模具高速加工的NC編程策略

1、模具高速加工的NC編程策略    1 引言高速加工技術(shù)是采用高轉(zhuǎn)速、快進(jìn)給、小切深和小步距來提高切削加工效率的一種加工方式。它已在航空航天制造、汽車工業(yè)和模具制造、輕工產(chǎn)品制造等重要工業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)造出了驚人的效益。高速加工的成功實(shí)現(xiàn)取決于許多因素，包括高速主軸、CNC系統(tǒng)、專用刀具，以及特殊的加工工藝和加工控制方法等。在高速加工過程中，刀具的非正常破損是當(dāng)前高速加工所面臨的重要難題。加工余量不均勻極易引起刀具破損和過切，因此保持恒定的材料去除率很重要。然而，對于帶有底面、壁面、凹槽和斜面的復(fù)雜3D型面加工中，很難滿足這一要求。因?yàn)榧怃J的轉(zhuǎn)角或刀具方向的突然變

2、化等很容易導(dǎo)致刀具過切、破損甚至損壞主軸。此外，在高轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給速度的加工條件下，刀具極易損壞；同時(shí)高速加工機(jī)床所使用的許多刀具，在周邊或中心處都進(jìn)行了處理，以便高壓冷卻液或壓縮氣體將切屑從工件上吹走。這些處理在某種程度上削弱了刀具的強(qiáng)度，應(yīng)當(dāng)盡可能避免。為保證高速加工順利進(jìn)行，提高零件的加工質(zhì)量，延長刀具壽命，縮短加工時(shí)間，高速加工具有不同于普通數(shù)控加工的特殊工藝要求，如保持恒定的切削載荷、每齒進(jìn)給量應(yīng)盡可能保持恒定，并保持穩(wěn)定的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，使進(jìn)給速度損失降低到最小、避免走刀方向和加速度的突然變化、程序處理速度最佳化。這些要求在制定高速NC 編程策略時(shí)應(yīng)得到充分注意。國內(nèi)外一直注重對高速加工的

3、研究，在高速加工條件下的切削刀具、高速加工仿真、加工過程的精度保障、刀具監(jiān)控、自適應(yīng)控制等方面已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作。許多應(yīng)用軟件已經(jīng)不同程度提供了高速加工專用模塊。但對于如何優(yōu)化高速加工的Nc 編程策略，以消除加工過程中的刀具崩刃等刀具非正常破損，充分發(fā)揮高速加工機(jī)床的高效高精度性能等問題，尚需進(jìn)行深入的研究和探討。本文主要從優(yōu)化工藝過程，消除刀具非正常破損的角度出發(fā)，詳細(xì)闡述了金屬模具高速加工NC 編程的優(yōu)化策略：(1)走刀路徑的選擇與優(yōu)化；(2)合理選擇切削用量；(3)采用高速高精度的關(guān)鍵控制技術(shù)；(4)典型型面與難加工型面的加工策略。2 高速加工走刀路徑的選擇與優(yōu)化一條有效的刀具路徑

4、可以通過保持穩(wěn)定的切削載荷來保護(hù)刀具，并通過避免加工方向的突變來保持高的進(jìn)給速度，它將直接決定復(fù)雜型面高速加工的可能性、質(zhì)量與效率。2.1 高速加工刀具軌跡生成的基本原則及方法利用CAM系統(tǒng)進(jìn)行高速加工NC編程所生成的刀具路徑，不僅要滿足尺寸和輪廓的高精度要求，同時(shí)還要考慮加工工藝的加工細(xì)節(jié)，選擇適當(dāng)?shù)募庸げ呗院凸に噮?shù)來優(yōu)化各種刀具路徑，以改善切削條件，減少加工時(shí)間，減少刀具磨損，避免刀刃破損或刀柄折斷等。高速加工的刀具軌跡必須滿足無干涉、無碰撞、軌跡光滑、切削載荷平滑、滿足加工要求等條件；同時(shí)，保證零件的加工精度和表面粗糙度要求；縮短走刀路線，減少進(jìn)退刀時(shí)間和其它輔助時(shí)間；方便數(shù)值計(jì)算，減

