高速加工在先进制造技术中的应用

高速加工在先进制造技术中的应用心路历程2022/10/191OA-0001要点概述述：介绍高速速加工的的基本概概念的基基础上，，分析了了高速加加工技术术在模具具制造中中的应用用前景。。总结了了面向高高速加工工的数控控编程基基本原则则和高速速加工技技术对数数控编程程系统的的要求。。介绍了现现有数控控编程软软件中采采用的面面向高速速加工的的工艺措措施。2020-02-112关键词：高速加工工模模具制造造

数控机床床数控编程程2020-02-113引言２０世纪纪３０年年代，德德国科学学家Salomon通通过对不不同材料料进行切切削试验验，发现现了一个个有趣的的现象：：随着切切削速度度的增加加，切削削温度随随之增加加，单位位切削力力也随之之增加，，而当切切削速度度增加到到一定临临界值时时，如再再增加，，切削温温度和切切削力反反而急剧剧下降。。由此，，提出了了高速加加工的概概念，所所谓高速速加工就就是指切切削速度度高于临临界速度度的切削削加工。。对不同同的切削削材料和和不同的的切削方方式来说说，高速速切削定定义的切切削速度度的范围围也不同同，对于于铣削铝铝、镁合合金，切切削速度度大于1000ｍ／ｍｉｉｎ可称称为高速速加工，，而对于于加工铸铸铁或钢钢，切削削速度大大于300ｍ／ｍｉｉｎ就可可以称为为高速加加工了。。随着技技术的发发展，高高速加工工的概念念也在不不断变化化。一般般而言，，高速铣铣削除了了具有高高的切削削速度和和主轴转转速外，，还应具具有高的的进给速速度。如如一般精精铣加工工可达到到5000~15000ｍｍ／ｍｍｉｎ快快速进给给可达到到20000~50000ｍｍ／ｍｍｉｎ。。2020-02-114与常规切切削加工工相比，，高速加加工有如如下一些些优点：：a、由于采用用高的切切削速度度和高的的进给速速度，高高速加工工能在单单位时间间内切除除更多的的金属材材料，因因而切削削效率高高；b、在高速加加工的时时候，可可以采用用较少的的步距，，达到提提高零件件表面质质量的目目的，采采用高速速加工技技术，可可以使得得零件表表面达到到磨削的的效果；；c、由于高速速加工时时切削力力大大降降低、大大部分切切削热被被切屑带带走，因因而工件件的变形形大大减减少；d、高的切削削速度意意味着高高的主轴轴转速，，机床运运转激励励的振动动频率能能大大高高于工艺艺系统的的固有频频率，因因而使机机床和工工艺系统统的振动动小，工工作平稳稳，这也也有利于于提高被被加工零零件的精精度和表表面质量量；e、由于高速速加工时时，切削削温度较较低，单单位切削削力较小小，机床主轴轴高转速速因而刀具具的耐用用度能得得到提高高。f、为了适应应高速加加工的要要求，先先进的刀刀具制造造技术也也不断涌涌现，像像双渡涂涂层高强强度硬质质合金刀刀具、聚聚晶立方方氮化硼硼和聚晶晶金刚石石刀具的的大量使使用，极极大地促促进了切切削加工工及先进进制造技技术的发发展。2020-02-115根据高速速加工技技术的特特点，高高速加工工技术应应用于模模具制造造业中主主要有如如下一些些优点：：①减少加加工工序序，粗加加工后，，直接精精加工，，不需要要半精加加工，体体现了工工序集中中的原则则；②表面质质量提高高，减少少或不需需要打磨磨；③精度提提高，减减少试模模工作量量；④可以使使用小刀刀具加工工模具细细节，比比如是1mm的的倒角这这样极大大的减少少了电极极制作和和电加工工工序；；⑤可以在在高精度度、大进进给的方方式完成成淬火钢钢的精加加工，且且达到很很高的模模具表面面质量，，因而可可以减少少传统加加工因精精加工后后再淬火火引起模模具变形形。2020-02-116⑥为了适适应高速速加工的的要求，，先进的的刀具制制造技术术也不断断涌现，，像双渡涂涂层高强强度硬质质合金刀刀具、聚聚晶立方方氮化硼硼和聚晶晶金刚石石刀具的的大量使使用，极极大地促促进了切切削加工工及先进进制造技技术的发发展。