優點，①由於採用高的切削速度和高的進給速度，高速加工能在單位時間內切除更多的金屬材料，因而切削效率高；②在高速加工的時候，可以採用較少的步距，達到提高零件表面質量的目的，採用高速加工技術，可以使得零件表面達到磨削的效果；③由於高速加工時切削力大大降低、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速，機床運轉激勵的振動頻率能大大高於工藝系統的固有頻率，因而使機床和工藝系統的振動小，工作平穩，這也有利於提高被加工零件的精度和表面質量；⑤由於高速加工時，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。

由於這些優點，所以高速加工首先在航空航天製造領域得到應用。高速加工給航空航天帶來的影響有：

①傳統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、切削溫度低的優點，利用高速加工技術進行加工；②高速加工的切削力小、切削效率高，可以採用長徑比很大的刀具進行加工，因而傳統的必須設計為組合件的一些零件可以設計為整體件了。如蜂窩零件、飛機的整體框樑等。由於當時高速加工屬於尖端的加工技術，並且主要應用於航空航天等國防制造領域，因而發達國家對高速加工機床的出口實行管制政策。隨著技術的進步，高速加工技術不斷成熟，高速加工機床的成本也不斷下降，使得高速加工技術已具有向民用製造業轉移的可能性，高速加工技術在模具製造行業有廣闊的應用前景。根據高速加工技術的特點，高速加工技術應用於模具製造業中主要有如下一些優點：①減少加工工序，粗加工後，直接精加工，不需要半精加工；②表面質量提高，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節，減少電極製作和電加工工序；⑤可以在高精度、大進給的方式完成淬火鋼的精加工，且達到很高的模具表面質量，因而可以減少傳統加工因精加工後再淬火引起模具變形。

高速加工技術主要涉及機床、刀具、和高速加工數控程式設計３個方面。目前，高速加工機床和刀具技術已取得了相當進展，為高速加工技術得廣泛應用奠定了基礎。

２ 高速加工機床

實施高速加工技術，首先應有高速加工機床。高速加工機床具有不同於傳統數控機床的特點　

（１）高速加工機床的主軸部件，要求採用耐高溫、高速、能承受大的負荷的軸承，同時主軸動平衡效能好，有良好的熱穩定性，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、有恆定的力矩。帶有檢測過熱裝置和冷卻裝置。

（２）高速加工機床的進給系統一般採用直線電機驅動，能夠實現高的進給速度，達到大的加速度。

（３）高速加工機床採用高效能的數控系統，克服傳統數控機床的運算速度低和伺服滯後等缺陷，從而能實現高精密伺服控制、高速數控運算和全公差控制功能。

（４）高速加工的機床結構一般通過優化設計採用較輕的移動部件，從而能獲得高的加速度特徵。

（５）為了能獲得高的靜態和動態剛度，適應高速旋轉的需要，高速加工機床對刀具有嚴格的要求，尤其是對主軸於刀柄的聯結有特殊的要求，廣泛使用的ＨＳＫ刀具一般使用１１０的小錐度，而不使用
傳統的大錐度刀柄。

（６）高速加工具有數控程式碼預覽功能，即高速加工機床的數控系統在進行切削加工的過程中，其讀取的加工程式碼可以有一定量的超前，以便於機床調整進給速度以適應刀具軌跡變化的需要。

３ 面向高速加工的數控程式設計基本原則

高速加工對加工工藝走刀方式有著特殊的要求，高速加工的數控程式設計是一項非常複雜的技術，ＮＣ程式碼的程式設計員必須瞭解高速加工的工藝過程，再編制數控加工程式時，將這些加工工藝考慮進去，一般來說，在利用高速加工技術進行模具加工時，應注意如下一些原則：

（１）高速加工時，由於進給速度和切削速度很高，應當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衝擊。因而，程式設計者應當能夠充分預見刀具是如何切入工件，如何切出工件，儘量採用平穩的切入切出方式，下刀或行間、層間的過渡部分最好採用斜式下刀或圓弧下刀，避免垂直下刀直接接近
工件材料。