5、少編程工作量；盡量減少程序段數(shù)。零件輪廓形狀對加工效率、加工質(zhì)量、編程計(jì)算復(fù)雜性和零件程序長度等有著重要影響。如何根據(jù)型面形狀、刀具形狀以及零件加工要求，合理選擇走刀路徑是一個(gè)十分復(fù)雜但又非常重要的問題。復(fù)雜型面加工可采用多種走刀路徑，如參數(shù)線型、截面線型、放射線型、環(huán)型等。參數(shù)線走刀的刀具軌跡規(guī)劃和刀位計(jì)算簡單，適合于參數(shù)線分布較均勻的情況。截面法對于曲面網(wǎng)格分布不太均勻以及由多個(gè)曲面形成的組合曲面的加工非常有效。環(huán)切法主要應(yīng)用于邊界受限制零件(如型腔類零件)的加工。在采用環(huán)切法加工螺旋槳槳葉等類型的零件時(shí)，由于工件剛度小，加工變形問題突出，因此采用從里到外的環(huán)切走刀時(shí)，刀具切削部位的四周可

6、受到毛坯剛性邊框的支持，有利于減小工件在加工過程中的變形。2.2 優(yōu)選走刀方式1. 進(jìn)、退刀 高速加工時(shí)，刀具切入工件的方式，不僅影響加工質(zhì)量，同時(shí)也直接關(guān)系到加工的安全。刀具高速切削工件時(shí)，工件將對刀具產(chǎn)生一定的作用力。此外，刀具以全切深和滿進(jìn)給速度切入工件將會縮短刀具壽命。通過較平緩地增加切削載荷，并保持連續(xù)的切削載荷，可以達(dá)到保護(hù)刀具的目的。確定刀具、進(jìn)退刀方式時(shí)，應(yīng)注意在切入工件時(shí)盡量采用沿輪廓的切向或斜向切入的方式緩慢切入工件(比如：直線式切入和螺旋式切入)，以保持刀具軌跡光順平滑。1.斜線和螺旋式切入方式適用于簡單型腔的粗加工。加工表面質(zhì)量和精度要求高的復(fù)雜型面時(shí)，采用沿曲面的切矢

7、量方向或螺旋式進(jìn)、退刀，這樣刀具將不會在工件表面的進(jìn)退刀處留下駐刀痕跡，從而獲得高的表面加工質(zhì)量。對于深腔件的加工，螺旋式切入是一種比較理想的進(jìn)刀方式，采用相同或不同半徑的螺旋路徑，自內(nèi)向外地逐步切除型腔材料，非常適合深腔件的高速加工。2.3. 移刀 高速加工中的移刀是指在高進(jìn)給速度時(shí)相鄰刀具路徑間有效過渡的連接方式。平行線掃描表面加工是精加工復(fù)雜型面的一種手段。但是這種方法容易在每條刀具路徑的末端造成進(jìn)給量的突然變化。進(jìn)給速度適中時(shí)，在掃描路徑之間采用簡單的環(huán)型刀具路徑可以適當(dāng)緩解拐角處進(jìn)給量的突然變化。但是，進(jìn)給速度較高時(shí)，這種簡單的環(huán)型運(yùn)動(dòng)仍然太突然。這種情況下，在掃描路徑間采用“高爾夫

8、球棒”式移刀則更為有效。4. 拐角加工 如何實(shí)現(xiàn)高效率的拐角加工，也是優(yōu)化刀具路徑的一個(gè)重要方面。加工工件的內(nèi)銳角時(shí)，刀具路徑可采用圓角或圓弧走刀，并相應(yīng)地減小進(jìn)給速度，這樣在加工拐角時(shí)可以得到光滑的刀具軌跡，并可保持連續(xù)的高進(jìn)給速度及加工過程的平穩(wěn)性。然后拐角的殘留余量可通過再加工工序去除。5. 重復(fù)加工 重復(fù)加工是對零件的殘留余量進(jìn)行針對性加工的加工方法。在高速加工中，重復(fù)加工主要應(yīng)用于二次粗加工以及筆式銑削和殘余銑削。采用二次粗加工時(shí)，先進(jìn)行初始粗加工，然后根據(jù)加工后的形狀計(jì)算二次粗加工的加工余量。在等高線粗加工中，由于零件上存在斜面，加工后會在斜面上留下臺階，從而導(dǎo)致殘留余量不均勻，并

