發布日期：2022-10-09 點擊率：106
摘要：文章從優化高速加工工藝過程的角度出發，詳細闡述了模具高速加工的NC編程策略，包括高速加工刀具軌跡生成的基本原則及方法、適應高速加工的切削用量選擇、采用高速高精度的高速加工關鍵控制技術、典型型面及難加工型面的高速加工策略等方面；并針對實際加工過程，提出了制定高速加工編程策略時需要注意的問題。
1 引言
高速加工技術是采用高轉速、快進給、小切深和小步距來提高切削加工效率的一種加工方式。它已在航空航天制造、汽車工業和模具制造、輕工產品制造等重要工業領域創造出了驚人的效益。高速加工的成功實現取決于許多因素，包括高速主軸、CNC系統、專用刀具，以及特殊的加工工藝和加工控制方法等。
在高速加工過程中，刀具的非正常破損是當前高速加工所面臨的重要難題。加工余量不均勻極易引起刀具破損和過切，因此保持恒定的材料去除率很重要。然而，對于帶有底面、壁面、凹槽和斜面的復雜3D型面加工中，很難滿足這一要求。因為尖銳的轉角或刀具方向的突然變化等很容易導致刀具過切、破損甚至損壞主軸。此外，在高轉速和高進給速度的加工條件下，刀具極易損壞；同時高速加工機床所使用的許多刀具，在周邊或中心處都進行了處理，以便高壓冷卻液或壓縮氣體將切屑從工件上吹走。這些處理在某種程度上削弱了刀具的強度，應當盡可能避免。
為保證高速加工順利進行，提高零件的加工質量，延長刀具壽命，縮短加工時間，高速加工具有不同于普通數控加工的特殊工藝要求，如保持恒定的切削載荷、每齒進給量應盡可能保持恒定，并保持穩定的進給運動，使進給速度損失降低到最小、避免走刀方向和加速度的突然變化、程序處理速度最佳化。這些要求在制定高速NC 編程策略時應得到充分注意。
國內外一直注重對高速加工的研究，在高速加工條件下的切削刀具、高速加工仿真、加工過程的精度保障、刀具監控、自適應控制等方面已經進行了大量的研究工作。許多應用軟件已經不同程度提供了高速加工專用模塊。但對于如何優化高速加工的Nc 編程策略，以消除加工過程中的刀具崩刃等刀具非正常破損，充分發揮高速加工機床的高效高精度性能等問題，尚需進行深入的研究和探討。
本文主要從優化工藝過程，消除刀具非正常破損的角度出發，詳細闡述了金屬模具高速加工NC 編程的優化策略：(1)走刀路徑的選擇與優化；(2)合理選擇切削用量；(3)采用高速高精度的關鍵控制技術；(4)典型型面與難加工型面的加工策略。
2 高速加工走刀路徑的選擇與優化
一條有效的刀具路徑可以通過保持穩定的切削載荷來保護刀具，并通過避免加工方向的突變來保持高的進給速度，它將直接決定復雜型面高速加工的可能性、質量與效率。
2.1 高速加工刀具軌跡生成的基本原則及方法
利用CAM系統進行高速加工NC編程所生成的刀具路徑，不僅要滿足尺寸和輪廓的高精度要求，同時還要考慮加工工藝的加工細節，選擇適當的加工策略和工藝參數來優化各種刀具路徑，以改善切削條件，減少加工時間，減少刀具磨損，避免刀刃破損或刀柄折斷等。
高速加工的刀具軌跡必須滿足無干涉、無碰撞、軌跡光滑、切削載荷平滑、滿足加工要求等條件；同時，保證零件的加工精度和表面粗糙度要求；縮短走刀路線，減少進退刀時間和其它輔助時間；方便數值計算，減少編程工作量；盡量減少程序段數。
零件輪廓形狀對加工效率、加工質量、編程計算復雜性和零件程序長度等有著重要影響。如何根據型面形狀、刀具形狀以及零件加工要求，合理選擇走刀路徑是一個十分復雜但又非常重要的問題。復雜型面加工可采用多種走刀路徑，如參數線型、截面線型、放射線型、環型等。參數線走刀的刀具軌跡規劃和刀位計算簡單，適合于參數線分布較均勻的情況。截面法對于曲面網格分布不太均勻以及由多個曲面形成的組合曲面的加工非常有效。環切法主要應用于邊界受限制零件(如型腔類零件)的加工。在采用環切法加工螺旋槳槳葉等類型的零件時，由于工件剛度小，加工變形問題突出，因此采用從里到外的環切走刀時，刀具切削部位的四周可受到毛坯剛性邊框的支持，有利于減小工件在加工過程中的變形。
