一、前言
數控高速切削製造技術促進了機械冷 加工製造業的飛速發展，革新了產品設計概念，如通過採用整體件加工取代零部件的分項製造裝配，提高了加工效率和產品質量，縮短了產品製造週期。高速切削加速了汽車、模具、航空、航天、光學、精密機械等產品的更新換代，加速了製造技術與裝備的升級，推動了企業技術進步。但目前國內存在相當一部分高速機床因各 方面的原因並沒有達到理想的效果，如刀具配置跟不上而低速使用，高速電主軸因長期受重載荷或使用不當造成壽命低下，企業高速切削工藝參數庫及CADCAM高速編程軟件包造成高速切削應用不是很好，高速切削工藝流程與傳統的工藝流程沒有有機結合，沒有充分發揮高速切削加工變形小、加工效率高、定位裝夾少的優勢。
高速銑削機床的特點，採用主軸運動結構實現載荷的平穩，減小工作臺由於運動的慣性，尤其是當工作臺承載較大時，工作臺本身和工件的運動載荷對高速切削極容易引起衝擊，機床結構的新穎性對高速切削有著重要的影響，傳統機床依靠工作臺移動實現機床的XY方向的移動不是很適合高速切削。高速機床有瑞士Mikron公司VCP710、美國Cincinnati公司HyperMach五軸加工中心、日本Mazak公司SMM－2500UHS、德國Roders公司RFM1000、意大利FIDIA公司KR214六座標加工中心、FIDIA公司D218五座標加工中心等，其主軸轉速及工作進給如表1所示。
一般情況下，高速切削其切削速度比常規速度高出5～10倍，其材料的去除率是常規切削的3～5倍以上。對於鋁合金銑削可達到1100m/min以上，鑄鐵可到700m/min，鋼材可到380m/min以上，鑽削200～1200m/min，磨削150～360m/min。如圖1所示的是採用FIDIA KR214五座標高速銑削加工中心機床及機床驗收標準試切產品示意圖。
二、高速銑削刀具刀柄
1.高速銑削刀柄
由於高速切削時，主軸、刀柄及刀具在高速旋轉情況下，較小的偏心就會產生較大的離心力，由振動引起產品的質量、降低主軸和刀具的使用壽命。常規的刀具刀柄系統難以滿足高速切削時的切削剛度和精度要求。現階段比較流行常用的高速刀柄系統主要有德國的HSK刀柄、美國KM刀柄、日本NC5刀柄。 HSK刀柄及KM刀柄均為1:10的錐度，採用主軸錐孔和刀柄端面過定位的方式，實現刀具的定位夾緊，其重複定位精度在傳統7:24的錐度刀柄±2.5μm提高到±1μm，採用這種刀柄系統可以提高主軸剛度、由於其契形效果好，能提高刀具的抗扭能力，且轉速越高其鎖緊力越大。但這種刀柄價格較貴，一般為常規刀柄的1.5～2倍，其最低轉速小於KM刀柄。一般情況下，高速銑削時，刀具刀柄的不平衡力小於切削力時，不影響刀具的使用壽命和切削效率。
根據高速切削的動平衡規定，主軸轉速至少要達到8000 r/min以上。其進給速度至少大於20m/min。50柄轉速達到10000～20000r/min，40柄以及HSK刀柄20000～40000 r/min，KM刀柄達到35000 r/min以上。由於高速銑削動平衡的要求，在配置高速銑削刀柄刀具時優先配置經過動平衡測試的刀具系統，其次用戶可以自行採用動平衡機及調整系統進行動平衡調節，但其使用非常麻煩。美國Kennametal公司推出了一種通過調節主軸系統的自動平衡刀柄系統TABS刀柄，但目前應用還不廣泛。為有效發揮高速切削的加工效率，在配置高速刀具夾持刀柄系統時顯得非常重要，傳統的彈簧夾頭、螺釘連接刀柄已不能滿足高速銑削夾持精度高、結構對稱性好、傳遞扭矩大等要求，以下為作者總結的高速刀具及刀柄配置經驗，其刀柄結構如圖2所示。
