1 引言

　　高速加工技術(shù)是采用高轉(zhuǎn)速坝疼、快進給帘衣、小切深和小步距來提高切削加工效率的一種加工方式参唆。它已在航空航天制造绪樊、汽車工業(yè)和模具制造、輕工產(chǎn)品制造等重要工業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)造出了驚人的效益舆鸿。高速加工的成功實現(xiàn)取決于許多因素藐篡，包括高速主軸、CNC系統(tǒng)翰发、專用刀具辑剿，以及特殊的加工工藝和加工控制方法等。

　　在高速加工過程中吮骑，刀具的非正常破損是當(dāng)前高速加工所面臨的重要難題坚浩。加工余量不均勻極易引起刀具破損和過切，因此保持恒定的材料去除率很重要循头。然而绵估，對于帶有底面、壁面卡骂、凹槽和斜面的復(fù)雜3D型面加工中国裳，很難滿足這一要求。因為尖銳的轉(zhuǎn)角或刀具方向的突然變化等很容易導(dǎo)致刀具過切全跨、破損甚至損壞主軸缝左。此外，在高轉(zhuǎn)速和高進給速度的加工條件下浓若，刀具極易損壞渺杉；同時高速加工機床所使用的許多刀具，在周邊或中心處都進行了處理挪钓，以便高壓冷卻液或壓縮氣體將切屑從工件上吹走少办。這些處理在某種程度上削弱了刀具的強度，應(yīng)當(dāng)盡可能避免诵原。

　　為保證高速加工順利進行，提高零件的加工質(zhì)量挽放，延長刀具壽命狠寒，縮短加工時間，高速加工具有不同于普通數(shù)控加工的特殊工藝要求质脐，如保持恒定的切削載荷伐狼、每齒進給量應(yīng)盡可能保持恒定，并保持穩(wěn)定的進給運動嗜谎，使進給速度損失降低到最小岁十、避免走刀方向和加速度的突然變化、程序處理速度最佳化早知。這些要求在制定高速NC 編程策略時應(yīng)得到充分注意惦踩。

　　國內(nèi)外一直注重對高速加工的研究涨剧，在高速加工條件下的切削刀具、高速加工仿真敲骏、加工過程的精度保障樊淑、刀具監(jiān)控、自適應(yīng)控制等方面已經(jīng)進行了大量的研究工作蝇降。許多應(yīng)用軟件已經(jīng)不同程度提供了高速加工專用模塊铜缠。但對于如何優(yōu)化高速加工的Nc 編程策略，以消除加工過程中的刀具崩刃等刀具非正常破損饵骨，充分發(fā)揮高速加工機床的高效高精度性能等問題翘悉，尚需進行深入的研究和探討。

　　本文主要從優(yōu)化工藝過程居触，消除刀具非正常破損的角度出發(fā)妖混，詳細闡述了金屬模具高速加工NC 編程的優(yōu)化策略：(1)走刀路徑的選擇與優(yōu)化；(2)合理選擇切削用量饼煞；(3)采用高速高精度的關(guān)鍵控制技術(shù)源葫；(4)典型型面與難加工型面的加工策略。

　　2 高速加工走刀路徑的選擇與優(yōu)化

　　一條有效的刀具路徑可以通過保持穩(wěn)定的切削載荷來保護刀具砖瞧，并通過避免加工方向的突變來保持高的進給速度息堂，它將直接決定復(fù)雜型面高速加工的可能性、質(zhì)量與效率块促。

　　2.1 高速加工刀具軌跡生成的基本原則及方法

　　利用CAM系統(tǒng)進行高速加工NC編程所生成的刀具路徑荣堰，不僅要滿足尺寸和輪廓的高精度要求，同時還要考慮加工工藝的加工細節(jié)竭翠，選擇適當(dāng)?shù)募庸げ呗院凸に噮?shù)來優(yōu)化各種刀具路徑振坚，以改善切削條件，減少加工時間祠劣，減少刀具磨損秤淀，避免刀刃破損或刀柄折斷等。

