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1、 高速铣削数控编程技术研究*殷保祖,周 欣(中国电子科技集团公司第十四研究所,江苏 南京 210013)摘 要:高速铣削数控编程技术是一项综合性的技术。它包涵了很多方面的综合因素。一个程序编的是否恰当,直接影响零件的加工时间和加工质量。采用适合高速加工的编程策略也至关重要,只有这样才能科学地编出最优、最实际的高速铣削数控加工程序,充分发挥高速铣削加工的特长。从而实现零件在高速铣削加工中优质、高产、低耗等功能。关键词:高速铣削;数控编程;加工方式;编程策略中图分类号:TG547;TP391.73 文献标识码:B 文章编号:1008-5300(2005)04-0054-05A Study on N
2、umericalControlProgra mmingTechnique forH igh SpeedMillingYI N Bao2zu,ZHOU Xin(The 14th Research Institute of CETC,Nanjing 210013,China)Abstract:The numerical control programming technique for high speed milling is a kind of co mprehensivetechnique.It includes a co mprehensive factor taking account
3、ofmany factors.Whether a progra m iswrittenproperly directly influences ti me spent and quality of device to be manufactured.Employing a good program2ming strategy suitable for high speed is very i mportan,t only so a scientific,excellen,t and practicalCNC pro2gram for high speedm illing can bewritt
4、en,and be realized in high speedmilling.Thus the high qualityofde2vice produced by high speed milling,high yield,and low po wer consumption are achieved.K ey words:high speedmilling;CNC progra m;manufactingmode;l programming strategy0 引 言高速切削技术是一门全新的技术,同以往的切削加工完全不同,它采用的是高转速和高进给的加工方式,它所涉及到的因素很多,如高速切削
5、机床系统、高速切削控制系统以及高速切削工艺系统等等。这里主要是针对高速切削工艺技术下的一个子项目高速铣削数控编程技术进行研究。高速铣削加工技术,具有许多优越的特点,如可以获得很光滑的表面质量,省去中间热处理,可以有效地对高硬度材料进行加工,特别是可以实现脆性材料和薄壁零件的加工等。同时简化了生产的工序,使绝大多数的工序都集中在高速加工中心上完成。高速加工技术广泛的应用,对编程技术的要求越来越高,价格昂贵的高速加工设备对数控加工程序提出更高要求的安全性、有效性。高速加工走刀速度是常规加工的 5 10倍或更高,任何编程过程的失误(如过切、干扰、碰撞等)都会造成非常严重的事故,而且由于高速运动无法靠
