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高速加工的数控编程与实践经验探讨 |
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高速加工作为高效率的加工手段之一，在目前的制造业中得到了广泛的应用。高速加工从上世纪末进入实用化阶段以后，在国内的制造业中立即得到了响应，初始阶段我们的工程技术人员对于此类加工设备和编程手段很陌生，因此在实际应用中遇到了很多问题。截止目前，此类加工手段还远远没有被广大工程技术人员熟悉和掌握，这一点从目前的媒体和网上论坛中的反映就可以看得出来。这里就高速加工中的一些问题和技巧进行一些探讨，希望能给大家带来一些启发和帮助。
高速加工包含了两层含义，一是高主轴转数，一般情况下主轴转数至少在12000转/分，目前最高可达60000转/分（Mikron可提供此类设备）。二是高速进给，进给速度一般在每分几米甚至几十米，由于机床设备、切削刀具的正常工作状态与普通加工有很大的差异，因此在编写数控加工程序和工艺流程的时候就不能再沿用老一套的思路。
在高速加工过程中，由于进给速度很大，机床主轴（或工作台等运动部件）的惯性就成为不能忽略的一个要素，在机床设计和控制系统的选配过程中都要充分的予以考虑。作为一个面向市场的成功产品，该类设备在设计制造过程中肯定在这方面作了很多的改进。不过千万不要认为，惯性问题就此彻底解决了。在使用过程中，使用者时刻都要考虑到这个因素，否则使用不当，不仅会缩短现有的高速加工设备的使用寿命，还会对您生产的产品质量产生影响。机床的设计和制造过程如何改进的问题我们不在这里探讨，我们这里关注的是使用过程中的注意事项。
为避免高速加工过程中机床惯性的影响，理论上只要我们在切削过程中尽量减少在加工过程中改变进给方向就可以了，但是实际上确实不可能实现的，改变进给方向不可避免的经常使用，这时我们要尽量在空走刀的时候换向，不在刀具处于切削状态的时候改变方向；或则改变进给方向之前降低进给速度；这就给我们编写加工程序提了一个难题，这时可以选用合适的CAM软件来完成编程工作。
例如图2中的例子，我们选择螺旋线的方式进行铣切，其效果要比图1中的传统铣切方式效果要好的多。 
尽量选择刀具未处于切削状态的时候改变进给方向。例如下面两个例子：
图3：利用圆弧导出（导入）使切削方向改变时刀具处于非切削状态
图4：刀具完全导出的时候改变切削方向
在加工型腔等特殊的形状时，由于刀具没有办法导出，在编程时，转角部分尽量采用圆弧过渡，以便使转向变的尽量平稳，如果能够在转角的时候适当的降低进给速度，那么效果会更好。
高速加工中，还要注意切削深度的控制，这里有两个层面需要注意，一个是刀具的轴向切削深度，一个是刀具径向的切削深度。切削深度的控制对于能否加工出一个漂亮的零件以及延长刀具的使用寿命起到了非常关键的作用。目前大多数使用者习惯于在精加工的时候使用高速加工，其实粗加工的时候使用高速切削可以更快的剔除加工余量，也应该推广使用；一般情况下，在粗加工过程中，使用轴向小切深，多次分层切削剔出加工余量是最常用的加工办法；在精加工过程中，小余量高速切削可以得到很好的表面加工质量，这主要是针于模具制造过程中的精加工而言，不能绝对的照搬，例如在精加工长缘条的时候，我们要考虑到加工变形的影响，如果此时选择小余量的精加工办法，就会加大缘条变形的影响。此时我们一般采用大余量分层切削的方法来减小缘条中间变形的影响。也就是说粗加工时多保留一些余量，而不是习惯上的保留较少余量进行精加工；（常规上加工此类细长缘条时，一般情况下宽度与深度比达到1：5时，加工到缘条中间部分缘条不变形已经很不容易了，如果采用高速加工，达到1：10却很轻松）如下图：
图5 高速加工中大余量分层切削精加工缘条示例
高速加工中刀具的选择是非常重要的，目前的刀具供应商几乎都可以提供适合高速加工的刀具，选择刀具主要有以下两个方面考虑，一个是高速旋转下刀具的动平衡状态，另一个就是刀具的有效切削时间（即刀具寿命）。为保证高速旋转状态下的刀具能够绕轴线稳定旋转，目前采用两种办法，一是采用带有动平衡装置的刀具，刀套里面安装了机械划块或采用流体动平衡设计；另外一种就是采用整体刀具，刀套与刀体合为一体，其实目的就是保证刀体与刀套安装过程中减小安装间隙，整体刀具这方面是最理想的，但是由于刀具的刀套和刀体是一体的，一旦刀体报废，刀套也就一起报废了，因此费用较高。采用热胀冷缩的办法装夹刀具，也可以得到很好的效果，即将刀套通过加热装置加热后，再装入刀体的方法，待冷却后即可加紧刀具。高速加工过程中，刀具的磨损要比低速状态大很多，因此刀具的寿命也是影响高速加工广泛应用的一个原因，使用高速加工的时候，应该根据工厂自身的实际情况找到一个降低成本与提高效率的平衡点才能真正的体现出高速加工的价值。
是否选用高速加工，不能盲目的跟风，其实并不见得所有的行业都适合采用这种加工手段，高速加工固然可以提高加工效率，但是由于设备、刀具的成本也相应的提高，因此找到一个提高效率和降低成本的平衡点尤其重要。高速加工不仅可以提高加工效率，还可以克服低速加工中遇到的一些工艺难题。例如，零件在加工过程中存在变形，在工程应用中是一个很令人头痛的问题，利用普通的加工方法，往往不能得到理想的结果，此时可以考虑采用高速加工的办法来解决。首先，在高速切削过程中产生的切削热有90%被切屑带走，而不是传导到工件中，这样可以大大的减小由于切削热传入工件，使工件产生热变形。其次，在上面的例子中可以看到，在加工长缘条过程中，如果采用小切深分层加工的办法，可以减小径向切削力对工件的影响，从而减小工件变形。另外，高速加工还有一个公认的好处，就是加工后的表面质量很好。如果为达到某些工艺要求而采用高速加工的时候，成本因素就显得不那么重要了。总之，是否采用高速加工，采用高速加工的比例要根据工厂的自身情况来决定。
高效率的加工手段目前除了高速加工之外，大切深的强力切削其实也是一种有效的手段。在高速加工没有实用化之前，人们在这方面已经作了很多的研究和探讨，目前高速小切深加工比较流行，但是大切深强力切削也没有被遗忘。也许有一天还会重新被人们关注，原因就是不同的行业特点和加工内容有着不同的追求目标。
本文讲述了高速加工的一些特点以及编程过程中的一些注意事项，同时提出了一些在实践过程中遇到问题的解决办法。以上观点仅供参考，欢迎商榷！本文提到的编程手段由新一代数控编程软件EdgeCAM提供。(end)
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(11/4/2005) |
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