1 引言

　　20世紀(jì)30年代，德國科學(xué)家Salomon 通過對不同材料進(jìn)行切削試驗，發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象：隨著切削速度的增加，切削溫度隨之增加，單位切削力也隨之增加，而當(dāng)切削速度增加到一定臨界值時，如再增加，切削溫度和切削力反而急劇下降。由此，提出了高速加工的概念，所謂高速加工就是指切削速度高于臨界速度的切削加工。對不同的切削材料和不同的切削方式來說，高速切削定義的切削速度的范圍也不同，對于銑削鋁、鎂合金，切削速度大于1000MM/MIN可稱為高速加工，而對于加工鑄鐵或鋼，切削速度大于305/MIN就可以稱為高速加工了。

　　隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，高速加工的概念也在不斷變化，一般而言，高速銑削除了具有高的切削速度和主軸轉(zhuǎn)速外，還應(yīng)具有高的進(jìn)給速度。如一般精銑加工可達(dá)到5000～15000MM/MIN　快速進(jìn)給可達(dá)到20000～60000MM/MIN。與常規(guī)切削加工相比，高速加工有如下一些優(yōu)點，①由于采用高的切削速度和高的進(jìn)給速度，高速加工能在單位時間內(nèi)切除更多的金屬材料，因而切削效率高;②在高速加工的時候，可以采用較少的步距，達(dá)到提高零件表面質(zhì)量的目的，采用高速加工技術(shù)，可以使得零件表面達(dá)到磨削的效果;③由于高速加工時切削力大大降低、大部分切削熱被切屑帶走，因而工件的變形大大減少;④高的切削速度意味著高的主軸轉(zhuǎn)速，機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)激勵的振動頻率能大大高于工藝系統(tǒng)的固有頻率，因而使機(jī)床和工藝系統(tǒng)的振動小，工作平穩(wěn)，這也有利于提高被加工零件的精度和表量;⑤由于高速加工時，切削溫度較低，單位切削力較小，因而刀具的耐用度能得到提高。由于這些優(yōu)點，所以高速加工首先在航空航天制造領(lǐng)域得到應(yīng)用。高速加工給航空航天帶來的影響有：①傳統(tǒng)非常難以加工薄壁零件、柔性材料零件的加工，可以利用高速加工的切削力小、切削溫度低的優(yōu)點，利用高速加工技術(shù)進(jìn)行加工;②高速加工的切削力小、切削效率高，可以采用長徑比很大的刀具進(jìn)行加工，因而傳統(tǒng)的必須設(shè)計為組合件的一些零件可以設(shè)計為整體件了。如蜂窩零件、飛機(jī)的整體框梁等。由于當(dāng)時高速加工屬于尖端的加工技術(shù)，并且主要應(yīng)用于航空航天等國防制造領(lǐng)域，因而發(fā)達(dá)國家對高速加工機(jī)床的出口實行管制政策。隨著技術(shù)的進(jìn)步，高速加工數(shù)控技術(shù)不斷成熟，高速加工機(jī)床的成本也不斷下降，使得高速加工技術(shù)已具有向民用制造業(yè)轉(zhuǎn)移的可能性，高速加工技術(shù)在模具制造業(yè)有廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)高速加工數(shù)控技術(shù)的特點，高速加工技術(shù)應(yīng)用于模具制造業(yè)中主要有如下一些優(yōu)點：①減少加工工序，粗加工后，直接精加工，不需要半精加工;②表面質(zhì)量提高，減少或不需要打磨;③精度提高，減少試模工作量;④可以使用小刀具加工模具細(xì)節(jié)，減少電極制作和電加工工序;⑤可以在高精度、大進(jìn)給的方式完成淬火鋼的精加工，且達(dá)到很高的模具表面質(zhì)量，因而可以減少傳統(tǒng)加工因精加工后再淬火引起模具變形。速加工技術(shù)主要涉及機(jī)床、刀具、和高速加工數(shù)控編程3個方面。目前，高速加工機(jī)床和刀具技術(shù)已取得了相當(dāng)進(jìn)展，為高速加工技術(shù)得廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2 高速加工機(jī)床

