1 引言

　　高速加工是近年來迅速崛起的先進(jìn)制造技術(shù)，對(duì)模具制造業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響，成為模具型腔數(shù)控加工的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。模具零件常常具有高硬度、帶有狹窄溝槽或拐角的復(fù)雜型腔或薄壁結(jié)構(gòu)，高速加工實(shí)現(xiàn)了模具行業(yè)用小型刀具，小切深進(jìn)行加工的可能性，也令窄槽以及復(fù)雜型面的加工可選擇銑削來取代電加工。與常規(guī)數(shù)控切削加工方式相比。高速加工可以幾倍甚至十幾倍地提高加工效率；可以獲得更高質(zhì)量的加工表面；可以直接加工淬硬材料，省去電加工，大大簡化了加工工序，從而降低生產(chǎn)成本。然而，高速加工并不是簡單地使用現(xiàn)有刀具路徑，通過提高主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率實(shí)現(xiàn)。而是在充分發(fā)揮高速機(jī)床的性能和刀具的切削效率的基礎(chǔ)上，以小的徑向和軸向背吃刀量、較小而恒定的切削負(fù)荷、高出普通數(shù)控切削幾倍的切削速度和進(jìn)給速度完成對(duì)工件的加工。

　　以下以定模板加工過程為例，在PowerMILL環(huán)境下，詳述不同加工階段（包括粗加工、半精加工、精加工三個(gè)階段）高速加工工藝方法和策略。

　　零件形狀如圖1所示。零件材料：CD鋼，材料硬度：HRC45-HRC50，外形尺寸：240mm×240mm×60mm。最小圓角半徑1mm。刀具材料：涂層硬質(zhì)含金。機(jī)床型號(hào)：DMC-DMU40T。

2 粗加工

　　粗加工的主要目標(biāo)是追求單位時(shí)間內(nèi)的材料去除率，并為半精加工準(zhǔn)備工件的幾何輪廓。目前大多數(shù)使用者習(xí)慣于在精加工的時(shí)候使用高速加工，其實(shí)在粗加工的時(shí)候使用高速切削可以更快地去除加工余量，更應(yīng)該推廣使用。粗加工時(shí)，其表面質(zhì)量和輪廓精度要求并不高。減小刀具損耗和減少空刀是重點(diǎn)，并且盡量采取順銑的加工方式。

　　本例粗加工首先使用PowerMILL的偏置區(qū)域清除策略，螺旋式下刀。然后，勾選高速加工選項(xiàng)中的“輪廓光順”，如圖2所示?？墒沟堵吩谲壽E折彎處圓弧過渡，如圖3中的①處所示。勾選“光順余量”，可使刀路在遠(yuǎn)離尖角處用光滑的圓弧代替直線段刀路（即賽車線加工方法）。避免加工方向的突然改變導(dǎo)致刀具載荷的急劇變化，如圖3中的②處所示。賽車線加工是PowerMILL擁有專利權(quán)的加工策略。這種方法把刀具看成賽車在跑道內(nèi)高速行駛，賽車可以偏離跑道的中心，從而產(chǎn)生類似于賽車在跑道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)路徑。賽車可以在不失速率的情況下轉(zhuǎn)彎，增加了刀路的光滑性和平衡性，避免了刀路突然轉(zhuǎn)向、頻繁的切入切出所造成的沖擊，在實(shí)際的高速加工應(yīng)用中效果很好。

　　第一次粗加工結(jié)束后，換用小一號(hào)刀具進(jìn)行“二次開粗”，采用殘留粗加工策略。PowerMILL在殘留粗加工中引入了“殘留模型”的概念，即系統(tǒng)可自動(dòng)判別前一刀具未能加工到的區(qū)域，并只針對(duì)這些區(qū)域生成刀具路勁，避免了空刀，提高了加工效率。3 半精加工

　　半精加工的目的是在所有加工表面產(chǎn)生均勻的切削量，盡可能的保證精加工的穩(wěn)定進(jìn)行，對(duì)于成功的精加工是必需的，而不充分的半精加工會(huì)對(duì)精加工時(shí)的表面質(zhì)量、輪廓精度和刀具壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。在實(shí)際工作中，編程人員對(duì)這個(gè)過程的重要性常常估計(jì)不足，把更多的編程時(shí)間花在粗加工和精加工上。

　　本例半精加工主要采用了PowerMILL的最佳等高精加工策略，該策略是綜合了等高加工和三維偏置加工的混合策略。使用此策略時(shí)，模型的陡峭區(qū)域?qū)⑹褂玫雀呔庸し椒庸?，平坦區(qū)域則使用三維偏置精加工方法加工。請(qǐng)勾選“修圓”和“螺旋”選項(xiàng)，減少抬刀并使刀路光順。

4 精加工

　　精加工是工件加工過程的最后一步。它的目的是達(dá)到要求的最佳表面質(zhì)量和外形精度。模具高速精加工階段的策略取決于刀具與工件的接觸點(diǎn)，而刀具與工件的接觸點(diǎn)隨著加工表面的曲面斜率和刀具有效半徑的變化而變化。對(duì)于由多個(gè)曲面組合而成的復(fù)雜曲面，應(yīng)盡可能在一個(gè)工序中進(jìn)行連續(xù)加工，而不是對(duì)各個(gè)曲面分別進(jìn)行，以減少抬刀、下刀的次數(shù)。一般情況下，精加工曲面的曲率半徑應(yīng)大于刀具半徑的1.5倍，以避免進(jìn)給方向的突然變化。

