1 引言

　　數(shù)控加工技術(shù)是第二次世界大戰(zhàn)以后，為適應(yīng)復(fù)雜外形零件的加工而發(fā)展起來的一種自動(dòng)化加工技術(shù)，其研究起源于飛機(jī)制造業(yè)。1952年美國(guó)空軍與麻省理工學(xué)院(MIT)和帕森斯公司合作，發(fā)明了世界第一臺(tái)三座標(biāo)數(shù)控銑床，可控制銑刀進(jìn)行連續(xù)空問曲面的加工，揭開了數(shù)控加工技術(shù)的序幕。而且數(shù)控加工可有效地提高生產(chǎn)率，保證加工質(zhì)量、縮短加工周期、增加生產(chǎn)柔性、實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜精密零件的自動(dòng)化加工，易于在工廠和車間實(shí)行計(jì)算機(jī)管理。因此，它是現(xiàn)代制造業(yè)的核心和發(fā)展軍事工業(yè)的重要戰(zhàn)略技術(shù)，是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)化水平的重要標(biāo)志。

　　20世紀(jì)20年代德國(guó)人Saloman最早提出高速加工(Higll Speed Machining，簡(jiǎn)稱HSM)的概念，并于1931年申請(qǐng)了專利。50年代末及60年代初，美困和日本開始涉足此領(lǐng)域，在此期問德國(guó)已針對(duì)不同的高速切削加工過程及有效的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了許多基礎(chǔ)性研究工作。自從1979年美國(guó)空軍和洛克希德飛機(jī)公司研制了用于加工輕合金材料的高速銑削設(shè)備，開創(chuàng)了“整體制造法”快速切削大量金屆材料的方法后．高速切削加工技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用。美國(guó)、日本、德國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家對(duì)這項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)極為重視，進(jìn)行了大量研究，取得了積極成果。80年代初期，因飛機(jī)制造業(yè)為縮短加工時(shí)問以及對(duì)一些小型特殊零件的薄壁加工提出了快速銑削的要求，將HSM技術(shù)真正應(yīng)用于實(shí)踐。

2 高速加工

　　2.1 高速加工基本概念

　　高速加工是近年內(nèi)迅速崛起的先進(jìn)制造技術(shù)，合理而科學(xué)的應(yīng)用高速加工技術(shù)，已經(jīng)成為提高加工效率、提高加工質(zhì)量、縮短加工時(shí)間的重要途徑之一。目前掌握了先進(jìn)制造技術(shù)的工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，在模具制造、航空航天制造、精密零件加工等領(lǐng)域中已廣泛地應(yīng)用了高速加工技術(shù)。

　　2.2高速加工的特點(diǎn)

　　(1)提高生產(chǎn)率

　　隨著銑削速度和進(jìn)給速度的提高，可大幅度提高材料去除率。另外，高速銑削可以加工淬硬零件，復(fù)雜型面零件可以通過高速銑削一次裝夾完成從粗加工到精加工等全部工序，省略電加工和手工拋光等工序，縮短加工制造周期，提高生產(chǎn)率。如美國(guó)GM公司在其發(fā)動(dòng)機(jī)總成Powertrain工廠生產(chǎn)V88Northstar發(fā)動(dòng)機(jī)的敏捷制造生產(chǎn)線上，采用了57臺(tái)日本MAKINO(牧野)公司制造的J88型加工中心，

　　最高加工切削速度達(dá)1800m／rain，三倍于原來的剛性生產(chǎn)線切削速度，生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)問也相應(yīng)減少了6—9個(gè)月。

　　(2)提高加工精度和表面質(zhì)量

高速加工中心需要具備高剛性和高精度等性能，由于銑削深度較小，而進(jìn)給速度較快，高速加工時(shí)切削力低、工件熱變形減小，可以獲得高的加工精度和小的表面粗糙度。據(jù)英國(guó)Delcam公司實(shí)驗(yàn)加工工廠的報(bào)告。采用高速切削加工鋁合金件粗糙度可穩(wěn)定地達(dá)到Ra0.4～0.6，加工鋼件可達(dá)到Ra0.2～0.4。

