高速切削在数控机床中的应用

2014-09-01刘宏洲鹿德台

新媒体研究 2014年11期

刘宏洲+鹿德台

摘要高速切削作为先进制造技术己开始在航空航天、汽车及模具工业中广泛应用，但在实际的加工中，由于研究性的实验较少，相关的实验参数也不健全，又缺乏长期的经验积累，对高速切削工艺的设计和切削机理的没有做深入的研究，在产品的加工中存在了一些问题，使高速切削的优越性不能充分发挥。本文以腔体零件为研究对象，利用高速铣削理论，对零件在高速加工状态下所需的切削参数、刀具材料以及相关的技术问题作了较深入的实验研究，这样对零件的生产环节进行优化工艺参数，降低生产成本有一定的实际意义。

关键词高速铣削；数控加工；后置处理

中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）11-0097-02

在机械制造领域中有许多永恒的发展主题，其中最关键的如何提高产品的加工质量和加工效率。人们也一直在这两个方面进行着不断的尝试和探索，以至于如何才能使这各两方面完美结合。高速切削技术是近年来日益引起关注的先进制造技术，其原因主要是高速切削在加工质量和加工效率两个方面实现了统一。当前我国普遍采用的机床，主轴转速一般在1500~20000 r/min转，少数单位引进的进口机床转速最高可达42000 r/min。显然，在高速研究领域，有人以刀具的线速度进行高速切削的研究和描述，有人以机床主轴的转速作为研究对象并提出高速切削的三种划分界限，第一个是准高速切削，机床主轴转速为8000~12000 r/min，第二个是高速切削，主轴转速为15000~50000 r/min，最后一个是超高速切削，转速大于50000 r/min。国内有些学者则认为，高速切削加工是一种比常规切削速度高得多的速度对零件进行加工的先进技术，它以高的加工速度、高的加工精度为主要特征[1]。高速切削比目前常规切削高出几倍乃至几十倍，许多常规切削的技术基础已不能适应超高速切削加工的要求。许多崭新的研究领域正在吸引着人们去开发、去探索。

本文以腔体零件作为研究对象，利用UG的CAD和CAM平台对其三维建模和加工，并且从中探索出对典型腔体零件的高速切削的加工方法，参数设定，减少数控加工过程中的人机交互，使数控编程所花的时间大大缩短，提高数控编程效率，缩短模具设计加工周期。同时，特别对于那些不熟悉加工操作的用户，可在短时间内，编制出符合加工工艺的加工程序，有利于他们了解UG的基本过程，更快地掌握UG的应用。

1数控加工工艺

高速切削的工艺与常规传统是有很大的不同的。高速切削要求从整体上考虑每一道工序的协调问题，要求能记录前一道工序（或称操作）加工后留下的材料余量，进而指导后续的操作加工。对零件进行高速加工，至关重要的是把粗加工、半精加工和精加工作为一个完整的加工系统的来考虑，避免把整个工序的分阶段加工，在此基础上所设计的加工工序和加工方案才是合理的，有可行性的方案，充分发挥高速切削的优势的同时，也提高了整个加工阶段的高效率和高质量。

1.1 零件的加工方法

平面铣和型腔铣是为精加工作准备的两种常用的粗加工方法，尤其适用于需大量切除毛坯余量的场合。它们通过逐层切削零件的方式，来创建加工刀具的路径，从而粗切出路径的型腔或型芯[2]。平面铣的主要目是可去除平面层中多余的毛坯余量。这种平面对平面边界不做要求。这种操作最常用于平面轮廓、平面区域和平面岛屿的粗、精加工。平面铣中要求被切削壁是竖直的，平面和刀具轴垂直。对于具有带拔模角的壁以及带轮廓的底面的这类部件，就需要型腔铣。每一个刀路除了深度不同外，形状随着型腔截面的变化而变化。

1.2 高速切削刀具材料的合理选择

高速切削对刀具材料提出了更高的要求，刀具材料的选用与加工方式，加工材料等切削参数都息息相关，在众多的刀具材料中，如果有一定的工件材料和一定的切削速度范围。每种材料都有其特定的加工范围，只有工件材料要选用与其合理匹配的刀具材料和适应的加工方式等切削条件，才能获得最佳的切削效果。在选择刀具材料时，应考虑刀具与加工对象的性能匹配问题，其中包括了力学性能匹配、物理性能匹配和和化学性能匹配。其中力学性能是指刀具与工件材料的强度、韧性和硬度等力学性能参数，刀具的硬度一定要高于材料的硬度，物理性能是指刀具与工件材料的熔点、弹性模量、导热系数、热膨胀系数、抗热冲击性能等物理性能。化学性能是指刀具与工件材料的化学亲合性、化学反应、扩散和溶解等化学性能，避免刀具的化学磨损。

