高速切削在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

劉宏洲+鹿德臺

摘要高速切削作為先進(jìn)制造技術(shù)己開始在航空航天、汽車及模具工業(yè)中廣泛應(yīng)用，但在實(shí)際的加工中，由于研究性的實(shí)驗(yàn)較少，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)也不健全，又缺乏長期的經(jīng)驗(yàn)積累，對高速切削工藝的設(shè)計(jì)和切削機(jī)理的沒有做深入的研究，在產(chǎn)品的加工中存在了一些問題，使高速切削的優(yōu)越性不能充分發(fā)揮。本文以腔體零件為研究對象，利用高速銑削理論，對零件在高速加工狀態(tài)下所需的切削參數(shù)、刀具材料以及相關(guān)的技術(shù)問題作了較深入的實(shí)驗(yàn)研究，這樣對零件的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化工藝參數(shù)，降低生產(chǎn)成本有一定的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞高速銑削；數(shù)控加工；后置處理

中圖分類號：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0097-02

在機(jī)械制造領(lǐng)域中有許多永恒的發(fā)展主題，其中最關(guān)鍵的如何提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量和加工效率。人們也一直在這兩個(gè)方面進(jìn)行著不斷的嘗試和探索，以至于如何才能使這各兩方面完美結(jié)合。高速切削技術(shù)是近年來日益引起關(guān)注的先進(jìn)制造技術(shù)，其原因主要是高速切削在加工質(zhì)量和加工效率兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一。當(dāng)前我國普遍采用的機(jī)床，主軸轉(zhuǎn)速一般在1500~20000 r/min轉(zhuǎn)，少數(shù)單位引進(jìn)的進(jìn)口機(jī)床轉(zhuǎn)速最高可達(dá)42000 r/min。顯然，在高速研究領(lǐng)域，有人以刀具的線速度進(jìn)行高速切削的研究和描述，有人以機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速作為研究對象并提出高速切削的三種劃分界限，第一個(gè)是準(zhǔn)高速切削，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為8000~12000 r/min，第二個(gè)是高速切削，主軸轉(zhuǎn)速為15000~50000 r/min，最后一個(gè)是超高速切削，轉(zhuǎn)速大于50000 r/min。國內(nèi)有些學(xué)者則認(rèn)為，高速切削加工是一種比常規(guī)切削速度高得多的速度對零件進(jìn)行加工的先進(jìn)技術(shù)，它以高的加工速度、高的加工精度為主要特征[1]。高速切削比目前常規(guī)切削高出幾倍乃至幾十倍，許多常規(guī)切削的技術(shù)基礎(chǔ)已不能適應(yīng)超高速切削加工的要求。許多嶄新的研究領(lǐng)域正在吸引著人們?nèi)ラ_發(fā)、去探索。

本文以腔體零件作為研究對象，利用UG的CAD和CAM平臺對其三維建模和加工，并且從中探索出對典型腔體零件的高速切削的加工方法，參數(shù)設(shè)定，減少數(shù)控加工過程中的人機(jī)交互，使數(shù)控編程所花的時(shí)間大大縮短，提高數(shù)控編程效率，縮短模具設(shè)計(jì)加工周期。同時(shí)，特別對于那些不熟悉加工操作的用戶，可在短時(shí)間內(nèi)，編制出符合加工工藝的加工程序，有利于他們了解UG的基本過程，更快地掌握UG的應(yīng)用。

1數(shù)控加工工藝

高速切削的工藝與常規(guī)傳統(tǒng)是有很大的不同的。高速切削要求從整體上考慮每一道工序的協(xié)調(diào)問題，要求能記錄前一道工序（或稱操作）加工后留下的材料余量，進(jìn)而指導(dǎo)后續(xù)的操作加工。對零件進(jìn)行高速加工，至關(guān)重要的是把粗加工、半精加工和精加工作為一個(gè)完整的加工系統(tǒng)的來考慮，避免把整個(gè)工序的分階段加工，在此基礎(chǔ)上所設(shè)計(jì)的加工工序和加工方案才是合理的，有可行性的方案，充分發(fā)揮高速切削的優(yōu)勢的同時(shí)，也提高了整個(gè)加工階段的高效率和高質(zhì)量。