　　實施高速加工數(shù)控技術(shù)，首先應(yīng)有高速加工機(jī)床。高速加工機(jī)床具有不同于傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的特點

　　(1)高速加工機(jī)床的主軸部件，要求采用耐高溫、高速、能承受大的負(fù)荷的軸承，同時主軸動平衡性能好，有良好的熱穩(wěn)定性，能夠傳遞足夠的力距和功率且能承受高的離心力。主軸的剛性好、有恒定的力矩。帶有檢測過熱裝置和冷卻裝置。

　　(2)高速加工機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)一般采用直線電機(jī)驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)高的進(jìn)給速度，達(dá)到大的加速度。

　　(3)高速加工機(jī)床采用高性能的數(shù)控系統(tǒng)，克服傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)算速度低和伺服滯后等缺陷，從而能實現(xiàn)高精密伺服控制、高速數(shù)控運(yùn)算和全公差控制功能。

　　(4)高速加工的機(jī)床結(jié)構(gòu)一般通過優(yōu)化設(shè)計采用較輕的移動部件，從而能獲得高的加速度特征。

　　(5)為了能獲得高的靜態(tài)和動態(tài)剛度，適應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)的需要，高速加工機(jī)床對刀具有嚴(yán)格的要求，尤其是對主軸于刀柄的聯(lián)結(jié)有特殊的要求，廣泛使用的HSK刀具一般使用110的小錐度，而不使用傳統(tǒng)的大錐度刀柄。

　　(6)高速加工具有數(shù)控代碼預(yù)覽功能，即高速加工機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)在進(jìn)行切削加工的過程中，其讀取的加工代碼可以有一定量的超前，以便于機(jī)床調(diào)整進(jìn)給速度以適應(yīng)刀具軌跡變化的需要。

3 面向高速加工的數(shù)控編程基本原則

　　高速加工對加工工藝走刀方式有著特殊的要求，高速加工的數(shù)控編程是一項非常復(fù)雜的技術(shù)，NC代碼的編程員必須了解高速加工的工藝過程，再編制數(shù)控加工程序時，將這些加工工藝考慮進(jìn)去，一般來說，在利用高速加工技術(shù)進(jìn)行模具加工時，應(yīng)注意如下一些原則：

　　(1)高速加工時，由于進(jìn)給速度和切削速度很高，應(yīng)當(dāng)避免刀具突然切入和切出工件，避免切削力的突然變化減少沖擊。因而，編程者應(yīng)當(dāng)能夠充分預(yù)見刀具是如何切入工件，如何切出工件，盡量采用平穩(wěn)的切入切出方式，下刀或行間、層間的過渡部分最好采用斜式下刀或圓弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料。

　　(2)在進(jìn)行高速加工時遇到加工方向改變時，機(jī)床為了保證加工的精度，避免過切，通過其預(yù)覽功能，在加工方向進(jìn)行改變時一般會自動進(jìn)行進(jìn)給速度的調(diào)整。但是，當(dāng)加工方向突然改變時，由于機(jī)床的加速度是有限制的，因而，有可能做不到及時的速度調(diào)整，造成過切或(欠切)，嚴(yán)重的將造成刀具斷裂。同時，不斷地調(diào)整進(jìn)給速度會嚴(yán)重降低生產(chǎn)效率。因而，編寫高速加工數(shù)控加工程序時，應(yīng)盡量避免加工方向的突然改變。行切的端點采用圓弧連接，避免直線連接、層間應(yīng)采用螺旋式連接，避免直線連接。

　　(3)要盡可能維持恒定切削負(fù)載，切削深度、進(jìn)給量和切削線速度一定要協(xié)調(diào)好。當(dāng)遇到某處切削深度有可能增加時，應(yīng)降低進(jìn)給速度，以保持恒定的負(fù)載。編寫高速加工的數(shù)控程序時，應(yīng)能充分考慮殘留余量的效應(yīng)，最好編程軟件有殘留余量的分析功能，做基于殘留余量的刀具軌跡計算。同時，要注意刀具的實際切削位置，避免切削線速度減低的現(xiàn)象發(fā)生，確實處于正常的高速加工切削速度范圍，應(yīng)盡量使用多坐標(biāo)編程，通過刀軸旋轉(zhuǎn)來維持恒定的切觸點位置，維持恒定的切削速度。