　　(3)可使用直徑較小的刀具

　　高速加工的切削力較小、切削負(fù)荷較為平穩(wěn)，較高的主軸轉(zhuǎn)速適合使用小直徑的刀具，相對(duì)于傳統(tǒng)加工使用的大直徑刀具，可有效降低刀具費(fèi)用。例如GM公司在RFbll000S機(jī)床上高速銑削汽缸精密鑄造模具型腔，工件材料硬度為ttRC35的鋼材(X38CrAIoV51裔合金工具鋼)，加工最大轉(zhuǎn)速和最大進(jìn)給速度分別為30 000 rpm與5 000 mm／rain，采用的最小刀具半徑僅為2 mm。

　　(4)可加工薄壁零件和高強(qiáng)度、高硬度的脆性材料

　　高速加工時(shí)的銑削力小，切削力穩(wěn)定，可確保成功的加工出薄壁零件，采用高速銑削可加工出壁厚0.2mm、壁高20mm，甚至壁厚0.1mm、壁高15mm的薄壁零件。

　　另外由于加工工藝、刀具等技術(shù)的進(jìn)步，目前高速加工已可以加工硬度達(dá)HRC60的零件，可以實(shí)現(xiàn)熱處理后的再加工，簡(jiǎn)化了模具制造工藝。

　　(5)可實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)零件的加工

　　高速加工可加工飛機(jī)框架、構(gòu)架等大材料去除率>90％的零件，除了可以有效減輕零部件重量、保證零件材料整體性外，也可以減少裝配工序，減少零件數(shù)目，提高可靠性。如瑞士派士12(PC-12)客機(jī)飛機(jī)大梁，零件形狀復(fù)雜，采用Starragahaeckea公司制造的臥式五坐標(biāo)加工中心高速加工，其制造時(shí)問縮短為原有的75％，同時(shí)提高了零件精度和互換性。又如波音公司生產(chǎn)的F15戰(zhàn)斗機(jī)零件中，原本為需要約500個(gè)零件組裝而成的構(gòu)件，現(xiàn)僅用一塊整料采用高速加工技術(shù)即可完成。

　　(6)可替代其它電加工、磨削等加工工藝

　　由于高速加工可以實(shí)現(xiàn)對(duì)淬火后零件的切削，以及可獲得細(xì)膩的表面質(zhì)量和較高的加工精度，在模具型腔加工中可以取代電加工和磨削加工，減少或者取消拋光工序。如上述提及的GM公司采用高速銑削汽缸精密鑄造模具型腔一例中，高速銑削后的粗糙度低于Ra0.6，減少了80％的手工拋光時(shí)間。

　　(7)提高經(jīng)濟(jì)效益

　　由于上述的種種優(yōu)點(diǎn)，高速加工工藝提高了加工效率；改進(jìn)了加工質(zhì)量。筒化了加工工序，減少了額外機(jī)床和刀具的費(fèi)用，從而使綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。近年來出現(xiàn)的柔性生產(chǎn)線兀L(FlexibleTransfer Line)，可以比FMS減少30％的投資額。適用于大量制造的場(chǎng)合。目前我國(guó)的汽車工業(yè)已有諸如上海通用汽車公司等十幾條FTL投入使用，在加快制造節(jié)拍的同時(shí)降低了制造成本。

　　由于高速切削的特殊性和控制的復(fù)雜性，在高速切削條件下，傳統(tǒng)的NC程序已經(jīng)不能滿足要求。因此，必須認(rèn)真考慮加工過程中的每個(gè)細(xì)節(jié)，深入研究高速切削狀態(tài)下的數(shù)控編程，MasterCAM軟件具有很強(qiáng)大的CAM功能，可很好的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、難加工零件程序的自動(dòng)生成。

3 MasterCAM軟件

　3.1 MasterCAM系統(tǒng)介紹

　　MasterCAM是集CAD／CAM于一體的系統(tǒng)，側(cè)重于數(shù)控加工編程，廣泛應(yīng)用于模具設(shè)計(jì)、通用機(jī)械等領(lǐng)域，具有2—5坐標(biāo)數(shù)控銑削加工編程能力、線切割加工編程能力和車削加工編程能力。MasterCAM系統(tǒng)由CAD模組和CAM模組兩部分組成。(DCAD模組CAD模組具有完整的曲線功能?？稍O(shè)計(jì)、編輯復(fù)雜的二維、三維空問曲線，還能生成方程曲線，能進(jìn)行尺寸標(biāo)注和注釋；采用NURBS，PARAMETRICS等數(shù)學(xué)模型，具有多種生成曲面方法，能完成曲面修剪、曲面問變半徑倒圓角：倒角、曲面偏置、延伸等編輯功能；在實(shí)體造型方面，具有倒圓角、抽殼、布爾運(yùn)算、延伸、修剪等功能。CAD模組還具有可靠的數(shù)據(jù)交換功能?？赊D(zhuǎn)換的格式包括：.IGES，.DXF，.DWG,.ASCII等。