1.1 零件的加工方法

平面銑和型腔銑是為精加工作準(zhǔn)備的兩種常用的粗加工方法，尤其適用于需大量切除毛坯余量的場合。它們通過逐層切削零件的方式，來創(chuàng)建加工刀具的路徑，從而粗切出路徑的型腔或型芯[2]。平面銑的主要目是可去除平面層中多余的毛坯余量。這種平面對平面邊界不做要求。這種操作最常用于平面輪廓、平面區(qū)域和平面島嶼的粗、精加工。平面銑中要求被切削壁是豎直的，平面和刀具軸垂直。對于具有帶拔模角的壁以及帶輪廓的底面的這類部件，就需要型腔銑。每一個(gè)刀路除了深度不同外，形狀隨著型腔截面的變化而變化。

1.2 高速切削刀具材料的合理選擇

高速切削對刀具材料提出了更高的要求，刀具材料的選用與加工方式，加工材料等切削參數(shù)都息息相關(guān)，在眾多的刀具材料中，如果有一定的工件材料和一定的切削速度范圍。每種材料都有其特定的加工范圍，只有工件材料要選用與其合理匹配的刀具材料和適應(yīng)的加工方式等切削條件，才能獲得最佳的切削效果。在選擇刀具材料時(shí)，應(yīng)考慮刀具與加工對象的性能匹配問題，其中包括了力學(xué)性能匹配、物理性能匹配和和化學(xué)性能匹配。其中力學(xué)性能是指刀具與工件材料的強(qiáng)度、韌性和硬度等力學(xué)性能參數(shù)，刀具的硬度一定要高于材料的硬度，物理性能是指刀具與工件材料的熔點(diǎn)、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、抗熱沖擊性能等物理性能?；瘜W(xué)性能是指刀具與工件材料的化學(xué)親合性、化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散和溶解等化學(xué)性能，避免刀具的化學(xué)磨損。

1.3 對編程人員的要求

利用高速機(jī)床加工零件，對編程人員有了更高的要求，因?yàn)楦咚偾邢鞯募庸?shù)涉及面比較廣，相對比較復(fù)雜，對在軟件的設(shè)置使用上是一個(gè)復(fù)雜的過程，首先要求操作者有普通機(jī)床的加工經(jīng)驗(yàn)，這樣對加工中常用的各種加工方法和參數(shù)能熟練掌握，其次要求操作者有獨(dú)立數(shù)控編程的能力，能合理的選擇加工中的各種刀具，量具以及加工余量、切削用量。能正確的設(shè)定加工的方法、路線和各種參數(shù)。最后生成刀軌以及NC代碼的輸出等。最后要求操作者有良好基礎(chǔ)知識，掌握數(shù)控銑床、加工中心工作原理，和三軸，四軸甚至五軸機(jī)床的操作方法和各自的編程特點(diǎn)有明確的了解，能熟練應(yīng)用軟件建模。在整個(gè)產(chǎn)品的加工過程中，通常會(huì)有很多的人機(jī)交互界面，和不同的設(shè)置環(huán)境，要求的是操作者的綜合素質(zhì)。零件的加工雖然有難度，這只是延長了數(shù)控編程的時(shí)間，卻縮短了加工時(shí)間。

2高速數(shù)控加工的加工分析

工件：如圖1。

圖1零件圖

材料：鋁合金。

尺寸：89 mm×63.5 mm×15 mm。

加工軟件：UG6.0。

加工區(qū)域：沉槽、孔、凸臺為加工區(qū)域。

簡要工藝分析如下。

2.1 零件的最小半徑和加工深度

1）最小半徑為腔體倒圓角處2 mm。

2）加工最深處10 mm。

2.2 刀具和機(jī)床的選擇

1）粗加工：平底端銑刀（帶R角） 直徑=10 mm，R=2 mm。

2）半精加工：端銑刀（帶R角） 直徑=6 mm，R=1 mm。

4）精加工各槽角：平底端銑刀（帶R角） 直徑=4 mm，R=0.5 mm。

5）高速機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速要求能達(dá)到20000轉(zhuǎn)/分鐘。

2.3 加工方式

1）粗加工：型腔銑（CAVITY_MILLING）。

2）半精加工和精加工：面銑（FACE_MILLING）。

3數(shù)控加工過程[3]

3.1 粗加工階段

粗加工階段就是切除毛坯量比較大的階段，以方便以后工序的順利進(jìn)行，粗加工對零件的表面質(zhì)量和輪廓精度不做過多的要求。有利于提高零件的加工效率，由于毛坯材料的不規(guī)則性，使得刀具不能等量切削，從而提高了刀具的磨損。在粗加工階段，由于切削量大，所以一定要保證機(jī)床的平穩(wěn)性和安全性。避免切削速度的急劇變化。粗加工型腔銑參數(shù)和刀具軌跡設(shè)置如圖2和圖3。