2.2 優選走刀方式
1) 進、退刀 高速加工時，刀具切入工件的方式，不僅影響加工質量，同時也直接關系到加工的安全。刀具高速切削工件時，工件將對刀具產生一定的作用力。此外，刀具以全切深和滿進給速度切入工件將會縮短刀具壽命。通過較平緩地增加切削載荷，并保持連續的切削載荷，可以達到保護刀具的目的。確定刀具、進退刀方式時，應注意在切入工件時盡量采用沿輪廓的切向或斜向切入的方式緩慢切入工件(比如：直線式切入和螺旋式切入)，以保持刀具軌跡光順平滑。
斜線和螺旋式切入方式適用于簡單型腔的粗加工。加工表面質量和精度要求高的復雜型面時，采用沿曲面的切矢量方向或螺旋式進、退刀，這樣刀具將不會在工件表面的進退刀處留下駐刀痕跡，從而獲得高的表面加工質量。對于深腔件的加工，螺旋式切入是一種比較理想的進刀方式，采用相同或不同半徑的螺旋路徑，自內向外地逐步切除型腔材料，非常適合深腔件的高速加工。
2) 移刀 高速加工中的移刀是指在高進給速度時相鄰刀具路徑間有效過渡的連接方式。平行線掃描表面加工是精加工復雜型面的一種手段。但是這種方法容易在每條刀具路徑的末端造成進給量的突然變化。進給速度適中時，在掃描路徑之間采用簡單的環型刀具路徑可以適當緩解拐角處進給量的突然變化。但是，進給速度較高時，這種簡單的環型運動仍然太突然。這種情況下，在掃描路徑間采用“高爾夫球棒”式移刀則更為有效。
3) 拐角加工 如何實現高效率的拐角加工，也是優化刀具路徑的一個重要方面。加工工件的內銳角時，刀具路徑可采用圓角或圓弧走刀，并相應地減小進給速度，這樣在加工拐角時可以得到光滑的刀具軌跡，并可保持連續的高進給速度及加工過程的平穩性。然后拐角的殘留余量可通過再加工工序去除。
4) 重復加工 重復加工是對零件的殘留余量進行針對性加工的加工方法。在高速加工中，重復加工主要應用于二次粗加工以及筆式銑削和殘余銑削。
采用二次粗加工時，先進行初始粗加工，然后根據加工后的形狀計算二次粗加工的加工余量。在等高線粗加工中，由于零件上存在斜面，加工后會在斜面上留下臺階，從而導致殘留余量不均勻，并引起刀具載荷不均勻。采用二次粗加工，可使用不同于初始粗加工的方法——平行線法、螺旋線法等，來獲得均勻余量。這樣可以更有效地保持刀具進行連續切削，減少空走刀，并提高精加工的加工效率。
筆式銑削主要運用于半精加工的清根操作，它通過找到前道工序大尺寸刀具加工后殘留部分的所有拐角和凹槽，自動驅動刀具與兩被加工曲面雙切，并沿其交線方向運動來加工這些拐角。筆式銑削允許使用半徑與3D拐角或凹槽相匹配的小尺寸刀具一次性完成所有的清根操作，可極大地減少退刀次數。此外，筆式銑削可以保持相對恒定的切屑去除率，這對于高速加工特別重要。精加工帶有壁面和底面的零件時，如果沒有筆式銑削，刀具到達拐角時，將要去除相當多的材料。采用筆式銑削時，拐角已被預先進行清根處理，因此可減少精加工拐角時的刀具偏斜和噪聲。
殘余銑削與筆式銑削極為相似。殘余銑削可以找到前道工序使用各種不同尺寸刀具所形成的3D型面，且只用一把尺寸較小刀具來加工這些表面。它與筆式銑削的不同之處在于它是對前道工序采用較大尺寸刀具加工后所殘留的整個表面進行加工，而筆式銑削只對拐角進行清根處理。
5) 高效率切削法(HEM) 高效率切削法(HEM) 又稱“Fukui Climbing”切削法，是實現高材料去除率的一種新的高效率粗加工方法。HEM是通過“Fukui method cutting”(福井高側刃切削法)和“Climb up cutting”上爬式切削法)得以實現的。福井切削法是日本福井雅彥教授提出的高軸向深度銑削法，通過將Z向切削深度調整為刀具直徑的1～2倍，可高效率地切削出垂直梯級式粗略工件外形。采用福井法加工后，再采用上爬式切削法，可以使加工表面的形狀和精度更加接近零件的最終加工要求。上爬式切削時，采用較細的梯級節距來去除剩余梯級面，刀具從底部開始，一層一層地向上切削，梯級節距調整范圍為0.5～3mm，加工表面較陡時，可采用較寬的梯級節距，加工表面較平時，可采用較細密的梯級節距。