6、人工急停来预防,这需要 CAM系统必须具备全自动的(而不是半自动或人工的)防过切、防碰撞功能,确保 NC指令的绝对安全性。另外,要保证刀具路径的光滑平稳,来确保零件加工质量和机床主轴等部件的寿命,以及刀具在切削过程中载荷的均匀性。因此高速铣削数控编程技术是一项综合性的技术。它包含了很多方面的综合因素。一个程序编的是否恰当,直接影响零件的加工时间和加工质量。另外采用适合高速加工的编程策略也至关重要,只有这样才能科学的编出最优和最实际的高速铣削数控加工程序,充分发挥高速铣削加工的特长。从而实现零件在高速铣削加工中优质、高产和低耗。54 电 子 机 械 工 程Electro-M echanicalE
7、ngineering 2005年第 21卷第 4期2005.Vo.l 21 No.4*收稿日期:2004-05-311 高速铣削加工编程的原则高速铣削加工编程的原则主要与数控加工系统,加工材料,所用刀具等因素有关。在编制数控加工编程时,还应遵循以下原则:(1)由于高速加工中心有前视或预览功能,在刀具需要进行急速转弯时系统会提前进行预减速,在完成转弯后再提高运动速度。机床的这一功能主要是为了避免惯性冲击过大,从而导致惯性过切或损坏机床主轴而设置的。有些高速加工中心尽管没有这一功能也能较好地承受惯性冲击,但该情况对于机床的主轴也是不利的,会影响主轴等零件的寿命。在使用 CAM进行数控编程时,要尽一
8、切可能保证刀具运动轨迹的光滑与平稳。(2)尽可能减少程序块,提高程序处理速度,在曲面加工时,NURBS曲面插补法可显著减少程序块,提高曲面加工效率和质量。要求 CAM系统和 CNC系统都必须具有 NURBS曲面插补功能。(3)由于高速加工中,刀具的运动速度很高,而高速加工中采用的刀具通常又很小,这就要求在加工过程中保持固定的刀具载荷,避免刀具过载。因此尽可能减少速度的急剧变化,在程序段中可加入一些圆弧过渡段,尽可能减少铣削负荷的变化,加工余量尽量控制均匀。因为刀具载荷的均匀与否会直接影响刀具和机床主轴寿命等,在刀具载荷过大的情况下还会导致断刀。(4)在保证零件的加工精度和表面光洁度的同时,为充
9、分发挥刀具的切削性能并保证刀具合理的耐用度;充分发挥机床的性能(机床功率和主轴转速);高质、高效、高产、低成本;减少加工变形,数控程序作为最终结果,整个零件的切削参数和走刀路径已经体现在其中。2 高速铣削加工的加工方式刀具选择、切削用量以及选择合适的加工参数可以根据具体情况设置外,加工方法的选择就成为高速加工数控编程的关键。如何选择合适的加工方法来较为合理有效地进行高速加工的数控编程。2.1 粗精加工方式高速加工一般可分为:以去除余量为目的的粗加工、残留粗加工及以获取高质量的加工表面及细微结构为目的的半精加工、精加工、镜面加工等。在粗加工时,只要机床功率允许,尽可能地采用大直径的刀具,提高转速
10、,加大进给速度以提高切削效率;当然高速切削机床属于精密机床,尽可能的用于精加工;在精加工时,在主轴转速和进给速度两者相配合的情况下,把走刀轨迹加密,提高表面光洁度。高速加工的粗加工所应采取的工艺方案是:高切削速度、高进给率和小切削量的组合,尽可能地保持刀具负荷的稳定,减少任何切削方向的突然变化,从而减少切削速度的降低,并且尽量采取顺铣的加工方式,顺铣方式具有较高的刀具寿命和表面质量。增加了刀路运动的光滑性、平衡性,避免刀路突然转向、频繁地切入切出所造成的冲击。2.2 等高加工方式(1)分层等高加工,它是高速铣常用的一种加工方式,能控制切削载荷均匀性,在加工区域仅有一次进刀,在不抬刀的情况下生成
11、连续光滑的刀具路径,分层等高加工方式的特点是没有等高层之间的刀路移动,在操作中完成多个区域加工,能保持刀具与工件的持续接触,避免频繁抬刀、进刀对零件表面质量的影响及机械设备不必要的耗损。对薄壁深腔零件可采用此方式,如图 1所示。图 1 分层等高加工方式(2)等粗糙度等高加工,可谓独具特色的一种加工方式,一改单一等 Z 轴方式,智能识别、智能转换将大幅提高曲面加工质量,刀路的优化将大幅减少加工时间。(3)最佳等高加工,利用区域分析算法对陡峭和平坦区域分别处理,计算适合等高及适合使用类似 3D偏置的区域,并且同时可以使用螺旋方式在很少抬刀的情况下生成优化的刀具路径,得更好的表面质量。2.3 嵌入式