圖2型腔體參數(shù)設(shè)置

圖3可視化刀軌

3.2 半精加工和精加工階段

這兩個(gè)階段是零件成型的重要階段，決定了零件是否符合設(shè)計(jì)要求，半精加工主要是把粗加工后的殘留加工表面加工的更加平滑，在工件加工面上留下比較均勻的加工余量，為精加工的高速切削加工提供最佳的加工條件。如果某些零件的精度要求不高，在半精加工階段就可以完成此道工序。如果零件加工精度要求高的話，經(jīng)過此道工序，就可以盡可能的保證加工表面符合設(shè)計(jì)要求。精加工階段刀具軌跡緊密均勻，加工狀態(tài)平穩(wěn)、沒有劇烈的方向改變。是零件符合設(shè)計(jì)要求的主要階段 [4]。

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3.3 后置處理程序及傳輸

UG后處理就是將UG文件中的刀具軌跡通過特定的處理器生成程序，然后傳輸?shù)綑C(jī)床上。通常情況下，不能直接將軟件生成的程序傳輸?shù)綑C(jī)床上，因?yàn)椴煌臋C(jī)床其控制原理和硬件結(jié)構(gòu)各不相同，對程序的格式和指令代碼的翻譯和解釋都有自己的特點(diǎn)。所以對軟件中所生成的程序必須予以更改，以適應(yīng)每種機(jī)床的控制原理和硬件結(jié)構(gòu)，這種處理，在加工軟件中叫做“后處理”，后處理的目的是使各種刀軌數(shù)據(jù)變成機(jī)床能夠識別的刀軌數(shù)據(jù)，即NC代碼的數(shù)控程序。

CIMCO公司是世界的DNC（Distributed Numerical Control分布式數(shù)控）解決方案的領(lǐng)導(dǎo)者。在歐洲D(zhuǎn)NC市場一直處于壟斷地位，它為客戶提供一套包括機(jī)床聯(lián)網(wǎng)通訊、數(shù)控程序編輯與仿真、程序管理系統(tǒng)、機(jī)床監(jiān)控等諸多模塊的機(jī)床聯(lián)網(wǎng)完全解決方案，并且CIMCO功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定，針對各種控制系統(tǒng)都有專業(yè)、深入的研究與開發(fā)，系統(tǒng)功能累計(jì)超過4，000多選項(xiàng)，各種功能應(yīng)有盡有，本章利用cimco edit v5對程序進(jìn)行傳輸。

打開軟件在菜單欄機(jī)床通訊選項(xiàng)中進(jìn)行DNC，然后在彈出的對話框中進(jìn)行機(jī)床傳輸參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，注意這里的參數(shù)一定要和機(jī)床里的參數(shù)保持一致。設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)就可調(diào)出程序進(jìn)行程序傳輸了，就可進(jìn)行傳輸程序。

4加工實(shí)驗(yàn)方案比較與展望

通過以上的分析和計(jì)算，利用高速加工機(jī)床和普通機(jī)床不同設(shè)備進(jìn)行加工，如表1比較其加工精度、表面質(zhì)量和加工時(shí)間。

表1兩種方法對照

加工工藝 高速加工 普通加工

機(jī)床轉(zhuǎn)速 8000~15000 r/min 800~2000 r/min

進(jìn)給率 1000~2500mm/min 50~200 mm/min

切削深度 0.1~0.6 mm 3~10 mm

刀具 硬質(zhì)合金 高速鋼

加工精度 IT6~IT8 IT8~IT11

表面粗糙度 0.8~1.6 0.6~3.2

加工時(shí)間 19 min 35 min

從表中我們可以看到，高速切削加工不但提高了零件的加工精度和表面質(zhì)量，而且成倍提高了機(jī)床的生產(chǎn)效率，常規(guī)加工中難以解決的加工材料在這里可以得到解決。因此，高速切削加工技術(shù)受到了各國工業(yè)界高度重視。在國內(nèi)，高速切削起步較晚，高速加工的基礎(chǔ)研究從90年代才開展，研究的深度和廣度都還不夠。在工廠里，高速正在摸索前進(jìn)，尚缺少經(jīng)驗(yàn)。對于國內(nèi)大多數(shù)車間來說，因?yàn)橘Y金不足，在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，提高切削速度，盡可能用到機(jī)床切削速度的額定值區(qū)域，來取得某些高速銑的利益，似乎更為現(xiàn)實(shí)和迫切。現(xiàn)在的問題不是要不要提高切削速度，而是如何提高切削速度，因?yàn)楦咚巽姷男б媸秋@而易見的。只有提高了切削速度，朝這個(gè)方向努力，高效率加工才有可能實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]王細(xì)洋.現(xiàn)代制造技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010：42.

