高速加工技术及其在模具制造中的应用

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高速加工技术及其在模具制造中的应用

摘要　在介绍高速加工的基本概念的基础上，分析了高速加工技术在模具制造中的应用前景。总结了面向高速加工的数控编程基本原则和高速加工技术对数控编程系统的要求。介绍了现有数控编程软件中采用的面向高速加工的工艺措施。
关键词　高速加工 模具制造 数控编程

１ 引言

２０世纪３０年代，德国科学家Salomon 通过对不同材料进行切削试验，发现了一个有趣的现象：随着切削速度的增加，切削温度随之增加，单位切削力也随之增加，而当削速度增加到一定临界值时，如再增加，切削温度和切削力反而急剧下降。由此，提出了高速加工的概念，所谓高速加工就是指切削速度高于临界速度的切削加工。对不同的切削材料和不同的切削方式来说，高速切削定义的切削速度的范围也不同，对于铣削铝、镁合金，切削速度大于１０００ｍ／ｍｉｎ可称为高速加工，而对于加工铸铁或钢，切削速度大于３０５ｍ／ｍｉｎ就可以称为高速加工了。随着技术的发展，高速加工的概念也在不断变化，一般而言，高速铣削除了具有高的切削速度和主轴转速外，还应具有高的进给速度。如一般精铣加工可达到５０００～１５０００ｍｍ／ｍｉｎ　快速进给可达到２００００～６００００ｍｍ／ｍｉｎ。与常规切削加工相比，高速加工有如下一些优点，①由于采用高的切削速度和高的进给速度，高速加工能在单位时间内切除更多的金属材料，因而切削效率高；②在高速加工的时候，可以采用较少的步距，达到提高零件表面质量的目的，采用高速加工技术，可以使得零件表面达到磨削的效果；③由于高速加工时切削力大大降低、大部分切削热被切屑带走，因而工件的变形大大减少；④高的切削速度意味着高的主轴转速，机床运转激励的振动频率能大大高于工艺系统的固有频率，因而使机床和工艺系统的振动小，工作平稳，这也有利于提高被加工零件的精度和表面质量；⑤由于高速加工时，切削温度较低，单位切削力较小，因而刀具的耐用度能得到提高。

由于这些优点，所以高速加工首先在航空航天制造领域得到应用。高速加工给航空航天带来的影响有：

①传统非常难以加工薄壁零件、柔性材料零件的加工，可以利用高速加工的切削力小、切削温度低的优点，利用高速加工技术进行加工；②高速加工的切削力小、切削效率高，可以采用长径比很大的刀具进行加工，因而传统的必须设计为组合件的一些零件可以设计为整体件了。如蜂窝零件、飞机的整体框梁等。由于当时高速加工属于尖端的加工技术，并且主要应用于航空航天等国防制造领域，因而发达国家对高速加工机床的出口实行管制政策。随着技术的进步，高速加工技术不断成熟，高速加工机床的成本也不断下降，使得高速加工技术已具有向民用制造业转移的可能性，高速加工技术在模具制造行业有广阔的应用前景。根据高速加工技术的特点，高速加工技术应用于模具制造业中主要有如下一些优点：①减少加工工序，粗加工后，直接精加工，不需要半精加工；②表面质量提高，减少或不需要打磨；③精度提高，减少试模工作量；④可以使用小刀具加工模具细节，减少电极制作和电加工工序；⑤可以在高精度、大进给的方式完成淬火钢的精加工，且达到很高的模具表面质量，因而可以减少传统加工因精加工后再淬火引起模具变形。

高速加工技术主要涉及机床、刀具、和高速加工数控编程３个方面。目前，高速加工机床和刀具技术已取得了相当进展，为高速加工技术得广泛应用奠定了基础。

２ 高速加工机床

实施高速加工技术，首先应有高速加工机床。高速加工机床具有不同于传统数控机床的特点　

（１）高速加工机床的主轴部件，要求采用耐高温、高速、能承受大的负荷的轴承，同时主轴动平衡性能好，有良好的热稳定性，能够传递足够的力距和功率且能承受高的离心力。主轴的刚性好、有恒定的力矩。带有检测过热装置和冷却装置。
（２）高速加工机床的进给系统一般采用直线电机驱动，能够实现高的进给速度，达到大的加速度。

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（３）高速加工机床采用高性能的数控系统，克服传统数控机床的运算速度低和伺服滞后等缺陷，从而能实现高精密伺服控制、高速数控运算和全公差控制功能。

