數控編程在高速加工中的應用
概述
高速加工的概念：高速加工（HSM或HSC）是二十世紀迅速走向實際應用的先進加工技術。通常是指高的主軸轉速（10,000-100,000r/min）、高的進給/快移速度(可達40m-180m/min)下的銑削加工。國際上廣泛應用于航空航天制造業、模具制造業、汽車零部件加工、精密零件加工。具體作用：解決新材料的加工問題，適應表面質量高、精度高、形狀復雜的3D曲面加工，減少和避免費時、費錢的電火花加工，解決薄壁零件的加工問題，高速復合加工還可以減少搬運次數、裝夾次數，避免重復定位帶來的加工誤差等，提高了加工質量及加工效率。
高速銑削的一般特征
高速銑削一般采用高的銑削速度，適當的進給量，小的徑向和軸向切削深度，即切削體積。由于在切削時大量的切削熱被切屑帶走，工件表面溫度較低。而且隨著銑削速度的提高，切削力略有下降，表面質量提高，加工生產率也隨之提高。由于高速銑削的的上述特點，高速銑削工藝相對常規加工具有很多優點：
·提高生產率
·改善工件的加工精度和表面質量
·實現整體結構零件的加工
·有利于使用較小的刀具加工
·有利于加工薄壁零件和高強度、高硬度脆性材料
由于上述優點，綜合效率提高、質量提高、工序簡化，盡管機床投資和刀具投資以及維護費用增加，但高速銑削工藝的綜合效益仍有顯著提高。
高速銑削是一項復雜的系統工程技術，是機床、刀具、刀柄結構、加工工藝技術、控制系統、CAD/CAM軟件等多種因素綜合作用的結果。與傳統加工工藝技術相比，對其中的每一項指標都有較高要求。
高速機床是實現高速加工的前提和基礎。符合高速加工要求的機床應具備的必要條件有：高的主軸轉速（10000~20000r/min越來越普及，100000~200000r/min的高速主軸正在研制開發中）、高速和高加（減）速的切削進給機構（進給/快移速度可達40~180m/min，加速度現多為1g~2g）、高速CNC控制系統(加減預差補，前饋控制，精確矢量補償，最佳拐角減速等)、高速切削機床的安全防護與實時監控系統。對刀具而言，高速銑削必須具備安全性和高的耐磨度。從而要從以下幾個方面考慮：刀具材料，刀具結構，刀桿結構，刀具的動平衡等。
除了機床、刀具等硬件滿足高速加工的前提和基礎，高速加工對數控編程也提出了與普通加工更高的要求。本篇重點闡述CAD/CAM軟件在高速加工中的應用。
圖1 薄壁件加工實例
高速加工編程時主要關心的問題
采用高速銑削加工編程的原則主要與數控伺服系統，加工材料，所用刀具等方面有關。使用CAM系統進行數控編程時，刀具選擇、切削用量以及選擇合適的加工參數可以根據具體情況設置外，加工方法的選擇就成為高速加工數控編程的關鍵。如何選擇合適的加工方法來較為合理、有效地進行高速加工的數控編程，需要考慮的問題主要有以下幾個方面相關：
一、由于高速加工中心具有前視或預覽功能，在刀具需要進行急速轉彎時加工中心會提前進行預減速，在完成轉彎后再提高運動速度。機床的這一功能主要是為了避免慣性沖擊過大，從而導致慣性過切或損壞機床主軸而設置的。有些高速加工中心盡管沒有這一功能也能較好地承受慣性沖擊，但該情況對于機床的主軸也是不利的，會影響主軸等零件的壽命。在使用CAM進行數控編程時，要盡一切可能保證刀具運動軌跡的光滑與平穩。
圖2 曲面3維等步距加工示意圖
二、由于高速加工中，刀具的運動速度很高，而高速加工中采用的刀具通常又很小，這就要求在加工過程中保持固定的刀具載荷，避免刀具過載。因為刀具載荷的均勻與否會直接影響刀具的壽命、對機床主軸等也有直接影響，在刀具載荷過大的情況下還會導致斷刀。