6) 余擺線式加工 余擺線加工是利用高速加工刀具側刃去除材料來提高粗加工速度的新技術。采用余擺線加工時，刀具始終沿著具有連續半徑的曲線運動，采用圓弧運動方式逐次去除材料，對零件表面進行高速小切深加工，有效地避免了刀具以全寬度切入工件生成刀具路徑。每環圓弧運動中，向前運動時刀具切削工件，向后運動時進行刀具冷卻，并允許自由去除材料。當加工高硬度材料或采用較大切削用量時，刀具路徑中刀具向后運動的冷卻或自由去除材料圓弧段與向前運動的加工圓弧段相平衡，實現了刀具切削條件的優化。此外，余擺線加工的刀具路徑全部由圓弧運動組成，走刀方向上沒有突然的變化，是有利于實現高速加工的粗、精加工的一種理想加工狀況。所以，擺線式加工特別適用于加工高硬度材料和高速加工的各種粗加工工序(比如腔體加工)，不僅能夠使機床在整個加工過程中保持連續的進給速度，獲得高的材料去除率，并且可延長刀具壽命。
7) 插入式加工 插入式加工是使用特制插入式加工刀具進行深型腔件加工的一種方法。它采用鉆削式刀具路徑沿加工中心的Z軸方向從深腔去除材料。該方法是粗加工深型腔件和用大直徑刀具加工相對較淺腔體的一種有效方法。
3 選擇適應高速加工的切削用量
實現高速切削的關鍵是采用高的切削速度，并配合以高的進給速度和小的切削深度，不僅可以提高加工效率，而且可使切削力減小，從而提高加工質量，并延長刀具壽命。合理的切削用量對于刀具耐用度和工件加工質量起著決定性作用。
常規粗加工以及使用小尺寸刀具進行模具粗加工時，適于采用小切深和高進給速度。精加工時，快速精確的刀具運動有利于實現更高的表面加工質量，每程序段的刀具運行軌跡越短，加工軌跡表面尖點高度越小，加工出的零件輪廓越精確。刀具路徑的基本參數選擇將影響精加工的表面質量。精加工時，如果刀具切削載荷即每齒進給量等于走刀步距增量，可獲得最佳的表面加工質量；如果刀具切削載荷與走刀步距增量不相等，則加工的表面比較粗糙。針對不同的零件形狀特征型面如平面、坡面、曲面和圓面等，應采用不同的進給量。為獲得高精度的輪廓外形，要求進給運動不能出現明顯的滯后現象，否則將會導致刀具過熱而破損。
4 采用高速高精度的高速加工關鍵控制技術
采用高速高精度的關鍵控制技術，有利于保證高速加工的順利實現。這些關鍵控制技術有加工殘余分析、待加工軌跡監控、自動防過切保護、尖點控制、高精度輪廓控制技術、NURBS插補、進給速度優化、刀具軌跡編輯優化及裁剪修復、刀具軌跡驗證等等。
1) 加工殘余分析 加工殘余分析功能可以分析出每次切削后加工殘余的準確位置，允許刀具路徑創建上道工序中工件材料沒有去除完全的區域。后續加工的刀具路徑可在前道工序刀具路徑的基礎上利用加工殘余分析進行優化得到。通過對工件輪廓的某些復雜部分進行加工殘余分析，可盡量保持穩定的切削參數，包括保持切削厚度、進給量和切削線速度的一致性。當遇到某處切削深度有可能增加時，能降低進給速度，從而避免負載變化引起刀具偏斜，以及降低加工精度和表面質量。因此，加工殘余分析可實現高速加工參數最佳化，使刀具走刀路徑適應工件余量的變化，減少加工時間，避免刀具破損及過切和殘留現象，從而實現刀具路徑的優化。
2) 待加工軌跡監控(look-ahead) 待加工軌跡監控功能(look-ahead)是用于監控待加工刀具路徑中由于路徑曲率引起的進給速度的不規則過渡，以及軸向加速度過大等不利于高速加工的各種加工條件的變化，實現動態調節進給速度的一種控制方法。CNC控制系統在進行加工控制時通過掃描待加工程序段的數控代碼，預覽刀具路徑上是否有方向變化，并相應地調節進給速度。比如，在高進給速度下，待加工軌跡監控功能監測到拐角時，將自動減小進給速度，以防止刀具過切或出現殘留現象。在待加工軌跡的平滑段，再將進給速度迅速提高到最大。這樣通過動態調節進給速度，可以優化機床控制系統的動態性能，并獲得高的加工精度和表面質量。