（２）在進行高速加工時遇到加工方向改變時，機床為了保證加工的精度，避免過切，通過其預覽功能，在加工方向進行改變時一般會自動進行進給速度的調整。但是，當加工方向突然改變時，由於機床的加速度是有限制的，因而，有可能做不到及時的速度調整，造成過切或（欠切），嚴重的將造成刀具斷裂。同時，不斷地調整進給速度會嚴重降低生產效率。因而，編寫高速加工數控加工程式時，應儘量避免加工方向的突然改變。行切的端點採用圓弧連線，避免直線連線、層間應採用螺旋式連線，避免直線連線。

（３）要儘可能維持恆定切削負載，切削深度、進給量和切削線速度一定要協調好。當遇到某處切削深度有可能增加時，應降低進給速度，以保持恆定的負載。編寫高速加工的數控程式時，應能充分考慮殘留餘量的效應，最好程式設計軟體有殘留餘量的分析功能，做基於殘留餘量的刀具軌跡計算。同時，要注意刀具的實際切削位置，避免切削線速度減低的現象發生，確實處於正常的高速加工切削速度範圍，應儘量使用多座標程式設計，通過刀軸旋轉來維持恆定的切觸點位置，維持恆定的切削速度。

（４）刀具路徑越簡單越好，應儘量採用圓弧、曲線等插補功能，傳統的加工模具時採用的密集點資料刀具路徑，不太適合於高速加工，一方面資料量太大，加重數控系統的資料處理負擔，造成進給速度要適應數控系統的處理速度而減低。另一方面，密集的直線段之間，是Ｃ０連續的，因而數控系統要不斷地調整進給速度，造成進給速度升不上去，嚴重影響加工效率。

（５）在進行高速加工程式設計時，無論從加工精度還是加工安全性考慮，都應該進行充分的干涉檢查和加工過程模擬。

（６）注意進行多種加工方案的對比分析，選取最佳的切削方案。

４ 高速加工對ＮＣＰ系統的要求

為了能適應高速加工數控程式設計的要求，針對高速加工的數控程式設計系統應該滿足相應的特殊要求。

（１）ＮＣＰ系統應該具有高的計算程式設計速度，在高速加工中，一般可採用非常小的進給量和切削深度，因而計算量較傳統的數控程式設計大得多。同時，由於高速加工對工藝的嚴格要求一般需要不同方案的對比分析，這更加大了程式設計工作量，所以要求程式設計系統應該具有高的程式設計計算速度。

（２）ＮＣＰ系統應該具有全程自動防過切能力和自動的干涉檢查能力。高速加工以高出傳統數控加工近１０倍的切削速度和進給速度，一旦發生過切或干涉，其後果將十分嚴重。傳統的模具數控加工程式設計系統一般採用面向曲面的區域性加工，比較容易發生過切現象，一般都是靠人工選擇干預的方式來防止，很難保證過切防護的安全性。另外，高速加工在模具的加工製造中經常用於模具細節部分的加工，以取代傳統的電極加工，這是，比較容易發生刀柄的干涉，這就要求ＮＣＰ程式設計系統能自動檢查報告。

（３）適合高速加工的ＮＣＰ系統，應該能自動進行進給速率和切削速度的優化處理，從而保證在高速加工時的最大的切削效率、最佳的切削條件和切削加工的安全性。

（４）高速加工程式設計系統應有刀具軌跡的編輯優化功能，避免多餘的空刀和通過對刀具軌跡的鏡向、複製、移動、旋轉等操作避免重複計算，提高程式設計效率。

（５）高速加工程式設計系統應該有ＮＵＲＢＳ曲線插補的程式設計功能，通過使用ＮＵＲＢＳ插補程式設計，減少程式長度。

（６）適合高速加工程式設計的系統應該有符合高速加工工藝要求的加工策略。如豐富的行間、層間連線方法，豐富的進刀和退刀方法，基於殘留餘量的刀具軌跡計算方法。

（７）適合高速加工變程式設計系統，最好能引入工藝系統的引數、材料的最佳切削條件、機床的允許加速度等引數，能夠自動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給速度的變化程度），軌跡上最小的曲率半徑與進給速度的關係，能夠滿足高速加工對切削線速度的自動的調整。

