高速、高精、高表面質量的表面輪廓銑削加工

    模具制造業以及航天工業的零件加工可以用現代化的高速切削(HSC)技術得到最優化。如果想到達高速切削技術的經濟性目的，只有使機床和數控系統可以應對高于常規切削方式的運動速度。
    機床運動速度不但要非�？�，加工形狀也必須準確，數控系統必須在編程輪廓加工路徑上精確控制加速和減速運動。為了應對加工時 間、表面質量和幾何精度間的矛盾，現代數控系統必須為銑床和加工工藝提供最優化的解決方案。而且最終用戶也可以通過簡單的參 數調整控制最終的銑削結果。CNC系統的路徑控制能力是特定精度和表面質量條件下影響加工時間的決定性因素。
1 模具制造業高速切削(HSC)技術對機床數控系統的要求
    HSC技術為高硬度材料和合金工具鋼加工 提供了許多全新選擇。在經典的電火花成形 加工技術之后，高速切削技術直接加工高硬 度材料越來越顯出其出眾的經濟性。HSC技 術的突出優勢之一是它在加工期間的溫度 分布情況和熱量排除能力。高速切削、高速 進給和小的切削深度使切屑可以將大量熱 量帶離工件。

圖1 自由形狀加工(雙曲面)

2 高速切削加工(HSC)要求和影響
    HSC加工進給速率大，這對加工曲面工件輪廓的加速度要求更高。它能突出體現機床的機電性能。如果進給驅動加速度增加，必然使機床結構承受更大加速力。也因此容易造成機床振動，惡化表面質量。這就要求數控系統在盡可能縮短加工時間和滿足精度要求條件下具有實現最佳表面加工質量的運動控制能力。數控系統必須為機床制造商和用戶提供最佳路徑控制方法。
    機床制造商需要數控系統可以最佳地控制機床特性。數控系統應為運動控制和進給驅動電機控制環提供的參數集具有合理的結構以易于使用。機床經常通過最終精加工零件測評其性能。必須執行每一項加工任務確保高動態響應不會造成機床振動。因此，數控系統必須與機床緊密配合以確保任何加工任務都具有高動態性能。
   機床用戶要求數控系統在滿足工件精度的前提下減小加工時間。達到要求的精度不需要耗時的測試，首件加工就必須能達到要求。這些要求必須定義在NC程序中，以確保批量生產的要求。而且，為使模具的加工時間在可接受范圍內，自由形狀表面經常采用往復路徑銑削。這樣，數控系統還必須能生成從相反方向加工輪廓元素的可重復刀具路徑。否則，將損害表面質量。
3 數據處理能力對工件表面質量的影響
    用金屬切削方法加工零件涉及大量中間步驟，通過這些步驟將CAD模型幾何形狀轉為刀具路徑，如圖2所示。
    CAD(計算機輔助設計)：工件輪廓通常用NURBS(非均勻有理B樣條)建模，NURBS技術可以用數學方法描述自由形狀表面;CAM(計算機輔助制造)：刀具路徑的計算在考慮一定銑削方式和刀具值補償情況下從CAD幾何模型逐點進行計算，因此預定弦高差(模型精度)決定兩點間距離;CNC(計算機數字控制)：零件程序被逐點轉為軸向運動和速度特性并考慮路徑公差要求，要獲得高表面質量，相鄰銑削路徑間的距離必須明顯小于定義的刀具路徑;機電系統：在固定時間內的軸向運動作為名義運動和實際運動，并將其通過機床幾何形狀轉為刀具和工件運動。進給軸的跟隨誤差、機床名義幾何形狀的偏差和發熱影響以及機床結構和電機的振動將影響工件精度。

    優化加工時間、表面質量和工件精度對CNC系統提出以下基本要求：有效監測輪廓公差;運動方向換向后，準確重復相鄰路徑;高動態運動不導致振動。
    對二維刀具運動，數據處理鏈能力對工件精度的影響可以用海德漢公司的KGM 182二維編碼器檢測。通過龍門銑床上的演示單元可以展示海德漢iTNC 530系統的運動控制特性。KGM是最終可實現輪廓精度的基礎檢查工具。
4 更快、更高精度和更準確輪廓- 用iTNC 530控制高速銑削
4.1有效控制輪廓公差
    自由形狀表面的NC程序通常用CAM系統生成，它由大量簡單線段組成。海德漢數控系統自動平滑處理過渡形狀，同時保持刀具在工件表面連續運動。這個檢測輪廓偏差的系統內部功能自動控制平滑處理過程。此功能(循環32)使用戶可以根據需要自定義輪廓偏差。機床制造商在機床數控系統中定義默認值(通常為0.01至0.02 mm)。此外，這個公差還影響編程圓弧上的運動路徑。
    在自由形狀表面上， CAD幾何形狀模型的偏差包括定義的輪廓公差值和CAM系統定義的弦高差。對工件的最終影響取決于機床整體特性和進給軸加加速調整值和加速度。
    圖3所示工件的角點顯示球頭銑刀的球心路徑(TCP = 刀具中心點)。如果沒有名義路徑的平滑處理，機床Y軸在過渡點處必然突然加速。其加加速將造成機床嚴重振動。而且，名義驅動的物理限制也不允許這種理論上無限的加加速產生。如果沒有有力的路徑控制措施，將不可避免地產生明顯成比例關系的輪廓偏差，具體情況取決于曲率和輪廓加工的速度變化。