⑦数控机机床具有有高刚性性、高强强度、高高精度、、高负荷荷平稳加加工的特特点以及及切削加加工工艺艺的改进进，顺应应当今绿绿色加工工环保的的要求，，以铣代代磨、硬硬态加工工、高速速重切削削、高速速干式切切削都得得到了大大量的应应用，极极大提高高了生产产效率。。2020-02-117高速加工工首先在在航空航航天、模模具汽车车制造领领域得到到应用：高速加工工带来的的优势有有：①传统非非常难以以加工薄薄壁零件件、柔性性材料零零件的加加工，可可以利用用高速加加工的切切削力小小、切削削温度低低的优点点，利用用高速加加工技术术进行加加工。②高速加加工的切切削力小小、切削削效率高高，可以以采用长长径比很很大的刀刀具进行行加工，，因而传传统的必必须设计计为组合合件的一一些零件件可以设设计为整整体件了了。如蜂蜂窝零件件、飞机机的整体体框梁等等。由于于当时高高速加工工属于尖尖端的加加工技术术，并且且主要应应用于航航空航天天等国防防制造领领域，因因而发达达国家对对高速加加工机床床的出口口实行管管制政策策。随着着技术的的进步，，高速加加工技术术不断成成熟，高高速加工工机床的的成本也也不断下下降，使使得高速速加工技技术已具具有向民民用制造造业转移移的可能能性，高高速加工工技术在在模具制制造行业业有广阔阔的应用用前景。。2020-02-118高速加工工技术主主要涉及及机床、、刀具、、和高速速加工数数控编程程３个方方面。目目前，高高速加工工数控机机床和刀刀具技术术广泛应应用，为为实现高高速加工工技术提提高工效效奠定了了基础。。2020-02-119高速加工工机床实施高速速加工技技术，首首先应有有高速加加工机床床。高速速加工机机床具有有不同于于传统数数控机床床的特点点：（１）高高速加工工机床的的主轴部部件，要要求采用用耐高温温、高速速、能承承受大的的负荷的的轴承，，同时主主轴动平平衡性能能好，有有良好的的热稳定定性，能能够传递递足够的的力距和和功率且且能承受受高的离离心力。。主轴的的刚性好好、有恒恒定的力力矩。带带有检测测过热装装置和冷冷却装置置。（２）高高速加工工机床的的进给系系统一般般采用直直线电机机驱动，，能够实实现高的的进给速速度，达达到大的的加速度度。（３）高高速加工工机床采采用高性性能的数数控系统统，克服服传统数数控机床床的运算算速度低低和伺服服滞后等等缺陷，，从而能能实现高高精密伺伺服控制制、高速速数控运运算和全全公差控控制功能能。（４）高高速加工工的机床床结构一一般通过过优化设设计采用用较轻的的移动部部件，如如高平稳稳的静压压励磁导导轨从而而能获得得高的加加速度特特征。2020-02-1110（５）为为了能获获得高的的静态和和动态刚刚度，适适应高速速旋转的的需要，，高速加加工机床床对刀具具有严格格的要求求，尤其其是对主主轴于刀刀柄的联联结有特特殊的要要求，广广泛使用用的ＨＳＳＫ刀具具一般使使用１：１０的小小锥度，，而不使使用传统统的大锥锥度刀柄柄。（６）高高速加工工具有数数控代码码预览功功能，即即高速加加工机床床的数控控系统在在进行切切削加工工的过程程中，其其读取的的加工代代码可以以有一定定量的超超前，以以便于机机床调整整进给速速度以适适应刀具具轨迹变变化的需需要。（７）高高速加工工的机床床一定是是采用双双闭环控控制系统统，实现现传动位位置（0.00005）精确确控制，，从而减减少开机机的预热热时间，，在西门门子机床床上可以以不用找找原点给给操作带带来了方方便。2020-02-1111高速加工工数控编编程基本本原则高速加工工对加工工工艺走走刀方式式有着特特殊的要要求，高高速加工工的数控控编程是是一项非非常复杂杂的技术术，ＮＣＣ代码的的编程员员必须了了解高速速加工的的工艺过过程，再再编制数数控加工工程序时时，将这这些加工工工艺考考虑进去去，一般般来说，，在利用用高速加加工技术术进行模模具加工工时，应应注意如如下一些些原则：：（１）高高速加工工时，由由于进给给速度和和切削速速度很高高，应当当避免刀刀具突然然切入和和切出工工件，避避免切削削力的突突然变化化减少冲冲击。