五坐標高速銑削加工與編程的關鍵技術（一）

一、前言
    數控高速切削制造技術促進了機械冷加工制造業的飛速發展，革新了產品設計概念，如通過采用整體件加工取代零部件的分項制造裝配，提高了加工效率和產品質量，縮短了產品制造周期。高速切削加速了汽車、模具、航空、航天、光學、精密機械等產品的更新換代，加速了制造技術與裝備的升級，推動了企業技術進步。但目前國內存在相當一部分高速機床因各方面的原因并沒有達到理想的效果，如刀具配置跟不上而低速使用，高速電主軸因長期受重載荷或使用不當造成壽命低下，企業高速切削工藝參數庫及CAD\CAM高速編程軟件包造成高速切削應用不是很好，高速切削工藝流程與傳統的工藝流程沒有有機結合，沒有充分發揮高速切削加工變形小、加工效率高、定位裝夾少的優勢。
    高速銑削機床的特點，采用主軸運動結構實現載荷的平穩，減小工作臺由于運動的慣性，尤其是當工作臺承載較大時，工作臺本身和工件的運動載荷對高速切削極容易引起沖擊，機床結構的新穎性對高速切削有著重要的影響，傳統機床依靠工作臺移動實現機床的XY方向的移動不是很適合高速切削。高速機床有瑞士Mikron公司VCP710、美國Cincinnati公司HyperMach五軸加工中心、日本Mazak公司SMM－2500UHS、德國Roders公司RFM1000、意大利FIDIA公司KR214六坐標加工中心、FIDIA公司D218五坐標加工中心等。
    一般情況下，高速切削其切削速度比常規速度高出5～10倍，其材料的去除率是常規切削的3～5倍以上。對于鋁合金銑削可達到1100m/min以上，鑄鐵可到700m/min，鋼材可到380m/min以上，鉆削200～1200m/min，磨削150～360m/min。采用FIDIA KR214五坐標高速銑削加工中心機床及機床驗收標準試切產品。
二、高速銑削刀具刀柄
      由于高速切削時，主軸、刀柄及刀具在高速旋轉情況下，較小的偏心就會產生較大的離心力，由振動引起產品的質量、降低主軸和刀具的使用壽命。常規的刀具刀柄系統難以滿足高速切削時的切削剛度和精度要求�，F階段比較流行常用的高速刀柄系統主要有德國的HSK刀柄、美國KM刀柄、日本NC5刀柄。HSK刀柄及KM刀柄均為1:10的錐度，采用主軸錐孔和刀柄端面過定位的方式，實現刀具的定位夾緊，其重復定位精度在傳統7:24的錐度刀柄±2.5μm提高到±1μm，采用這種刀柄系統可以提高主軸剛度、由于其契形效果好，能提高刀具的抗扭能力，且轉速越高其鎖緊力越大。但這種刀柄價格較貴，一般為常規刀柄的1.5～2倍，其最低轉速小于KM刀柄。一般情況下，高速銑削時，刀具刀柄的不平衡力小于切削力時，不影響刀具的使用壽命和切削效率。
      根據高速切削的動平衡規定，主軸轉速至少要達到8000 r/min以上。其進給速度至少大于20m/min。50柄轉速達到10000～20000 r/min，40柄以及HSK刀柄20000～40000 r/min，KM刀柄達到35000 r/min以上。由于高速銑削動平衡的要求，在配置高速銑削刀柄刀具時優先配置經過動平衡測試的刀具系統，其次用戶可以自行采用動平衡機及調整系統進行動平衡調節，但其使用非常麻煩。美國Kennametal公司推出了一種通過調節主軸系統的自動平衡刀柄系統TABS刀柄，但目前應用還不廣泛。為有效發揮高速切削的加工效率，在配置高速刀具夾持刀柄系統時顯得非常重要，傳統的彈簧夾頭、螺釘連接刀柄已不能滿足高速銑削夾持精度高、結構對稱性好、傳遞扭矩大等要求，以下為作者總結的高速刀具及刀柄配置經驗。
     第一、優先配置熱脹式刀柄通過熱脹式加熱儀裝置進行加熱，通過熱脹冷縮的原理對刀具進行夾緊，其回轉精度、結構對稱性、動平衡性能均較液壓式刀柄好，在歐洲應用非常廣泛，尤其適合模具等行業產品的高速切削加工，該刀柄可達到40000r/min。其中熱脹式裝刀裝置以德國Thermal Grip為典型代表。
     其次、液壓式刀柄是高精度、高性能的刀柄夾持柄，其回轉精度、結構對稱性和動平衡性能均較好，減振性好，可有效提高切削效率和刀具的使用壽命，液壓式刀柄以德國雄克公司的為典型代表，經過動平衡后轉速可達到25000r/min。
     第三、整體式刀柄，如日本Nikken公司刀柄、奧地利盤石的整體鋁合金銑削刀柄，其結構主要是刀體和刀柄為一體，在經過動平衡測試調整后，再安裝銑削刀片進行動平衡調節來滿足高速銑削加工的需要，整體式刀柄尤其適合模具的高速粗加工和鋁合金高速銑削。其轉速一般可以達到10000～30000r/min之間。
   最后、高速銑削應用精密彈簧夾頭刀柄和側固式刀柄時，其轉速由于本身結構的限制，一般難以達到20000 r/min，精密彈簧夾頭刀柄一般可達到12000～15000 r/min，而側固式刀柄則難以達到10000 r/min，在高速機床上盡量少用。
2.高速銑削刀具
