高速加工數(shù)控編程的研究

安明浩 張?jiān)虑?/p>

加野麥克斯儀器（沈陽(yáng)）有限公司 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院（ 沈陽(yáng) 110000 ）

高速銑削一般采用高的銑削速度，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給量，小的徑向和軸向銑削深度。銑削時(shí)，大量的銑削熱被切屑帶走，因此，工件的表面溫度較低。隨著銑削速度的提高，銑削力略有下降，表面質(zhì)量提高，加工生產(chǎn)率隨之增加。但是隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，機(jī)床的結(jié)構(gòu)、刀具結(jié)構(gòu)、刀具裝夾和機(jī)床特性都有本質(zhì)上的改變。

正是由于高速切削的特殊性和控制的復(fù)雜性，在高速切削條件下，傳統(tǒng)的NC程序已不能適應(yīng)要求。因此，必須認(rèn)真考慮加工過(guò)程中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，深入研究高速切削狀態(tài)下的數(shù)控編程。

1 高速切削對(duì)數(shù)控編程的具體要求

高速切削中的NC編程并不僅僅局限于切削速度、切削深度和進(jìn)給量的不同。NC編程人員必須改變?nèi)考庸げ呗裕詣?chuàng)建有效、精確、安全的刀具路徑，從而得到預(yù)期的表面精度。高速切削對(duì)數(shù)控編程的具體要求如下。

(1)保持恒定的切削載荷

隨著高速加工的進(jìn)行，保持恒定的切削載荷非常重要。而保持恒定的切削載荷則必須注意以下幾個(gè)方面：

①保持金屬去除量的恒定。因此在高速切削過(guò)程中，分層切削要優(yōu)于仿形加工。

②刀具要平滑地切入工件。在高速切削過(guò)程中，讓刀具沿一定坡度或螺旋線方向切入工件要優(yōu)于讓刀具直接沿Z向直接插入。

③保證刀具軌跡的平滑過(guò)渡。刀具軌跡的平滑是保證切削負(fù)載恒定的重要條件。螺旋曲線走刀是高速切削加工中一種較為有效的走刀方式。

④在尖角處要有平滑的走刀軌跡。

(2)保證工件的高精度

為了保證工件的高精度，最重要的一點(diǎn)就是盡量減少刀具的切入次數(shù)。

(3)保證工件的優(yōu)質(zhì)表面

在高速切削過(guò)程中，過(guò)小的步進(jìn)（進(jìn)給量）會(huì)影響實(shí)際的進(jìn)給速率，其往往會(huì)造成切削力的不穩(wěn)定，產(chǎn)生切削振動(dòng)。從而影響工件表面的完整性。在高速切削條件下，采用較大的進(jìn)給量，則會(huì)產(chǎn)生較好的表面加工質(zhì)量。

2 粗加工數(shù)控編程策略

粗加工在高速加工中所占的比例要比在傳統(tǒng)加工中的多。在高速加工中，粗加工的作用就是要比傳統(tǒng)加工為半精加工、精加工留有更均衡的余量。粗加工的結(jié)果直接決定了精加工過(guò)程的難易和工件的加工質(zhì)量。因此，在高速粗加工過(guò)程中，要著重考慮以下幾個(gè)方面：

(1)恒定的切削條件

為保持恒定的切削條件，一般主要采用順銑切削方式進(jìn)行粗加工。在高速切削過(guò)程中采用順銑切削方式，可以產(chǎn)生較少的切削熱，降低刀具的負(fù)載，降低甚至消除工件的加工硬化，以獲得較好的表面質(zhì)量等。

(2)恒定的金屬去除率

在高速切削的粗加工過(guò)程中，保持恒定的金屬去除率，可以獲得以下的加工效果：①保持恒定的切削負(fù)載；②保持切屑尺寸的恒定；③較好的熱轉(zhuǎn)移；④刀具和工件均保持在較冷的狀態(tài)；⑤沒(méi)有必要去多次操作進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速；⑥延長(zhǎng)刀具的壽命；⑦較好的加工質(zhì)量等。

(3)走刀方式的選擇

對(duì)于帶有敞口型腔的區(qū)域，盡量從材料的外面走刀，以實(shí)時(shí)分析材料的切削狀況。而對(duì)于沒(méi)有型腔的封閉區(qū)域，采用螺旋進(jìn)刀，在局部區(qū)域切入。

(4)盡量減少刀具的切入次數(shù)

由于之字形模式主要應(yīng)用于傳統(tǒng)加工，因此在高速加工中多選擇回路或單一路徑切削。這是因?yàn)樵趽Q向時(shí)NC機(jī)床必須立即停止（緊急降速）然后再執(zhí)行下一步操作。由于機(jī)床的加速局限性，而容易造成時(shí)間的浪費(fèi)。因此，選擇單一路徑切削模式來(lái)進(jìn)行順銑，盡可能地不中斷切削過(guò)程和刀具路徑，盡量減少刀具的切入切出次數(shù)，以獲得相對(duì)穩(wěn)定的切削過(guò)程。