12、切削方式对于零件上很深型腔的粗加工,由于刀具使用了加长杆,若采用通常的高速铣削,也会因刀具变形而影响加工精度和质量。引用了类似于钻孔的刀具轨迹,在加工中心的 z方向上将型腔深处的材料切削掉。在实际加工大型注塑模具或冲压模具的过程中,嵌入式铣削被证明是一种行之有效的方式。2.4 后清根加工方式(1)自动清根。基于模型余量特征的多道往复自55第 4期殷保祖,等:高速铣削数控编程技术研究 动清根,利用区域分析算法对陡峭和平坦区域分别处理,并根据加工工艺自动在陡峭拐角采用等高的方式来生成刀具路径,平坦区域产生沿着的刀具路径,并且沿根方向全自动从外向内往复加工,确保余量均匀,保证刀具路径的自然光滑、平稳
13、、载荷均匀。(2)残余量清根加工。跟上一次加工比较,找出残余量边界。除单笔清根外,其余清根方式都可利用残余量清根,以保证好的表面质量。2.5 其他切削方式(1)基于切削体积。基于毛坯残留知识的加工使得系统能真正根据刀具当前的实际加工量-加工体积-进行载荷分析,而不是根据刀宽进行推测,增加了刀具载荷分析优化的科学性与准确性。(2)基于切削角度。根据毛坯状况进行速率调整优化,还可以根据刀具沿零件表面的运动角度进行优化:即切入材料的角度越大,速率越小;切出材料的角度越大,速率越大。(3)过载分层加工。载荷分析与优化技术还在余量过多的情况能自动进行等量切削处理,即对残留的过多毛坯自动分多层次进行加工。
14、3 高速铣削加工的编程策略3.1 采用光滑的进、退刀方式在高速铣削过程中,由于走刀速度比较快,进、退刀方式就显得尤为重要,它不仅影响零件的表面光洁度和加工质量,而且又保护了主轴和刀具,延长了刀具寿命。在加工轮廓时,有轮廓的法向进、退刀,轮廓的切向进、退刀和相邻轮廓的角分线进、退刀等。针对高速加工时应尽量采用轮廓的切向进、退刀方式以保证刀路轨迹的平滑。如图 2所示,在对曲面进行加工时,刀具可以是之字形或 Z 字形垂直进、退刀,曲面法向的进、退刀,曲面正向与反向的进、退刀和斜向或螺旋式进、退刀等。如图 3所示,切忌采用垂直进刀,否则会在工件表面留下比较明显的接刀痕,所以在实际加工中,最好采用切向进
15、刀或更好的螺旋式进刀,如图 4所示,这两种方式即提高了零件的加工精度,编程时可以选用,这些对程序的安全性提供了周全的保障。另外粗加工中,必须使用偏置加工策略,而不是使用传统的平行加工策略。在可能的情况下,都应从工件的中心开始向外加工,以尽量减少全刀宽切削。对许多形状来说,精加工最有效的策略是使用三维螺旋策略。使用这种策略可避免使用平行策略和偏置精加工策略中出现的频繁的方向改变,从而提高加工速度,减少刀具磨损。这个策略可以在很少抬刀的情况下生成连续光滑的刀具路径。对多层切削最好采用层间进退刀,减少进退刀的相对高度,在精加工时,避免在工件表面上进刀,最好在工件外部进刀。螺旋方式走刀还可以用于对孔的
16、加工,改变原来点、钻、扩、铰的加工步骤,即减少刀具的使用,一步到位,又提高了加工效率和加工质量。图 4 螺旋式进刀/退刀3.2 采用光滑的移刀方式这里所说的移刀方式主要指的是行切中的行间移刀,环切中的环间移刀,等高加工的层间移刀等。如在行切移刀时,刀具多是直接垂直于原来行切方向的法向移刀,致使刀具路径中存在尖角;在环切的情况下,环间移刀也是从原来轨迹的法向直接移刀,也使道路轨迹存在不平滑情况;在等高线加工中的层间移刀时,也存在移刀尖角;这些导致加工中心频繁的预览减速影响了加工的效率甚至使高速加工不成为高速加工。高速加工中,采用的切削用量都很小(侧向切削用量和深度切削用量很小),移刀运动量也会急
