高速切削在數控機床中的應用

劉宏洲+鹿德臺

摘要高速切削作為先進制造技術己開始在航空航天、汽車及模具工業中廣泛應用，但在實際的加工中，由于研究性的實驗較少，相關的實驗參數也不健全，又缺乏長期的經驗積累，對高速切削工藝的設計和切削機理的沒有做深入的研究，在產品的加工中存在了一些問題，使高速切削的優越性不能充分發揮。本文以腔體零件為研究對象，利用高速銑削理論，對零件在高速加工狀態下所需的切削參數、刀具材料以及相關的技術問題作了較深入的實驗研究，這樣對零件的生產環節進行優化工藝參數，降低生產成本有一定的實際意義。

關鍵詞高速銑削；數控加工；后置處理

中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0097-02

在機械制造領域中有許多永恒的發展主題，其中最關鍵的如何提高產品的加工質量和加工效率。人們也一直在這兩個方面進行著不斷的嘗試和探索，以至于如何才能使這各兩方面完美結合。高速切削技術是近年來日益引起關注的先進制造技術，其原因主要是高速切削在加工質量和加工效率兩個方面實現了統一。當前我國普遍采用的機床，主軸轉速一般在1500~20000 r/min轉，少數單位引進的進口機床轉速最高可達42000 r/min。顯然，在高速研究領域，有人以刀具的線速度進行高速切削的研究和描述，有人以機床主軸的轉速作為研究對象并提出高速切削的三種劃分界限，第一個是準高速切削，機床主軸轉速為8000~12000 r/min，第二個是高速切削，主軸轉速為15000~50000 r/min，最后一個是超高速切削，轉速大于50000 r/min。國內有些學者則認為，高速切削加工是一種比常規切削速度高得多的速度對零件進行加工的先進技術，它以高的加工速度、高的加工精度為主要特征[1]。高速切削比目前常規切削高出幾倍乃至幾十倍，許多常規切削的技術基礎已不能適應超高速切削加工的要求。許多嶄新的研究領域正在吸引著人們去開發、去探索。

本文以腔體零件作為研究對象，利用UG的CAD和CAM平臺對其三維建模和加工，并且從中探索出對典型腔體零件的高速切削的加工方法，參數設定，減少數控加工過程中的人機交互，使數控編程所花的時間大大縮短，提高數控編程效率，縮短模具設計加工周期。同時，特別對于那些不熟悉加工操作的用戶，可在短時間內，編制出符合加工工藝的加工程序，有利于他們了解UG的基本過程，更快地掌握UG的應用。

1數控加工工藝

高速切削的工藝與常規傳統是有很大的不同的。高速切削要求從整體上考慮每一道工序的協調問題，要求能記錄前一道工序（或稱操作）加工后留下的材料余量，進而指導后續的操作加工。對零件進行高速加工，至關重要的是把粗加工、半精加工和精加工作為一個完整的加工系統的來考慮，避免把整個工序的分階段加工，在此基礎上所設計的加工工序和加工方案才是合理的，有可行性的方案，充分發揮高速切削的優勢的同時，也提高了整個加工階段的高效率和高質量。

1.1 零件的加工方法

平面銑和型腔銑是為精加工作準備的兩種常用的粗加工方法，尤其適用于需大量切除毛坯余量的場合。它們通過逐層切削零件的方式，來創建加工刀具的路徑，從而粗切出路徑的型腔或型芯[2]。平面銑的主要目是可去除平面層中多余的毛坯余量。這種平面對平面邊界不做要求。這種操作最常用于平面輪廓、平面區域和平面島嶼的粗、精加工。平面銑中要求被切削壁是豎直的，平面和刀具軸垂直。對于具有帶拔模角的壁以及帶輪廓的底面的這類部件，就需要型腔銑。每一個刀路除了深度不同外，形狀隨著型腔截面的變化而變化。

1.2 高速切削刀具材料的合理選擇

高速切削對刀具材料提出了更高的要求，刀具材料的選用與加工方式，加工材料等切削參數都息息相關，在眾多的刀具材料中，如果有一定的工件材料和一定的切削速度范圍。每種材料都有其特定的加工范圍，只有工件材料要選用與其合理匹配的刀具材料和適應的加工方式等切削條件，才能獲得最佳的切削效果。在選擇刀具材料時，應考慮刀具與加工對象的性能匹配問題，其中包括了力學性能匹配、物理性能匹配和和化學性能匹配。其中力學性能是指刀具與工件材料的強度、韌性和硬度等力學性能參數，刀具的硬度一定要高于材料的硬度，物理性能是指刀具與工件材料的熔點、彈性模量、導熱系數、熱膨脹系數、抗熱沖擊性能等物理性能。化學性能是指刀具與工件材料的化學親合性、化學反應、擴散和溶解等化學性能，避免刀具的化學磨損。