　　高速加工的刀具軌跡必須滿足無干涉耗萝、無碰撞世荐、軌跡光滑、切削載荷平滑舆佩、滿足加工要求等條件介腻；同時，保證零件的加工精度和表面粗糙度要求泌榕；縮短走刀路線酱滞，減少進退刀時間和其它輔助時間；方便數(shù)值計算气岁，減少編程工作量诲猴；盡量減少程序段數(shù)秆候。

　　零件輪廓形狀對加工效率、加工質(zhì)量丸爵、編程計算復(fù)雜性和零件程序長度等有著重要影響蜒秤。如何根據(jù)型面形狀、刀具形狀以及零件加工要求亚斋，合理選擇走刀路徑是一個十分復(fù)雜但又非常重要的問題作媚。復(fù)雜型面加工可采用多種走刀路徑，如參數(shù)線型帅刊、截面線型纸泡、放射線型、環(huán)型等赖瞒。參數(shù)線走刀的刀具軌跡規(guī)劃和刀位計算簡單女揭，適合于參數(shù)線分布較均勻的情況。截面法對于曲面網(wǎng)格分布不太均勻以及由多個曲面形成的組合曲面的加工非常有效栏饮。環(huán)切法主要應(yīng)用于邊界受限制零件(如型腔類零件)的加工吧兔。在采用環(huán)切法加工螺旋槳槳葉等類型的零件時，由于工件剛度小袍嬉，加工變形問題突出境蔼，因此采用從里到外的環(huán)切走刀時，刀具切削部位的四周可受到毛坯剛性邊框的支持伺通，有利于減小工件在加工過程中的變形箍土。

　　2.2 優(yōu)選走刀方式

　　1) 進、退刀 高速加工時嫌隆，刀具切入工件的方式逸讹，不僅影響加工質(zhì)量，同時也直接關(guān)系到加工的安全荷况。刀具高速切削工件時禾计，工件將對刀具產(chǎn)生一定的作用力。此外梆甘，刀具以全切深和滿進給速度切入工件將會縮短刀具壽命乘恩。通過較平緩地增加切削載荷，并保持連續(xù)的切削載荷腋意，可以達到保護刀具的目的。確定刀具衡达、進退刀方式時往软，應(yīng)注意在切入工件時盡量采用沿輪廓的切向或斜向切入的方式緩慢切入工件(比如：直線式切入和螺旋式切入)，以保持刀具軌跡光順平滑郎抖。

　　斜線和螺旋式切入方式適用于簡單型腔的粗加工哟蝉。加工表面質(zhì)量和精度要求高的復(fù)雜型面時蜓耻，采用沿曲面的切矢量方向或螺旋式進、退刀械巡，這樣刀具將不會在工件表面的進退刀處留下駐刀痕跡刹淌，從而獲得高的表面加工質(zhì)量。對于深腔件的加工讥耗，螺旋式切入是一種比較理想的進刀方式有勾，采用相同或不同半徑的螺旋路徑，自內(nèi)向外地逐步切除型腔材料古程，非常適合深腔件的高速加工蔼卡。

　　2) 移刀 高速加工中的移刀是指在高進給速度時相鄰刀具路徑間有效過渡的連接方式。平行線掃描表面加工是精加工復(fù)雜型面的一種手段挣磨。但是這種方法容易在每條刀具路徑的末端造成進給量的突然變化雇逞。進給速度適中時，在掃描路徑之間采用簡單的環(huán)型刀具路徑可以適當(dāng)緩解拐角處進給量的突然變化茁裙。但是塘砸，進給速度較高時，這種簡單的環(huán)型運動仍然太突然晤锥。這種情況下肺沃，在掃描路徑間采用“高爾夫球棒”式移刀則更為有效。