因因而，编编程者应应当能够够充分预预见刀具具是如何何切入工工件，如如何切出出工件，，尽量采采用平稳稳的切入入切出方方式，下下刀或行行间、层层间的过过渡部分分最好采采用斜式式下刀或或圆弧下下刀，避避免垂直直下刀直直接接近近工件材材料而产产生的冲冲击惯性性力，避避免加工工表面产产生刀痕痕。2020-02-1112（２）在在进行高高速加工工时遇到到加工方方向改变变时，机机床为了了保证加加工的精精度，避避免过切切，通过过其预览览功能，，在加工工方向进进行改变变时一般般会自动动进行进进给速度度的调整整。但是是，当加加工方向向突然改改变时，，由于机床床的加速速度是有有限制的的，因而而，有可可能做不不到及时时的速度度调整，，造成过过切或（（欠切）），严重重的将造造成刀具具断裂。。同时，，不断地地调整进进给速度度会严重重降低生生产效率率。因而而，编写写高速加加工数控控加工程程序时，，应尽量量避免加加工方向向的突然然改变。。行切的的端点采采用圆弧弧连接，，避免直直线连接接、层间间应采用用螺旋式式连接，，避免直直线连接接。（３）要要尽可能能维持恒恒定切削削负载，，切削深深度、进进给量和和切削线线速度一一定要协协调好。。当遇到到某处切切削深度度有可能能增加时时，应降降低进给给速度，，以保持持恒定的的负载。。编写高高速加工工的数控控程序时时，应能能充分考考虑残留留余量的的效应，，最好编编程软件件有残留留余量的的分析功功能，做做基于残残留余量量的刀具具轨迹计计算。同同时，要要注意刀刀具的实实际切削削位置，，避免切切削线速速度减低低的现象象发生，，确实处处于正常常的高速速加工切切削速度度范围，，应尽量量使用多多坐标编编程，通通过刀轴轴旋转来来维持恒恒定的切切触点位位置，维维持恒定定的切削削速度。。2020-02-1113（４）刀刀具路径径越简单单越好，，应尽量量采用圆圆弧、曲曲线等插插补功能能，传统统的加工工模具时时采用的的密集插插补点数数据刀具具路径，，不太适适合于高高速加工工，一方方面数据据量太大大，加重重数控系系统的数数据处理理负担，，造成进进给速度度要适应应数控系系统的处处理速度度而减低低。另一一方面，，密集的的直线段段之间，，是微观观直线插插补连续续的，因因而数控控系统要要不断地地调整进进给速度度，造成成进给速速度升不不上去，，严重影影响加工工效率。。（５）在在进行高高速加工工编程时时，无论论从加工工精度还还是加工工安全性性考虑，，都应该该进行充充分的干干涉检查查和加工工过程仿仿真。（６）注注意进行行多种加加工方案案的对比比分析，，选取最最佳的切切削方案案。2020-02-1114高速加工工对ＮＣＣＰ系统统的要求求为了能适适应高速速加工数数控编程程的要求求，针对对高速加加工的数数控编程程系统应应该满足足相应的的特殊要要求。（１）ＮＮＣＰ系系统应该该具有高高的计算算编程速速度，在在高速加加工中，，一般可可采用非非常小的的进给量量和切削削深度，，因而计计算量较较传统的的数控编编程大得得多。同同时，由由于高速速加工对对工艺的的严格要要求一般般需要不不同方案案的对比比分析，，这更加加大了编编程工作作量，所所以要求求编程系系统应该该具有高高的编程程计算速速度。（２）ＮＮＣＰ系系统应该该具有全全程自动动防过切切能力和和自动的的干涉检检查能力力。高速速加工以以高出传传统数控控加工近近１０倍倍的切削削速度和和进给速速度，一一旦发生生过切或或干涉，，其后果果将十分分严重。。传统的的模具数数控加工工编程系系统一般般采用面面向曲面面的局部部加工，，比较容容易发生生过切现现象，一一般都是是靠人工工选择干干预的方方式来防防止，很很难保证证过切防防护的安安全性。。另外，，高速加加工在模模具的加加工制造造中经常常用于模模具细节节部分的的加工，，以取代代传统的的电极加加工，这这是，比比较容易易发生刀刀柄的干干涉，这这就要求求ＮＣＰＰ编程系系统能自自动检查查报告。。2020-02-1115（３）适适合高速速加工的的ＮＣＰＰ系统，，应该能能自动进进行进给给速率和和切削速速度的优优化处理理，从而而保证在在高速加加工时的的最大的的切削效效率、最最佳的切切削条件件和切削削加工的的安全性性。