1.3 對編程人員的要求

利用高速機床加工零件，對編程人員有了更高的要求，因為高速切削的加工參數涉及面比較廣，相對比較復雜，對在軟件的設置使用上是一個復雜的過程，首先要求操作者有普通機床的加工經驗，這樣對加工中常用的各種加工方法和參數能熟練掌握，其次要求操作者有獨立數控編程的能力，能合理的選擇加工中的各種刀具，量具以及加工余量、切削用量。能正確的設定加工的方法、路線和各種參數。最后生成刀軌以及NC代碼的輸出等。最后要求操作者有良好基礎知識，掌握數控銑床、加工中心工作原理，和三軸，四軸甚至五軸機床的操作方法和各自的編程特點有明確的了解，能熟練應用軟件建模。在整個產品的加工過程中，通常會有很多的人機交互界面，和不同的設置環境，要求的是操作者的綜合素質。零件的加工雖然有難度，這只是延長了數控編程的時間，卻縮短了加工時間。

2高速數控加工的加工分析

工件：如圖1。

圖1零件圖

材料：鋁合金。

尺寸：89 mm×63.5 mm×15 mm。

加工軟件：UG6.0。

加工區域：沉槽、孔、凸臺為加工區域。

簡要工藝分析如下。

2.1 零件的最小半徑和加工深度

1）最小半徑為腔體倒圓角處2 mm。

2）加工最深處10 mm。

2.2 刀具和機床的選擇

1）粗加工：平底端銑刀（帶R角） 直徑=10 mm，R=2 mm。

2）半精加工：端銑刀（帶R角） 直徑=6 mm，R=1 mm。

4）精加工各槽角：平底端銑刀（帶R角） 直徑=4 mm，R=0.5 mm。

5）高速機床主軸轉速要求能達到20000轉/分鐘。

2.3 加工方式

1）粗加工：型腔銑（CAVITY_MILLING）。

2）半精加工和精加工：面銑（FACE_MILLING）。

3數控加工過程[3]

3.1 粗加工階段

粗加工階段就是切除毛坯量比較大的階段，以方便以后工序的順利進行，粗加工對零件的表面質量和輪廓精度不做過多的要求。有利于提高零件的加工效率，由于毛坯材料的不規則性，使得刀具不能等量切削，從而提高了刀具的磨損。在粗加工階段，由于切削量大，所以一定要保證機床的平穩性和安全性。避免切削速度的急劇變化。粗加工型腔銑參數和刀具軌跡設置如圖2和圖3。

圖2型腔體參數設置

圖3可視化刀軌

3.2 半精加工和精加工階段

這兩個階段是零件成型的重要階段，決定了零件是否符合設計要求，半精加工主要是把粗加工后的殘留加工表面加工的更加平滑，在工件加工面上留下比較均勻的加工余量，為精加工的高速切削加工提供最佳的加工條件。如果某些零件的精度要求不高，在半精加工階段就可以完成此道工序。如果零件加工精度要求高的話，經過此道工序，就可以盡可能的保證加工表面符合設計要求。精加工階段刀具軌跡緊密均勻，加工狀態平穩、沒有劇烈的方向改變。是零件符合設計要求的主要階段 [4]。

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3.3 后置處理程序及傳輸

UG后處理就是將UG文件中的刀具軌跡通過特定的處理器生成程序，然后傳輸到機床上。通常情況下，不能直接將軟件生成的程序傳輸到機床上，因為不同的機床其控制原理和硬件結構各不相同，對程序的格式和指令代碼的翻譯和解釋都有自己的特點。所以對軟件中所生成的程序必須予以更改，以適應每種機床的控制原理和硬件結構，這種處理，在加工軟件中叫做“后處理”，后處理的目的是使各種刀軌數據變成機床能夠識別的刀軌數據，即NC代碼的數控程序。

