1 引言

高速加工（High Speed Machining，簡(jiǎn)稱HSM），是相對(duì)傳統(tǒng)加工系統(tǒng)而言，通過(guò)高性能的機(jī)床，以通常意義上的幾倍，甚至幾十倍的加工速度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的高精度、高效率加工，最終達(dá)到提高生產(chǎn)率的目的。在高速銑削零件本身剛度不足（如薄壁件和細(xì)長(zhǎng)桿件）、復(fù)雜曲面加工、難加工材料以及精密切削等加工領(lǐng)域中都得到了充分的應(yīng)用。本文以NX CAM為例，詳細(xì)分析在高速加工技術(shù)的應(yīng)用。

2 高速加工的優(yōu)勢(shì)

高速加工之所以日益得到廣泛的工業(yè)應(yīng)用，是因?yàn)樗鄬?duì)傳統(tǒng)加工具有顯著的優(yōu)越性，具體來(lái)說(shuō)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）提高加工效率

高速銑削加工允許使用較大的進(jìn)給率，比常規(guī)銑削加工提高5～10倍，單位時(shí)間材料切除率可提高3～6倍。當(dāng)加工需要大量切除金屬的零件時(shí)，可使加工時(shí)間大大減少。

（2）降低切削力

由于高速銑削采用極淺的切削深度和窄的切削寬度，因此切削力較小，和常規(guī)切削相比，切削力至少可降低30％，如圖1所示。這對(duì)于加工剛性較差的零件來(lái)說(shuō)可減少加工變形，使一些薄壁類精細(xì)工件的銑削加工成為可能。

圖1 切削載荷隨切削深度和主軸轉(zhuǎn)速的變化

（3）提高了加工質(zhì)量

因?yàn)楦咚傩D(zhuǎn)時(shí)刀具切削的激勵(lì)頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)的固有頻率，不會(huì)造成工藝系統(tǒng)的受迫振動(dòng)，保證了較好的加工狀態(tài)。由于切削深度、切削寬度和切削力都很小，使得刀具、零件變形小，保持了尺寸的精確性，另外也使得切削破壞層變薄，殘余應(yīng)力小，實(shí)現(xiàn)了高精度、低粗糙度值加工。

（4）簡(jiǎn)化了加工工藝流程

傳統(tǒng)的加工工藝不能直接加工淬火后的材料，而且淬火變形必須進(jìn)行人工修整或通過(guò)放電加工來(lái)解決。高速銑可以直接加工淬火后的材料，在很多情況下可省去放電加工工序，消除了放電加工所帶來(lái)的表面硬化問(wèn)題，減少或免除人工光整加工。圖2為某模具制造中分別采用常規(guī)加工與高速銑削加工時(shí)的工序。

圖2 常規(guī)加工與高速加工方式的比較

a—傳統(tǒng)加工方式 b—高速加工方式

3 NX CAM的高速加工策略

在模具高速加工編程中，以小的切削量，恒定側(cè)向切削步距，高進(jìn)給率為準(zhǔn)則，配合一些細(xì)節(jié)處理，包括圓弧過(guò)渡、圓弧進(jìn)刀、螺旋進(jìn)刀、優(yōu)化進(jìn)給速度、切削速度等，使刀具路徑做到圓滑、平穩(wěn)地過(guò)渡。通過(guò)上述方法，機(jī)床不會(huì)突然降速或加速，使得刀具負(fù)載恒定，達(dá)到降低導(dǎo)軌磨損、延長(zhǎng)刀具和機(jī)床的使用壽命、保證零件表面加工品質(zhì)的目的。在高速加工切削方式中刀具路徑不存在尖角和突然改變方向等現(xiàn)象。下面以NX軟件為平臺(tái)，介紹如何生成滿足高速加工要求的刀具路徑來(lái)體現(xiàn)高速加工的特點(diǎn)。

