淺談高速加工的制約因素

【摘 要】高速加工（High speed Machining）極大提高了機械制造的工作效率。高速加工受到刀具技術、程序設計、CNC和電機以及機床自身設計因素的制約，這些因素緊密相連，高速加工只有在這些因素都達到最佳配合狀態時，高速加工技術才能成功，文章對這些制約因素進行了探討。

【關鍵詞】高速加工；制約因素

高速加工(High speed Machining)是隨著數控加工設備與高性能加工刀具技術的發展而日益成熟的一項新型加工技術，是當今數控技術中崛起的一種新方法。在飛機的骨架與機翼、高速列車的車廂骨架等需要切除大量金屬的應用場合，高速加工可以大幅度縮短加工時間，一般只需傳統加工時間的1/4左右；另外在汽車工業中，過去新車型的開發研制周期一般約為10年，而在汽車模具的制造過程中采用高速加工可以將新車型的研發周期縮短為2～3年，如FORD及TOYOTA新車型的開發周期僅為一年半。HSC技術的成功應用依賴于各種不同的因素，這些因素彼此緊密相連。只有在影響加工過程的所有因素都達到最佳配合的狀態下，HSC技術才能成功。這些因素包括：刀具技術、程序設計、CNC和電機以及機床自身設計。

一、刀具技術

從一開始，刀具技術同機床制造在切削技術發展中就是互相促進的。一般用于精加工的半徑較小的刀具（從R0.5mm到R5mm）用實心硬質合金來做。現在試驗采用螺旋形（多刀刃）刀具，切削頭部依據加工材料硬度的不同采用硬質合金、CERMET或者CBN制造，也可采用整體硬質合金刀具。這些刀具壽命較長，加工效果較好。不同的刀具材料對熱震很敏感，所以常考慮采用冷卻劑和考慮安裝空氣冷卻系統。機床、刀具（刀具座/刀把）、工件（工件夾具）等整個系統的剛性對于刀具的壽命和能夠達到的表面加工質量有顯著影響。試驗證明帶熱套整體式加長桿的剛度是傳統加長桿的3倍；同時熱套夾頭與側夾具夾頭相比具有較高的旋轉精度（＜3um）；與具有相同旋轉精度的液壓膨脹夾頭相比傳遞的力矩高3～5倍。另外，刀具長度和加工的方向對加工表面的質量也有較大的影響。

二、程序設計

程序設計分為模型建構（CAD）和所需的制造工藝過程（CAM）——即刀具、加工策略等的制訂兩方面。先進的程序系統需要的是“開放”——即它們必須能夠接受從其他系統傳來的數據并能處理這些數據，所以必須具備一致的、標準化的接口。目前模具加工中最常用的接口標準是IGES（原始圖形交換標準），這種標準主要運用在把工件圖形作為線或面模式傳入的場合；而VDA-FS（Ftachenschnittstelle des Vereins Deutscher Automobile Industries-德國自動化工業標準接口）則常用在不能用數學方式描述的物體幾何數據傳輸和處理的情況下（例如飛機外殼的自由曲面）。一旦工件模型數據同工藝數據相結合，所謂的CLDATA或APT程序就準備完畢，這個程序通過后置處理器編譯成相應的控制語言。HSC成功應用的關鍵在于CAD／CAM用的程序編制器要能夠自動調節機床刀具到最佳加工方式。

三、CNC和電機

現代CNC控制器能提高速度、精度和表面加工質量，它的特色主要有：一是，程序段處理時間降到0.5ms；二是，內存達到1.5GB以上；三是，能進行螺旋線、NURBS（拋物線、雙曲線）等插補；四是，前瞻功能可以達到100個程序段以上，尤其在5軸機床上，對于刀具長度和加工幾何尺寸有自動補償功能；五是，具備刀庫管理功能（TCPM）；六是，振動限制和補償；七是，可以達到100MB的快速接口（以太網）速度。

四、機床

HSC要求機床床身能快速移動，所以不充分考慮機床本身的設計就不能把數控系統的高性能轉化成高質量的切削性能和可靠的操作。首先是定位精度的問題。HSC要求CNC能快速處理大量的數據保證快速的進給和保證機床的加速、減速性能，但是所有這些不能以損失定位精度為代價。光是實現CNC對數據的快速處理是不夠的，機床必須攜帶巨大的負載做準確的三維甚至五維移動，當機床做差補運動時，三個甚至五個伺服電機同時驅動滾珠絲桿或齒輪齒條把回轉運動轉換成直線運動，電機必須有足夠的動力克服機械運動阻力、切削力和工件的重量。其次是HSC技術在一定的溫度條件下保證機械精度。軸承、滾珠絲桿及導軌的摩擦都會產生熱量，此外電機會產生熱量，切削過程也會產生熱量，所有的熱量都會使機械部分產生熱脹冷縮。因此提高機床的機械精度應該放在HSC機床制造的第一位。最后是機床的零部件設計。如主軸電機、主軸軸承、主軸軸桿、導軌、床身等的設計。高速機床需要的是運動的剛性，即部件既要輕又要有剛性。有限元應力分析設計為高速機床的機械設計提供了最先進的手段。

參 考 文 獻

[1]Dr、Ing、H．高速加工發展概況[J]．機械制造與自動化．2002（1）

[2]楊洪旗．模具高速加工技術[J]．機電信息．2000（5）

[3]曾寶平，王成勇等．淬硬鋼的高速切削加工[J]．機電工程技術．2002（6）