1.3 对编程人员的要求

利用高速机床加工零件，对编程人员有了更高的要求，因为高速切削的加工参数涉及面比较广，相对比较复杂，对在软件的设置使用上是一个复杂的过程，首先要求操作者有普通机床的加工经验，这样对加工中常用的各种加工方法和参数能熟练掌握，其次要求操作者有独立数控编程的能力，能合理的选择加工中的各种刀具，量具以及加工余量、切削用量。能正确的设定加工的方法、路线和各种参数。最后生成刀轨以及NC代码的输出等。最后要求操作者有良好基础知识，掌握数控铣床、加工中心工作原理，和三轴，四轴甚至五轴机床的操作方法和各自的编程特点有明确的了解，能熟练应用软件建模。在整个产品的加工过程中，通常会有很多的人机交互界面，和不同的设置环境，要求的是操作者的综合素质。零件的加工虽然有难度，这只是延长了数控编程的时间，却缩短了加工时间。

2高速数控加工的加工分析

工件：如图1。

图1零件图

材料：铝合金。

尺寸：89 mm×63.5 mm×15 mm。

加工软件：UG6.0。

加工区域：沉槽、孔、凸台为加工区域。

简要工艺分析如下。

2.1 零件的最小半径和加工深度

1）最小半径为腔体倒圆角处2 mm。

2）加工最深处10 mm。

2.2 刀具和机床的选择

1）粗加工：平底端铣刀（带R角）直径=10 mm，R=2 mm。

2）半精加工：端铣刀（带R角）直径=6 mm，R=1 mm。

4）精加工各槽角：平底端铣刀（带R角）直径=4 mm，R=0.5 mm。

5）高速机床主轴转速要求能达到20000转/分钟。

2.3 加工方式

1）粗加工：型腔铣（CAVITY_MILLING）。

2）半精加工和精加工：面铣（FACE_MILLING）。

3数控加工过程[3]

3.1 粗加工阶段

粗加工阶段就是切除毛坯量比较大的阶段，以方便以后工序的顺利进行，粗加工对零件的表面质量和轮廓精度不做过多的要求。有利于提高零件的加工效率，由于毛坯材料的不规则性，使得刀具不能等量切削，从而提高了刀具的磨损。在粗加工阶段，由于切削量大，所以一定要保证机床的平稳性和安全性。避免切削速度的急剧变化。粗加工型腔铣参数和刀具轨迹设置如图2和图3。

图2型腔体参数设置

图3可视化刀轨

3.2 半精加工和精加工阶段

这两个阶段是零件成型的重要阶段，决定了零件是否符合设计要求，半精加工主要是把粗加工后的残留加工表面加工的更加平滑，在工件加工面上留下比较均匀的加工余量，为精加工的高速切削加工提供最佳的加工条件。如果某些零件的精度要求不高，在半精加工阶段就可以完成此道工序。如果零件加工精度要求高的话，经过此道工序，就可以尽可能的保证加工表面符合设计要求。精加工阶段刀具轨迹紧密均匀，加工状态平稳、没有剧烈的方向改变。是零件符合设计要求的主要阶段 [4]。

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3.3 后置处理程序及传输

UG后处理就是将UG文件中的刀具轨迹通过特定的处理器生成程序，然后传输到机床上。通常情况下，不能直接将软件生成的程序传输到机床上，因为不同的机床其控制原理和硬件结构各不相同，对程序的格式和指令代码的翻译和解释都有自己的特点。所以对软件中所生成的程序必须予以更改，以适应每种机床的控制原理和硬件结构，这种处理，在加工软件中叫做“后处理”，后处理的目的是使各种刀轨数据变成机床能够识别的刀轨数据，即NC代码的数控程序。

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打开软件在菜单栏机床通讯选项中进行DNC，然后在弹出的对话框中进行机床传输参数进行设置，注意这里的参数一定要和机床里的参数保持一致。设置好相应参数就可调出程序进行程序传输了，就可进行传输程序。

4加工实验方案比较与展望

通过以上的分析和计算，利用高速加工机床和普通机床不同设备进行加工，如表1比较其加工精度、表面质量和加工时间。

表1两种方法对照

加工工艺高速加工普通加工

机床转速 8000~15000 r/min 800~2000 r/min

进给率 1000~2500mm/min 50~200 mm/min

切削深度 0.1~0.6 mm 3~10 mm

刀具硬质合金高速钢

加工精度 IT6~IT8 IT8~IT11

表面粗糙度 0.8~1.6 0.6~3.2

加工时间 19 min 35 min

从表中我们可以看到，高速切削加工不但提高了零件的加工精度和表面质量，而且成倍提高了机床的生产效率，常规加工中难以解决的加工材料在这里可以得到解决。因此，高速切削加工技术受到了各国工业界高度重视。在国内，高速切削起步较晚，高速加工的基础研究从90年代才开展，研究的深度和广度都还不够。在工厂里，高速正在摸索前进，尚缺少经验。对于国内大多数车间来说，因为资金不足，在现有设备的基础上，提高切削速度，尽可能用到机床切削速度的额定值区域，来取得某些高速铣的利益，似乎更为现实和迫切。现在的问题不是要不要提高切削速度，而是如何提高切削速度，因为高速铣的效益是显而易见的。只有提高了切削速度，朝这个方向努力，高效率加工才有可能实现。

参考文献

[1]王细洋.现代制造技术[M].北京：国防工业出版社，2010：42.

[2]张瑞平.UG NX 6中文版标准教程[M].北京：清华大学出版社，2009：342-343.

[3]胡仁喜.Unigraphics NX 6.0 中文版标准实例教程[M].北京：机械工业出版社，2009.