高速加工数控编程的研究

安明浩 张月芹

加野麦克斯仪器（沈阳）有限公司 沈阳航空工业学院（ 沈阳 110000 ）

高速铣削一般采用高的铣削速度，适当的进给量，小的径向和轴向铣削深度。铣削时，大量的铣削热被切屑带走，因此，工件的表面温度较低。随着铣削速度的提高，铣削力略有下降，表面质量提高，加工生产率随之增加。但是随着主轴转速的提高，机床的结构、刀具结构、刀具装夹和机床特性都有本质上的改变。

正是由于高速切削的特殊性和控制的复杂性，在高速切削条件下，传统的NC程序已不能适应要求。因此，必须认真考虑加工过程中的每一个细节，深入研究高速切削状态下的数控编程。

1 高速切削对数控编程的具体要求

高速切削中的NC编程并不仅仅局限于切削速度、切削深度和进给量的不同。NC编程人员必须改变全部加工策略，以创建有效、精确、安全的刀具路径，从而得到预期的表面精度。高速切削对数控编程的具体要求如下。

(1)保持恒定的切削载荷

随着高速加工的进行，保持恒定的切削载荷非常重要。而保持恒定的切削载荷则必须注意以下几个方面：

①保持金属去除量的恒定。因此在高速切削过程中，分层切削要优于仿形加工。

②刀具要平滑地切入工件。在高速切削过程中，让刀具沿一定坡度或螺旋线方向切入工件要优于让刀具直接沿Z向直接插入。

③保证刀具轨迹的平滑过渡。刀具轨迹的平滑是保证切削负载恒定的重要条件。螺旋曲线走刀是高速切削加工中一种较为有效的走刀方式。

④在尖角处要有平滑的走刀轨迹。

(2)保证工件的高精度

为了保证工件的高精度，最重要的一点就是尽量减少刀具的切入次数。

(3)保证工件的优质表面

在高速切削过程中，过小的步进（进给量）会影响实际的进给速率，其往往会造成切削力的不稳定，产生切削振动。从而影响工件表面的完整性。在高速切削条件下，采用较大的进给量，则会产生较好的表面加工质量。

2 粗加工数控编程策略

粗加工在高速加工中所占的比例要比在传统加工中的多。在高速加工中，粗加工的作用就是要比传统加工为半精加工、精加工留有更均衡的余量。粗加工的结果直接决定了精加工过程的难易和工件的加工质量。因此，在高速粗加工过程中，要着重考虑以下几个方面：

(1)恒定的切削条件

为保持恒定的切削条件，一般主要采用顺铣切削方式进行粗加工。在高速切削过程中采用顺铣切削方式，可以产生较少的切削热，降低刀具的负载，降低甚至消除工件的加工硬化，以获得较好的表面质量等。

(2)恒定的金属去除率

在高速切削的粗加工过程中，保持恒定的金属去除率，可以获得以下的加工效果：①保持恒定的切削负载；②保持切屑尺寸的恒定；③较好的热转移；④刀具和工件均保持在较冷的状态；⑤没有必要去多次操作进给量和主轴转速；⑥延长刀具的寿命；⑦较好的加工质量等。

(3)走刀方式的选择

对于带有敞口型腔的区域，尽量从材料的外面走刀，以实时分析材料的切削状况。而对于没有型腔的封闭区域，采用螺旋进刀，在局部区域切入。

(4)尽量减少刀具的切入次数

由于之字形模式主要应用于传统加工，因此在高速加工中多选择回路或单一路径切削。这是因为在换向时NC机床必须立即停止（紧急降速）然后再执行下一步操作。由于机床的加速局限性，而容易造成时间的浪费。因此，选择单一路径切削模式来进行顺铣，尽可能地不中断切削过程和刀具路径，尽量减少刀具的切入切出次数，以获得相对稳定的切削过程。