（４）高速加工的机床结构一般通过优化设计采用较轻的移动部件，从而能获得高的加速度特征。

（５）为了能获得高的静态和动态刚度，适应高速旋转的需要，高速加工机床对刀具有严格的要求，尤其是对主轴于刀柄的联结有特殊的要求，广泛使用的ＨＳＫ刀具一般使用１１０的小锥度，而不使用
传统的大锥度刀柄。

（６）高速加工具有数控代码预览功能，即高速加工机床的数控系统在进行切削加工的过程中，其读取的加工代码可以有一定量的超前，以便于机床调整进给速度以适应刀具轨迹变化的需要。

３ 面向高速加工的数控编程基本原则

高速加工对加工工艺走刀方式有着特殊的要求，高速加工的数控编程是一项非常复杂的技术，ＮＣ代码的编程员必须了解高速加工的工艺过程，再编制数控加工程序时，将这些加工工艺考虑进去，一般来说，在利用高速加工技术进行模具加工时，应注意如下一些原则：

（１）高速加工时，由于进给速度和切削速度很高，应当避免刀具突然切入和切出工件，避免切削力的突然变化减少冲击。因而，编程者应当能够充分预见刀具是如何切入工件，如何切出工件，尽量采用平稳的切入切出方式，下刀或行间、层间的过渡部分最好采用斜式下刀或圆弧下刀，避免垂直下刀直接接近
工件材料。

（２）在进行高速加工时遇到加工方向改变时，机床为了保证加工的精度，避免过切，通过其预览功能，在加工方向进行改变时一般会自动进行进给速度的调整。但是，当加工方向突然改变时，由于机床的加速度是有限制的，因而，有可能做不到及时的速度调整，造成过切或（欠切），严重的将造成刀具断裂。同时，不断地调整进给速度会严重降低生产效率。因而，编写高速加工数控加工程序时，应尽量避免加工方向的突然改变。行切的端点采用圆弧连接，避免直线连接、层间应采用螺旋式连接，避免直线连接。

（３）要尽可能维持恒定切削负载，切削深度、进给量和切削线速度一定要协调好。当遇到某处切削深度有可能增加时，应降低进给速度，以保持恒定的负载。编写高速加工的数控程序时，应能充分考虑残留余量的效应，最好编程软件有残留余量的分析功能，做基于残留余量的刀具轨迹计算。同时，要注意刀具的实际切削位置，避免切削线速度减低的现象发生，确实处于正常的高速加工切削速度范围，应尽量使用多坐标编程，通过刀轴旋转来维持恒定的切触点位置，维持恒定的切削速度。

（４）刀具路径越简单越好，应尽量采用圆弧、曲线等插补功能，传统的加工模具时采用的密集点数据刀具路径，不太适合于高速加工，一方面数据量太大，加重数控系统的数据处理负担，造成进给速度要适应数控系统的处理速度而减低。另一方面，密集的直线段之间，是Ｃ０连续的，因而数控系统要不断地调整进给速度，造成进给速度升不上去，严重影响加工效率。

（５）在进行高速加工编程时，无论从加工精度还是加工安全性考虑，都应该进行充分的干涉检查和加工过程仿真。

（６）注意进行多种加工方案的对比分析，选取最佳的切削方案。

４ 高速加工对ＮＣＰ系统的要求

为了能适应高速加工数控编程的要求，针对高速加工的数控编程系统应该满足相应的特殊要求。

（１）ＮＣＰ系统应该具有高的计算编程速度，在高速加工中，一般可采用非常小的进给量和切削深度，因而计算量较传统的数控编程大得多。同时，由于高速加工对工艺的严格要求一般需要不同方案的对比分析，这更加大了编程工作量，所以要求编程系统应该具有高的编程计算速度。

（２）ＮＣＰ系统应该具有全程自动防过切能力和自动的干涉检查能力。高速加工以高出传统数控加工近１０倍的切削速度和进给速度，一旦发生过切或干涉，其后果将十分严重。传统的模具数控加工编程系统一般采用面向曲面的局部加工，比较容易发生过切现象，一般都是靠人工选择干预的方式来防止，很难保证过切防护的安全性。另外，高速加工在模具的加工制造中经常用于模具细节部分的加工，以取代传统的电极加工，这是，比较容易发生刀柄的干涉，这就要求ＮＣＰ编程系统能自动检查报告。