9、引起刀具載荷不均勻。采用二次粗加工，可使用不同于初始粗加工的方法平行線法、螺旋線法等，來獲得均勻余量。這樣可以更有效地保持刀具進(jìn)行連續(xù)切削，減少空走刀，并提高精加工的加工效率。6.筆式銑削主要運(yùn)用于半精加工的清根操作，它通過找到前道工序大尺寸刀具加工后殘留部分的所有拐角和凹槽，自動(dòng)驅(qū)動(dòng)刀具與兩被加工曲面雙切，并沿其交線方向運(yùn)動(dòng)來加工這些拐角。筆式銑削允許使用半徑與3D拐角或凹槽相匹配的小尺寸刀具一次性完成所有的清根操作，可極大地減少退刀次數(shù)。此外，筆式銑削可以保持相對恒定的切屑去除率，這對于高速加工特別重要。精加工帶有壁面和底面的零件時(shí)，如果沒有筆式銑削，刀具到達(dá)拐角時(shí)，將要去除相當(dāng)多的材料。

10、采用筆式銑削時(shí)，拐角已被預(yù)先進(jìn)行清根處理，因此可減少精加工拐角時(shí)的刀具偏斜和噪聲。7.殘余銑削與筆式銑削極為相似。殘余銑削可以找到前道工序使用各種不同尺寸刀具所形成的3D型面，且只用一把尺寸較小刀具來加工這些表面。它與筆式銑削的不同之處在于它是對前道工序采用較大尺寸刀具加工后所殘留的整個(gè)表面進(jìn)行加工，而筆式銑削只對拐角進(jìn)行清根處理。8.9. 高效率切削法(HEM) 高效率切削法(HEM) 又稱“Fukui Climbing”切削法，是實(shí)現(xiàn)高材料去除率的一種新的高效率粗加工方法。HEM是通過“Fukui method cutting”(福井高側(cè)刃切削法)和“Climb up cutting”上爬

11、式切削法)得以實(shí)現(xiàn)的。福井切削法是日本福井雅彥教授提出的高軸向深度銑削法，通過將Z向切削深度調(diào)整為刀具直徑的12倍，可高效率地切削出垂直梯級式粗略工件外形。采用福井法加工后，再采用上爬式切削法，可以使加工表面的形狀和精度更加接近零件的最終加工要求。上爬式切削時(shí)，采用較細(xì)的梯級節(jié)距來去除剩余梯級面，刀具從底部開始，一層一層地向上切削，梯級節(jié)距調(diào)整范圍為0.53mm，加工表面較陡時(shí)，可采用較寬的梯級節(jié)距，加工表面較平時(shí)，可采用較細(xì)密的梯級節(jié)距。10. 余擺線式加工 余擺線加工是利用高速加工刀具側(cè)刃去除材料來提高粗加工速度的新技術(shù)。采用余擺線加工時(shí)，刀具始終沿著具有連續(xù)半徑的曲線運(yùn)動(dòng)，采用圓弧運(yùn)動(dòng)方

12、式逐次去除材料，對零件表面進(jìn)行高速小切深加工，有效地避免了刀具以全寬度切入工件生成刀具路徑。每環(huán)圓弧運(yùn)動(dòng)中，向前運(yùn)動(dòng)時(shí)刀具切削工件，向后運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行刀具冷卻，并允許自由去除材料。當(dāng)加工高硬度材料或采用較大切削用量時(shí)，刀具路徑中刀具向后運(yùn)動(dòng)的冷卻或自由去除材料圓弧段與向前運(yùn)動(dòng)的加工圓弧段相平衡，實(shí)現(xiàn)了刀具切削條件的優(yōu)化。此外，余擺線加工的刀具路徑全部由圓弧運(yùn)動(dòng)組成，走刀方向上沒有突然的變化，是有利于實(shí)現(xiàn)高速加工的粗、精加工的一種理想加工狀況。所以，擺線式加工特別適用于加工高硬度材料和高速加工的各種粗加工工序(比如腔體加工)，不僅能夠使機(jī)床在整個(gè)加工過程中保持連續(xù)的進(jìn)給速度，獲得高的材料去除率，并且

