基于CAD/CAM的数控高速切削加工研究

    2.2 高速切削加工的编程能力 
 
    良好的高速加工程序可以迅速地在机床上执行，却要花很长时间和大量精力编制。如果要获得好的高速切削加工效果，必须提供足够的CAM能力，以得到高质量的加工程序，确保机床全负荷地运作。为此可从以下几方面入手：

    (1) 具有高的计算编程速度，在高速加工中，一般可采用非常小的进给量和切削深度，因而计算量较传统的数控编程大得多。同时，由于高速加工对工艺的严格要求一般需要不同方案的对比分析，这更加大了编程工作量，所以要求编程系统应该具有高的编程计算速度。

    (2) 具有全程自动防过切能力和自动的干涉检查能力。高速加工以高出传统数控加工近１０倍的切削速度和进给速度，一旦发生过切或干涉，其后果将十分严重。传统的模具数控加工编程系统一般采用面向曲面的局部加工，比较容易发生过切现象，一般都是靠人工选择干预的方式来防止，很难保证过切防护的安全性。另外，高速加工在模具的加工制造中经常用于模具细节部分的加工，以取代传统的电极加工，这是，比较容易发生刀柄的干涉，这就要求CAM编程系统能自动检查报告。

    (3) 能自动进行进给速率和切削速度的优化处理，从而保证在高速加工时的最大的切削效率、最佳的切削条件和切削加工的安全性。

    (4) 应该有NURBS曲线插补的编程功能，通过使用NURBS插补编程，减少程序长度。

    2.3 高速切削加工的加工顺序

    除了最简单的零件，高速切削加工往往有多个加工步骤。对加工的编程，最重要的是选取正确的加工顺序，必须遵循以下原则：

    (1)考虑加工成形的几何形状，应同时考虑希望切除的材料。

    (2)把加工步骤减至最少。

    (3)使用连续的方法，如偏置路径通常比平衡路径好等。

    (4)避免垂直下刀，应从材料的外部切入。

    (5)在零件的临界区域，确保不同步骤的精加工路径不会重复，否则必定出现刀痕；

    (6)尽量不换刀，使用单一刀具精加工临界区域。刀具设置错误常常导致精加工后的加工表面出现刀痕。

    (7)长刀具容易磨损，应尽量使用短刀具。如果可以，应考虑重新定位零件方向，在难以加工的区域使用短刀具进行加工。

    2.4 高速切削加工的进刀、退刀方式

    在传统切削轮廓的加工过程中，有法向进、退刀，切向进退刀和相邻轮廓的角分线进退刀等。而在高速切削加工轮廓的过程中，应尽量采取轮廓的切向进退刀方式以保证刀具轨迹的平滑。在对曲面进行加工时，传统的数控加工方法一般采用Ｚ向垂直进、退刀，曲面正向与反向的进、退刀等方式，而在采用高速切削的方法进行曲面加工时，可采用斜向或螺旋式的进刀方式（如图3所示）。同时，CAM系统应该采用基于知识的加工方法，这样当螺旋式进刀切入材料时，系统会自动检查刀具信息，如果发现刀具具有盲区时，螺旋加工半径就不会无限制减小，从而避免撞刀。

    2.5 高速切削加工的移刀方式

    移刀方式指的是行切中的行间移刀，环切中的环间移刀，等高加工的层间移刀等。应用于传统切削加工方式的CAM软件中的移刀方式大多不适合高速加工的要求。如在行间移刀时，刀具大多是直接垂直于原来行切方向的法向移刀，导致刀具路径中存在尖角；在环切的情况下，环间移刀也是从原来切削轨迹的法向直接移刀，也会导致刀具轨迹出现不平滑的情况；在等高线加工的层间移刀时，也存在移刀尖角。这些导致加工中心频繁的预览减速影响了加工的效率，从而使高速加工不能真正达到高速加工的目的。在行间切削用量（行间距）较大的情况下，可以采用切圆弧连接的方法进行移刀。但是当行间距较小时，会由于半径过小而使圆弧近似地成为一点，进而导致行间的移刀变为直线移刀，从而也导致机床预览减速，影响加工的效率。在这种情况下，应该采用“高尔夫球棒”式移刀方式（如图4所示）。环切的移刀通常有两种方式，一种是圆弧切出与切入连接。这种方法的缺点是在加工3D复杂零件时，由于移刀轨迹直接在两个刀具路径之间生成圆弧，在间距较大的情况下，会产生过切，因此该方法一般多用于在加工中所有的刀具路径都在一个平面内的2.5轴加工；另一种是空间螺线式移刀。这种方法由于移刀在空间完成，所以避免了上面方法的缺点。在进行等高加工时，切削层之间应采用多种螺旋式的移刀方式。
 

图3 螺旋式切入方式                 图4 “高尔夫球棒”式移刀

3 高速切削加工在模具制造中的典型应用

    图5是对采用40Cr的注射模进行高速切削加工的刀具路径与仿真加工示意图。这里采用的是传统的数控机床，由于其主轴转速的限制，其高速切削用量：粗加工采用Φ20的刀具，转速2000r/min、进给速率2000mm/min、切削深度2mm；精加工采用Φ12mm的刀具、切削深度0.2mm/min、主轴转速3500r/min、进给速率3000/min。

图5 注射模高速铣削刀具路径示意图

4 结束语

    数控高速切削加工作为一种先进、高效的加工技术，在实际生产中得到越来越多的应用，它将极大地促进加工的效率提高和产品品质的改善。同时，高速切削加工是一个系统工程，它要求从软件、硬件及设备方面的全方位的改革，当使用的机床、刀具、夹具等物理设备选定后, CAD和CAM的质量与应用便成为影响切削加工的主要因素。正确地建立面向高速切削加工的CAD模型, 并合理地选用CAM 系统提供的编程策略是获得良好加工效果的最佳途径。