第一、優先配置熱脹式刀柄通過熱脹式加熱儀裝置進行加熱，通過熱脹冷縮的原理對刀具進行夾緊，其迴轉精度、結構對稱性、動平衡性能均較液壓式刀柄好，在歐洲應用非常廣泛，尤其適合模具等行業產品的高速切削加工，該刀柄可達到40000r/min。其中熱脹式裝刀裝置以德國Thermal Grip為典型代表。
其次、液壓式刀柄是高精度、高性能的刀柄夾持柄，其迴轉精度、結構對稱性和動平衡性能均較好，減振性好，可有效提高切削效率和刀具的使用壽命，液壓式刀柄以德國雄克公司的為典型代表，經過動平衡後轉速可達到25000r/min。
第三、整體式刀柄，如日本Nikken公司刀柄、奧地利盤石的整體鋁合金銑削刀柄，其結構主要是刀體和刀柄為一體，在經過動平衡測試調整後，再安裝銑削刀片進行動平衡調節來滿足高速銑削加工的需要，整體式刀柄尤其適合模具的高速粗加工和鋁合金高速銑削。其轉速一般可以達到10000～30000r/min之間。
最後、高速銑削應用精密彈簧夾頭刀柄和側固式刀柄時，其轉速由於本身結構的限制，一般難以達到20000 r/min，精密彈簧夾頭刀柄一般可達到12000～15000 r/min，而側固式刀柄則難以達到10000 r/min，在高速機床上儘量少用。
2.高速銑削刀具
由於高速銑削對刀具刀柄要求較高，在購置高速刀具時儘量購置經過動平衡測試的刀具，常用的硬質合金、塗層硬質合金、金屬陶瓷、立方氮化硼（PCBN），聚晶金剛石（PCD）在經過長時間磨損後，可應用於普通數控機床進行加工。另外一個方面由於高速切削的安全性，在進行工件加工時一定要注意加工防護，如40mm直徑刀具，主軸轉速達到30000r/min,其射出的速度可達到63m/s的速度，接近於230km/h的 汽車速度，切削過程中如出現斷刀摔出，勢必有較大的衝擊動量。同時對沒有把握的刀具刀柄一定要經過高速動平衡儀測試出真實數據，方可進行產品加工。此外由於高速運轉時，刀具的長度在高速環境下其刀具直徑和長度與靜態條件下有所差別，採用激光機內對刀儀可有效解決數控編程的刀具工藝參數的確定，因此在購置高 速銑削機床時，配置激光機內對刀儀是不應少的選項，尤其在進行高精度產品的銑削加工時更能體現其優勢。
高速切削鋼材時，刀具材料應選用熱硬性和疲勞強度高的P類硬質合金、塗層硬質合金、立方氮化硼(CBN)與CBN複合刀具材料(WBN)等。切削鑄鐵，應選用細晶粒的K類硬質合金進行粗加工，選用複合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼(PCNB)複合刀具進行精加工。精密加工有色金屬或非金屬材料時，應選用聚晶金剛石PCD或CVD金剛石塗層刀具。高速銑削時應針對相應的材料選擇合適的刀柄和刀具材料，鋁合金高速銑削時可優先選用採用鑲刀片的整體刀柄。
三、五座標高速銑削刀具軌跡設計
高速切削有著比傳統切削特殊的工藝要求，除了高速切削機床和高速切削刀具，具有合適的CAM編程軟件也是至關重要的。一個優秀的高速加工CAM編 程系統應具有很高的計算速度、較強的插補功能、全程自動過切檢查及處理能力、自動刀柄與夾具干涉檢查、進給率優化處理功能、刀具軌跡編輯優化功能、加工殘餘分析功能等。數控編程時應首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次要盡一切可能保證刀具軌跡光滑平穩，這會直接影響加工質量和機床主軸等零件的壽命； 最後要儘量使刀具載荷均勻，這會直接影響刀具的壽命。國內外比較成熟適用於高速加工編程的有美國EDS公司UnigraphicsNX、英國DelCAM公司的PowerMill、以色列的Cimatron軟件。