13、可延長刀具壽命。11. 插入式加工 插入式加工是使用特制插入式加工刀具進(jìn)行深型腔件加工的一種方法。它采用鉆削式刀具路徑沿加工中心的Z軸方向從深腔去除材料。該方法是粗加工深型腔件和用大直徑刀具加工相對較淺腔體的一種有效方法。3 選擇適應(yīng)高速加工的切削用量實(shí)現(xiàn)高速切削的關(guān)鍵是采用高的切削速度，并配合以高的進(jìn)給速度和小的切削深度，不僅可以提高加工效率，而且可使切削力減小，從而提高加工質(zhì)量，并延長刀具壽命。合理的切削用量對于刀具耐用度和工件加工質(zhì)量起著決定性作用。常規(guī)粗加工以及使用小尺寸刀具進(jìn)行模具粗加工時(shí)，適于采用小切深和高進(jìn)給速度。精加工時(shí)，快速精確的刀具運(yùn)動(dòng)有利于實(shí)現(xiàn)更高的表面加工質(zhì)量，每程序段

14、的刀具運(yùn)行軌跡越短，加工軌跡表面尖點(diǎn)高度越小，加工出的零件輪廓越精確。刀具路徑的基本參數(shù)選擇將影響精加工的表面質(zhì)量。精加工時(shí)，如果刀具切削載荷即每齒進(jìn)給量等于走刀步距增量，可獲得最佳的表面加工質(zhì)量；如果刀具切削載荷與走刀步距增量不相等，則加工的表面比較粗糙。針對不同的零件形狀特征型面如平面、坡面、曲面和圓面等，應(yīng)采用不同的進(jìn)給量。為獲得高精度的輪廓外形，要求進(jìn)給運(yùn)動(dòng)不能出現(xiàn)明顯的滯后現(xiàn)象，否則將會導(dǎo)致刀具過熱而破損。 4 采用高速高精度的高速加工關(guān)鍵控制技術(shù)采用高速高精度的關(guān)鍵控制技術(shù)，有利于保證高速加工的順利實(shí)現(xiàn)。這些關(guān)鍵控制技術(shù)有加工殘余分析、待加工軌跡監(jiān)控、自動(dòng)防過切保護(hù)、尖點(diǎn)控制、高精

15、度輪廓控制技術(shù)、NURBS插補(bǔ)、進(jìn)給速度優(yōu)化、刀具軌跡編輯優(yōu)化及裁剪修復(fù)、刀具軌跡驗(yàn)證等等。1. 加工殘余分析 加工殘余分析功能可以分析出每次切削后加工殘余的準(zhǔn)確位置，允許刀具路徑創(chuàng)建上道工序中工件材料沒有去除完全的區(qū)域。后續(xù)加工的刀具路徑可在前道工序刀具路徑的基礎(chǔ)上利用加工殘余分析進(jìn)行優(yōu)化得到。通過對工件輪廓的某些復(fù)雜部分進(jìn)行加工殘余分析，可盡量保持穩(wěn)定的切削參數(shù)，包括保持切削厚度、進(jìn)給量和切削線速度的一致性。當(dāng)遇到某處切削深度有可能增加時(shí)，能降低進(jìn)給速度，從而避免負(fù)載變化引起刀具偏斜，以及降低加工精度和表面質(zhì)量。因此，加工殘余分析可實(shí)現(xiàn)高速加工參數(shù)最佳化，使刀具走刀路徑適應(yīng)工件余量的變化，

16、減少加工時(shí)間，避免刀具破損及過切和殘留現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)刀具路徑的優(yōu)化。2. 待加工軌跡監(jiān)控(look-ahead) 待加工軌跡監(jiān)控功能(look-ahead)是用于監(jiān)控待加工刀具路徑中由于路徑曲率引起的進(jìn)給速度的不規(guī)則過渡，以及軸向加速度過大等不利于高速加工的各種加工條件的變化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)進(jìn)給速度的一種控制方法。CNC控制系統(tǒng)在進(jìn)行加工控制時(shí)通過掃描待加工程序段的數(shù)控代碼，預(yù)覽刀具路徑上是否有方向變化，并相應(yīng)地調(diào)節(jié)進(jìn)給速度。比如，在高進(jìn)給速度下，待加工軌跡監(jiān)控功能監(jiān)測到拐角時(shí)，將自動(dòng)減小進(jìn)給速度，以防止刀具過切或出現(xiàn)殘留現(xiàn)象。在待加工軌跡的平滑段，再將進(jìn)給速度迅速提高到最大。這樣通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)進(jìn)

