一、前言
數控高速切削制造技術(shù)促進(jìn)了機械冷加工制造業(yè)的飛速發(fā)展，革新了產(chǎn)品設計概念，如通過(guò)采用整體件加工取代零部件的分項制造裝配，提高了加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品制造周期。高速切削加速了汽車(chē)、模具、航空、航天、光學(xué)、精密機械等產(chǎn)品的更新?lián)Q代，加速了制造技術(shù)與裝備的升級，推動(dòng)了企業(yè)技術(shù)進(jìn)步。但目前國內存在相當一部分高速機床因各方面的原因并沒(méi)有達到理想的效果，如刀具配置跟不上而低速使用，高速電主軸因長(cháng)期受重載荷或使用不當造成壽命低下，企業(yè)高速切削工藝參數庫及CAD\CAM高速編程軟件包造成高速切削應用不是很好，高速切削工藝流程與傳統的工藝流程沒(méi)有有機結合，沒(méi)有充分發(fā)揮高速切削加工變形小、加工效率高、定位裝夾少的優(yōu)勢。
高速銑削機床的特點(diǎn)，采用主軸運動(dòng)結構實(shí)現載荷的平穩，減小工作臺由于運動(dòng)的慣性，尤其是當工作臺承載較大時(shí)，工作臺本身和工件的運動(dòng)載荷對高速切削極容易引起沖擊，機床結構的新穎性對高速切削有著(zhù)重要的影響，傳統機床依靠工作臺移動(dòng)實(shí)現機床的XY方向的移動(dòng)不是很適合高速切削。高速機床有瑞士Mikron公司VCP710、美國Cincinnati公司HyperMach五軸加工中心、日本Mazak公司SMM-2500UHS、德國Roders公司RFM1000、意大利FIDIA公司KR214六坐標加工中心、FIDIA公司D218五坐標加工中心等。
一般情況下，高速切削其切削速度比常規速度高出5～10倍，其材料的去除率是常規切削的3～5倍以上。對于鋁合金銑削可達到1100m/min以上，鑄鐵可到700m/min，鋼材可到380m/min以上，鉆削200～1200m/min，磨削150～360m/min。采用FIDIA KR214五坐標高速銑削加工中心機床及機床驗收標準試切產(chǎn)品。
二、高速銑削刀具刀柄
由于高速切削時(shí)，主軸、刀柄及刀具在高速旋轉情況下，較小的偏心就會(huì )產(chǎn)生較大的離心力，由振動(dòng)引起產(chǎn)品的質(zhì)量、降低主軸和刀具的使用壽命。常規的刀具刀柄系統難以滿(mǎn)足高速切削時(shí)的切削剛度和精度要求?，F階段比較流行常用的高速刀柄系統主要有德國的HSK刀柄、美國KM刀柄、日本NC5刀柄。HSK刀柄及KM刀柄均為1:10的錐度，采用主軸錐孔和刀柄端面過(guò)定位的方式，實(shí)現刀具的定位夾緊，其重復定位精度在傳統7:24的錐度刀柄±2.5μm提高到±1μm，采用這種刀柄系統可以提高主軸剛度、由于其契形效果好，能提高刀具的抗扭能力，且轉速越高其鎖緊力越大。但這種刀柄價(jià)格較貴，一般為常規刀柄的1.5～2倍，其最低轉速小于KM刀柄。一般情況下，高速銑削時(shí)，刀具刀柄的不平衡力小于切削力時(shí)，不影響刀具的使用壽命和切削效率。
根據高速切削的動(dòng)平衡規定，主軸轉速至少要達到8000 r/min以上。其進(jìn)給速度至少大于20m/min。50柄轉速達到10000～20000 r/min，40柄以及HSK刀柄20000～40000 r/min，KM刀柄達到35000 r/min以上。由于高速銑削動(dòng)平衡的要求，在配置高速銑削刀柄刀具時(shí)優(yōu)先配置經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡測試的刀具系統，其次用戶(hù)可以自行采用動(dòng)平衡機及調整系統進(jìn)行動(dòng)平衡調節，但其使用非常麻煩。美國Kennametal公司推出了一種通過(guò)調節主軸系統的自動(dòng)平衡刀柄系統TABS刀柄，但目前應用還不廣泛。為有效發(fā)揮高速切削的加工效率，在配置高速刀具夾持刀柄系統時(shí)顯得非常重要，傳統的彈簧夾頭、螺釘連接刀柄已不能滿(mǎn)足高速銑削夾持精度高、結構對稱(chēng)性好、傳遞扭矩大等要求，以下為作者總結的高速刀具及刀柄配置經(jīng)驗。