CIMCO公司是世界的DNC（Distributed Numerical Control分布式數控）解決方案的領導者。在歐洲DNC市場一直處于壟斷地位，它為客戶提供一套包括機床聯網通訊、數控程序編輯與仿真、程序管理系統、機床監控等諸多模塊的機床聯網完全解決方案，并且CIMCO功能強大、性能穩定，針對各種控制系統都有專業、深入的研究與開發，系統功能累計超過4，000多選項，各種功能應有盡有，本章利用cimco edit v5對程序進行傳輸。

打開軟件在菜單欄機床通訊選項中進行DNC，然后在彈出的對話框中進行機床傳輸參數進行設置，注意這里的參數一定要和機床里的參數保持一致。設置好相應參數就可調出程序進行程序傳輸了，就可進行傳輸程序。

4加工實驗方案比較與展望

通過以上的分析和計算，利用高速加工機床和普通機床不同設備進行加工，如表1比較其加工精度、表面質量和加工時間。

表1兩種方法對照

加工工藝 高速加工 普通加工

機床轉速 8000~15000 r/min 800~2000 r/min

進給率 1000~2500mm/min 50~200 mm/min

切削深度 0.1~0.6 mm 3~10 mm

刀具 硬質合金 高速鋼

加工精度 IT6~IT8 IT8~IT11

表面粗糙度 0.8~1.6 0.6~3.2

加工時間 19 min 35 min

從表中我們可以看到，高速切削加工不但提高了零件的加工精度和表面質量，而且成倍提高了機床的生產效率，常規加工中難以解決的加工材料在這里可以得到解決。因此，高速切削加工技術受到了各國工業界高度重視。在國內，高速切削起步較晚，高速加工的基礎研究從90年代才開展，研究的深度和廣度都還不夠。在工廠里，高速正在摸索前進，尚缺少經驗。對于國內大多數車間來說，因為資金不足，在現有設備的基礎上，提高切削速度，盡可能用到機床切削速度的額定值區域，來取得某些高速銑的利益，似乎更為現實和迫切。現在的問題不是要不要提高切削速度，而是如何提高切削速度，因為高速銑的效益是顯而易見的。只有提高了切削速度，朝這個方向努力，高效率加工才有可能實現。

參考文獻

[1]王細洋.現代制造技術[M].北京：國防工業出版社，2010：42.

[2]張瑞平.UG NX 6中文版標準教程[M].北京：清華大學出版社，2009：342-343.

[3]胡仁喜.Unigraphics NX 6.0 中文版標準實例教程[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4]曹巖.UG NX4基礎篇[M].北京：化學工業出版社，2008.

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3.3 后置處理程序及傳輸

UG后處理就是將UG文件中的刀具軌跡通過特定的處理器生成程序，然后傳輸到機床上。通常情況下，不能直接將軟件生成的程序傳輸到機床上，因為不同的機床其控制原理和硬件結構各不相同，對程序的格式和指令代碼的翻譯和解釋都有自己的特點。所以對軟件中所生成的程序必須予以更改，以適應每種機床的控制原理和硬件結構，這種處理，在加工軟件中叫做“后處理”，后處理的目的是使各種刀軌數據變成機床能夠識別的刀軌數據，即NC代碼的數控程序。

CIMCO公司是世界的DNC（Distributed Numerical Control分布式數控）解決方案的領導者。在歐洲DNC市場一直處于壟斷地位，它為客戶提供一套包括機床聯網通訊、數控程序編輯與仿真、程序管理系統、機床監控等諸多模塊的機床聯網完全解決方案，并且CIMCO功能強大、性能穩定，針對各種控制系統都有專業、深入的研究與開發，系統功能累計超過4，000多選項，各種功能應有盡有，本章利用cimco edit v5對程序進行傳輸。

打開軟件在菜單欄機床通訊選項中進行DNC，然后在彈出的對話框中進行機床傳輸參數進行設置，注意這里的參數一定要和機床里的參數保持一致。設置好相應參數就可調出程序進行程序傳輸了，就可進行傳輸程序。