（1）切削方式

NC軟件里提供了多種切削方式來(lái)進(jìn)行高速加工，主要有平行往復(fù)銑削、擺線方式加工、跟隨周邊銑削、跟隨工件銑削、輪廓銑、螺旋線驅(qū)動(dòng)加工等。對(duì)于精加工，可以使用跟隨周邊或者區(qū)域輪廓銑，螺旋驅(qū)動(dòng)的切削模式更適合于高速加工。根據(jù)零件特征選擇合適的切削方式。如圖3所示。

圖3 擺線切削和螺旋式切削

（2）螺旋與圓弧進(jìn)退刀

刀具切入/切出零件時(shí)應(yīng)盡可能采用傾斜式（或圓弧式）進(jìn)刀，避免刀具垂直切入零件，同時(shí)要盡可能的減少切入/切出零件的次數(shù)。在進(jìn)行局部區(qū)域銑削操作時(shí)應(yīng)盡可能使用“螺旋”和“圓弧進(jìn)刀”的進(jìn)刀方式，使刀具減小受力，并圓滑刀軌路徑。如圖4所示。

圖4 螺旋與圓弧進(jìn)退刀

（3）光順刀軌

在高速銑削過(guò)程里，為了保證機(jī)床的性能，所有刀軌盡可能避免尖角過(guò)渡；基于NX CAM模塊里拐角控制相應(yīng)的處理方法，如圖5所示。通過(guò)設(shè)置參數(shù)使得進(jìn)刀和退刀的刀軌都光順加工，如圖6所示。也可以使步進(jìn)光順過(guò)渡，光順進(jìn)給以避免刀具在進(jìn)給和切削運(yùn)動(dòng)間產(chǎn)生停頓現(xiàn)象。如圖7所示。光順的刀軌更符合高速加工應(yīng)用。

圖5 拐角控制

圖6 尖角的刀軌和設(shè)置圓角的刀軌

圖7 光順步進(jìn)

（4）刀軌點(diǎn)的均布

刀軌點(diǎn)的均布大大改進(jìn)了加工零件的表面光潔度。在NX CAM中“區(qū)域銑削”和“流線加工”操作在要加工的面上輸出更均勻的點(diǎn)柵格（默認(rèn)行為），如圖8所示。

圖8 傳統(tǒng)的計(jì)算和NX優(yōu)化計(jì)算方式

新的刀軌點(diǎn)均布使控制器光順了相鄰刀路提供一致的機(jī)床運(yùn)動(dòng)，輸出高端精加工刀路；在模具加工行業(yè)大大減少拋光的工藝、提高了生產(chǎn)效率，如圖9所示。

圖9 傳統(tǒng)與NX優(yōu)化刀軌加工質(zhì)量的比較

（5）后處理輸出

對(duì)于復(fù)雜曲面的輪廓銑削，如果后處理方式和CNC控制都支持“NURBS”輸出，則使用該功能可以用更高的進(jìn)給率產(chǎn)生更光順的曲面精加工效果。在NX CAM中機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)選擇NURBS控制，如圖10所示。

圖10 NURBS控制

NURBS使用控制點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)矢量、權(quán)3個(gè)變量來(lái)表達(dá)自由曲線，如下公式所示：

使用NURBS進(jìn)行插補(bǔ)，誤差小、精度高，可以簡(jiǎn)化NC代碼程序，不僅可以控制機(jī)NURBS曲線的曲率變化，進(jìn)行不超出機(jī)床許可加速度的自動(dòng)進(jìn)給速度控制，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的模具加工。

4 結(jié)束語(yǔ)

NX具有極強(qiáng)的讀取并處理數(shù)據(jù)模型的能力，加工功能也非常強(qiáng)大。通過(guò)實(shí)例加工證明，NX是能夠輸出光滑、平順、穩(wěn)定合理的刀具軌跡，非常合適用于高速加工，為高速加工行業(yè)大大提高生產(chǎn)效率。