三、采用更加安全和有效的加工方法與迅速進行安全檢查校驗與分析。舉例如下：
刀柄、夾頭干涉檢查，保證刀路軌跡的安全
RE-EXECUTION WILL BE DUE TO PROCEDURE BEING SUSPENDED
* PROCEDURE EXECUTION START TIME : 08/10/2004.13:59:30
* See Set : NC Special Approx. Faces
* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *
* ENTRY POINT: X = -65.30 Y = 2.20 Z = 20.00
* ENTRY POINT: X = -33.64 Y = 56.20 Z = 15.00
* ENTRY POINT: X = -38.17 Y = 56.20 Z = 10.00
* ENTRY POINT: X = -38.23 Y = 56.20 Z = 5.00
* ENTRY POINT: X = 0.00008 Y = -51.80 Z = 0.00000
* PROC. OPTIMIZATION START TIME：08/10/2004.13:59:31
* THE CURRENT SET OF HOLDERS GOUGES THE STOCK
* HOLDER 1 SHOULD BE RAISED TO 34.88 ABOVE THE CUTTER TIP
（刀柄1應高出刀尖34.88mm）
* EXISTING CUTTERS CANNOT AVOID GOUGING
（當前刀具無法避免干涉）
* PROC. OPTIMIZATION END TIME : 08/10/2004.13:59:41
* PROCEDURE EXECUTION END TIME：08/10/2004.13:59:41
高速加工編程采用的編程策略
采用光滑的進、退刀方式
在Cimatron系統中, 有多種多樣的進、退刀方式，如在走輪廓時，有輪廓的法向進、退刀，輪廓的切向進、退刀和相鄰輪廓的角分線進、退刀等。針對高速加工時應盡量采用輪廓的切向進、退刀方式以保證刀路軌跡的平滑。在對曲面進行加工時，刀具可以是Z 向垂直進、退刀，曲面法向的進、退刀，曲面正向與反向的進、退刀和斜向或螺旋式進、退刀等。在實際加工中，用戶可以采用曲面的切向進刀或更好的螺旋式進刀。而且螺旋式進刀切入材料時，如果加工區域是上大下小，螺旋半徑會隨之減小以進刀到指定深度，有些CAM系統具有基于知識的加工，在檢查刀具信息后發現刀具具有盲區時，螺旋加工半徑不會無限制減小，以避免撞刀（參見圖示）。這些對程序的安全性提供了周全的保障。
圖3 為高速加工提供豐富的走刀路徑
采用光滑的移刀方式
這里所說的移刀方式主要指的是行切中的行間移刀，環切中的環間移刀，等高加工的層間移刀等。普通CAM軟件中的移刀大多不適細咚偌庸さ囊?。瓤澲B星幸頻妒?，刀具多是直絾压直幼暛朗[星蟹較虻姆ㄏ蛞頻叮率溝毒唄肪噸寫嬖詡飩牽輝諢非械那榭魷攏芳湟頻兌彩譴釉垂旒５姆ㄏ蛑苯右頻?，覀}率溝堵飯旒４嬖誆黃交榭觶輝詰雀呦嘸庸ぶ械牟慵湟頻妒?，也存哉涱l都飩恰Ｕ廡┗岬賈錄庸ぶ行鈉搗鋇腦だ蘭跛儆跋熗思庸さ男噬踔潦垢咚偌庸げ懷晌咚偌庸ぁ?