（４）高高速加工工编程系系统应有有刀具轨轨迹的编编辑优化化功能，，避免多多余的空空刀和通通过对刀刀具轨迹迹的镜向向、复制制、移动动、旋转转等操作作避免重重复计算算，提高高编程效效率。（５）高高速加工工编程系系统应该该有ＮＵＵＲＢＳＳ曲线插插补的编编程功能能，通过过使用ＮＮＵＲＢＢＳ插补补编程，，减少程程序长度度。（６）适适合高速速加工编编程的系系统应该该有符合合高速加加工工艺艺要求的的加工策策略。如如丰富的的行间、、层间连连接方法法，丰富富的进刀刀和退刀刀方法，，基于残残留余量量的刀具具轨迹计计算方法法。2020-02-1116（７）适适合高速速加工编编程系统统，最好好能引入入工艺系系统的参参数、材材料的最最佳切削削条件、、机床的的允许加加速度等等参数，，能够自自动确定定允许的的加工方方向变化化的程度度（即确确定不同同曲率半半径的圆圆弧段允允许的进进给速度度的变化化程度）），轨迹迹上最小小的曲率率半径与与进给速速度的关关系，能能够满足足高速加加工对切切削线速速度的自自动的调调整。2020-02-1117具有高速速加工编编程能力力的ＮＣＣＰ系统统简介目前有关关适合高高速加工工编程的的ＮＣＰＰ（ＣＡＡＭ）系系统的研研究引起起了较为为广泛的的重视，，在许多多商用ＣＣＡＤ／／ＣＡＭＭ系统，，如英国国Ｄｅｌｌｃｏｍｍ公司的的ＰｏｗｗｅｒＭＭｉｌｌｌ、以色色列的ＣＣｍａｔｔｒｏｎｎ、美国国的ＵｎｎｉｇｒｒａｐｈｈｉｃｓｓＰＴＴＣ公司司的Ｐｒｒｏ／ＥＥｎｇｉｉｎｅｅｅｒｉｎｎｇ，ＣＣＮＣ公公司的ＭＭａｓｔｔｅｒＣＣＡＭ等等在传统统的ＮＣＣＰ模块块中添加加了适合合于高速速加工编编程的工工艺策略略。经典视频频：1.轮廓铣加加工实例例2.叶轮加工工实例2020-02-1118（１）采采用光滑滑的进刀刀、退刀刀方式。。在传统切切削轮廓廓的加工工过程中中，有法法向进、、退刀，，切向进进退刀和和相邻轮轮廓的角角分线进进退刀等等。而在在高速切切削加工工轮廓的的过程中中，应尽尽量采取取轮廓的的切向进进退刀方方式以保保证刀具具轨迹的的平滑。。在对曲曲面进行行加工时时，传统统的数控控加工方方法一般般采用ＺＺ向垂直直进、退退刀，曲曲面正向向与反向向的进、、退刀等等方式，，而在采采用高速速切削的的方法进进行曲面面加工时时，多采采用斜向向或螺旋旋式的进进刀方式式。同时时，ＣＡＡＭ系统统应该采采用基于于曲面的的加工方方法，这这样当螺螺旋式进进刀切入入材料时时，系统统会自动动检查刀刀具信息息，如果果发现刀刀具具有有盲区时时，螺旋旋加工半半径就不不会无限限制减小小，从而而避免撞撞刀。对对于复杂杂的曲面面加工，，已经有有了5轴轴联动数数控机床床加工的的完美方方案。这这就对加加工过程程的安全全性提供供了周全全的保障障。概括起来来主要有有如下一一些方法法：2020-02-1119（２）采采用光滑滑的移刀刀方式。。这里所说说的移刀刀方式指指的是行行切中的的行间移移刀，环环切中的的环间移移刀，等等高加工工的层间间移刀等等。应用用于传统统切削加加工方式式的ＣＡＡＭ软件件中的移移刀方式式大多不不适合高高速加工工的要求求。如在在行间移移刀时，，刀具大大多是直直接垂直直于原来来行切方方向的法法向移刀刀，导致致刀具路路径中存存在尖角角；在环环切的情情况下，，环间移移刀也是是从原来来切削轨轨迹的法法向直接接移刀，，也会导导致刀具具轨迹出出现不平平滑的情情况；在在等高线线加工的的层间移移刀时，，也存在在移刀尖尖角。这这些导致致加工中中心频繁繁的预览览减速影影响了加加工的效效率，从从而使高高速加工工不能真真正达到到高速加加工的目目的。在在行间切切削用量量（行间间距）较较大的情情况下，，可以采采用切圆圆弧连接接的方法法进行移移刀。但但是当行行间距较较小时，，会由于于半径过过小而使使圆弧近近似地成成为一点点，进而而导致行行间的移移刀变为为直线移移刀，从从而也导导致机床床预览减减速，影影响加工工的效率率。在这这种情况况下，应应该采用用高尔夫夫球竿头头式移刀刀方式。。