　　3) 拐角加工 如何實現(xiàn)高效率的拐角加工槽脑，也是優(yōu)化刀具路徑的一個重要方面障氛。加工工件的內(nèi)銳角時，刀具路徑可采用圓角或圓弧走刀煌摊，并相應(yīng)地減小進給速度衫沽，這樣在加工拐角時可以得到光滑的刀具軌跡，并可保持連續(xù)的高進給速度及加工過程的平穩(wěn)性资杆。然后拐角的殘留余量可通過再加工工序去除酒吠。

　　4) 重復(fù)加工 重復(fù)加工是對零件的殘留余量進行針對性加工的加工方法。在高速加工中课陪，重復(fù)加工主要應(yīng)用于二次粗加工以及筆式銑削和殘余銑削唇佳。

　　采用二次粗加工時，先進行初始粗加工贱钩，然后根據(jù)加工后的形狀計算二次粗加工的加工余量杆叛。在等高線粗加工中，由于零件上存在斜面唉堪，加工后會在斜面上留下臺階模聋，從而導(dǎo)致殘留余量不均勻，并引起刀具載荷不均勻唠亚。采用二次粗加工链方，可使用不同于初始粗加工的方法——平行線法持痰、螺旋線法等，來獲得均勻余量祟蚀。這樣可以更有效地保持刀具進行連續(xù)切削工窍，減少空走刀，并提高精加工的加工效率前酿。

　　筆式銑削主要運用于半精加工的清根操作患雏，它通過找到前道工序大尺寸刀具加工后殘留部分的所有拐角和凹槽，自動驅(qū)動刀具與兩被加工曲面雙切薪者，并沿其交線方向運動來加工這些拐角纵苛。筆式銑削允許使用半徑與3D拐角或凹槽相匹配的小尺寸刀具一次性完成所有的清根操作，可極大地減少退刀次數(shù)言津。此外攻人，筆式銑削可以保持相對恒定的切屑去除率，這對于高速加工特別重要署氏。精加工帶有壁面和底面的零件時腋殃，如果沒有筆式銑削，刀具到達拐角時晓够，將要去除相當(dāng)多的材料燕党。采用筆式銑削時，拐角已被預(yù)先進行清根處理擅锚，因此可減少精加工拐角時的刀具偏斜和噪聲悉宿。

　　殘余銑削與筆式銑削極為相似。殘余銑削可以找到前道工序使用各種不同尺寸刀具所形成的3D型面赊真，且只用一把尺寸較小刀具來加工這些表面涝睁。它與筆式銑削的不同之處在于它是對前道工序采用較大尺寸刀具加工后所殘留的整個表面進行加工，而筆式銑削只對拐角進行清根處理盒蚁。

　　5) 高效率切削法(HEM) 高效率切削法(HEM) 又稱“Fukui Climbing”切削法示祭，是實現(xiàn)高材料去除率的一種新的高效率粗加工方法。HEM是通過“Fukui method cutting”(福井高側(cè)刃切削法)和“Climb up cutting”上爬式切削法)得以實現(xiàn)的陋晒。福井切削法是日本福井雅彥教授提出的高軸向深度銑削法咽蚣，通過將Z向切削深度調(diào)整為刀具直徑的1～2倍，可高效率地切削出垂直梯級式粗略工件外形萄窜。采用福井法加工后铃剔，再采用上爬式切削法，可以使加工表面的形狀和精度更加接近零件的最終加工要求查刻。上爬式切削時键兜，采用較細的梯級節(jié)距來去除剩余梯級面，刀具從底部開始，一層一層地向上切削蝶押，梯級節(jié)距調(diào)整范圍為0.5～3mm，加工表面較陡時火欧，可采用較寬的梯級節(jié)距棋电，加工表面較平時，可采用較細密的梯級節(jié)距苇侵。