[2]張瑞平.UG NX 6中文版標(biāo)準(zhǔn)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009：342-343.

[3]胡仁喜.Unigraphics NX 6.0 中文版標(biāo)準(zhǔn)實(shí)例教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4]曹巖.UG NX4基礎(chǔ)篇[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

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3.3 后置處理程序及傳輸

UG后處理就是將UG文件中的刀具軌跡通過特定的處理器生成程序，然后傳輸?shù)綑C(jī)床上。通常情況下，不能直接將軟件生成的程序傳輸?shù)綑C(jī)床上，因?yàn)椴煌臋C(jī)床其控制原理和硬件結(jié)構(gòu)各不相同，對程序的格式和指令代碼的翻譯和解釋都有自己的特點(diǎn)。所以對軟件中所生成的程序必須予以更改，以適應(yīng)每種機(jī)床的控制原理和硬件結(jié)構(gòu)，這種處理，在加工軟件中叫做“后處理”，后處理的目的是使各種刀軌數(shù)據(jù)變成機(jī)床能夠識別的刀軌數(shù)據(jù)，即NC代碼的數(shù)控程序。

CIMCO公司是世界的DNC（Distributed Numerical Control分布式數(shù)控）解決方案的領(lǐng)導(dǎo)者。在歐洲D(zhuǎn)NC市場一直處于壟斷地位，它為客戶提供一套包括機(jī)床聯(lián)網(wǎng)通訊、數(shù)控程序編輯與仿真、程序管理系統(tǒng)、機(jī)床監(jiān)控等諸多模塊的機(jī)床聯(lián)網(wǎng)完全解決方案，并且CIMCO功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定，針對各種控制系統(tǒng)都有專業(yè)、深入的研究與開發(fā)，系統(tǒng)功能累計(jì)超過4，000多選項(xiàng)，各種功能應(yīng)有盡有，本章利用cimco edit v5對程序進(jìn)行傳輸。

打開軟件在菜單欄機(jī)床通訊選項(xiàng)中進(jìn)行DNC，然后在彈出的對話框中進(jìn)行機(jī)床傳輸參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，注意這里的參數(shù)一定要和機(jī)床里的參數(shù)保持一致。設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)就可調(diào)出程序進(jìn)行程序傳輸了，就可進(jìn)行傳輸程序。

4加工實(shí)驗(yàn)方案比較與展望

通過以上的分析和計(jì)算，利用高速加工機(jī)床和普通機(jī)床不同設(shè)備進(jìn)行加工，如表1比較其加工精度、表面質(zhì)量和加工時(shí)間。

表1兩種方法對照

加工工藝 高速加工 普通加工

機(jī)床轉(zhuǎn)速 8000~15000 r/min 800~2000 r/min

進(jìn)給率 1000~2500mm/min 50~200 mm/min

切削深度 0.1~0.6 mm 3~10 mm

刀具 硬質(zhì)合金 高速鋼

加工精度 IT6~IT8 IT8~IT11

表面粗糙度 0.8~1.6 0.6~3.2

加工時(shí)間 19 min 35 min

從表中我們可以看到，高速切削加工不但提高了零件的加工精度和表面質(zhì)量，而且成倍提高了機(jī)床的生產(chǎn)效率，常規(guī)加工中難以解決的加工材料在這里可以得到解決。因此，高速切削加工技術(shù)受到了各國工業(yè)界高度重視。在國內(nèi)，高速切削起步較晚，高速加工的基礎(chǔ)研究從90年代才開展，研究的深度和廣度都還不夠。在工廠里，高速正在摸索前進(jìn)，尚缺少經(jīng)驗(yàn)。對于國內(nèi)大多數(shù)車間來說，因?yàn)橘Y金不足，在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，提高切削速度，盡可能用到機(jī)床切削速度的額定值區(qū)域，來取得某些高速銑的利益，似乎更為現(xiàn)實(shí)和迫切?，F(xiàn)在的問題不是要不要提高切削速度，而是如何提高切削速度，因?yàn)楦咚巽姷男б媸秋@而易見的。只有提高了切削速度，朝這個(gè)方向努力，高效率加工才有可能實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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[2]張瑞平.UG NX 6中文版標(biāo)準(zhǔn)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009：342-343.