17、剧增加。因此必须要求刀路轨迹中的移刀平滑。3.2.1 行切光滑移刀(1)行切的移刀直接采用切圆弧连接。该种方法在行切切削用量(行间距)较大的情况下处理的很好,在行切切削用量(行间距)较小的情况下会由于圆弧半径过小而导致圆弧接近一点,即近似为行间的直接直线移刀,从而也导致机床预览减速,影响加工的效率,对加工中心也不利。(2)行切的移刀采用内侧或外侧圆弧过渡移刀。该种方法在一定程度上会解决在前面采用切圆弧移刀的不足。但是在使用非常小的刀子(0.6 mm直径的56电 子 机 械 工 程第 21卷球头刀)进行精加工时,由于刀路轨迹间距非常的小(侧向切削用量为 0.2mm),使得该方法也不够理想。这时可
18、以采用下面的移刀方式。3.2.2 环切的光滑移刀(1)环切的移刀采用环间的圆弧切出与切入连接。这种方法的弊端是在加工 3D复杂零件时,由于移刀轨迹直接在两个刀路轨迹之间进行生成圆弧,在间距较大的情况下,会产生过切。因此该方法一般多用于 2.5轴的加工,在加工中所有的加工都在一个平面内。(2)环切的移刀采用螺旋式移刀。该种移刀方法是一种保证载荷均匀最有效的方法之一,它只有一次进退刀,整条刀轨连续不断,切削路径的方向变化平缓,由于移刀在空间完成,避免了上面方法的弊端。如图 5所示。图 5 螺旋式移刀3.2.3 层间的空间移刀层间的空间移刀有螺旋式、斜线、圆弧进退刀方式。对于陡峭区域仍按等高线进行加
19、工,对于平缓区域而按零件的曲面进行走刀,使得十分复杂的零件在单一命令中就完成了整体的加工。在进行等高加工时,采用螺旋式等高线间的移刀,在层间及环向的侧向移动有空间螺旋式移刀以上的光滑连接方式使得在高速加工刀轨没有尖角和突然变向的存在,让刀具保持恒定的进给和转速,减轻了编程人员的负担,优化了加工工艺,让加工后的零件表面刀痕均匀,从而在高速加工后得到的工件整体都具有高质量的、极其光洁的加工表面。3.2.4 放射状走刀可以沿给定的角度增量进行对多张曲面的整体加工。3.2.5 笔式加工也是对曲面角部进行编程的一种方式。与清根不同的是,它只是让刀具像笔一样在曲面角部划一行或多行(纵向),迅速去掉角部过大
20、的余量,使下一步加工的刀具不会因为突然受力过大而有所损害。笔式加工尤其适合于大型覆盖件模具的加工。3.3 采用光滑的转弯走刀采用光滑的转弯走刀与进行光滑的移刀一样,防止拐角速度矢量方向的突然改变,使矢量方向在拐角处逐渐变化,对保证高速加工的平稳与效率同样重要。(1)圆弧转弯走刀。在内拐角直线相交的地方用圆弧相接,刀具半径应小于圆角半径,最好等圆角半径连接,使切削接触距离小于刀具周长的三分之一,避免刀具载荷的急剧变化和温度的升高。该种走刀方式并不是什么新的走拐角方式,一般 CAM系统都有提供。该方式较适合高速加工。如图 6所示。图 6 拐角处刀轨圆弧走刀(2)圆环转弯走刀。在外拐角的地方,采用圆
21、环式走刀,该种方法是较为高级的走拐角方式,就象驾驶高速跑车在高速公路上跑时,要想在不损失速率的情况下转弯和保证转弯更平稳,沿着立交环岛来转弯一样。这种方法在走锐角弯路时效果特别明显。如图 7所示。图 7 圆弧转弯走刀采用这几种方法走刀,在高速切削加工中,切入切出点和拐角处都不会有明显的接刀痕,从而提高了零件的加工质量和表面光洁度。3.4 采用螺旋式三轴连动如在轮廓加工中,可以使用螺旋式三轴连动的加工方法。使用该种方法进行轮廓加工时,刀具一边沿轮廓切削,一边在纵向进刀,这保证了刀具载荷的稳定,刀路轨迹也自然平滑。3.5 采用摆线式加工摆线式加工(如图 8)是利用刀具沿一滚动圆的运动来逐次对零件表