第一、優(yōu)先配置熱脹式刀柄通過(guò)熱脹式加熱儀裝置進(jìn)行加熱，通過(guò)熱脹冷縮的原理對刀具進(jìn)行夾緊，其回轉精度、結構對稱(chēng)性、動(dòng)平衡性能均較液壓式刀柄好，在歐洲應用非常廣泛，尤其適合模具等行業(yè)產(chǎn)品的高速切削加工，該刀柄可達到40000r/min。其中熱脹式裝刀裝置以德國Thermal Grip為典型代表。
其次、液壓式刀柄是高精度、高性能的刀柄夾持柄，其回轉精度、結構對稱(chēng)性和動(dòng)平衡性能均較好，減振性好，可有效提高切削效率和刀具的使用壽命，液壓式刀柄以德國雄克公司的為典型代表，經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡后轉速可達到25000r/min。
第三、整體式刀柄，如日本Nikken公司刀柄、奧地利盤(pán)石的整體鋁合金銑削刀柄，其結構主要是刀體和刀柄為一體，在經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡測試調整后，再安裝銑削刀片進(jìn)行動(dòng)平衡調節來(lái)滿(mǎn)足高速銑削加工的需要，整體式刀柄尤其適合模具的高速粗加工和鋁合金高速銑削。其轉速一般可以達到10000～30000r/min之間。
最后、高速銑削應用精密彈簧夾頭刀柄和側固式刀柄時(shí)，其轉速由于本身結構的限制，一般難以達到20000 r/min，精密彈簧夾頭刀柄一般可達到12000～15000 r/min，而側固式刀柄則難以達到10000 r/min，在高速機床上盡量少用。
2.高速銑削刀具
由于高速銑削對刀具刀柄要求較高，在購置高速刀具時(shí)盡量購置經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡測試的刀具，常用的硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、立方氮化硼(PCBN)，聚晶金剛石(PCD)在經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間磨損后，可應用于普通數控機床進(jìn)行加工。另外一個(gè)方面由于高速切削的安全性，在進(jìn)行工件加工時(shí)一定要注意加工防護，如40mm直徑刀具，主軸轉速達到30000r/min,其射出的速度可達到63m/s的速度，接近于230km/h的汽車(chē)速度，切削過(guò)程中如出現斷刀摔出，勢必有較大的沖擊動(dòng)量。同時(shí)對沒(méi)有把握的刀具刀柄一定要經(jīng)過(guò)高速動(dòng)平衡儀測試出真實(shí)數據，方可進(jìn)行產(chǎn)品加工。此外由于高速運轉時(shí)，刀具的長(cháng)度在高速環(huán)境下其刀具直徑和長(cháng)度與靜態(tài)條件下有所差別，采用激光機內對刀儀可有效解決數控編程的刀具工藝參數的確定，因此在購置高速銑削機床時(shí)，配置激光機內對刀儀是不應少的選項，尤其在進(jìn)行高精度產(chǎn)品的銑削加工時(shí)更能體現其優(yōu)勢。
高速切削鋼材時(shí)，刀具材料應選用熱硬性和疲勞強度高的P類(lèi)硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、立方氮化硼(CBN)與CBN復合刀具材料(WBN)等。切削鑄鐵，應選用細晶粒的K類(lèi)硬質(zhì)合金進(jìn)行粗加工，選用復合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼(PCNB)復合刀具進(jìn)行精加工。精密加工有色金屬或非金屬材料時(shí)，應選用聚晶金剛石PCD或CVD金剛石涂層刀具。高速銑削時(shí)應針對相應的材料選擇合適的刀柄和刀具材料，鋁合金高速銑削時(shí)可優(yōu)先選用采用鑲刀片的整體刀柄。
三、五坐標高速銑削刀具軌跡設計