　　精加工為高速加工提出了一個(gè)特殊的問題，即刀痕問題。由于零件形狀的限制，對(duì)切削條件的妥協(xié)常常會(huì)在加工后的零件表面上留下可見刀痕。當(dāng)然，可通過拋光的方法來消除這些刀痕，但這樣就違背了使用高速加工的初衷。本例精加工主要采用了PowerMILL的三維偏置精加工。勾選“螺旋”選項(xiàng)后，螺旋方式加入到三維偏置精加工策略中，由于刀具始終和工件表面接觸并以螺旋方式運(yùn)動(dòng)，因此，可防止刀具在切削表面留下刀痕。另外，螺旋方式?jīng)]有等高層之間的刀路移動(dòng)，避免了頻繁進(jìn)退刀對(duì)零件表面的影響。

　　在高速加工中，刀具軌跡拐角的處理是十分重要的，因?yàn)榧词骨邢魃疃群軠\，進(jìn)給速度和走刀軌跡的劇烈變化也是造成刀具破損的重要原因之一。為避免這種情況，首先應(yīng)調(diào)整進(jìn)給速度，從而調(diào)整每一個(gè)刀刃的切削量。其次，如果使用與拐角半徑相同的刀具直接加工，容易造成過切及刀具負(fù)荷猛然增加，所以，加工拐角最好是使用較小半徑的刀具，一般情況下刀具半徑最好為拐角半徑的70%或更小，這樣可使拐角處的進(jìn)給方向變化平滑，避免刀具的突然轉(zhuǎn)向。

　　本模具零件底部有一個(gè)30°，過渡圓弧半徑（拐角半徑）為3mm的拐角。拐角和型腔之間有一段狹長的區(qū)域。刀具在切入狹窄區(qū)域后，容易形成全刀寬切削，刀具載荷變大，需要在“高速加工”選項(xiàng)中設(shè)置擺線移動(dòng)，如圖4所示。擺線移動(dòng)是專門針對(duì)高速加工的走刀方式。這種刀具軌跡使刀具在切削時(shí)距某條曲線（一般是零件的輪廓線及其平移線）保持一個(gè)恒定的半徑，從而可使進(jìn)給速度在加工過程中保持不變，而且這時(shí)的徑向吃刀量一般取刀具直徑的5%左右，因此刀具的冷卻條件良好，刀具的壽命延長。這對(duì)高速加工是非常有利的。應(yīng)用此加工策略時(shí)，利用PowerMILL的“邊界”功能，把加工區(qū)域限制在一個(gè)很小的范圍。最后生成的擺線加工軌跡如圖5所示。

　　用R3mm的球刀精加工后，在零件臺(tái)階底都會(huì)有余料未被加工，需要進(jìn)行清角。本例采用PowerMILL的自動(dòng)清角精加工策略。這種清角策略能夠自動(dòng)判斷存在大量余量的尖角落，并首先在零件的陡峭區(qū)域生成縫合式清角刀路，然后在平坦區(qū)域生成沿著角落交線的刀路。應(yīng)用此策略時(shí)，請(qǐng)注意設(shè)置切削重疊區(qū)域以消除接刀痕。

5 碰撞、過切檢查

　　由于機(jī)床的高速旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給，高速加工過程中的任意部件之間的碰撞和干涉都極具危險(xiǎn)性，輕則會(huì)降低刀具壽命。損毀工件或機(jī)床，重則可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。所以高速加工狀態(tài)下，要完全避免刀具、刀柄、夾具、工件、機(jī)床之間可能發(fā)生的碰撞，也要避免過切的發(fā)生。從一開始的粗加工到最后的清角，都要利用PowerMILL提供的刀具路徑檢查和加工切削實(shí)體仿真功能，對(duì)上述方面進(jìn)行檢查，如圖6所示。PowerMILL采用了最新的分析和仿真技術(shù)，不須指定防切面和干涉面，系統(tǒng)具備智能化全程過切保護(hù)功能。另外，刀具、刀柄、刀桿一起參與刀路運(yùn)算。即使參數(shù)設(shè)置不合理，系統(tǒng)也會(huì)給出提示，并能夠自動(dòng)截掉發(fā)生碰撞部位的刀路，或者給出不發(fā)生碰撞的最短夾刀長度。

　　至此，定模板零件的全部高速加工過程結(jié)束。

6 結(jié)束語

　　高速加工工藝是成功進(jìn)行高速切削的關(guān)鍵技術(shù)之一，它決定了整個(gè)加工過程應(yīng)該使用的方法和策略。而CAM系統(tǒng)又是實(shí)現(xiàn)這些方法和策略的基礎(chǔ)和載體，對(duì)成功進(jìn)行高速加工有決定性的作用。由于高速切削的特殊性和控制的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的加工工藝、加工方法以及CAM系統(tǒng)已不能滿足高速加工的要求。將來的高速加工研究必然是不斷深化加工工藝方法，積累加工經(jīng)驗(yàn)和共識(shí)，并開發(fā)和完善新一代CAM系統(tǒng)為高速加工服務(wù)。在將來，高速加工工藝和CAM系統(tǒng)必然是相輔相成、互相促進(jìn)，以帶動(dòng)整個(gè)高速加工技術(shù)向前發(fā)展。