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（３）适合高速加工的ＮＣＰ系统，应该能自动进行进给速率和切削速度的优化处理，从而保证在高速加工时的最大的切削效率、最佳的切削条件和切削加工的安全性。

（４）高速加工编程系统应有刀具轨迹的编辑优化功能，避免多余的空刀和通过对刀具轨迹的镜向、复制、移动、旋转等操作避免重复计算，提高编程效率。

（５）高速加工编程系统应该有ＮＵＲＢＳ曲线插补的编程功能，通过使用ＮＵＲＢＳ插补编程，减少程序长度。

（６）适合高速加工编程的系统应该有符合高速加工工艺要求的加工策略。如丰富的行间、层间连接方法，丰富的进刀和退刀方法，基于残留余量的刀具轨迹计算方法。

（７）适合高速加工变编程系统，最好能引入工艺系统的参数、材料的最佳切削条件、机床的允许加速度等参数，能够自动确定允许的加工方向变化的程度（即确定不同曲率半径的圆弧段允许的进给速度的变化程度），轨迹上最小的曲率半径与进给速度的关系，能够满足高速加工对切削线速度的自动的调整。

５ 具有高速加工编程能力的ＮＣＰ系统简介

目前有关适合高速加工编程的ＮＣＰ（ＣＡＭ）系统的研究引起了较为广泛的重视，在许多商用ＣＡＤ／ＣＡＭ系统，如英国Ｄｅｌｃｏｍ公司的ＰｏｗｅｒＭｉｌｌ、以色列的Ｃｉｍａｔｒｏｎ、美国的Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ　ＰＴＣ公司的Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣＮＣ公司的ＭａｓｔｅｒＣＡＭ等在传统的ＮＣＰ模块中添加了适合于高速加工编程的工艺策略。概括起来主要有如下一些方法：

（１）采用光滑的进刀、退刀方式。

在传统切削轮廓的加工过程中，有法向进、退刀，切向进退刀和相邻轮廓的角分线进退刀等。而在高速切削加工轮廓的过程中，应尽量采取轮廓的切向进退刀方式以保证刀具轨迹的平滑。在对曲面进行加工时，传统的数控加工方法一般采用Ｚ向垂直进、退刀，曲面正向与反向的进、退刀等方式，而在采用高速

切削的方法进行曲面加工时，可采用斜向或螺旋式的进刀方式。同时，ＣＡＭ系统应该采用基于知识的加工方法，这样当螺旋式进刀切入材料时，系统会自动检查刀具信息，如果发现刀具具有盲区时，螺旋加工半径就不会无限制减小，从而避免撞刀。这就对加工过程的安全性提供了周全的保障。

（２）采用光滑的移刀方式。
这里所说的移刀方式指的是行切中的行间移刀，环切中的环间移刀，等高加工的层间移刀等。应用于传统切削加工方式的ＣＡＭ软件中的移刀方式大多不适合高速加工的要求。如在行间移刀时，刀具大多是直接垂直于原来行切方向的法向移刀，导致刀具路径中存在尖角；在环切的情况下，环间移刀也是从原来切削轨迹的法向直接移刀，也会导致刀具轨迹出现不平滑的情况；在等高线加工的层间移刀时，也存在移刀尖角。这些导致加工中心频繁的预览减速影响了加工的效率，从而使高速加工不能真正达到高速加工的
目的。

在行间切削用量（行间距）较大的情况下，可以采用切圆弧连接的方法进行移刀。但是当行间距较小时，会由于半径过小而使圆弧近似地成为一点，进而导致行间的移刀变为直线移刀，从而也导致机床预览减速，影响加工的效率。在这种情况下，应该采用高尔夫球竿头式移刀方式。环切的移刀通常有两种方式，一种是圆弧切出与切入连接。这种方法的缺点是在加工 ３Ｄ复杂零件时，由于移刀轨迹直接在两个刀具路径之间生成圆弧，在间距较大的情况下，会产生过切，因此该方法一般多用于在加工中所有的刀具路径都在一个平面内的２．５轴加工；另一种是空间螺线式移刀。这种方法由于移刀在空间完成，所以避免了上面方法的缺点。在进行等高加工时，切削层之间应采用多种螺旋式的移刀方式。