高速切削有著(zhù)比傳統切削特殊的工藝要求，除了高速切削機床和高速切削刀具，具有合適的CAM編程軟件也是至關(guān)重要的。一個(gè)優(yōu)秀的高速加工CAM編程系統應具有很高的計算速度、較強的插補功能、全程自動(dòng)過(guò)切檢查及處理能力、自動(dòng)刀柄與夾具干涉檢查、進(jìn)給率優(yōu)化處理功能、刀具軌跡編輯優(yōu)化功能、加工殘余分析功能等。數控編程時(shí)應首先要注意加工方法的安全性和有效性;其次要盡一切可能保證刀具軌跡光滑平穩，這會(huì )直接影響加工質(zhì)量和機床主軸等零件的壽命;最后要盡量使刀具載荷均勻，這會(huì )直接影響刀具的壽命。國內外比較成熟適用于高速加工編程的有美國EDS公司UnigraphicsNX、英國DelCAM公司的PowerMill、以色列的Cimatron軟件。
1.五軸刀具軌跡設計的關(guān)鍵點(diǎn)
在進(jìn)行刀具軌跡設計之前，CAD三維模型的系統精度盡可能設置高一些，尤其是在不同的CAD系統之間進(jìn)行模型轉換時(shí)，優(yōu)先采用CATIA(*.model)格式、Parasolid(*.x_t)格式進(jìn)行數據轉換，其次采用IGES格式進(jìn)行數據轉換，當使用IGES格式時(shí)，系統精度一般不應低于0.01mm，尤其在進(jìn)行五軸高速切削精密零件時(shí)模型的精度、刀具插補精度對刀具軌跡的輸出有著(zhù)重要影響。
空間曲面軸加工涉及的內容比較多，尤其是五軸加工時(shí)更明顯。進(jìn)行五軸加工時(shí)涉及加工導動(dòng)曲面、干涉面、軌跡限制區域、進(jìn)退刀及刀軸矢量控制等關(guān)鍵技術(shù)。四軸五軸加工的基礎是理解刀具軸的矢量變化。四軸五軸加工的關(guān)鍵技術(shù)之一是刀具軸的矢量(刀具軸的軸線(xiàn)矢量)在空間是如何發(fā)生變化的，而刀具軸的矢量變化是通過(guò)擺動(dòng)工作臺或主軸的擺動(dòng)來(lái)實(shí)現的。對于矢量不發(fā)生變化的固定軸銑削場(chǎng)合，一般用三軸銑削即可加工出產(chǎn)品，五軸加工關(guān)鍵就是通過(guò)控制刀具軸矢量在空間位置的不斷變化或使刀具軸的矢量與機床原始坐標系構成空間某個(gè)角度，利用銑刀的側刃或底刃切削加工來(lái)完成。
?、貺ine :刀具軸的矢量方向平行于空間的某條直線(xiàn)形成的固定角度方式;
?、赑attern Surface:曲面法向式為刀具軸的矢量時(shí)刻指向曲面的法線(xiàn)方向;
?、跢rom point：點(diǎn)位控制刀具軸的矢量遠離空間某點(diǎn);To point：刀具軸的矢量指向空間某點(diǎn);
?、躍warf Driver：刀具軸的矢量沿著(zhù)空間曲面(曲面具有直紋性)的直紋方向發(fā)生變化;
?、莸毒咻S矢量連續插補控制。從上述刀具軸的矢量控制方式來(lái)看，五軸數控銑削加工的切削方式可以根據實(shí)際產(chǎn)品的加工來(lái)進(jìn)行合理的刀具軌跡設計規劃。
UGII/Contour Milling三軸高速等高分層粗銑削時(shí)，刀具軌跡之間的圓弧過(guò)渡。高速銑削加工的支持：系統提供的等高分層加工應用于高速銑削場(chǎng)合，在轉角處以圓角的形式過(guò)渡，避免90度急轉(高速場(chǎng)合對導軌和電機容易損壞)，同時(shí)采用螺旋進(jìn)退刀，系統還提供環(huán)繞等多種方式支持高速加工刀具軌跡的生成策略。UGII/Variable Axis Milling可變軸銑削模塊支持定軸和多軸銑削功能，可加工UGII造型模塊中生成的任何幾何體，并保持主模型相關(guān)性。該模塊提供多年工程使用驗證的3~5軸銑削功能，提供刀軸控制、走刀方式選擇和刀具路徑生成功能。刀具軸矢量控制方式、加工策略。
UGII/Sequential Milling順序銑模塊可實(shí)現控制刀具路徑生成過(guò)程中的每一步驟的情況、支持2~5軸的銑削編程、和UGII主模型完全相關(guān)，以自動(dòng)化的方式，獲得類(lèi)似APT直接編程一樣的絕對控制、允許用戶(hù)交互式地一段一段地生成刀具路徑，并保持對過(guò)程中每一步的控制、提供的循環(huán)功能使用戶(hù)可以?xún)H定義某個(gè)曲面上最內和最外的刀具路徑，由該模塊自動(dòng)生成中間的步驟、該模塊是UGII數控加工模塊中如自動(dòng)清根等功能一樣的UGII特有模塊，適合于高難度的數控程序編制。