环切的的移刀方式通常有2020-02-1120两种方式式，一种种是圆弧弧切出与与切入连连接。这种方法法的缺点点是在加加工３ＤＤ复杂零零件时，，由于移移刀轨迹迹直接在在两个刀刀具路径径之间生生成圆弧，在在间距较较大的情情况下，，会产生生过切，，因此该该方法一一般多用用于在加加工中所所有的刀刀具路径径都在一一个平面面内的2.5轴加工；；另一种种是空间间螺线式式移刀。。这种方方法由于于移刀在在空间完完成，所所以避免免了上面面方法的的缺点。。在进行行等高加加工时，，切削层层之间应应采用多多种螺旋旋式的移移刀方式式。

2020-02-1121（３）加加工残余余分析功功能。高速加工工过程中中，为了了延长刀刀具的使使用寿命命和保证证加工零零件的表表面质量量，应尽尽可能保保持稳定定的切削削参数，，包括保保持切削削厚度、、进给量量和切削削线速度度的稳定定性。当当遇到某某处切削削深度有有可能增增加时，，应该降降低进给给速度，，因为负负载的变变化会引引起刀具具的偏斜斜，从而而降低加加工精度度、表面面质量和和缩短刀刀具寿命命。所以以，在很很多情况况下有必必要对工工件轮廓廓的某些些复杂部部分进行行预处理理，以使使高速运运行的精精加工小小直径刀刀具不会会因为前前道工序序使用的的大直径径刀具留留下的““加工残残余”而而导致切切削负载载的突然然加大。。因此，，许多软软件提供供了适用用于高速速加工““加工残残余分析析”的功功能，这这一功能能使得ＣＣＡＭ系系统能够够准确地地知道每每次切削削后加工工残余所所在的位位置。这这既是保保持刀具具负载不不变的关关键，更更是关系系到高速速加工成成败的关关键。2020-02-1122

（４）具具有全程程自动过过切处理理及自动动刀柄干干涉检查查功能。。高速加工工的切削削速度比比传统的的加工方方法高出出大约１１０倍多多，一旦旦发生过过切或干干涉，其其后果不不堪设想想。在高高速加工工中，一一个提高高加工效效率的重重要手段段是采用用残余量量加工或或清根加加工，也也就是采采用多次次加工或或采用系系列刀具具从大到到小分次次加工，，直至达达到所需需尺寸，，而避免免用小刀刀一次加加工完成成。这就就要求系系统能够够自动提提示最小小刀具直直径以及及最短夹夹刀长度度，并能能自动进进行刀具具干涉检检查。此此外，在在进行数数控加工工之前，，为了能能够让用用户直观观地判断断加工过过程是否否发生过过切或刀刀柄的干干涉，ＣＣＡＭ系系统应该该提供加加工过程程的动态态仿真验验证，即即把加工工过程中中的零件件模型、、刀具实实体、切切削加工工过程及及加工结结果，采采用不同同的颜色色一起动动态显示示出来，，模拟零零件的实实际加工工过程，，不仅可可以观察察加工过过程，而而且可以以检验刀刀具与约约束面是是否存在在干涉或或加工过过切的情情形；更更为先进进的方法法是将机机床模型型与加工工过程仿仿真结合合在一起起，还可可以观察察刀具是是否与加加工零件件以外的的其它部部件（如如夹具））发生干干涉碰撞撞。2020-02-1123（５）采采用新的的加工方方法。ａ．基于于毛坯残残留知识识的加工工。近年来，，许多软软件为了了适应高高速加工工的需要要，引入入了“二二次粗加加工”的的思想，，该思想想正是““毛坯残残留知识识”算法法的核心心。基于于毛坯残残留知识识的加工工，简单单地讲就就是基于于残留毛毛坯的加加工。在在目前使使用的许许多粗加加工方法法中，也也是我们们所理解解的半精精加工，，这种方方法已经经得到大大家的一一致认可可。它的的工作过过程是：：先执行行首次粗粗加工，，然后将将加工得得到的形形状作为为生成下下次粗加加工刀位位轨迹的的新毛坯坯。然后后根据新新毛坯，，使用各各种走刀刀方式（（如行切切，环切切等）进进行粗加加工。其其实整个个过程的的思想就就是始终终保持刀刀具切到到材料，，减少空空走刀，，以达到到提高加加工效率率的目的的。在具具有这一一加工方方式的ＣＣＡＭ软软件中，，一旦你你指定初初始毛坯坯，并设设定之后后的加工工为基于于残余毛毛坯的方