王艷

【摘 要】隨著對(duì)工件的美觀度及功能要求得越來(lái)越高，現(xiàn)代工件生產(chǎn)中的外形設(shè)計(jì)也日趨復(fù)雜，自由曲面所占比例不斷增加，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)也設(shè)計(jì)得越來(lái)越復(fù)雜。這些都對(duì)工件加工技術(shù)提出了更高要求，不僅應(yīng)保證高的制造精度和表面質(zhì)量，而且要追求加工表面的美觀。本文從數(shù)控機(jī)床加工工藝、數(shù)控編程兩個(gè)方面講述數(shù)控機(jī)床在機(jī)械加工行業(yè)的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】加工工藝；數(shù)控編程

一、數(shù)控機(jī)床加工工藝

1.粗加工。高速加工中的粗加工所應(yīng)采取的工藝方案是高切削速度、高進(jìn)給率和小切削用量的組合。等高加工方式是眾多CAM軟件普遍采用的一種加工方式，應(yīng)用較多的是螺旋等高和等Z軸等高兩種方式，也就是在加工區(qū)域僅一次進(jìn)刀，在不抬刀的情況下生成連續(xù)光滑的刀具路徑，進(jìn)、退刀方式采用圓弧切入、切出。螺旋等高方式的特點(diǎn)是，沒(méi)有等高層之間的刀路移動(dòng)，可避免頻繁抬刀、進(jìn)刀對(duì)零件表面質(zhì)量的影響及機(jī)械設(shè)備不必要的耗損。對(duì)陡峭和平坦區(qū)域分別處理，計(jì)算適合等高及適合使用類似3D偏置的區(qū)域，并且可以使用螺旋方式，在很少抬刀的情況下生成優(yōu)化的刀具路徑，獲得更好的表面質(zhì)量。在高速加工中，一定要采取圓弧切入、切出連接方式，以及拐角處圓弧過(guò)渡，避免突然改變刀具進(jìn)給方向，禁止使用直接下刀的連接方式，避免將刀具埋入工件。加工模具型腔時(shí)，應(yīng)避免刀具垂直插入工件，而應(yīng)采用傾斜下刀方式（常用傾斜角為20°—30°），最好采用螺旋式下刀以降低刀具載荷。加工模具型芯時(shí)，應(yīng)盡量先從工件外部下刀然后水平切入工件。刀具切入、切出工件時(shí)應(yīng)盡可能采用傾斜式（或圓弧式）切入、切出，避免垂直切入、切出。采用攀爬式切削可降低切削熱，減小刀具受力和加工硬化程度，提高加工質(zhì)量。

2.半精加工。半精加工的主要目標(biāo)是使工件輪廓形狀平整，表面精加工余量均勻，這對(duì)于工具鋼模具尤為重要，因?yàn)樗鼘⒂绊懢庸r(shí)刀具切削層面積的變化及刀具載荷的變化，從而影響切削過(guò)程的穩(wěn)定性及精加工表面質(zhì)量。粗加工是基于體積模型，精加工則是基于面模型。以前開(kāi)發(fā)的CAD/CAM系統(tǒng)對(duì)零件的幾何描述是不連續(xù)的，由于沒(méi)有描述粗加工后、精加工前加工模型的中間信息，故粗加工表面的剩余加工余量分布及最大剩余加工余量均是未知的。因此應(yīng)對(duì)半精加工策略進(jìn)行優(yōu)化以保證半精加工后工件表面具有均勻的剩余加工余量。優(yōu)化過(guò)程包括：粗加工后輪廓的計(jì)算、最大剩余加工余量的計(jì)算、最大允許加工余量的確定、對(duì)剩余加工余量大于最大允許加工余量的型面分區(qū)（如凹槽、拐角等過(guò)渡半徑小于粗加工刀具半徑的區(qū)域）以及半精加工時(shí)刀心軌跡的計(jì)算等。

3.精加工。高速精加工策略取決于刀具與工件的接觸點(diǎn)，而刀具與工件的接觸點(diǎn)隨著加工表面的曲面斜率和刀具有效半徑的變化而變化。對(duì)于由多個(gè)曲面組合而成的復(fù)雜曲面加工，應(yīng)盡可能在一個(gè)工序中進(jìn)行連續(xù)加工，而不是對(duì)各個(gè)曲面分別進(jìn)行加工，以減少抬刀、下刀的次數(shù)。然而，由于加工中表面斜率的變化，如果只定義加工的側(cè)吃刀量（Step over），就可能造成在斜率不同的表面上實(shí)際步距不均勻，從而影響加工質(zhì)量。一般情況下，精加工曲面的曲率半徑應(yīng)大于刀具半徑的1.5倍，以避免進(jìn)給方向的突然轉(zhuǎn)變。在模具的高速精加工中，在每次切入、切出工件時(shí)，進(jìn)給方向的改變應(yīng)盡量采用圓弧或曲線轉(zhuǎn)接，避免采用直線轉(zhuǎn)接，以保持切削過(guò)程的平穩(wěn)性。