　　(2)CAM模組

　　CAM模組包括銑床2D加工系統(tǒng)：能完成外形銑削、型腔加工、實(shí)體加工、刀具路徑模擬、編輯等功能。銑床2．5D加工系統(tǒng)：刀具路徑可投影至斜面。圓錐面、球面及圓筒面，能進(jìn)行直紋曲面、掃描曲面、旋轉(zhuǎn)面的加工、單一曲面的粗、精加工及具有程序過濾(Filter)功能；銑床3D加工系統(tǒng)：能完成多重曲面的粗加工及精加工．等高線加工、環(huán)繞等距加工、平行式加工、放射狀加工、插拉刀方式加工、投影加工、沿面加工、淺平面及陡斜面加工，四坐標(biāo)、五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工等。-MasterCAM系統(tǒng)CAM工作流程圖如圖1所示。

圖1 CAM工作流程圖

4 應(yīng)用實(shí)例

　　利用MasterCAM9．0進(jìn)行薄壁零件加工程序的生成，零件如圖2所示，在MasterCAM9．0中進(jìn)行造型，模擬加工，生成程序。傳輸機(jī)床加工。

圖2加工零件囝圖

　　加工用MasterCAM9．0編程，幾何構(gòu)圖完成后采用外形銑削，粗加工后留出單邊加工余量0.5mm，工藝安排分為加工方臺(tái)、輪廓的粗加工及精加工三步。

　　加工中使用兩把刀具，其中Φ10mm普通高速鋼刀用于粗加工及半精加工，精加工使用平底Φ12mm高速硬質(zhì)合金銑刀。

　　1)使用MasterCAM9．0編程，加工出兩個(gè)80×80×20—mm的方臺(tái)，去除螺旋形狀和六邊形的多余余量，主軸轉(zhuǎn)速7 000 r／min，進(jìn)給速度3 000 mm/min。工件單側(cè)留有2 I瑚的余趕。　　2)精加工，

　　加工采用沿z向分層的加工策略，共分30層、每層0.5 mm，即逐層下降，依次按薄壁外僅4一層。內(nèi)側(cè)一層進(jìn)行銑削加工。主軸轉(zhuǎn)速為10 000 r／min，進(jìn)給速度2 000 mm／min，最終加工完畢工件薄壁厚度為0.1 mm。后處理生成加工程序進(jìn)行修改，后傳輸加工中心加工結(jié)果如圖5所示。

　　加工實(shí)例表明，利用MasterCAM可合理的安排加工工藝和工藝參數(shù)，包括粗精加工分開、合理裝夾、對(duì)稱切削、余量適當(dāng)、充分冷卻及逐層下切等，而這些條件是實(shí)現(xiàn)薄壁件高速加工的關(guān)鍵。

5 結(jié)語

　　高速加工多在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行，實(shí)施高速加工需要具備必要的硬件條件，如功能強(qiáng)大的CNC系統(tǒng)、高精度高速度的主軸系統(tǒng)；高剛性和精確平衡的刀具夾持；高性能的切削刀具等。但僅僅具備硬件條件還不夠，還必須有合適的軟件做支持。因而離不開CAD/CAM系統(tǒng)的支持。CAM系統(tǒng)的性能、NC編程策略、刀具軌跡規(guī)劃方法等對(duì)高速加工的效率與加工質(zhì)量有決定性的影響。高效、高質(zhì)量地實(shí)現(xiàn)高速加工，很有必要采用CAD／CAM軟件，MasterCAM在有關(guān)高速加工的設(shè)定中，提供了不同加工區(qū)域之間的不同連接方式選項(xiàng)，而且只需繪出二維線框圖即可編制數(shù)控程序，且刀具軌跡生成速度較快。因此在高速切削加工中應(yīng)用非常廣泛。