(5)尽量减少刀具的急速换向

由于进给量和切削速度非常高，除了降低步距和切削深度以外，还要避免可能的加工方向的急剧改变。急速换向的地方要减慢速度，急停或急动则会破坏表面精度，且有可能因为过切而产生拉刀或在外拐角处咬边。通常，切削过程越简单越好。这是因为简单的切削过程可以允许最大的进给量，而不必因为方向的急剧改变而降低速度。从一种切削层等变率地降到另一层要好于直接跃迁，采用类似于圈状的路线，如图1所示，将每一条连续的刀具路径连接起来，可以尽可能地减小加速度的加减速突变。

(6)在Z方向切削连续的平面

粗加工所采用的方法，通常是在“Z”方向切削连续的平面。这种切削遵循了高速加工理论，采用了比常规切削更小的步距，从而降低每齿切削去除量。当采用这种粗加工方式时，根据所使用刀具的正常的圆角几何形状，利用CAM软件计算它的Z水平路径是很重要的。如果使用一把非平头刀具进行粗加工，则需要考虑加工余量的三维偏差。根据精加工余量的不同，三维偏差和二维偏差也不相同。图2所示为Z方向切削连续平面示意图。

图1 走刀轨迹示意图

图2 在Z方向切削连续的平面示意图

3 精加工数控编程

在高速切削的精加工过程中，保证精加工余量的恒定至关重要。为保证精加工余量的恒定，主要注意以下几个方面：

(1)笔式加工（清根）

笔式铣削的这种功能，在期望保持切屑去除率为常量的高速加工中是非常重要的。缺少了笔式切削，当精加工这些带有侧壁和腹板的部件时，刀具走到拐角处将会产生较大的金属去除率。采用笔式切削，拐角处的切削难度被降低，降低了让刀量和噪音的产生。该方法即可用于顺铣又可用于逆铣。由于笔式铣削能够清除拐角处的多余量，当去除量较大的时候，通常在精加工之前进行笔式铣削。

(2)余量加工（清根）

余量铣削类似于笔式铣削，但是其又可以应用于精加工操作。其采用的加工思想与笔式铣削相同，余量铣削能够发现并非同一把刀具加工出的三维工件所有的区域，并能采用一把较小的刀具加工所有的这些区域。余量铣削与笔式铣削的不同之处在于，余量铣削加工的是大尺寸铣刀加工之后的整个区域，而笔式铣削仅仅针对拐角处的加工。

(3)控制残余高度

在切削3D外形的时候，计算NC精加工步长的方法主要是根据残余高度，而不是使用等量步长。这种计算步长的算法以不同的形式被封装在不同的CAM软件包中。在HSM中采用对自定义的残余高度进行编程。可以根据NC精加工路径动态地改变加工步长，以帮助保持切屑去除率在一个常量水平。这有助于切削力保持恒定，从而将不期望的切削振动控制在最小值。

(4)其它精加工编程策略

①在高速铣削过程中，最好采用f（每刃进给量）=P（跨步）的铣削方式。

②退刀时采用进给速速率。

③应用边界识别功能。

④保证加工轨迹的一致性能够获得优质的加工表面。不配合的加工轨迹则使型面产生偏差，而保证加工轨迹的一致性时，型面的质量较高。

4 结束语

高速切削加工是机械制造业发展的必然趋势，加快其推广应用，将会创造巨大的经济效益。高速加工具有很多优点，但高速加工并不是简单地使用现有刀具路径，通过提高主轴转速和进给率就能实现的。如果使用了不适当的加工策略，轻则会导致刀具寿命的降低，重则可能导致更加可怕的结果。文章通过以上的论述，说明了采用合理的加工策略，可以实现高速加工的编程。

[1]艾兴.高速切削加工技术.北京：国防工业出版社,2004.

[2]艾兴.高速切削加工材料的进展和未来.制造技术和机床,2001.

[3]张伯霖.高速切削技术及应用.北京：机械工业出版社,2003.

[4]杨伟群.数控工艺培训教程.北京：机械工业出版社,2006.

[5]何平.数控加工中心操作与编程实训教程.北京：国防工业出版社,2006.