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（３）加工残余分析功能。

高速加工过程中，为了延长刀具的使用寿命和保证加工零件的表面质量，应尽可能保持稳定的切削参数，包括保持切削厚度、进给量和切削线速度的稳定性。当遇到某处切削深度有可能增加时，应该降低进给速度，因为负载的变化会引起刀具的偏斜，从而降低加工精度、表面质量和缩短刀具寿命。所以，在很多情况下有必要对工件轮廓的某些复杂部分进行预处理，以使高速运行的精加工小直径刀具不会因为前道工序使用的大直径刀具留下的“加工残余”而导致切削负载的突然加大。

因此，许多软件提供了适用于高
速加工的 “加工残余分析”的功能，这一功能使得ＣＡＭ系统能够准确地知道每次切削后加工残余所在的位置。这既是保持刀具负载不变的关键，更是关系到高速加工成败的关键。

（４）具有全程自动过切处理及自动刀柄干涉检查功能。

高速加工的切削速度比传统的加工方法高出大约１０倍多，一旦发生过切或干涉，其后果不堪设想。在高速加工中，一个提高加工效率的重要手段是采用残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从大到小分次加工，直至达到所需尺寸，而避免用小刀一次加工完成。这就要求系统能够自动提示最小刀具直径以及最短夹刀长度，并能自动进行刀具干涉检查。此外，在进行数控加工之前，为了能够让用户直观地判断加工过程是否发生过切或刀柄的干涉，ＣＡＭ系统应该提供加工过程的动态仿真验证，
即把加工过程中的零件模型、刀具实体、切削加工过程及加工结果，采用不同的颜色一起动态显示出来，模拟零件的实际加工过程，不仅可以观察加工过程，而且可以检验刀具与约束面是否存在干涉或加工过切的情形；更为先进的方法是将机床模型与加工过程仿真结合在一起，还可以观察刀具是否与加工零件以外的其它部件（如夹具）发生干涉碰撞。

（５）采用新的加工方法。

ａ．基于毛坯残留知识的加工。

近年来，许多软件为了适应高速加工的需要，引入了“二次粗加工”的思想，该思想正是“毛坯残留知识”算法的核心。基于毛坯残留知识的加工，简单地讲就是基于残留毛坯的加工。在目前使用的许多粗加工方法中，这种方法已经得到大家的一致认可。它的工作过程是：先执行首次粗加工，然后将加工得到的形状作为生成下次粗加工刀位轨迹的新毛坯。然后根据新毛坯，使用各种走刀方式（如行切，环切等）进行粗加工。其实整个过程的思想就是始终保持刀具切到材料，减少空走刀，以达到提高加工效率的目的。在具有这一加工方式的ＣＡＭ 软件中，一旦你指定初始毛坯，并设定之后的加工为基于残余毛坯的方式，系统在计算下一步刀位时总是基于上一步加工后的残余毛坯。因为有了当前毛坯信息，所以随后产生的刀具轨迹就可以做到比较优化、合理。

ｂ．摆线加工。

为了提高切削速度，人们提出一种被称为“摆线”加工的刀位轨迹计算新方法。这种加工方式是使用切削刀具的侧刃来切削被加工材料。“摆线”是圆上一固定点随着圆沿直线滚动时生成的轨迹。一般来说，摆线是这样一种曲线：假如曲线Ａ上有一固定点，当Ａ沿另一曲线Ｂ进行无滑动的滚动时，固定点的轨迹就是摆线。“摆线”加工非常适合高速铣削，因为切削的刀具总是沿着一条具有固定半径的曲线运动。在整个加工过程中，它使刀具运动总能保持一致的进给率。

（６）提供ＮＵＲＢＳ插补指令生成技术。

传统的模具型面数控加工时经常采用直线插补和圆弧插补技术，在高速加工中已不太适用，一则是因为数据量大，增加机床数控处理时间，一则是不便机床进行进给速度控制，影响加速加工的效率。许多软件和机床提供ＮＵＲＢＳ曲线插补技术　一方面大大降低了数控程序的数据量，一方面光滑了数控加工刀具轨迹。

６ 结束语

高速加工技术在模具制造中有广泛的应用前景，高速加工机床和数控技术日趋成熟。面向高速加工技术的数控编程技术的发展显得相对落后，
了制约高速加工技术在模具制造中广泛应用的瓶颈。值得高兴的是，目前众多的ＣＡＭ技术研究者和各大ＣＡＤ／ＣＡＭ软件开发商正在对高速加工的数控编程技术进行广泛而深入的研究，相信在不远的将来，完全适合模具的高速加工的数控编程系统就会出现。