圖3 球頭銑刀TCP刀具路徑

    iTNC 530的路徑控制功能可以平滑處理加加速并滿足要求的輪廓公差要求，包括輪廓加工速度劇烈變化時(圖4)。如果可以定義更大公差，就可以顯著縮短加工時間。在本例中，將輪廓加工公差從0.01 mm放寬到0.02 mm，加工時間縮短12 %。

圖4 局部放大圖，顯示TCP的輪廓監測名義路徑

4.2換向運動時相鄰路徑的高重復性
    圖5為一個局部工件和相應的TCP路徑線圖。相鄰路徑可以通過往復運動高效銑削(往復運動的多刀銑削)。各條路徑由長度很短的直線組成。CAM系統設置的弦高差為3 μm。

圖5 往復運動的工件輪廓和相應線條。圖中點代表程序數據點

    圖6為編程輪廓的刀具路徑偏差的局部放大圖。顯示的偏差為理想的線到圓的過渡情況，零件程序(圖5)的線條弦高差為3 μm。弦高差只影響曲線部分，與CNC系統設置的輪廓公差疊加。海德漢數控系統在往復多刀道銑削運動中實現了高重復性(圖6)。前進和后退運動路徑間輪廓偏差可以忽略不計，實現了高表面質量加工。

圖6 工件輪廓曲面部分的刀具路徑偏差(進給速率 = 10 m/min，公差 = 0.01 mm)

    圖7的工件照片顯示最優化運動控制的效果。用往復運動加工自由形狀表面(編程進給速率為10 m/min，精銑余量為0.1 mm)。圖7a的工件表面質量不合格。用iTNC 530系統的加工結果如圖7b所示，相鄰路徑重復性好。

圖7 換向運動的多刀銑削，相鄰切削路徑的重復性
7a：相鄰路徑偏差導致的表面質量下降
7b：iTNC 530系統銑削結果：前進和后退運動加工的表面一樣

4.3 高速運動期間有效避免振動
    HSC銑削技術要求的進給速率對機床數控系統是巨大挑戰。只有達到更高的輪廓加工平均速度才能縮短加工時間。但是，如果有小半徑路徑，就必須大大降低運動速度，以保證路徑偏差在允許的公差帶內。此外，加速和減速運動還能造成機床結構振動，損害工件表面質量。
    加加速和加速度的平滑運動控制是海德漢數控系統的突出特點。它能非常有效地抑制機床振動。根據需要，數控系統還可以自動降低編程進給速率使振動的危險性降到最低。有效預防機床振動使零件程序以更高的運動速度執行，因此能顯著縮短加工時間。
    圖8為二維輪廓的機床刀具實際路徑。如果加加速無平滑處理，加速運動階段機床產生振動(圖8a)。海德漢公司的iTNC 530系統的運動控制功能有效避免了嚴重振動(圖8b)。圖9的工件表面質量再一次清楚地顯示出海德漢公司數控系統運動控制功能的非凡作用。沿圖示圓弧運動需要在每一點處改變軸的加速度，造成機床振動(圖9a)。iTNC 530通過平滑處理加加速獲得了高質量表面，沒有振動影響(圖9b)。

圖8 實際位置用二維編碼器在圓角處測量和記錄，一個用名義位置值過濾器處理NC數據，另一個未用名義值過濾器(分別為8a和8b)。

圖9 機床振動對工件表面的影響：
9a：無加加速平滑處理，Z軸振動導致表面劃傷
9b：iTNC 530系統的運動控制功能有效避免了振動導致的表面質量問題

5 小結
    HSC銑削技術對模具制造業和航天工業的加工工藝具有決定性影響。HSC銑削技術要求的進給速率對機床數控系統是巨大挑戰。加工時間、輪廓表面精度和表面質量是相互矛盾的因素，海德漢公司的iTNC 530數控系統可以確保滿足優選的加工要求。也就是說刀具路徑符合預期，因此，可以防止機床振動，滿足高精度要求，同時縮短加工時間。
    此外，iTNC 530的相鄰銑削路徑重復性高，確保用戶實現高質量工件表面加工，用往復多刀銑削工藝縮短加工時間。iTNC 530奠定了數控、驅動和機床結構相互配合的全新標準。使用戶的批量零件生產從首件就能達到高質量加工效果