22、面进行高速、高效、小切量的切削。采用该种方法可以有效地进行零件上窄槽和轮廓的高速小切量切削,对刀具具有很好的保护作用。在进行零件的精加工时,在加工中心支持 Nurbs代码的情况下,应采用 Nurbs编程。这样产生的刀路轨迹的数据量不仅少,而且刀具运动也更光滑平稳高效。以前对57第 4期殷保祖,等:高速铣削数控编程技术研究 高速加工的要求是,必须保证使用比传统加工方法小的行距和下切步距,而最新切削刀具技术和 CAM技术的发展使得下切步距大小不再受到限制。采用摆线加工方式可在高速加工中采取大的下切步距。摆线加工还能减少全刀宽切削,并且其产生的刀具路径始终是光滑的、平稳的。图 8 摆线式加工摆线式割
23、槽切削深度 ap比较大,但切削宽度 ae小,同时采用圆弧切入切出即摆线式,这样减少切削量,提高走刀速度,充分利用刀具的有效切削刃;浅式割槽切削深度 ap比较小,但切削宽度 ae大,采用满刀切削,其切削原理和摆线式割槽是一样的,高转速,快走刀,少切削。这两种加工方式,在高速切削条件下都提高了单位时间内的切除率,大大提高了加工效率。节约了加工成本。3.6 利用 CAM 内在的优秀功能许多 CAM系统都有很多高级的加工能力,充分利用和挖掘这些能力加工可极大地改善加工的效果。粗切时使用具有层间二次粗加工优化的功能。在等高线粗切中,由于零件上存在斜面,在斜面上会留有台阶,导致残留余量不尽均匀。这样对后续
24、的加工不利,如刀具载荷不均匀。尽管系统具有载荷的分析与优化,但毕竟将影响加工的效率和质量。因此在进行粗切时,应选择具有优秀的层间二次粗加工 WCUT功能,在粗切时就得到了余量均匀的结果,为后续加工提供更有利的条件,也提高了加工的效率。在最后阶段对零件进行清根时,利用具有斜率分析的清根算法,对陡峭拐角和平坦拐角区别对待,即对陡峭拐角的清根使用等高线一层一层清根,对平坦区域采用沿轮廓清根,可以更好地保护刀具,获得更好的表面质量。在等高线(WCUT)精加工时,应使用螺旋式改变进刀位置的方式,以避免在固定位置留有进刀痕迹,保证加工结果的整体优良。在编程过程中,应利用有效的刀柄干涉检查的功能,确保刀具的
25、安全性。要选择具有毛坯残留知识加工的系统。这种系统的干涉检查更为合理,因为系统是把刀具信息与上次加工的残留毛坯进行校验。4 结 论随着高速铣削技术的不断发展,越来越多的单位已经在生产实践中开始应用该技术。高速铣削加工是一项综合技术的应用,编程是其中的一项关键性工作,也是一项创造性的工作。理想的产品来自于技术与经验的有效结合和在实践中不断探索的结果。对于开始采用高速加工技术的单位来说,要有一个适应、探索、总结和提高的过程。因此把高速铣削工艺技术研究结果运用到实践中,可取得很好的结果。参考文献:1 刘凯.高速铣的加工策略)C i matronE与高速铣 J.新技术新工艺,2002,(5):16-1
26、8.2 翟万略.高速加工及 POWERM I LL软件中的创新思想浅析 J.工具技术,2003,(3).3 张伯霖.高速切削技术及应用 M.北京:机械工业出版社,2002.4 王庆林.UG铣制造过程使用指导 M.北京:清华大学出版社,2002.作者简介:殷保祖(1975-),男,安徽安庆人,助理工程师,主要从事柔性制造、数控加工等方面的工作。(上接第 53页)上得到广泛应用。参考文献:1 铸造非铁合金/中国机械工程学会铸造分会.铸造手册M.第 3卷.北京:机械工业出版社,2001.2 钛合金、铜合金/5工程材料实用手册6编辑委员会.工程材料实用手册 M.第 4卷.北京:中国标准出版社,2001.3 铝合金/5工程材料实用手册6编辑委员会.工程材料实用手册 M.第 3卷.北京:中国标准出版社,2001.4 焊接方法及设备/中国机械工程学会焊接分会.焊接手册 M.第 1卷.北京:机械工业出版社,2001.作者简介:顾平(1964-),男,江苏启东人,高级工程师,主要从事电子设备工艺设计工作。58电 子 机 械 工 程第 21卷