1.五軸刀具軌跡設計的關鍵點
在進行刀具軌跡設計之前，CAD三維模型的系統精度儘可能設置高一些，尤其是在不同的CAD系統之間進行模型轉換時，優先採用CATIA(*.model)格式、Parasolid（*.x_t）格式進行數據轉換，其次採用IGES格式進行數據轉換，當使用IGES格式時，系統精度一般不應低於0.01mm，尤其在進行五軸高速切削精密零件時模型的精度、刀具插補精度對刀具軌跡的輸出有著重要影響。
空 間曲面軸加工涉及的內容比較多，尤其是五軸加工時更明顯。進行五軸加工時涉及加工導動曲面、干涉面、軌跡限制區域、進退刀及刀軸矢量控制等關鍵技術。四軸五軸加工的基礎是理解刀具軸的矢量變化。四軸五軸加工的關鍵技術之一是刀具軸的矢量（刀具軸的軸線矢量）在空間是如何發生變化的，而刀具軸的矢量變化是通 過擺動工作臺或主軸的擺動來實現的。對於矢量不發生變化的固定軸銑削場合，一般用三軸銑削即可加工出產品，五軸加工關鍵就是通過控制刀具軸矢量在空間位置的不斷變化或使刀具軸的矢量與機床原始座標系構成空間某個角度，利用銑刀的側刃或底刃切削加工來完成。刀具軸的矢量變化控制一般有如圖3所示的幾種方式：
①Line :刀具軸的矢量方向平行於空間的某條直線形成的固定角度方式；
②Pattern Surface:曲面法向式為刀具軸的矢量時刻指向曲面的法線方向；
③from point：點位控制刀具軸的矢量遠離空間某點；To point：刀具軸的矢量指向空間某點；
④Swarf Driver：刀具軸的矢量沿著空間曲面（曲面具有直紋性）的直紋方向發生變化；
⑤刀具軸矢量連續插補控制。從上述刀具軸的矢量控制方式來看，五軸數控銑削加工的切削方式可以根據實際產品的加工來進行合理的刀具軌跡設計規劃。
UGII/Contour Milling三軸高速等高分層粗銑削時，刀具軌跡之間的圓弧過渡。高速銑削加工的支持：系統提供的等高分層加工應用於高速銑削場合，在轉角處以圓角的形式過渡，避免90度急轉（高速場合對導軌和電機容易損壞），同時採用螺旋進退刀，系統還提供環繞等多種方式支持高速加工刀具軌跡的生成策略。UGII/Variable Axis Milling可變軸銑削模塊支持定軸和多軸銑削功能，可加工UGII造型模塊中生成的任何幾何體，並保持主模型相關性。該模塊提供多年工程使用驗證的3~5軸銑削功能，提供刀軸控制、走刀方式選擇和刀具路徑生成功能。刀具軸矢量控制方式、加工策略。UGII/Sequential Milling順序銑模塊可實現控制刀具路徑生成過程中的每一步驟的情況、支持2~5軸的銑削編程、和UGII主模型完全相關，以自動化的方式，獲得類似APT直接編程一樣的絕對控制、允許用戶交互式地一段一段地生成刀具路徑，並保持對過程中每一步的控制、提供的循環功能使用戶可以僅定義某個曲面上最內和最外的刀具路徑，由該模塊自動生成中間的步驟、該模塊是UGII數控加工模塊中如自動清根等功能一樣的UGII特有模塊，適合於高難度的數控程序編制。如圖4所示分別為三軸聯動與五軸聯動加工刀具軌跡示意圖及產品加工實物。
