淺談高速加工的制約因素

【摘 要】高速加工（High speed Machining）極大提高了機械制造的工作效率。高速加工受到刀具技術、程序設計、CNC和電機以及機床自身設計因素的制約，這些因素緊密相連，高速加工只有在這些因素都達到最佳配合狀態(tài)時，高速加工技術才能成功，文章對這些制約因素進行了探討。

【關鍵詞】高速加工；制約因素

高速加工(High speed Machining)是隨著數(shù)控加工設備與高性能加工刀具技術的發(fā)展而日益成熟的一項新型加工技術，是當今數(shù)控技術中崛起的一種新方法。在飛機的骨架與機翼、高速列車的車廂骨架等需要切除大量金屬的應用場合，高速加工可以大幅度縮短加工時間，一般只需傳統(tǒng)加工時間的1/4左右；另外在汽車工業(yè)中，過去新車型的開發(fā)研制周期一般約為10年，而在汽車模具的制造過程中采用高速加工可以將新車型的研發(fā)周期縮短為2～3年，如FORD及TOYOTA新車型的開發(fā)周期僅為一年半。HSC技術的成功應用依賴于各種不同的因素，這些因素彼此緊密相連。只有在影響加工過程的所有因素都達到最佳配合的狀態(tài)下，HSC技術才能成功。這些因素包括：刀具技術、程序設計、CNC和電機以及機床自身設計。

一、刀具技術

從一開始，刀具技術同機床制造在切削技術發(fā)展中就是互相促進的。一般用于精加工的半徑較小的刀具（從R0.5mm到R5mm）用實心硬質(zhì)合金來做?，F(xiàn)在試驗采用螺旋形（多刀刃）刀具，切削頭部依據(jù)加工材料硬度的不同采用硬質(zhì)合金、CERMET或者CBN制造，也可采用整體硬質(zhì)合金刀具。這些刀具壽命較長，加工效果較好。不同的刀具材料對熱震很敏感，所以?？紤]采用冷卻劑和考慮安裝空氣冷卻系統(tǒng)。機床、刀具（刀具座/刀把）、工件（工件夾具）等整個系統(tǒng)的剛性對于刀具的壽命和能夠達到的表面加工質(zhì)量有顯著影響。試驗證明帶熱套整體式加長桿的剛度是傳統(tǒng)加長桿的3倍；同時熱套夾頭與側夾具夾頭相比具有較高的旋轉(zhuǎn)精度（＜3um）；與具有相同旋轉(zhuǎn)精度的液壓膨脹夾頭相比傳遞的力矩高3～5倍。另外，刀具長度和加工的方向?qū)庸け砻娴馁|(zhì)量也有較大的影響。

二、程序設計

程序設計分為模型建構（CAD）和所需的制造工藝過程（CAM）——即刀具、加工策略等的制訂兩方面。先進的程序系統(tǒng)需要的是“開放”——即它們必須能夠接受從其他系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)并能處理這些數(shù)據(jù)，所以必須具備一致的、標準化的接口。目前模具加工中最常用的接口標準是IGES（原始圖形交換標準），這種標準主要運用在把工件圖形作為線或面模式傳入的場合；而VDA-FS（Ftachenschnittstelle des Vereins Deutscher Automobile Industries-德國自動化工業(yè)標準接口）則常用在不能用數(shù)學方式描述的物體幾何數(shù)據(jù)傳輸和處理的情況下（例如飛機外殼的自由曲面）。一旦工件模型數(shù)據(jù)同工藝數(shù)據(jù)相結合，所謂的CLDATA或APT程序就準備完畢，這個程序通過后置處理器編譯成相應的控制語言。HSC成功應用的關鍵在于CAD／CAM用的程序編制器要能夠自動調(diào)節(jié)機床刀具到最佳加工方式。

三、CNC和電機

現(xiàn)代CNC控制器能提高速度、精度和表面加工質(zhì)量，它的特色主要有：一是，程序段處理時間降到0.5ms；二是，內(nèi)存達到1.5GB以上；三是，能進行螺旋線、NURBS（拋物線、雙曲線）等插補；四是，前瞻功能可以達到100個程序段以上，尤其在5軸機床上，對于刀具長度和加工幾何尺寸有自動補償功能；五是，具備刀庫管理功能（TCPM）；六是，振動限制和補償；七是，可以達到100MB的快速接口（以太網(wǎng)）速度。

四、機床

HSC要求機床床身能快速移動，所以不充分考慮機床本身的設計就不能把數(shù)控系統(tǒng)的高性能轉(zhuǎn)化成高質(zhì)量的切削性能和可靠的操作。首先是定位精度的問題。HSC要求CNC能快速處理大量的數(shù)據(jù)保證快速的進給和保證機床的加速、減速性能，但是所有這些不能以損失定位精度為代價。光是實現(xiàn)CNC對數(shù)據(jù)的快速處理是不夠的，機床必須攜帶巨大的負載做準確的三維甚至五維移動，當機床做差補運動時，三個甚至五個伺服電機同時驅(qū)動滾珠絲桿或齒輪齒條把回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，電機必須有足夠的動力克服機械運動阻力、切削力和工件的重量。其次是HSC技術在一定的溫度條件下保證機械精度。軸承、滾珠絲桿及導軌的摩擦都會產(chǎn)生熱量，此外電機會產(chǎn)生熱量，切削過程也會產(chǎn)生熱量，所有的熱量都會使機械部分產(chǎn)生熱脹冷縮。因此提高機床的機械精度應該放在HSC機床制造的第一位。最后是機床的零部件設計。如主軸電機、主軸軸承、主軸軸桿、導軌、床身等的設計。高速機床需要的是運動的剛性，即部件既要輕又要有剛性。有限元應力分析設計為高速機床的機械設計提供了最先進的手段。

參 考 文 獻

[1]Dr、Ing、H．高速加工發(fā)展概況[J]．機械制造與自動化．2002（1）

[2]楊洪旗．模具高速加工技術[J]．機電信息．2000（5）

[3]曾寶平，王成勇等．淬硬鋼的高速切削加工[J]．機電工程技術．2002（6）