3) 尖點控制 高速加工控制器的待加工軌跡監控(look-ahead)功能雖然可以預先了解待加工NC程序段的刀具軌跡，預覽刀具軌跡及其走刀方向是否有變化，即是否存在拐角，但對于3D零件上的每個具體的走刀步距和切削余量是無法預知的。
加工復雜的3D型面時，可根據尖點高度來計算NC精加工刀具路徑的加工步距，而不是采用恒定的加工步距。采用尖點控制進行高速加工即可實現連續的表面精加工，減少去毛刺或其它手工精加工工序，而且可以根據NC精加工路徑動態調整走刀步距，使材料去除率保持恒定，刀具受力狀況更加穩定，并使刀具所受到的外界沖擊載荷降低到最小。
4) 自動防過切處理 高速加工時，前道工序遺留的加工余量將會導致刀具切削負載突然加大，甚至出現過切和刀具破損現象。過切對于工件的損壞是不可修復的，對于刀具的破壞也是災難性的。通過自動防過切處理功能，可以保護刀具的切削過程，實現高速加工的安全操作。
5) 高精度輪廓控制 通常，在模具加工中，可采用CAM系統或者其他編程系統的方法，編寫子程序進行輪廓加工操作。因而加工信息可能超過CNC中子程序的存儲容量，并且可能需要進行多種DNC加工操作。在這種情況下，如果不能保持CNC 高速分配處理與DNC操作的子程序進給速度之間的平衡，子程序將不能及時進行進給操作，而且機床的平滑運動也可能得不到保證。高速加工CNC系統可通過高精度輪廓控制進行高速分配處理和自動加速/減速處理。針對高于常規速度的轉速進行處理和分配，可提高加工精度，縮短工作時間。
5 典型型面及難加工型面的高速加工策略
高速加工工藝技術是成功進行高速加工的關鍵技術之一。如果切削方法選擇不當，將加劇刀具的磨損，甚至可能完全達不到高速加工的目的。根據零件輪廓的類型及其復雜程度來選擇合適的加工方法，有助于實現優質高效的高速加工。
5.1 典型型面
銑削復雜二維輪廓時，無論是外輪廓或內輪廓，要安排刀具從切向進入輪廓進行加工。當輪廓加工完畢之后，刀具必須沿切線方向繼續運動一段距離后再退刀，這樣可以避免刀具在工件上的切入點和退出點留下接刀痕。
銑削外圓可采用直線式切向進、退刀。加工內輪廓時，可采取圓弧式切向進、退刀。加工直紋面類工件時，可采用側銑方式一刀成型。一般立體型面特別是較為平坦的大型表面，可以用大直徑端銑刀端面貼近表面進行加工，這樣走刀次數少，殘余高度小。加工空間受到限制的通道加工和組合曲面的過渡區域加工，可采用較大尺寸的刀具避開干涉，刀具剛性好，有利于提高加工效率與精度。
5.2 難加工型面
深腔加工 加工由薄壁分隔成的深腔型面時，所有的型腔不要一次加工完，而要采取每次只加工一部分的方式，使所有型腔壁在兩邊都可保持支承。
薄壁加工 立銑刀加工薄壁件時，切削力的作用易導致工件和刀具的變形。因此，加工薄壁件時，采用小軸向切深的重復端銑削，不僅可以獲得恒定的刀刃半徑和小的切削力，減小工件變形，而且不會出現由于刀具偏心產生的形狀誤差。此外，快速小切深加工薄壁零件時，加工薄壁任一面的刀具都必須保持一直向下加工，直至越過薄壁開始新的走刀路徑。這樣可以通過靠近刀具切削處的未切除余量使薄壁在兩邊都保持支承。
薄底加工 加工無支承的薄底時，應先從支承最少的表面開始加工，刀具在抬刀前一直保持向下加工，并逐步向支承靠近，加工后的底面不可再次與刀具相接觸。
6 結語
為提高加工效率、加工質量和刀具壽命，保證高速加工順利進行，高速加工NC 編程所生成的刀具路徑，不僅要滿足尺寸和輪廓的高精度要求，同時還需考慮不同加工工序、加工型面形狀等加工過程的若干細節問題。根據高速加工的具體需要，優選刀具切入工件的方式和移刀方式，以及優選拐角加工、二次粗加工、筆式銑削、殘余銑削、高效率切削法HEM、余擺線加工和插入式加工等加工方法；選擇適應高速加工的切削用量；采用高速高精度的關鍵控制技術；有利于保證高速加工的順利實現。
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