　　6) 余擺線式加工 余擺線加工是利用高速加工刀具側(cè)刃去除材料來提高粗加工速度的新技術(shù)赶盔。采用余擺線加工時，刀具始終沿著具有連續(xù)半徑的曲線運動榆浓，采用圓弧運動方式逐次去除材料于未，對零件表面進行高速小切深加工，有效地避免了刀具以全寬度切入工件生成刀具路徑殴衡。每環(huán)圓弧運動中币沫，向前運動時刀具切削工件，向后運動時進行刀具冷卻蟀腌，并允許自由去除材料番雀。當(dāng)加工高硬度材料或采用較大切削用量時，刀具路徑中刀具向后運動的冷卻或自由去除材料圓弧段與向前運動的加工圓弧段相平衡抠偏，實現(xiàn)了刀具切削條件的優(yōu)化阶押。此外，余擺線加工的刀具路徑全部由圓弧運動組成鞋剔，走刀方向上沒有突然的變化脱刷，是有利于實現(xiàn)高速加工的粗、精加工的一種理想加工狀況池躁。所以饮码，擺線式加工特別適用于加工高硬度材料和高速加工的各種粗加工工序(比如腔體加工)，不僅能夠使機床在整個加工過程中保持連續(xù)的進給速度菠食，獲得高的材料去除率浮笔，并且可延長刀具壽命。

　　7) 插入式加工 插入式加工是使用特制插入式加工刀具進行深型腔件加工的一種方法瓣铣。它采用鉆削式刀具路徑沿加工中心的Z軸方向從深腔去除材料答朋。該方法是粗加工深型腔件和用大直徑刀具加工相對較淺腔體的一種有效方法。

　　3 選擇適應(yīng)高速加工的切削用量

　　實現(xiàn)高速切削的關(guān)鍵是采用高的切削速度棠笑，并配合以高的進給速度和小的切削深度梦碗，不僅可以提高加工效率，而且可使切削力減小蓖救，從而提高加工質(zhì)量洪规，并延長刀具壽命。合理的切削用量對于刀具耐用度和工件加工質(zhì)量起著決定性作用。

　　常規(guī)粗加工以及使用小尺寸刀具進行模具粗加工時斩例，適于采用小切深和高進給速度雄人。精加工時，快速精確的刀具運動有利于實現(xiàn)更高的表面加工質(zhì)量念赶，每程序段的刀具運行軌跡越短础钠，加工軌跡表面尖點高度越小，加工出的零件輪廓越精確叉谜。刀具路徑的基本參數(shù)選擇將影響精加工的表面質(zhì)量拓酵。精加工時，如果刀具切削載荷即每齒進給量等于走刀步距增量缆乐，可獲得最佳的表面加工質(zhì)量乱树；如果刀具切削載荷與走刀步距增量不相等，則加工的表面比較粗糙禽糊。針對不同的零件形狀特征型面如平面吆揖、坡面、曲面和圓面等嘶刚，應(yīng)采用不同的進給量元糯。為獲得高精度的輪廓外形，要求進給運動不能出現(xiàn)明顯的滯后現(xiàn)象紧碴，否則將會導(dǎo)致刀具過熱而破損旷程。

　　4 采用高速高精度的高速加工關(guān)鍵控制技術(shù)

　　采用高速高精度的關(guān)鍵控制技術(shù)，有利于保證高速加工的順利實現(xiàn)拔较。這些關(guān)鍵控制技術(shù)有加工殘余分析起衫、待加工軌跡監(jiān)控、自動防過切保護槽畔、尖點控制栈妆、高精度輪廓控制技術(shù)、NURBS插補厢钧、進給速度優(yōu)化鳞尔、刀具軌跡編輯優(yōu)化及裁剪修復(fù)、刀具軌跡驗證等等早直。