2.整體葉輪加工數控編程
在進(jìn)行五坐標加工編程時(shí)，加工策略劃分對于產(chǎn)品質(zhì)量是很重要的，尤其是復雜產(chǎn)品的數控編程時(shí)，要求更高。整體葉輪進(jìn)行五坐標高速銑削加工，其粗精加工銑削方式和刀具軌跡策略、粗精加工工序余量的合理安排、切削工藝參數加工步距、加工深度、主軸轉速、機床進(jìn)給等的選擇對于提高產(chǎn)品的加工效率和質(zhì)量是至關(guān)重要的。五坐標切削工藝參數的在經(jīng)驗基礎上，針對不同的加工產(chǎn)品對象，對不同材料、刀柄刀具、切削方式可通過(guò)正交試驗等方法進(jìn)行科學(xué)試驗、歸納總結選用。
整體葉輪在FIDIA KR215五坐標高速銑削中心上，分別按照三軸銑削粗加工排量、五軸流道排量、五軸葉片精銑削、五軸流道精加工銑削的加工順序對該產(chǎn)品進(jìn)行切削及其產(chǎn)品加工實(shí)例。
四、五坐標高速銑削后處理程序開(kāi)發(fā)
1.五軸機床旋轉刀具中心編程RTCP(Rotation Tool Centre Point)
五坐標機床及其加工編程，常用RTCP功能對機床的運動(dòng)精度和數控編程進(jìn)行簡(jiǎn)化，下面對RTCP( Rotation Tool Centre Point 旋轉刀具中心)編程進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。
非RTCP模式編程：為了編程五坐標的曲面加工，必須知道刀具中心與旋轉主軸頭中心的距離：這個(gè)距離我們稱(chēng)為轉軸中心(pivot)。根據轉軸中心和坐標轉動(dòng)值計算出X、Y、Z 的直線(xiàn)補償，以保證刀具中心處于所期望的位置。運行一個(gè)這樣得出的程序必須要求機床的轉軸中心長(cháng)度正好等于在書(shū)寫(xiě)程序時(shí)所考慮的數值。任何修改都要求重新書(shū)寫(xiě)程序。對于FIDIA C20數控系統G96 激活RTCP，G97 禁止RTCP
RTCP模式編程：選件RTCP 的運行原理是當存在此選項時(shí)，控制系統會(huì )保持刀具中心始終在被編程的XYZ位置上。為了保持住這個(gè)位置，轉動(dòng)坐標的每一個(gè)運動(dòng)都會(huì )被XYZ 坐標的一個(gè)直線(xiàn)位移所補償。因此，對于其它傳統的數控系統而言，一個(gè)或多個(gè)轉動(dòng)坐標的運動(dòng)會(huì )引起刀具中心的位移;而對于FIDIA 數控系統(當RTCP 選件起作用時(shí))，是坐標旋轉中心的位移，保持刀具中心始終處于同一個(gè)位置上。在這種情況下，可以直接編程刀具中心的軌跡，而不需考慮轉軸中心，這個(gè)轉軸中心是獨立于編程的，是在執行程序前由顯示終端輸入的，與程序無(wú)關(guān)。通過(guò)計算機編程或通過(guò)PLP 選件被記錄的三坐標程序，可以通過(guò)RTCP 邏輯，以五坐標方式被執行。對于這種特殊的應用方法，必須要求使用球形刀具。這些轉動(dòng)坐標的運動(dòng)，可以通過(guò)JOG 方式或通過(guò)手輪來(lái)完成，所以在某些加工條件下，允許所使用的刀具，其長(cháng)度值小于用于三坐標加工的刀具。
2.基于UGNX平臺后處理程序的開(kāi)發(fā)
后置處理最重要的是將CAM軟件生成的刀位軌跡轉化為適合數控系統加工的NC程序，通過(guò)讀取刀位文件，根據機床運動(dòng)結構及控制指令格式，進(jìn)行坐標運動(dòng)變換和指令格式轉換。通用后置處理程序是在標準的刀位軌跡以及通用的CNC系統的運動(dòng)配置及控制指令的基礎上進(jìn)行處理。它包含機床坐標運動(dòng)變換、非線(xiàn)性運動(dòng)誤差校驗、進(jìn)給速度校驗、數控程序格式變換及數控程序輸出等方面的內容。只有采用正確的后置處理系統才能將刀位軌跡輸出為相應數控系統機床能正確進(jìn)行加工的數控程序，因此編制正確的后置處理系統模板是數控編程與加工的前提條件之一。后處理的主要內容包括三個(gè)方面的內容：
?、贁悼叵到y控制指令的輸出：主要包括機床種類(lèi)及機床配置、機床的定位、插補、主軸、進(jìn)給、暫停、冷卻、刀具補償、固定循環(huán)、程序頭尾輸出等方面的控制。