高速加工中，采用的切削用量都很?。▊认蚯邢饔昧亢蜕疃惹邢饔昧亢苄。?，移刀運動量也會急劇增加。因此必須要求CAM產生的刀路軌跡中的移刀平滑。在支持高速加工的Cimatron系統軟件中，則提供了非常豐富的移刀策略。
一、行切光滑移刀
a. 行切的移刀直接采用切圓弧連接。該種方法在行切切削用量（行間距）較大的情況下處理得很好，在行切切削用量（行間距）較小的情況下會由于圓弧半徑過小而導致圓弧接近一點，即近似為行間的直接直線移刀，從而也導致機床預覽減速，影響加工的效率，對加工中心也不利。
b.行切的移刀采用內側或外側圓弧過渡移刀。該種方法在一定程度上會解決在前面采用切圓弧移刀的不足。但是在使用非常小的刀子（0 .6mm直徑的球頭刀）進行精加工時，由于刀路軌跡間距非常的?。▊认蚯邢饔昧繛?.2mm），使得該方法也不夠理想。這時用戶可以考慮采用下面更為高級的移刀方式
c.切向的移刀采用高爾夫球竿頭式移刀方式。
二、環切的光滑移刀
a. 環切的移刀采用環間的圓弧切出與切入連接。這種方法的弊端是在加工3D復雜零件時，由于移刀軌跡直接在兩個刀路軌跡之間進行生成圓弧，在間距較大的情況下，會產生過切。因此該方法一般多用于2.5軸的加工，在加工中所有的加工都在一個平面內。 b. 環切的移刀采用空間螺旋式移刀。該種移刀方法由于移刀在空間完成，避免了上面方法的弊端。
三、層間的空間螺旋移刀
在進行等高加工時，用戶要采用螺旋式等高線間的移刀。
應采用光滑的轉彎走刀
采用光滑的轉彎走刀與進行光滑的移刀一樣，對保證高速加工的平穩與效率同樣重要。
圖5 擺線式加工
一、圓角走刀；該種走刀方式并不是什么新的走拐角方式，一般CAM系統都有提供。該方式較適合高速加工，用戶應予以采用。
二、圓環走刀；該種方法是較為高級的走拐角方式，就象駕駛高速跑車在高速公路上跑時，要想在不損失速率的情況下轉彎和保證轉彎更平穩，沿著立交環島來轉彎一樣。這種方法在走銳角彎路時效果特別明顯。
應采用更適合高速加工的加工方法
Cimatron先進的CAM系統提供了許多更適合高速加工的加工方法。如在輪廓加工中，用戶可以使用螺旋式三軸聯動的加工方法。使用該種方法進行輪廓加工時，刀具一邊沿輪廓切削，一邊在縱向進刀，這保證了刀具載荷的穩定，刀路軌跡也自然平滑。采用擺線式加工：擺線試加工是利用刀具沿一滾動圓的運動來逐次對零件表面進行高速與小切量的切削。采用該種方法可以有效地進行零件上窄槽和輪廓的高速小切量切削，對刀具有很好的保護作用。在進行零件的精加工時，在加工中心支持Nurbs代碼的情況下，應采用Nurbs編程。這樣產生的刀路軌跡的數據量不僅少，而且刀具運動也更光滑平穩高效。
利用CAM內在的優秀功能
許多CAM系統都有很多高級的加工能力，充分利用和挖掘這些能力加工極大地改善加工的效果。
粗切時使用具有層間二次粗加工優化的功能。在等高線粗切中，由于零件上存在斜面，在斜面上會留有臺階，導致殘留馀量不盡均勻。這樣對后續的加工不利，如刀具載荷不均勻。盡管系統具有載荷的分析與優化，但畢竟將影響加工的效率和質量。因此在進行粗切時，用戶應選擇具有優秀的層間二次粗加工功能，在粗切時就得到了馀量均勻的結果，為后續加工提供更有利的條件，也提高了加工的效率。
在最后階段對零件進行清根時，利用具有斜率分析的清根算法，對陡峭拐角和平坦拐角區別對待，即對陡峭拐角的清根使用等高線一層一層清根，對平坦區域采用沿輪廓清根，可以更好地保護刀具，獲得更好的表面質量。
在等高線精加工時，應使用螺旋式改變進刀位置的方式，以避免在固定位置留有進刀痕跡，保證加工結果的整體優良。
圖6 生成正確的加工代碼
在編程過程中，應利用有效的刀柄干涉檢查的功能，確保刀具的安全性。要選擇具有毛坯殘留知識加工的系統。這種系統的干涉檢查更為合理，因為系統是把刀具信息與上次加工的殘留毛坯進行校驗。
讀者可以利用Cimatron系統提供的結果校驗工具進行馀量可視化分析，加快作出進一步調整加工策略和進行補充加工的決定。
我們可以利用Cimatron系統具有的自動化編程機制，制定結合工廠實際的加工模板，提升加工的效率與可靠性。同時可以針對高速機床的控制系統編制適合高速加工的后置處理，指導NC程序生成正確加工代碼：
結束語
隨著高速銑削技術的不斷普及，越來越多的企業已經在生產實踐中開始應用該技術，如知名的海爾集團、西航公司的安泰葉片公司等。而高速銑削加工是一項綜合技術的應用，編程是其中的一項關鍵性工作，也是一項創造性的工作。理想的產品來自于技術與經驗的有效結合和在實踐中的不斷探索。對于開始采用高速加工技術的企業來說，要有一個適應、探索、總結和提高的過程。