　　1) 加工殘余分析 加工殘余分析功能可以分析出每次切削后加工殘余的準(zhǔn)確位置寥假，允許刀具路徑創(chuàng)建上道工序中工件材料沒有去除完全的區(qū)域。后續(xù)加工的刀具路徑可在前道工序刀具路徑的基礎(chǔ)上利用加工殘余分析進行優(yōu)化得到霞扬。通過對工件輪廓的某些復(fù)雜部分進行加工殘余分析糕韧，可盡量保持穩(wěn)定的切削參數(shù)，包括保持切削厚度喻圃、進給量和切削線速度的一致性萤彩。當(dāng)遇到某處切削深度有可能增加時粪滤，能降低進給速度，從而避免負載變化引起刀具偏斜雀扶，以及降低加工精度和表面質(zhì)量杖小。因此，加工殘余分析可實現(xiàn)高速加工參數(shù)最佳化夏握，使刀具走刀路徑適應(yīng)工件余量的變化氛拜，減少加工時間，避免刀具破損及過切和殘留現(xiàn)象由瞒，從而實現(xiàn)刀具路徑的優(yōu)化。

　　2) 待加工軌跡監(jiān)控(look-ahead) 待加工軌跡監(jiān)控功能(look-ahead)是用于監(jiān)控待加工刀具路徑中由于路徑曲率引起的進給速度的不規(guī)則過渡即贰，以及軸向加速度過大等不利于高速加工的各種加工條件的變化个懒，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)進給速度的一種控制方法。CNC控制系統(tǒng)在進行加工控制時通過掃描待加工程序段的數(shù)控代碼疲籍，預(yù)覽刀具路徑上是否有方向變化乌爪，并相應(yīng)地調(diào)節(jié)進給速度。比如谐浆，在高進給速度下经褒，待加工軌跡監(jiān)控功能監(jiān)測到拐角時，將自動減小進給速度姿记，以防止刀具過切或出現(xiàn)殘留現(xiàn)象哈讯。在待加工軌跡的平滑段，再將進給速度迅速提高到最大梧却。這樣通過動態(tài)調(diào)節(jié)進給速度奇颠，可以優(yōu)化機床控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，并獲得高的加工精度和表面質(zhì)量放航。

　　3) 尖點控制 高速加工控制器的待加工軌跡監(jiān)控(look-ahead)功能雖然可以預(yù)先了解待加工NC程序段的刀具軌跡烈拒，預(yù)覽刀具軌跡及其走刀方向是否有變化，即是否存在拐角广鳍，但對于3D零件上的每個具體的走刀步距和切削余量是無法預(yù)知的荆几。

　　加工復(fù)雜的3D型面時，可根據(jù)尖點高度來計算NC精加工刀具路徑的加工步距赊时，而不是采用恒定的加工步距吨铸。采用尖點控制進行高速加工即可實現(xiàn)連續(xù)的表面精加工，減少去毛刺或其它手工精加工工序蛋叼，而且可以根據(jù)NC精加工路徑動態(tài)調(diào)整走刀步距焊傅，使材料去除率保持恒定，刀具受力狀況更加穩(wěn)定狈涮，并使刀具所受到的外界沖擊載荷降低到最小狐胎。

　　4) 自動防過切處理 高速加工時，前道工序遺留的加工余量將會導(dǎo)致刀具切削負載突然加大，甚至出現(xiàn)過切和刀具破損現(xiàn)象粮按。過切對于工件的損壞是不可修復(fù)的忽浓，對于刀具的破壞也是災(zāi)難性的。通過自動防過切處理功能已转，可以保護刀具的切削過程矮憔，實現(xiàn)高速加工的安全操作。

　　5) 高精度輪廓控制 通常渗送，在模具加工中遭绝，可采用CAM系統(tǒng)或者其他編程系統(tǒng)的方法，編寫子程序進行輪廓加工操作泰四。因而加工信息可能超過CNC中子程序的存儲容量零硫，并且可能需要進行多種DNC加工操作。在這種情況下兔页，如果不能保持CNC 高速分配處理與DNC操作的子程序進給速度之間的平衡萄蕾，子程序?qū)⒉荒芗皶r進行進給操作，而且機床的平滑運動也可能得不到保證俄洞。高速加工CNC系統(tǒng)可通過高精度輪廓控制進行高速分配處理和自動加速/減速處理以躯。針對高于常規(guī)速度的轉(zhuǎn)速進行處理和分配，可提高加工精度啄踊，縮短工作時間忧设。