　　(4)刀具路徑越簡單越好，應(yīng)盡量采用圓弧、曲線等插補(bǔ)功能，傳統(tǒng)的加工模具時采用的密集點數(shù)據(jù)刀具路徑，不太適合于高速加工，一方面數(shù)據(jù)量太大，加重數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)，造成進(jìn)給速度要適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)的處理速度而減低。另一方面，密集的直線段之間，是CO連續(xù)的，因而數(shù)控系統(tǒng)要不斷地調(diào)整進(jìn)給速度，造成進(jìn)給速度升不上去，嚴(yán)重影響加工效率。

　　(5)在進(jìn)行高速加工編程時，無論從加工精度還是加工安全性考慮，都應(yīng)該進(jìn)行充分的干涉檢查和加工過程仿真。

　　(6)注意進(jìn)行多種加工方案的對比分析，選取最佳的切削方案。

4 高速加工對NCP系統(tǒng)的要求

　　為了能適應(yīng)高速加工數(shù)控編程的要求，針對高速加工的數(shù)控編程系統(tǒng)應(yīng)該滿足相應(yīng)的特殊要求。

　　(1)NCP系統(tǒng)應(yīng)該具有高的計算編程速度，在高速加工中，一般可采用非常小的進(jìn)給量和切削深度，因而計算量較傳統(tǒng)的數(shù)控編程大得多。同時，由于高速加工對工藝的嚴(yán)格要求一般需要不同方案的對比分析，這更加大了編程工作量，所以要求編程系統(tǒng)應(yīng)該具有高的編程計算速度。

　　(2)NCP系統(tǒng)應(yīng)該具有全程自動防過切能力和自動的干涉檢查能力。高速加工以高出傳統(tǒng)數(shù)控加工近10倍的切削速度和進(jìn)給速度，一旦發(fā)生過切或干涉，其后果將十分嚴(yán)重。傳統(tǒng)的模具數(shù)控加工編程系統(tǒng)一般采用面向曲面的局部加工，比較容易發(fā)生過切現(xiàn)象，一般都是靠人工選擇干預(yù)的方式來防止，很難保證過切防護(hù)的安全性。另外，高速加工在模具的加工制造中經(jīng)常用于模具細(xì)節(jié)部分的加工，以取代傳統(tǒng)的電極加工，這是，比較容易發(fā)生刀柄的干涉，這就要求NCP編程系統(tǒng)能自動檢查報告。

　　(3)適合高速加工的NCP系統(tǒng)，應(yīng)該能自動進(jìn)行進(jìn)給速率和切削速度的優(yōu)化處理，從而保證在高速加工時的最大的切削效率、最佳的切削條件和切削加工的安全性。

　　(4)高速加工編程系統(tǒng)應(yīng)有刀具軌跡的編輯優(yōu)化功能，避免多余的空刀和通過對刀具軌跡的鏡向、復(fù)制、移動、旋轉(zhuǎn)等操作避免重復(fù)計算，提高編程效率。

(5)高速加工編程系統(tǒng)應(yīng)該有NURBS曲線插補(bǔ)的編程功能，通過使用NURBS插補(bǔ)編程，減少程序長度。

　　(6)適合高速加工編程的系統(tǒng)應(yīng)該有符合高速加工工藝要求的加工策略。如豐富的行間、層間連接方法，豐富的進(jìn)刀和退刀方法，基于殘留余量的刀具軌跡計算方法。

　　(7)適合高速加工變編程系統(tǒng)，最好能引入工藝系統(tǒng)的參數(shù)、材料的最佳切削條件、機(jī)床的允許加速度等參數(shù)，能夠自動確定允許的加工方向變化的程度(即確定不同曲率半徑的圓弧段允許的進(jìn)給速度的變化程度)，軌跡上最小的曲率半徑與進(jìn)給速度的關(guān)系，能夠滿足高速加工對切削線速度的自動的調(diào)整。