?、诟袷睫D換：數據類(lèi)型轉換與圓整、字符串處理等：主要針對數控系統的輸出格式如單位、輸出地址字符等方面的控制。
?、鬯惴ㄌ幚恚褐饕槍Χ嘧鴺思庸r(shí)的坐標變換、跨象限處理、進(jìn)給速度控制。
五軸數控機床的配置形式多樣，典型配置有繞X軸和Y軸旋轉的兩個(gè)擺動(dòng)工作臺，其二為主軸繞X軸或Y軸擺動(dòng)，另外的工作臺則相應繞Y軸或X軸擺動(dòng)來(lái)構造空間的五軸聯(lián)動(dòng)加工。對于主軸不擺動(dòng)的五軸數控機床，其擺動(dòng)軸存在主次依賴(lài)關(guān)系，即主擺動(dòng)軸(Primary Table)的運動(dòng)影響次擺動(dòng)軸(Secondary Table)的空間位置，而次擺動(dòng)軸的運動(dòng)則不影響主擺動(dòng)軸的空間位置狀態(tài)。
FIDIA KR214為帶旋轉工作臺的六軸五聯(lián)動(dòng)高速銑削加工中心，其中C軸為主動(dòng)軸、A軸為從動(dòng)依附軸、旋轉工作臺為W軸;由于現有的CAM軟件大多不支持六軸聯(lián)動(dòng)的數控程序后處理，且實(shí)際加工中，一般的五軸聯(lián)動(dòng)足夠滿(mǎn)足生成的需要。針對該機床加工的特性，根據需要可編制三個(gè)線(xiàn)性軸X、Y、Z、A、C五個(gè)軸聯(lián)動(dòng)后處理程序以及包括三個(gè)線(xiàn)性軸及A/W的五軸后處理程序。這兩種后處理程序方案即可滿(mǎn)足工程需求，修改適合KR214(或K211)數控機床的后處理程序。
五、基于Vericut五坐標高速銑削機床運動(dòng)模擬
由于五坐標高速銑削加工時(shí)，刀具軌跡比較復雜，且加工過(guò)程中刀具軸矢量變化控制頻繁，尤其是在進(jìn)行高速切削時(shí)，刀具運動(dòng)速度非?？?，因此在進(jìn)行實(shí)際產(chǎn)品加工前，進(jìn)行數控程序的校對審核是非常必要的。由于五坐標聯(lián)動(dòng)高速切削其程序量大，許多程序采用手工的方法或者在CAM軟件里進(jìn)行模擬是難以有效的檢查數控程序和機床的實(shí)際輸出是否存在問(wèn)題。采用Vericut軟可以很好的節省校對時(shí)間，進(jìn)行真實(shí)的模擬加工，Vericut軟件非常真實(shí)的模擬機床加工過(guò)程中的干涉、過(guò)切、進(jìn)退刀等狀況，尤其能很好的模擬五軸加工及其RTCP功能。Vericut提供了許多功能，其中有對毛坯尺寸、位置和方位的完全圖形顯示，可模擬2～5軸聯(lián)動(dòng)的銑削和鉆削加工.
UGII/Vericut 切削仿真模塊是集成在UGII軟件中的第三方模塊，它采用人機交互方式模擬、檢驗和顯示NC加工程序，是一種方便的驗證數控程序的方法。由于省去了試切樣件，可節省機床調試時(shí)間，減少刀具磨損和機床清理工作。通過(guò)定義被切零件的毛坯形狀，調用NC刀位文件數據，就可檢驗由NC生成的刀具路徑的正確性。UGII/Vericut可以顯示出加工后并著(zhù)色的零件模型，用戶(hù)可以容易的檢查出不正確的加工情況。作為檢驗的另一部分，該模塊還能計算出加工后零件的體積和毛坯的切除量。UGII中的數字模型可直接傳輸到Vericut軟件中，進(jìn)行模擬，包括毛坯、產(chǎn)品、數控刀具軌跡與刀具等數字信息。圖9為UGNX環(huán)境下提供的Vericut接口界面，進(jìn)行某整體葉輪機床加工時(shí)在Vericut軟件中的模擬情況，為保證該產(chǎn)品的質(zhì)量提供了較好的檢測過(guò)程。
六、小結
本文從高速銑削加工中心的刀柄系統、五坐標高速銑削的刀具軌跡設計、數控編程后處理程序開(kāi)發(fā)、高速銑削切削工藝參數的合理選擇、五坐標高速銑削機床加工運動(dòng)模擬等方面的關(guān)鍵技術(shù)及其應用進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，希望對讀者有所借鑒作用。
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