高速切削的CAM策略和后處理開發(fā)簡析

羅東辰，金敦水，謝義，王春，李偉

（安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233000）

研究發(fā)現(xiàn)，高速切削（HSM)較為系統(tǒng)，涉及內(nèi)容較多，涵蓋了加工工藝、控制系統(tǒng)、CAD/CAM等，從其應(yīng)用特征可以看出，高速切削與常規(guī)加工差異明顯。現(xiàn)實應(yīng)用中，因為工藝的復(fù)雜性和煩瑣性，傳統(tǒng)的NC程序，難以滿足現(xiàn)實需求?；诖?，需要深度把控細節(jié)，高質(zhì)量分析切削的特殊性，借助CAM策略，提升編程的質(zhì)量。

1 高速切削（HSM)原理

高速切削（HSM)普及度高，應(yīng)用范圍廣，是一門系統(tǒng)技術(shù)，在實際應(yīng)用中，可以從刀具材料、控制系統(tǒng)等不同方面，看到與常規(guī)加工的區(qū)別。需要仔細考慮細節(jié)，了解切削狀態(tài)下的優(yōu)質(zhì)的數(shù)控編程狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，CAD/CAM/CNC集成化效果顯著，是目前機械制造主流趨勢。在實際應(yīng)用中，CAD/CAM/CNC集成化需要高度匹配高速切削技術(shù)，實現(xiàn)兩者的結(jié)合，在此基礎(chǔ)上，形成高速切削系統(tǒng)。從現(xiàn)狀了解到，CAD/CAM/NC的體系結(jié)構(gòu)存在局限，尚不能發(fā)揮設(shè)計零件的優(yōu)勢，在現(xiàn)實應(yīng)用中，可制造信息反饋并不順暢，不能有效給予設(shè)計者，在整個過程中，重點加強加工過程決策監(jiān)控，不能完善進行自動信息處理，與此同時，產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換缺點較大，不能脫離人工干預(yù)。在應(yīng)用期間，先進的高速切削系統(tǒng)，是對傳統(tǒng)系統(tǒng)的改良，除了CAD/CAM/CNC體系改造外，還需要引入先進制造技術(shù)，同時配合高速切削技術(shù)。它的技術(shù)融合將達到減少人工干預(yù)，同時高效、優(yōu)質(zhì)縮短NC編程時間的目的，提高產(chǎn)品加工質(zhì)量，合理實現(xiàn)效率提高目標(biāo)。

2 數(shù)控編程的具體要求

在現(xiàn)實應(yīng)用中，高速切削極為特殊，其中的NC編程代碼，意義非常廣泛，并不局限于切削速度，同時，對切削深度和進給量等重要參數(shù)的精準(zhǔn)度要求高。NC編程人員，在現(xiàn)實應(yīng)用中，需要改變加工策略，確保安全的刀具路徑，在此基礎(chǔ)上，達到預(yù)期表面精度。通過應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，高速切削對數(shù)控編程標(biāo)準(zhǔn)和要求較高，具體要求如下：（1）恒定的切削載荷。在現(xiàn)實應(yīng)用中，隨著高速加工推進，為了保障削切效果，恒定的切削載荷是基礎(chǔ)性保障，非常重要。（2）保證工件的高精度?，F(xiàn)實應(yīng)用中，為了工件的高精度，需要合理減少切入次數(shù)（實際應(yīng)用中刀具的）。（3）保證工件的優(yōu)質(zhì)表面。通過研究發(fā)現(xiàn)，在高速切削階段，會存在過小的步進（也就是所說的進給量），這樣的情況存在，會影響進給速率，造成切削力的不穩(wěn)定，從而誘發(fā)出切削振動。削切振動的出現(xiàn)，會嚴(yán)重影響工件表面平滑性以及完整度。實踐證明，在高速切削條件下，為了滿足工藝要求，要采用較大進給量，合理控制與完善表面加工質(zhì)量。

3 粗加工CAM策略

通過研究發(fā)現(xiàn)，在高速加工中，粗加工占比較大，比例要大于傳統(tǒng)加工。粗加工的結(jié)果是核心參考數(shù)據(jù)，直接決定了精加工實施的難易，同時，對工件的加工質(zhì)量把控影響深遠。基于此，在高速粗加工階段，重點內(nèi)容在于：（1）恒定的切削條件。在高速切削過程中，選擇正確削切手段非常關(guān)鍵，采用順銑削方式，能夠優(yōu)化削切質(zhì)量，產(chǎn)生較少的切削熱，在此前提下，合理降低刀具負(fù)載，工件的加工硬化得以消除，保障表面質(zhì)量達標(biāo)。（2）恒定的金屬去除率。除了削切條件要恒定之外，金屬去除率也要恒定。在粗加工過程中，需要保留科學(xué)的金屬去除率，將其作為重要依據(jù)，借此強化加工效果。（3）走刀方式的選擇。在操作期間，帶有敞口型腔的區(qū)域，要合理進行材料的外面走刀，在此前提下，分析材料切削狀況。而針對封閉區(qū)域（現(xiàn)實中沒有型腔的），要采用螺旋進刀，合理進行局部區(qū)域切入，這樣的效果相對理想。（4）減少刀具切入次數(shù)。在傳統(tǒng)加工中，之字形模式應(yīng)用廣泛，所以有必要尋找回路在高速加工中，完成單一路徑切削。在操作期間，因為在換向時，會出現(xiàn)明顯的NC機床緊急降速狀態(tài)，所以需要在保持該狀態(tài)的同時，執(zhí)行下一步操作?，F(xiàn)實中，機床的加速局限性強，非常容易出現(xiàn)時間浪費?；诖?，需要明確單一路徑切削模式，借此完成順銑，這是至關(guān)重要的步驟，不容忽視。在操作期間，盡可能地不中斷切削，合理保證刀具路徑的完整，盡量減少刀具的切入，滿足穩(wěn)定的切削過程要求。（5）減少刀具急速換向。除了上述內(nèi)容外，要合理減少刀具換向。由于切削速度非常高，同時伴隨較大給進量，編程人員必須預(yù)測出在應(yīng)用期間刀具是如何切削的。實踐證實，除了降低步距以及合理規(guī)范切削深度外,還有一個有效方法，就是要從源頭避免加工方向的改變，控制好改變的速度。在操作中，急速換向的地方（必須進行換向操作的）要減慢速度，這是有效、穩(wěn)妥的措施，可以保障削切質(zhì)量。急停或急動，都會降低平整度，影響表面精度，甚至在生產(chǎn)階段出現(xiàn)過切和外拐角處咬邊現(xiàn)象。3D型面的加工階段，需要注意施工復(fù)雜程度，掌握拐角處切削形貌，在此基礎(chǔ)上，采用平行之字形切削，借助科學(xué)途徑生成所有形貌。除此之外，編程人員還應(yīng)了解，在應(yīng)用設(shè)計中，不論HSM控制器的前饋性能如何優(yōu)良、功能有多好，3D結(jié)構(gòu)中的加工步長同樣是其無法知道的。前饋功能比較局限，只能沿著刀具軌跡，3D精加工路徑步長，前饋功能無法掌握，也不知道金屬去除率。