      由于高速銑削對刀具刀柄要求較高，在購置高速刀具時盡量購置經過動平衡測試的刀具，常用的硬質合金、涂層硬質合金、金屬陶瓷、立方氮化硼（PCBN），聚晶金剛石（PCD）在經過長時間磨損后，可應用于普通數控機床進行加工。另外一個方面由于高速切削的安全性，在進行工件加工時一定要注意加工防護，如40mm直徑刀具，主軸轉速達到30000r/min,其射出的速度可達到63m/s的速度，接近于230km/h的汽車速度，切削過程中如出現斷刀摔出，勢必有較大的沖擊動量。同時對沒有把握的刀具刀柄一定要經過高速動平衡儀測試出真實數據，方可進行產品加工。此外由于高速運轉時，刀具的長度在高速環境下其刀具直徑和長度與靜態條件下有所差別，采用激光機內對刀儀可有效解決數控編程的刀具工藝參數的確定，因此在購置高速銑削機床時，配置激光機內對刀儀是不應少的選項，尤其在進行高精度產品的銑削加工時更能體現其優勢。
    高速切削鋼材時，刀具材料應選用熱硬性和疲勞強度高的P類硬質合金、涂層硬質合金、立方氮化硼(CBN)與CBN復合刀具材料(WBN)等。切削鑄鐵，應選用細晶粒的K類硬質合金進行粗加工，選用復合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼(PCNB)復合刀具進行精加工。精密加工有色金屬或非金屬材料時，應選用聚晶金剛石PCD或CVD金剛石涂層刀具。高速銑削時應針對相應的材料選擇合適的刀柄和刀具材料，鋁合金高速銑削時可優先選用采用鑲刀片的整體刀柄。
三、五坐標高速銑削刀具軌跡設計
      高速切削有著比傳統切削特殊的工藝要求，除了高速切削機床和高速切削刀具，具有合適的CAM編程軟件也是至關重要的。一個優秀的高速加工CAM編程系統應具有很高的計算速度、較強的插補功能、全程自動過切檢查及處理能力、自動刀柄與夾具干涉檢查、進給率優化處理功能、刀具軌跡編輯優化功能、加工殘余分析功能等。數控編程時應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，這會直接影響加工質量和機床主軸等零件的壽命；最后要盡量使刀具載荷均勻，這會直接影響刀具的壽命。國內外比較成熟適用于高速加工編程的有美國EDS公司UnigraphicsNX、英國DelCAM公司的PowerMill、以色列的Cimatron軟件。
1.五軸刀具軌跡設計的關鍵點
       在進行刀具軌跡設計之前，CAD三維模型的系統精度盡可能設置高一些，尤其是在不同的CAD系統之間進行模型轉換時，優先采用CATIA(*.model)格式、Parasolid（*.x_t）格式進行數據轉換，其次采用IGES格式進行數據轉換，當使用IGES格式時，系統精度一般不應低于0.01mm，尤其在進行五軸高速切削精密零件時模型的精度、刀具插補精度對刀具軌跡的輸出有著重要影響。
    空間曲面軸加工涉及的內容比較多，尤其是五軸加工時更明顯。進行五軸加工時涉及加工導動曲面、干涉面、軌跡限制區域、進退刀及刀軸矢量控制等關鍵技術。四軸五軸加工的基礎是理解刀具軸的矢量變化。四軸五軸加工的關鍵技術之一是刀具軸的矢量（刀具軸的軸線矢量）在空間是如何發生變化的，而刀具軸的矢量變化是通過擺動工作臺或主軸的擺動來實現的。對于矢量不發生變化的固定軸銑削場合，一般用三軸銑削即可加工出產品，五軸加工關鍵就是通過控制刀具軸矢量在空間位置的不斷變化或使刀具軸的矢量與機床原始坐標系構成空間某個角度，利用銑刀的側刃或底刃切削加工來完成。
①Line :刀具軸的矢量方向平行于空間的某條直線形成的固定角度方式；
②Pattern Surface:曲面法向式為刀具軸的矢量時刻指向曲面的法線方向；
③From point：點位控制刀具軸的矢量遠離空間某點；To point：刀具軸的矢量指向空間某點；
④Swarf Driver：刀具軸的矢量沿著空間曲面（曲面具有直紋性）的直紋方向發生變化；
⑤刀具軸矢量連續插補控制。從上述刀具軸的矢量控制方式來看，五軸數控銑削加工的切削方式可以根據實際產品的加工來進行合理的刀具軌跡設計規劃。 
    UGII/Contour Milling三軸高速等高分層粗銑削時，刀具軌跡之間的圓弧過渡。高速銑削加工的支持：系統提供的等高分層加工應用于高速銑削場合，在轉角處以圓角的形式過渡，避免90度急轉（高速場合對導軌和電機容易損壞），同時采用螺旋進退刀，系統還提供環繞等多種方式支持高速加工刀具軌跡的生成策略。UGII/Variable Axis Milling可變軸銑削模塊支持定軸和多軸銑削功能，可加工UGII造型模塊中生成的任何幾何體，并保持主模型相關性。該模塊提供多年工程使用驗證的3~5軸銑削功能，提供刀軸控制、走刀方式選擇和刀具路徑生成功能。刀具軸矢量控制方式、加工策略。
      UGII/Sequential Milling順序銑模塊可實現控制刀具路徑生成過程中的每一步驟的情況、支持2~5軸的銑削編程、和UGII主模型完全相關，以自動化的方式，獲得類似APT直接編程一樣的絕對控制、允許用戶交互式地一段一段地生成刀具路徑，并保持對過程中每一步的控制、提供的循環功能使用戶可以僅定義某個曲面上最內和最外的刀具路徑，由該模塊自動生成中間的步驟、該模塊是UGII數控加工模塊中如自動清根等功能一樣的UGII特有模塊，適合于高難度的數控程序編制。