[3]胡仁喜.Unigraphics NX 6.0 中文版標(biāo)準(zhǔn)實(shí)例教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4]曹巖.UG NX4基礎(chǔ)篇[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

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3.3 后置處理程序及傳輸

UG后處理就是將UG文件中的刀具軌跡通過特定的處理器生成程序，然后傳輸?shù)綑C(jī)床上。通常情況下，不能直接將軟件生成的程序傳輸?shù)綑C(jī)床上，因?yàn)椴煌臋C(jī)床其控制原理和硬件結(jié)構(gòu)各不相同，對程序的格式和指令代碼的翻譯和解釋都有自己的特點(diǎn)。所以對軟件中所生成的程序必須予以更改，以適應(yīng)每種機(jī)床的控制原理和硬件結(jié)構(gòu)，這種處理，在加工軟件中叫做“后處理”，后處理的目的是使各種刀軌數(shù)據(jù)變成機(jī)床能夠識別的刀軌數(shù)據(jù)，即NC代碼的數(shù)控程序。

CIMCO公司是世界的DNC（Distributed Numerical Control分布式數(shù)控）解決方案的領(lǐng)導(dǎo)者。在歐洲D(zhuǎn)NC市場一直處于壟斷地位，它為客戶提供一套包括機(jī)床聯(lián)網(wǎng)通訊、數(shù)控程序編輯與仿真、程序管理系統(tǒng)、機(jī)床監(jiān)控等諸多模塊的機(jī)床聯(lián)網(wǎng)完全解決方案，并且CIMCO功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定，針對各種控制系統(tǒng)都有專業(yè)、深入的研究與開發(fā)，系統(tǒng)功能累計(jì)超過4，000多選項(xiàng)，各種功能應(yīng)有盡有，本章利用cimco edit v5對程序進(jìn)行傳輸。

打開軟件在菜單欄機(jī)床通訊選項(xiàng)中進(jìn)行DNC，然后在彈出的對話框中進(jìn)行機(jī)床傳輸參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，注意這里的參數(shù)一定要和機(jī)床里的參數(shù)保持一致。設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)就可調(diào)出程序進(jìn)行程序傳輸了，就可進(jìn)行傳輸程序。

4加工實(shí)驗(yàn)方案比較與展望

通過以上的分析和計(jì)算，利用高速加工機(jī)床和普通機(jī)床不同設(shè)備進(jìn)行加工，如表1比較其加工精度、表面質(zhì)量和加工時(shí)間。

表1兩種方法對照

加工工藝 高速加工 普通加工

機(jī)床轉(zhuǎn)速 8000~15000 r/min 800~2000 r/min

進(jìn)給率 1000~2500mm/min 50~200 mm/min

切削深度 0.1~0.6 mm 3~10 mm

刀具 硬質(zhì)合金 高速鋼

加工精度 IT6~IT8 IT8~IT11

表面粗糙度 0.8~1.6 0.6~3.2

加工時(shí)間 19 min 35 min

從表中我們可以看到，高速切削加工不但提高了零件的加工精度和表面質(zhì)量，而且成倍提高了機(jī)床的生產(chǎn)效率，常規(guī)加工中難以解決的加工材料在這里可以得到解決。因此，高速切削加工技術(shù)受到了各國工業(yè)界高度重視。在國內(nèi)，高速切削起步較晚，高速加工的基礎(chǔ)研究從90年代才開展，研究的深度和廣度都還不夠。在工廠里，高速正在摸索前進(jìn)，尚缺少經(jīng)驗(yàn)。對于國內(nèi)大多數(shù)車間來說，因?yàn)橘Y金不足，在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，提高切削速度，盡可能用到機(jī)床切削速度的額定值區(qū)域，來取得某些高速銑的利益，似乎更為現(xiàn)實(shí)和迫切?，F(xiàn)在的問題不是要不要提高切削速度，而是如何提高切削速度，因?yàn)楦咚巽姷男б媸秋@而易見的。只有提高了切削速度，朝這個(gè)方向努力，高效率加工才有可能實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]王細(xì)洋.現(xiàn)代制造技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010：42.

[2]張瑞平.UG NX 6中文版標(biāo)準(zhǔn)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009：342-343.

[3]胡仁喜.Unigraphics NX 6.0 中文版標(biāo)準(zhǔn)實(shí)例教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4]曹巖.UG NX4基礎(chǔ)篇[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

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