4 精加工CAM策略

前文對粗加工CAM策略進行了多角度完整性分析，接下來將闡述精加工CAM策略。在精加工過程中，為了保證加工構(gòu)件的精準(zhǔn)，提高構(gòu)件的匹配度，保證精加工余量恒定，需要掌握精加工CAM策略，在精加工階段，引入CAM策略至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)，精加工余量的恒定，可以從以下方面強化。

4.1 筆式加工（清根)

筆式銑削采用的策略：細致研究后發(fā)現(xiàn)，筆式銑削較為復(fù)雜，涉及因素較多，在應(yīng)用中，找到拐角和凹槽是第一步，然后自動沿著拐角完成高質(zhì)量地走刀。在應(yīng)用期間，允許采用小的刀具，凹糟的半徑是重要參考，當(dāng)其和刀具的半徑一致時，意味著操作合格。理想的情況下，需要跟蹤多種表面，從源頭避免路徑重復(fù)。事實證明，筆式銑削這種功能，可以有效保持切屑去除率，將其作為常量，完成高速加工。實踐證明，缺少了筆式切削后，當(dāng)特殊的工件精加工時，刀具走到拐角處，會伴隨較大的金屬去除率。特別是有側(cè)壁和腹板的部件，在加工時要特別注意。采用筆式銑削，不僅可以控制刀量和噪聲形成，拐角處的切削難度也會被銳減。筆式銑削能夠高質(zhì)量以及合理清除拐角處的多余量，基于這樣的前提，當(dāng)去除量較大的時候，需要進行筆式銑削，在3D精加工之前。應(yīng)用期間，機床操作人員可以結(jié)合實際增大金屬去除率，借此抑制筆式銑削的進給量。除此之外，也可以增加清根軌跡（特指沿角頭的）以去除多余量。

4.2 余量加工（清根)

在現(xiàn)實應(yīng)用中，余量銑削不完全等同于筆式銑削，雖然兩者相似，但是在精加工操作中表現(xiàn)卻不同。采用的加工思想大致相同，實踐證明，余量銑削作用顯著，能夠發(fā)現(xiàn)特殊區(qū)域，利用較小的刀具，就可以完成特殊區(qū)域的加工。余量銑削與筆式銑削除了相同點外，不同之處也較多，主要在于：余量銑削加工相對復(fù)雜，針對的是大尺寸銑刀加工區(qū)域，范圍比較廣。而筆式銑削則不同，僅僅針對拐角處，相比之下，加工范圍狹小。HSM的使用，是重要的策略，能夠計算切削余量，無論是垂直或平行切削區(qū)域。法向選擇是基本保障，在剩余切削區(qū)域內(nèi)，按照技術(shù)原則來回走刀進行切削，在操作中，平行選擇則將遵從核心原理，剩余切削區(qū)域的加工，需要完成流理(U-V線)方向切削?；诖耍琀SM 用戶可以結(jié)合現(xiàn)實需求，適當(dāng)?shù)貞?yīng)用平行選擇，將步長數(shù)減少到很少，借助這樣的方式，使加工過程更加有效?？偠灾?，合理選用CAM軟件，屬于基礎(chǔ)性保障措施，提供的加工策略是前提，可以獲得理想加工結(jié)果。目前了解到，CAD/CAM/CNC體系結(jié)構(gòu)漏洞較多，應(yīng)用制度尚未健全，CAM系統(tǒng)仍需不斷完善，積極探索匹配切削環(huán)境的新策略。

5 結(jié)語

綜上所述，高速切削加工效果理想，是提高生產(chǎn)效率核心保障，也是提高加工精度的可行的、必要手段的，值得積極推廣。在科技的牽引下，加工技術(shù)迅速發(fā)展，高速削切的要求較高。由于加工過程復(fù)雜，處于高速運動狀態(tài)，無法靠人工急停從根源避免碰撞、干涉等問題，基于這樣的現(xiàn)實，需要利用CAM軟件，在軟件輔助下自動編程，完善加工策略，保證穩(wěn)定的刀具軌跡，對數(shù)控加工程序持續(xù)優(yōu)化。