2.整體葉輪加工數控編程
在 進行五座標加工編程時，加工策略劃分對於產品質量是很重要的，尤其是複雜產品的數控編程時，要求更高。如下圖對某整體葉輪進行五座標高速銑削加工，其粗精加工銑削方式和刀具軌跡策略、粗精加工工序餘量的合理安排、切削工藝參數加工步距、加工深度、主軸轉速、機床進給等的選擇對於提高產品的加工效率和質量是 至關重要的。五座標切削工藝參數的在經驗基礎上，針對不同的加工產品對象，對不同材料、刀柄刀具、切削方式可通過正交試驗等方法進行科學試驗、歸納總結選用。表2為某鋁合金高速切削工藝參數及其加工情況對比。
如圖5為某整體葉輪在FIDIA KR215五座標高速銑削中心上，分別按照三軸銑削粗加工排量、五軸流道排量、五軸葉片精銑削、五軸流道精加工銑削的加工順序對該產品進行切削及其產品加工實例。表2為不同切削工藝參數在高速切削鋁合金時的對比情況。
四、五座標高速銑削後處理程序開發
1.五軸機床旋轉刀具中心編程RTCP(Rotation Tool Centre Point)
五座標機床及其加工編程，常用RTCP功能對機床的運動精度和數控編程進行簡化，下面對RTCP（ Rotation Tool Centre Point 旋轉刀具中心）編程進行簡要說明。
非RTCP模式編程：為了編程五座標的曲面加工，必須知道刀具中心與旋轉主軸頭中心的距離：這個距離我們稱為轉軸中心(pivot)。根據轉軸中心和座標轉動值計算出X、Y、Z 的直線補償，以保證刀具中心處於所期望的位置。運行一個這樣得出的程序必須要求機床的轉軸中心長度正好等於在書寫程序時所考慮的數值。任何修改都要求重新書寫程序。對於FIDIA C20數控系統G96 激活RTCP，G97 禁止RTCP
RTCP模式編程：選件RTCP 的運行原理是當存在此選項時，控制系統會保持刀具中心始終在被編程的XYZ位置上。為了保持住這個位置，轉動座標的每一個運動都會被XYZ 座標的一個直線位移所補償。因此，對於其它傳統的數控系統而言，一個或多個轉動座標的運動會引起刀具中心的位移；而對於FIDIA 數控系統（當RTCP 選件起作用時），是座標旋轉中心的位移，保持刀具中心始終處於同一個位置上。在這種情況下，可以直接編程刀具中心的軌跡，而不需考慮轉軸中心，這個轉軸中心是獨立於編程的，是在執行程序前由顯示終端輸入的，與程序無關。通過計算機編程或通過PLP 選件被記錄的三座標程序，可以通過RTCP 邏輯，以五座標方式被執行。對於這種特殊的應用方法，必須要求使用球形刀具。這些轉動座標的運動，可以通過JOG 方式或通過手輪來完成，所以在某些加工條件下，允許所使用的刀具，其長度值小於用於三座標加工的刀具。
2.基於UGNX平臺後處理程序的開發
後置處理最重要的是將CAM軟件生成的刀位軌跡轉化為適合數控系統加工的NC程序，通過讀取刀位文件，根據機床運動結構及控制指令格式，進行座標運動變換和指令格式轉換。通用後置處理程序是在標準的刀位軌跡以及通用的CNC系 統的運動配置及控制指令的基礎上進行處理。它包含機床座標運動變換、非線性運動誤差校驗、進給速度校驗、數控程序格式變換及數控程序輸出等方面的內容。只有採用正確的後置處理系統才能將刀位軌跡輸出為相應數控系統機床能正確進行加工的數控程序，因此編制正確的後置處理系統模板是數控編程與加工的前提條件之 一。後處理的主要內容包括三個方面的內容：
