名片盒型腔高速加工工艺策略

李有兵

摘要：本文从高速加工工艺策略的角度，着重对名片盒型腔加工应用过程的几个关键问题进行了阐述，主要包括刀具结构与材料、切削用量、刀具加工路径、编程等方面，并针对实际加工过程进行了介绍。

关键词：高速加工；工艺；策略

引言

二十世纪八十年代初由德国CarlJ.Salomon博士提出其理论，高速切削（High-speedcutting）技术在国际上迅速发展起来成为一项先进的机械加工技术。高速铣削技术在航空航天、汽车模具、机械机床领域中的应用日益广泛。高速加工作为一种仍在不断探索研究的新技术，给传统的金属切削理论带来了一种革命性的变化。然而，经验还是很少的，还有许多问题有待于解决：比如高速机床的动态、热态特性；刀具材料、几何角度和刀具寿命问题，机床与刀具间的接口技术（刀具的动平衡、扭矩传输）、冷却润滑液的选择、CAD/CAM的程序后置处理问题、高速加工时刀具轨迹的优化问题等等。

1.高速加工

高速加工技术是采用高的切削速度、高的进给速度、小的切深和小的步距来提高加工精度和加工效率的方法。它具有一系列的优点，主要表现为：①由于切削时间的减少，切削效率大大提高，其单位时间材料切除量可提高三至五倍；②切削力随切削速度的提高而下降，加工钢铁材料时，切削力可降低30%左右；③由于切削时产生的热量绝大部分被切屑带走，工件和刀具基本保持冷态，有利于薄壁件的加工；④由于机床结构的改善和高速切削激振频率的提高，使激振频率远离机床的固有频率，工艺系统振动小，有利于工件表面光洁度的提高。特别保证了复杂零件的加工稳定性，也克服了传统切削加工中由于振动引起的刀具磨损、破损问题。

目前，高速切削更多的应用于以下几个方面：①有色金属，如铝、铝合金，特别是铝的薄壁加工；②石墨加工。石墨电极广泛使用于电火花腐蚀加工的模具型腔制造，但石墨很脆，采用高速切削能较好地进行成形加工；③模具，特别是淬硬模具的加工。由于淬硬的材料可以直接从供应商处购买，因此采用高速切削可以直接将模具切出，这不仅省去了过去机加工电加工的几道工序，而且，由于高速切削可达到很高的表面质量（Ra<0.4μm），可以省去电加工后的磨削和抛光等工序；这样，使锻模和铸模仅经铣削就能完成加工已成为可能；④高硬度的、难切削的材料（如耐热不锈钢）的加工。

根据高速切削的理论，对不同的加工材料其临界速度是不同的，可见对“高速切削技术”中的“高速”的定义，应该是“因材而异”的（如表1所示）。高速切削的工艺策略是进行高速切削加工的关键,切削方法选择不当,会使刀具加剧磨损,完全达不到高速加工的目的。

2.高速加工工艺策略

2.1刀具结构与材料选择

高速切削刀具材料应具有良好的机械性能和热稳定性，即具有良好的抗冲击、耐磨损和抗热疲劳的特性。其采用的刀具材料主要是硬质合金,并且普遍采用刀具涂层技术。刀具材料种类较多。刀具的选择可参照表2。

2.2高速加工的切削用量选择

应用高速加工技术时，应根据工件材料及其毛坯状态和加工要求，选择刀具材料、刀具结构、几何参数以及切削用量等。选用正确的高速切削加工工艺参数，是高速切削加工应用技术的一个关键环节。高速加工的切削用量选择主要由切削效率、加工表面质量、刀具磨损和加工成本确定。铝合金具有极好的易切性，可采用很高的切削速度和进给速度进行加工。不同的材质可根据表一选择。

2.3粗加工、精加工的工艺策略

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。高速加工的粗加工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，粗加工（区域清除）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。因为在顺铣时，刀具刚切入工件产生的切屑厚度为最大，随后逐渐减小。在逆铣时，刀具刚切入工件产生的切屑厚度为最小，随后逐渐增厚，这样增加了刀具与工件的摩擦，在刀刃上产生大量热，所以在逆铣中产生的热量比在顺铣时多很多，径向力也大大增加。

2.4刀具加工路径策略

高速切削不仅提高了对机床、夹具、刀具和刀柄的要求,同时也要求改进刀具路径策略,因为若路径不合理，在切削过程中就会引起切削负荷的突变给零件、机床和刀具带来冲击。对保持切削过程的稳定性和加工质量有重要影响。因此，走刀路径方式的选择与优化是关键。高速加工编程软件提供了丰富的可供选择的刀具路径策略。有几十种之多。如等高线加工、环绕加工、平行加工、放射状加工、插拉刀方式加工、投影加工、沿面加工、浅平面、陡斜面加工、摆线走刀方式等。在实际使用时可根据加工工艺特点灵活地采用各种方式或混合方式。

高速加工要求很高的切削平稳性，尽量减少刀具轨迹的急速转向,避免刀具轨迹转弯处的尖角。如果存在这些尖角,在高速运行中机床由于惯性作用使得拐角处的实际运行轨迹变形，就会降低CNC的加工精度和切削效率，且有可能因为过切产生拉刀或在外拐角处咬边。为了解决此问题,编程时在刀具轨迹的转角处加圆角，这样，加工时CNC可以保持高的进给率，尽量减少机床的加减速，克服惯性变形，从而达到更好的表面效果，发挥CNC的高效加工性能，目前许多面向高速加工的CAM软件都有此功能。