高速精加工策略包括三維偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。這些策略可保證切削過(guò)程光順、穩(wěn)定，確保能快速切除工件上的材料，得到高精度、光滑的切削表面。精加工的基本要求是要獲得很高的精度、光滑的零件表面質(zhì)量，輕松實(shí)現(xiàn)精細(xì)區(qū)域的加工，如小的圓角、溝槽等。對(duì)許多形狀來(lái)說(shuō)，精加工最有效的策略是使用三維螺旋策略。使用這種策略可避免使用平行策略和偏置精加工策略中會(huì)出現(xiàn)的頻繁的方向改變，從而提高加工速度，減少刀具磨損。這個(gè)策略可以在很少抬刀的情況下生成連續(xù)光滑的刀具路徑。這種加工技術(shù)綜合了螺旋加工和等高加工策略的優(yōu)點(diǎn)，刀具負(fù)荷更穩(wěn)定，提刀次數(shù)更少，可縮短加工時(shí)間，減小刀具損壞機(jī)率。它還可以改善加工表面質(zhì)量，最大限地減小精加工后手工打磨的需要。在許多場(chǎng)合需要將陡峭區(qū)域的等高精加工和平坦區(qū)域三維等距精加工方法結(jié)合起來(lái)使用。

二、數(shù)控機(jī)床編程

1.數(shù)控機(jī)床編程要求。高速銑削加工對(duì)數(shù)控編程系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，價(jià)格昂貴的高速加工設(shè)備對(duì)軟件提出了更高的安全性和有效性要求。高速切削有著比傳統(tǒng)切削特殊的工藝要求，除了要有高速切削機(jī)床和高速切削刀具外，具有合適的CAM編程軟件也是至關(guān)重要的。數(shù)控加工的數(shù)控指令包含了所有的工藝過(guò)程，一個(gè)優(yōu)秀的高速加工CAM編程系統(tǒng)應(yīng)具有很高的計(jì)算速度、較強(qiáng)的插補(bǔ)功能、全程自動(dòng)過(guò)切檢查及處理能力、自動(dòng)刀柄與夾具干涉檢查、進(jìn)給率優(yōu)化處理功能、待加工軌跡監(jiān)控功能、刀具軌跡編輯優(yōu)化功能和加工殘余分析功能等。高速切削編程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(wěn)，這會(huì)直接影響加工質(zhì)量和機(jī)床主軸等零件的壽命；最后要盡量使刀具載荷均勻，這會(huì)直接影響刀具的壽命。

2.CAM系統(tǒng)應(yīng)具有很高的計(jì)算編程速度。高速加工中采用非常小的進(jìn)給量與切深，其NC程序比對(duì)傳統(tǒng)數(shù)控加工程序要大得多，因而要求軟件計(jì)算速度要快，以節(jié)省刀具軌跡編輯和優(yōu)化編程的時(shí)間。

3.全程自動(dòng)防過(guò)切處理能力及自動(dòng)刀柄干涉檢查能力。高速加工以傳統(tǒng)加工近10倍的切削速度進(jìn)行加工，一旦發(fā)生過(guò)切對(duì)機(jī)床、產(chǎn)品和刀具將產(chǎn)生災(zāi)難性的后果，所以要求其CAM系統(tǒng)必須具有全程自動(dòng)防過(guò)切處理的能力及自動(dòng)刀柄與夾具干涉檢查、繞避功能。系統(tǒng)能夠自動(dòng)提示最短夾持刀具長(zhǎng)度，并自動(dòng)進(jìn)行刀具干涉檢查。

4.豐富的高速切削刀具軌跡策略。高速加工對(duì)加工工藝走刀方式比傳統(tǒng)方式有著特殊要求，為了能夠確保最大的切削效率，又保證在高速切削時(shí)加工的安全性，CAM系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)加工瞬時(shí)余量的大小自動(dòng)對(duì)進(jìn)給率進(jìn)行優(yōu)化處理，能自動(dòng)進(jìn)行刀具軌跡編輯優(yōu)化、加工殘余分析并對(duì)待加工軌跡監(jiān)控，以確保高速加工刀具受力狀態(tài)的平穩(wěn)性，提高刀具的使用壽命。采用高速加工設(shè)備之后，對(duì)編程人員的需求量將會(huì)增加，因高速加工工藝要求嚴(yán)格，過(guò)切保護(hù)更加重要，故需花多的時(shí)間對(duì)NC指令進(jìn)行仿真檢驗(yàn)。一般情況下，高速加工編程時(shí)間比一般加工編程時(shí)間要長(zhǎng)得多。為了保證高速加工設(shè)備足夠的使用率，需配置更多的CAM人員?，F(xiàn)有的CAM軟件都提供了相關(guān)功能的高速銑削刀具軌跡策略。

三、結(jié)論

數(shù)控高速切削技術(shù)是切削加工技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，目前主要應(yīng)用于汽車工業(yè)和精加工行業(yè)，尤其是在加工復(fù)雜曲面的領(lǐng)域、工件本身或刀具系統(tǒng)剛性要求較高的加工領(lǐng)域等，是多種先進(jìn)加工技術(shù)的集成，其高效、高質(zhì)量為人們所推崇。它不僅涉及到高速加工工藝，而且還包括高速加工機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、高速切削刀具及CAD/CAM技術(shù)等。高速加工技術(shù)目前已在發(fā)達(dá)國(guó)家的精加工制造業(yè)中普遍應(yīng)用，而在我國(guó)的應(yīng)用范圍及應(yīng)用水平仍有待提高，由于其具有傳統(tǒng)加工無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，仍將是今后加工技術(shù)必然的發(fā)展方向。

【參考文獻(xiàn)】

[1]《數(shù)控機(jī)床編程入門》，侯春霞主編，機(jī)械工業(yè)出版社.

[2]《金屬切削手冊(cè)》上海市金屬切削協(xié)會(huì)主編，上海科學(xué)技術(shù)出版社.

[3]《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)》，大連工學(xué)院戴曙主編，機(jī)械工業(yè)出版社.