①數控系統控制指令的輸出：主要包括機床種類及機床配置、機床的定位、插補、主軸、進給、暫停、冷卻、刀具補償、固定循環、程序頭尾輸出等方面的控制。
②格式轉換：數據類型轉換與圓整、字符串處理等：主要針對數控系統的輸出格式如單位、輸出地址字符等方面的控制。
③算法處理：主要針對多座標加工時的座標變換、跨象限處理、進給速度控制。
五軸數控機床的配置形式多樣，典型配置有繞X軸和Y軸旋轉的兩個擺動工作臺，其二為主軸繞X軸或Y軸擺動，另外的工作臺則相應繞Y軸或X軸擺動來構造空間的五軸聯動加工。對於主軸不擺動的五軸數控機床，其擺動軸存在主次依賴關係，即主擺動軸（Primary Table）的運動影響次擺動軸（Secondary Table）的空間位置，而次擺動軸的運動則不影響主擺動軸的空間位置狀態。如圖7所示為常見五座標機床運動配置形式。
FIDIA KR214為帶旋轉工作臺的六軸五聯動高速銑削加工中心，其機床運動類型如圖8所示，其中C軸為主動軸、A軸為從動依附軸、旋轉工作臺為W軸；由於現有的CAM軟件大多不支持六軸聯動的數控程序後處理，且實際加工中，一般的五軸聯動足夠滿足生成的需要。針對該機床加工的特性，根據需要可編制三個線性軸X、Y、Z、A、C五個軸聯動後處理程序以及包括三個線性軸及A/W的五軸後處理程序。這兩種後處理程序方案即可滿足工程需求，修改適合KR214(或K211)數控機床的後處理程序。
五、基於Vericut五座標高速銑削機床運動模擬
由於五座標高速銑削加工時，刀具軌跡比較複雜，且加工過程中刀具軸矢量變化控制頻繁，尤其是在進行高速切削時，刀具運動速度非常快，因此在進行實際產品加工前，進行數控程序的校對審核是非常必要的。由於五座標聯動高速切削其程序量大，許多程序採用手工的方法或者在CAM軟件裡進行模擬是難以有效的檢查數控程序和機床的實際輸出是否存在問題。採用Vericut軟可以很好的節省校對時間，進行真實的模擬加工，Vericut軟件非常真實的模擬機床加工過程中的干涉、過切、進退刀等狀況，尤其能很好的模擬五軸加工及其RTCP功能。Vericut提供了許多功能，其中有對毛坯尺寸、位置和方位的完全圖形顯示，可模擬2～5軸聯動的銑削和鑽削加工.
UGII/Vericut 切削仿真模塊是集成在UGII軟件中的第三方模塊，它採用人機交互方式模擬、檢驗和顯示NC加工程序，是一種方便的驗證數控程序的方法。由於省去了試切樣件，可節省機床調試時間，減少刀具磨損和機床清理工作。通過定義被切零件的毛坯形狀，調用NC刀位文件數據，就可檢驗由NC生成的刀具路徑的正確性。UGII/Vericut可以顯示出加工後並著色的零件模型，用戶可以容易的檢查出不正確的加工情況。作為檢驗的另一部分，該模塊還能計算出加工後零件的體積和毛坯的切除量。UGII中的數字模型可直接傳輸到Vericut軟件中，進行模擬，包括毛坯、產品、數控刀具軌跡與刀具等數字信息。圖9為UGNX環境下提供的Vericut接口界面，圖10所示為進行某整體葉輪機床加工時在Vericut軟件中的模擬情況，為保證該產品的質量提供了較好的檢測過程。
六、小結
本文從高速銑削加工中心的刀柄系統、五座標高速銑削的刀具軌跡設計、數控編程後處理程序開發、高速銑削切削工藝參數的合理選擇、五座標高速銑削機床加工運動模擬等方面的關鍵技術及其應用進行了簡單介紹，希望對讀者有所借鑑作用。
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