５ 具有高速加工程式設計能力的ＮＣＰ系統簡介

目前有關適合高速加工程式設計的ＮＣＰ（ＣＡＭ）系統的研究引起了較為廣泛的重視，在許多商用ＣＡＤ／ＣＡＭ系統，如英國Ｄｅｌｃｏｍ公司的ＰｏｗｅｒＭｉｌｌ、以色列的Ｃｉｍａｔｒｏｎ、美國的Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ　ＰＴＣ公司的Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣＮＣ公司的ＭａｓｔｅｒＣＡＭ等在傳統的ＮＣＰ模組中添加了適合於高速加工程式設計的工藝策略。概括起來主要有如下一些方法：

（１）採用光滑的進刀、退刀方式。

在傳統切削輪廓的加工過程中，有法向進、退刀，切向進退刀和相鄰輪廓的角分線進退刀等。而在高速切削加工輪廓的過程中，應儘量採取輪廓的切向進退刀方式以保證刀具軌跡的平滑。在對曲面進行加工時，傳統的數控加工方法一般採用Ｚ向垂直進、退刀，曲面正向與反向的進、退刀等方式，而在採用高速

切削的方法進行曲面加工時，可採用斜向或螺旋式的進刀方式。同時，ＣＡＭ系統應該採用基於知識的加工方法，這樣當螺旋式進刀切入材料時，系統會自動檢查刀具資訊，如果發現刀具具有盲區時，螺旋加工半徑就不會無限制減小，從而避免撞刀。這就對加工過程的安全性提供了周全的保障。

（２）採用光滑的移刀方式。
這裡所說的移刀方式指的是行切中的行間移刀，環切中的環間移刀，等高加工的層間移刀等。應用於傳統切削加工方式的ＣＡＭ軟體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，刀具大多是直接垂直於原來行切方向的法向移刀，導致刀具路徑中存在尖角；在環切的情況下，環間移刀也是從原來切削軌跡的法向直接移刀，也會導致刀具軌跡出現不平滑的情況；在等高線加工的層間移刀時，也存在移刀尖角。這些導致加工中心頻繁的預覽減速影響了加工的效率，從而使高速加工不能真正達到高速加工的
目的。

在行間切削用量（行間距）較大的情況下，可以採用切圓弧連線的方法進行移刀。但是當行間距較小時，會由於半徑過小而使圓弧近似地成為一點，進而導致行間的移刀變為直線移刀，從而也導致機床預覽減速，影響加工的效率。在這種情況下，應該採用高爾夫球竿頭式移刀方式。環切的移刀通常有兩種方式，一種是圓弧切出與切入連線。這種方法的缺點是在加工３Ｄ複雜零件時，由於移刀軌跡直接在兩個刀具路徑之間生成圓弧，在間距較大的情況下，會產生過切，因此該方法一般多用於在加工中所有的刀具路徑都在一個平面內的２．５軸加工；另一種是空間螺線式移刀。這種方法由於移刀在空間完成，所以避免了上面方法的缺點。在進行等高加工時，切削層之間應採用多種螺旋式的移刀方式。

（３）加工殘餘分析功能。

高速加工過程中，為了延長刀具的使用壽命和保證加工零件的表面質量，應儘可能保持穩定的切削引數，包括保持切削厚度、進給量和切削線速度的穩定性。當遇到某處切削深度有可能增加時，應該降低進給速度，因為負載的變化會引起刀具的偏斜，從而降低加工精度、表面質量和縮短刀具壽命。所以，在很多情況下有必要對工件輪廓的某些複雜部分進行預處理，以使高速執行的精加工小直徑刀具不會因為前道工序使用的大直徑刀具留下的“加工殘餘”而導致切削負載的突然加大。