4加工實驗方案比較與展望

通過以上的分析和計算，利用高速加工機床和普通機床不同設備進行加工，如表1比較其加工精度、表面質量和加工時間。

表1兩種方法對照

加工工藝 高速加工 普通加工

機床轉速 8000~15000 r/min 800~2000 r/min

進給率 1000~2500mm/min 50~200 mm/min

切削深度 0.1~0.6 mm 3~10 mm

刀具 硬質合金 高速鋼

加工精度 IT6~IT8 IT8~IT11

表面粗糙度 0.8~1.6 0.6~3.2

加工時間 19 min 35 min

從表中我們可以看到，高速切削加工不但提高了零件的加工精度和表面質量，而且成倍提高了機床的生產效率，常規加工中難以解決的加工材料在這里可以得到解決。因此，高速切削加工技術受到了各國工業界高度重視。在國內，高速切削起步較晚，高速加工的基礎研究從90年代才開展，研究的深度和廣度都還不夠。在工廠里，高速正在摸索前進，尚缺少經驗。對于國內大多數車間來說，因為資金不足，在現有設備的基礎上，提高切削速度，盡可能用到機床切削速度的額定值區域，來取得某些高速銑的利益，似乎更為現實和迫切。現在的問題不是要不要提高切削速度，而是如何提高切削速度，因為高速銑的效益是顯而易見的。只有提高了切削速度，朝這個方向努力，高效率加工才有可能實現。

參考文獻

[1]王細洋.現代制造技術[M].北京：國防工業出版社，2010：42.

[2]張瑞平.UG NX 6中文版標準教程[M].北京：清華大學出版社，2009：342-343.

[3]胡仁喜.Unigraphics NX 6.0 中文版標準實例教程[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4]曹巖.UG NX4基礎篇[M].北京：化學工業出版社，2008.

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3.3 后置處理程序及傳輸

UG后處理就是將UG文件中的刀具軌跡通過特定的處理器生成程序，然后傳輸到機床上。通常情況下，不能直接將軟件生成的程序傳輸到機床上，因為不同的機床其控制原理和硬件結構各不相同，對程序的格式和指令代碼的翻譯和解釋都有自己的特點。所以對軟件中所生成的程序必須予以更改，以適應每種機床的控制原理和硬件結構，這種處理，在加工軟件中叫做“后處理”，后處理的目的是使各種刀軌數據變成機床能夠識別的刀軌數據，即NC代碼的數控程序。

CIMCO公司是世界的DNC（Distributed Numerical Control分布式數控）解決方案的領導者。在歐洲DNC市場一直處于壟斷地位，它為客戶提供一套包括機床聯網通訊、數控程序編輯與仿真、程序管理系統、機床監控等諸多模塊的機床聯網完全解決方案，并且CIMCO功能強大、性能穩定，針對各種控制系統都有專業、深入的研究與開發，系統功能累計超過4，000多選項，各種功能應有盡有，本章利用cimco edit v5對程序進行傳輸。

打開軟件在菜單欄機床通訊選項中進行DNC，然后在彈出的對話框中進行機床傳輸參數進行設置，注意這里的參數一定要和機床里的參數保持一致。設置好相應參數就可調出程序進行程序傳輸了，就可進行傳輸程序。

4加工實驗方案比較與展望

通過以上的分析和計算，利用高速加工機床和普通機床不同設備進行加工，如表1比較其加工精度、表面質量和加工時間。

表1兩種方法對照

加工工藝 高速加工 普通加工

機床轉速 8000~15000 r/min 800~2000 r/min

進給率 1000~2500mm/min 50~200 mm/min

切削深度 0.1~0.6 mm 3~10 mm

刀具 硬質合金 高速鋼

加工精度 IT6~IT8 IT8~IT11

表面粗糙度 0.8~1.6 0.6~3.2

加工時間 19 min 35 min

從表中我們可以看到，高速切削加工不但提高了零件的加工精度和表面質量，而且成倍提高了機床的生產效率，常規加工中難以解決的加工材料在這里可以得到解決。因此，高速切削加工技術受到了各國工業界高度重視。在國內，高速切削起步較晚，高速加工的基礎研究從90年代才開展，研究的深度和廣度都還不夠。在工廠里，高速正在摸索前進，尚缺少經驗。對于國內大多數車間來說，因為資金不足，在現有設備的基礎上，提高切削速度，盡可能用到機床切削速度的額定值區域，來取得某些高速銑的利益，似乎更為現實和迫切。現在的問題不是要不要提高切削速度，而是如何提高切削速度，因為高速銑的效益是顯而易見的。只有提高了切削速度，朝這個方向努力，高效率加工才有可能實現。

參考文獻

[1]王細洋.現代制造技術[M].北京：國防工業出版社，2010：42.

[2]張瑞平.UG NX 6中文版標準教程[M].北京：清華大學出版社，2009：342-343.

[3]胡仁喜.Unigraphics NX 6.0 中文版標準實例教程[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4]曹巖.UG NX4基礎篇[M].北京：化學工業出版社，2008.

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