(5)盡量減少刀具的急速換向

由于進(jìn)給量和切削速度非常高，除了降低步距和切削深度以外，還要避免可能的加工方向的急劇改變。急速換向的地方要減慢速度，急停或急動(dòng)則會(huì)破壞表面精度，且有可能因?yàn)檫^(guò)切而產(chǎn)生拉刀或在外拐角處咬邊。通常，切削過(guò)程越簡(jiǎn)單越好。這是因?yàn)楹?jiǎn)單的切削過(guò)程可以允許最大的進(jìn)給量，而不必因?yàn)榉较虻募眲「淖兌档退俣取囊环N切削層等變率地降到另一層要好于直接躍遷，采用類似于圈狀的路線，如圖1所示，將每一條連續(xù)的刀具路徑連接起來(lái)，可以盡可能地減小加速度的加減速突變。

(6)在Z方向切削連續(xù)的平面

粗加工所采用的方法，通常是在“Z”方向切削連續(xù)的平面。這種切削遵循了高速加工理論，采用了比常規(guī)切削更小的步距，從而降低每齒切削去除量。當(dāng)采用這種粗加工方式時(shí)，根據(jù)所使用刀具的正常的圓角幾何形狀，利用CAM軟件計(jì)算它的Z水平路徑是很重要的。如果使用一把非平頭刀具進(jìn)行粗加工，則需要考慮加工余量的三維偏差。根據(jù)精加工余量的不同，三維偏差和二維偏差也不相同。圖2所示為Z方向切削連續(xù)平面示意圖。

圖1 走刀軌跡示意圖

圖2 在Z方向切削連續(xù)的平面示意圖

3 精加工數(shù)控編程

在高速切削的精加工過(guò)程中，保證精加工余量的恒定至關(guān)重要。為保證精加工余量的恒定，主要注意以下幾個(gè)方面：

(1)筆式加工（清根）

筆式銑削的這種功能，在期望保持切屑去除率為常量的高速加工中是非常重要的。缺少了筆式切削，當(dāng)精加工這些帶有側(cè)壁和腹板的部件時(shí)，刀具走到拐角處將會(huì)產(chǎn)生較大的金屬去除率。采用筆式切削，拐角處的切削難度被降低，降低了讓刀量和噪音的產(chǎn)生。該方法即可用于順銑又可用于逆銑。由于筆式銑削能夠清除拐角處的多余量，當(dāng)去除量較大的時(shí)候，通常在精加工之前進(jìn)行筆式銑削。

(2)余量加工（清根）

余量銑削類似于筆式銑削，但是其又可以應(yīng)用于精加工操作。其采用的加工思想與筆式銑削相同，余量銑削能夠發(fā)現(xiàn)并非同一把刀具加工出的三維工件所有的區(qū)域，并能采用一把較小的刀具加工所有的這些區(qū)域。余量銑削與筆式銑削的不同之處在于，余量銑削加工的是大尺寸銑刀加工之后的整個(gè)區(qū)域，而筆式銑削僅僅針對(duì)拐角處的加工。

(3)控制殘余高度

在切削3D外形的時(shí)候，計(jì)算NC精加工步長(zhǎng)的方法主要是根據(jù)殘余高度，而不是使用等量步長(zhǎng)。這種計(jì)算步長(zhǎng)的算法以不同的形式被封裝在不同的CAM軟件包中。在HSM中采用對(duì)自定義的殘余高度進(jìn)行編程。可以根據(jù)NC精加工路徑動(dòng)態(tài)地改變加工步長(zhǎng)，以幫助保持切屑去除率在一個(gè)常量水平。這有助于切削力保持恒定，從而將不期望的切削振動(dòng)控制在最小值。

(4)其它精加工編程策略

①在高速銑削過(guò)程中，最好采用f（每刃進(jìn)給量）=P（跨步）的銑削方式。

②退刀時(shí)采用進(jìn)給速速率。

③應(yīng)用邊界識(shí)別功能。

④保證加工軌跡的一致性能夠獲得優(yōu)質(zhì)的加工表面。不配合的加工軌跡則使型面產(chǎn)生偏差，而保證加工軌跡的一致性時(shí)，型面的質(zhì)量較高。

4 結(jié)束語(yǔ)

高速切削加工是機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，加快其推廣應(yīng)用，將會(huì)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。高速加工具有很多優(yōu)點(diǎn)，但高速加工并不是簡(jiǎn)單地使用現(xiàn)有刀具路徑，通過(guò)提高主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率就能實(shí)現(xiàn)的。如果使用了不適當(dāng)?shù)募庸げ呗裕p則會(huì)導(dǎo)致刀具壽命的降低，重則可能導(dǎo)致更加可怕的結(jié)果。文章通過(guò)以上的論述，說(shuō)明了采用合理的加工策略，可以實(shí)現(xiàn)高速加工的編程。

[1]艾興.高速切削加工技術(shù).北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2004.

[2]艾興.高速切削加工材料的進(jìn)展和未來(lái).制造技術(shù)和機(jī)床,2001.

[3]張伯霖.高速切削技術(shù)及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[4]楊偉群.數(shù)控工藝培訓(xùn)教程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[5]何平.數(shù)控加工中心操作與編程實(shí)訓(xùn)教程.北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2006.