因此，許多軟體提供了適用於高
速加工的 “加工殘餘分析”的功能，這一功能使得ＣＡＭ系統能夠準確地知道每次切削後加工殘餘所在的位置。這既是保持刀具負載不變的關鍵，更是關係到高速加工成敗的關鍵。

（４）具有全程自動過切處理及自動刀柄干涉檢查功能。

高速加工的切削速度比傳統的加工方法高出大約１０倍多，一旦發生過切或干涉，其後果不堪設想。在高速加工中，一個提高加工效率的重要手段是採用殘餘量加工或清根加工，也就是採用多次加工或採用系列刀具從大到小分次加工，直至達到所需尺寸，而避免用小刀一次加工完成。這就要求系統能夠自動提示最小刀具直徑以及最短夾刀長度，並能自動進行刀具干涉檢查。此外，在進行數控加工之前，為了能夠讓使用者直觀地判斷加工過程是否發生過切或刀柄的干涉，ＣＡＭ系統應該提供加工過程的動態模擬驗證，
即把加工過程中的零件模型、刀具實體、切削加工過程及加工結果，採用不同的顏色一起動態顯示出來，模擬零件的實際加工過程，不僅可以觀察加工過程，而且可以檢驗刀具與約束面是否存在干涉或加工過切的情形；更為先進的方法是將機床模型與加工過程模擬結合在一起，還可以觀察刀具是否與加工零件以外的其它部件（如夾具）發生干涉碰撞。

（５）採用新的加工方法。

ａ．基於毛坯殘留知識的加工。

近年來，許多軟體為了適應高速加工的需要，引入了“二次粗加工”的思想，該思想正是“毛坯殘留知識”演算法的核心。基於毛坯殘留知識的加工，簡單地講就是基於殘留毛坯的加工。在目前使用的許多粗加工方法中，這種方法已經得到大家的一致認可。它的工作過程是：先執行首次粗加工，然後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。然後根據新毛坯，使用各種走刀方式（如行切，環切等）進行粗加工。其實整個過程的思想就是始終保持刀具切到材料，減少空走刀，以達到提高加工效率的目的。在具有這一加工方式的ＣＡＭ 軟體中，一旦你指定初始毛坯，並設定之後的加工為基於殘餘毛坯的方式，系統在計算下一步刀位時總是基於上一步加工後的殘餘毛坯。因為有了當前毛坯資訊，所以隨後產生的刀具軌跡就可以做到比較優化、合理。

ｂ．擺線加工。

為了提高切削速度，人們提出一種被稱為“擺線”加工的刀位軌跡計算新方法。這種加工方式是使用切削刀具的側刃來切削被加工材料。“擺線”是圓上一固定點隨著圓沿直線滾動時生成的軌跡。一般來說，擺線是這樣一種曲線：假如曲線Ａ上有一固定點，當Ａ沿另一曲線Ｂ進行無滑動的滾動時，固定點的軌跡就是擺線。“擺線”加工非常適合高速銑削，因為切削的刀具總是沿著一條具有固定半徑的曲線運動。在整個加工過程中，它使刀具運動總能保持一致的進給率。

（６）提供ＮＵＲＢＳ插補指令生成技術。

傳統的模具型面數控加工時經常採用直線插補和圓弧插補技術，在高速加工中已不太適用，一則是因為資料量大，增加機床數控處理時間，一則是不便機床進行進給速度控制，影響加速加工的效率。許多軟體和機床提供ＮＵＲＢＳ曲線插補技術　一方面大大降低了數控程式的資料量，一方面光滑了數控加工刀具軌跡。

６ 結束語

高速加工技術在模具製造中有廣泛的應用前景，高速加工機床和數控技術日趨成熟。面向高速加工技術的數控程式設計技術的發展顯得相對落後，
了制約高速加工技術在模具製造中廣泛應用的瓶頸。值得高興的是，目前眾多的ＣＡＭ技術研究者和各大ＣＡＤ／ＣＡＭ軟體開發商正在對高速加工的數控程式設計技術進行廣泛而深入的研究，相信在不遠的將來，完全適合模具的高速加工的數控程式設計系統就會出現。