清根加工或残余量加工是提高加工效率的重要手段，目前软件都能实现智能自动清根。高速加工的重要特征之一就是能够使用较小直径的刀具加工模具的细节结构。CAM系统能自动比较上次加工与零件模型，根据上一把刀自动计算出残留的余量，利用区域分析算法对陡峭和平坦区域分别处理，并根据加工工艺在陡峭拐角自动采用等高线的方式来生成刀具路径，平坦区域产生沿着工件型面的刀具路径，它可以通过从外向内慢慢逼近的方式逐渐切掉多余的材料，确保余量均匀，避免了空刀，保证刀具路径的自然光滑、平稳、载荷均匀。在实际使用时可根据加工工艺特点灵活地采用各种方式或混合方式。

2.5编程策略

高速加工编程要注重全程自动防过切处理能力及自动刀柄干涉检，高速加工以高出传统加工十几倍的切削速度加工，一旦发生过切,其后果不堪设想，故CAM系统必须具有全程自动防过切处理能力。传统的曲面CAM系统是局部加工的概念，极容易发生过切现象，一般都是靠人工选择干预的办法防止，但很难保证过切防护的安全性。目前优秀的CAM软件具有智能的毛坯残留余量分析能力，可以实现完整意义上的刀具载荷的分析与速率调整优化。这种优化是基于切削体积、切削角度的，即基于毛坯残留信息和刀具沿零件表面的运动角度，使得系统能真正根据刀具当前的实际加工余量、加工体积、刀具角度、速率大小进行载荷分析，使刀具载荷优化分析更加科学与准确。切削速率的优化是基于刀具尺寸、加工表面形状、工件材料、工序、机床特性、切削方式等方面进行优化，保证了动态刀具轨迹精度和加工表面质量,实现了高效的切削进给运动。

为了避免刀具的位置偏差，确保加工零件的几何精度，加工过程中应尽量保持恒定的金属去除率，由于高速切削加工适于浅的切深，故切削深度不应超过0.2/0.2mm。保持恒定的金属去除率，可以获得几方面好的效果：①可保持切削负载恒定；②可保持切屑尺寸恒定；③有较好的热转移；④刀具和工件均保持在较冷的状态；⑤不必熟练操作进给量和主轴转速；⑥可延长刀具的寿命；⑦能保证较好的加工质量等等。

在复杂型面的高速加工中，必须用曲线插补提高平均进给速度，如果采用直线段来逼近零件轮廓，每段NC代码定义的位移会较小，因而数控程序文件会变得很长，这样由于机床对大量数控数据处理速度和传输速度不够，会带来的一系列问题，如高速加工中心等待数据而使加工速度减慢或停顿，加工表面出现震纹，加工负荷不均匀导致崩刃等现象，这都会严重影响加工速度和质量。为了获得较高的精度,高速加工机床大都具有曲线插补的能力，如用圆弧曲线拟合技术或NURBS曲线拟合技术。这样，复杂曲线能够直接被输入到计算机数控系统而不必像传统方法那样采用直线段逼近复杂曲线。用这种方法实现型面的精加工可以采用更快的进给速度，因为一方面计算机数控系统的代码段处理速度提高了，另一方面计算机数控系统在整个零件加工过程中具有更加智能和动态调节编程进给速度的能力。一般来说用曲线段逼近零件轮廓时的数控程序长度不超过用直线段逼近零件时的NC代码长度的100%

3.名片盒型腔高速加工工艺策略

该零件加工图为名片盒型腔图，如图1所表示，其外形尺寸为230x210x30（mm），材质为国产718，成型部分轮廓相对简单，主要由平面、曲面及斜面三种形状构成，该零件加工的重点及难点是成型曲面部分，其加工基本流程是首先开粗加工在进行半精加工最后在进行精加工，以次保证加工表面质量。

该零件用UG进行编程，使用德国DMC64VIinear加工中心进行加工，数控系统为FANUC180i-MB，转速范围1-12,000rpm，其主要加工工艺过程如下：

3.1开粗加工

对刀后第一步先用UG型腔铣的加工方法去除薄片周围区域的材料，部件侧面余量留0.3mm，每刀恒定公共深度为0.3mm，刀具为圆鼻刀?25R0.8，粗加工刀具转速为4000r／min，进给速度为1200mm／min，加工完成之后再选用刀具为圆鼻刀?16R0.8进行二次开粗加工，其加工参数与设置不变。其加工效果如图2、3所示。

图5:平面加工图6:固定轮廓铣

4.结束语

高速切削技术是切削加工技术的主要发展方向之一,它会随着刀具材料、涂层、刀具结构、数控机床、CAD/CAM技术、新材料、新工艺等技术的重大进步而迈上更高的台阶。但我们也应看到，高速切削技术自身还存在着大量新的急待解决的问题，如材料的切削机理、刀具在加工过程中的磨损与破损、高速切削工艺参数数据库的建立、高速加工切削用量的优化、高速切削加工状态的监控技术、冷却润滑并具有环保特性的冷却方式等等，还需要进一步深入研究和经验积累。

参考文献

[1]艾兴.高速切削加工技术[Ｍ].北京.国防工业出版社.

[2]王成勇,周莉.模具高速加工的ＮＣ编程策略[J].制造技术与机床.

[3]刘凯.高速铣的加工策略[J].新技术新工艺.

作者简介

李有兵（1982—），男，讲师、硕士研究生，研究方向：机电工程设备及功能部件材料研发与制作。