17、給速度，可以優(yōu)化機(jī)床控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，并獲得高的加工精度和表面質(zhì)量。3. 尖點(diǎn)控制 高速加工控制器的待加工軌跡監(jiān)控(look-ahead)功能雖然可以預(yù)先了解待加工NC程序段的刀具軌跡，預(yù)覽刀具軌跡及其走刀方向是否有變化，即是否存在拐角，但對于3D零件上的每個(gè)具體的走刀步距和切削余量是無法預(yù)知的。1.加工復(fù)雜的3D型面時(shí)，可根據(jù)尖點(diǎn)高度來計(jì)算NC精加工刀具路徑的加工步距，而不是采用恒定的加工步距。采用尖點(diǎn)控制進(jìn)行高速加工即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的表面精加工，減少去毛刺或其它手工精加工工序，而且可以根據(jù)NC精加工路徑動(dòng)態(tài)調(diào)整走刀步距，使材料去除率保持恒定，刀具受力狀況更加穩(wěn)定，并使刀具所受到的外界沖擊載荷

18、降低到最小。2.3. 自動(dòng)防過切處理 高速加工時(shí)，前道工序遺留的加工余量將會導(dǎo)致刀具切削負(fù)載突然加大，甚至出現(xiàn)過切和刀具破損現(xiàn)象。過切對于工件的損壞是不可修復(fù)的，對于刀具的破壞也是災(zāi)難性的。通過自動(dòng)防過切處理功能，可以保護(hù)刀具的切削過程，實(shí)現(xiàn)高速加工的安全操作。4. 高精度輪廓控制 通常，在模具加工中，可采用CAM系統(tǒng)或者其他編程系統(tǒng)的方法，編寫子程序進(jìn)行輪廓加工操作。因而加工信息可能超過CNC中子程序的存儲容量，并且可能需要進(jìn)行多種DNC加工操作。在這種情況下，如果不能保持CNC 高速分配處理與DNC操作的子程序進(jìn)給速度之間的平衡，子程序?qū)⒉荒芗皶r(shí)進(jìn)行進(jìn)給操作，而且機(jī)床的平滑運(yùn)動(dòng)也可能得不到

19、保證。高速加工CNC系統(tǒng)可通過高精度輪廓控制進(jìn)行高速分配處理和自動(dòng)加速/減速處理。針對高于常規(guī)速度的轉(zhuǎn)速進(jìn)行處理和分配，可提高加工精度，縮短工作時(shí)間。5 典型型面及難加工型面的高速加工策略高速加工工藝技術(shù)是成功進(jìn)行高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。如果切削方法選擇不當(dāng)，將加劇刀具的磨損，甚至可能完全達(dá)不到高速加工的目的。根據(jù)零件輪廓的類型及其復(fù)雜程度來選擇合適的加工方法，有助于實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效的高速加工。5.1 典型型面銑削復(fù)雜二維輪廓時(shí)，無論是外輪廓或內(nèi)輪廓，要安排刀具從切向進(jìn)入輪廓進(jìn)行加工。當(dāng)輪廓加工完畢之后，刀具必須沿切線方向繼續(xù)運(yùn)動(dòng)一段距離后再退刀，這樣可以避免刀具在工件上的切入點(diǎn)和退出點(diǎn)留下接刀痕。銑削外圓可采用直線式切向進(jìn)、退刀。加工內(nèi)輪廓時(shí)，可采取圓弧式切向進(jìn)、退刀。加工直紋面類工件時(shí)，可采用側(cè)銑方式一刀成型。一般立體型面特別是較為平坦的大型表面，可以用大直徑端銑刀端面貼近表面進(jìn)行加工，這樣走刀次數(shù)少，殘余高度小。加工空間受到