　　5 典型型面及難加工型面的高速加工策略

　　高速加工工藝技術(shù)是成功進行高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。如果切削方法選擇不當(dāng)颠通，將加劇刀具的磨損见转，甚至可能完全達不到高速加工的目的。根據(jù)零件輪廓的類型及其復(fù)雜程度來選擇合適的加工方法蒜哀，有助于實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效的高速加工斩箫。

　　5.1 典型型面

　　銑削復(fù)雜二維輪廓時，無論是外輪廓或內(nèi)輪廓撵儿，要安排刀具從切向進入輪廓進行加工乘客。當(dāng)輪廓加工完畢之后，刀具必須沿切線方向繼續(xù)運動一段距離后再退刀淀歇，這樣可以避免刀具在工件上的切入點和退出點留下接刀痕易核。

　　銑削外圓可采用直線式切向進、退刀浪默。加工內(nèi)輪廓時牡直，可采取圓弧式切向進、退刀薛淆。加工直紋面類工件時甜芭，可采用側(cè)銑方式一刀成型匿贴。一般立體型面特別是較為平坦的大型表面，可以用大直徑端銑刀端面貼近表面進行加工霸臂，這樣走刀次數(shù)少耗述，殘余高度小。加工空間受到限制的通道加工和組合曲面的過渡區(qū)域加工辈拔，可采用較大尺寸的刀具避開干涉妒彭，刀具剛性好，有利于提高加工效率與精度匙典。

　　5.2 難加工型面

　　深腔加工 加工由薄壁分隔成的深腔型面時幕笋，所有的型腔不要一次加工完，而要采取每次只加工一部分的方式宜箩，使所有型腔壁在兩邊都可保持支承垮川。

　　薄壁加工 立銑刀加工薄壁件時，切削力的作用易導(dǎo)致工件和刀具的變形戴卜。因此，加工薄壁件時琢岩，采用小軸向切深的重復(fù)端銑削投剥，不僅可以獲得恒定的刀刃半徑和小的切削力，減小工件變形担孔，而且不會出現(xiàn)由于刀具偏心產(chǎn)生的形狀誤差江锨。此外，快速小切深加工薄壁零件時糕篇，加工薄壁任一面的刀具都必須保持一直向下加工啄育，直至越過薄壁開始新的走刀路徑。這樣可以通過靠近刀具切削處的未切除余量使薄壁在兩邊都保持支承拌消。

　　薄底加工 加工無支承的薄底時挑豌，應(yīng)先從支承最少的表面開始加工，刀具在抬刀前一直保持向下加工墩崩，并逐步向支承靠近氓英，加工后的底面不可再次與刀具相接觸。

　　6 結(jié)語

　　為提高加工效率鹦筹、加工質(zhì)量和刀具壽命铝阐，保證高速加工順利進行，高速加工NC 編程所生成的刀具路徑泌醋，不僅要滿足尺寸和輪廓的高精度要求昂游，同時還需考慮不同加工工序、加工型面形狀等加工過程的若干細節(jié)問題赌拒。根據(jù)高速加工的具體需要跳窖，優(yōu)選刀具切入工件的方式和移刀方式祠裸，以及優(yōu)選拐角加工、二次粗加工喜拥、筆式銑削蒜丙、殘余銑削、高效率切削法HEM抹欢、余擺線加工和插入式加工等加工方法溯童；選擇適應(yīng)高速加工的切削用量；采用高速高精度的關(guān)鍵控制技術(shù)脉织；有利于保證高速加工的順利實現(xiàn)求馋。

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