表2 常用高速刀具材料切削適應性 在加工鑄鐵和合金鋼的切削刀具中，硬質合金是最常用的刀具材料。硬質合金刀具耐磨性好，但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。為提高硬度和表面光潔度，硬質合金刀具採用硬的塗層材料進行塗層，如氮化鈦、氮化鈦鋁和碳氮化鈦等。直徑在10～40mm範圍內，且有碳氮化鈦塗層的硬質合金刀片能夠加工洛氏硬度小於42的材料；而氮化鈦鋁塗層的刀具能夠加工洛氏硬度為42甚至更高的材料。可根據使用要求，選用不同的刀具材料和塗層材料。表3給出了硬質合金刀具加工鋁合金材料的切削參數。 應用於高速切削的刀具和塗層材料可分為：加工鑄鐵的立方氮化硼和氮化硅刀具，加工洛氏硬度達42的合金鋼的氮化鈦和碳氮化鈦塗層的合金刀具，加工洛氏硬度為42甚至更高的合金鋼的氮化鈦鋁和鋁氮化鈦塗層合金刀具等。經過實踐驗證，在複合材料的銑削加工過程中由於切屑呈現粉末狀，因此要求切削刃比較鋒利耐磨，採用金剛石材料的刀具其效率和精度比普通硬質合金要好。鈦合金的切削採用塗層硬質合金和YG8的普通硬質合金比較理想。 表3 硬質合金鋁合金的高速切削參數 4.高速切削數控編程 高速銑削加工對數控編程系統的要求越來越高，價格昂貴的高速加工設備對軟體提出了更高的安全性和有效性要求。高速切削有著比傳統切削特殊的工藝要求，除了要有高速切削機床和高速切削刀具外，具有合適的CAM編程軟體也是至關重要的。數控加工的數控指令包含了所有的工藝過程，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、待加工軌跡監控功能、刀具軌跡編輯優化功能和加工殘餘分析功能等。高速切削編程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；最後，要盡量使刀具載荷均勻，這會直接影響刀具的壽命。 (1)CAM系統應具有很高的計算編程速度 高速加工中採用非常小的切給量與切深，故高速加工的NC程序比對傳統數控加工程序要大得多，因而要求計算速度要快，要方便節約刀具軌跡編輯，優化編程的時間。 (2)全程自動防過切處理能力及自動刀柄干涉檢查能力 高速加工以傳統加工近10倍的切削速度進行加工，一旦發生過切對機床、產品和刀具將產生災難性的後果，所以要求其CAM系統必須具有全程自動防過切處理的能力。高速加工的重要特徵之一就是能夠使用較小直徑的刀具，加工模具的細節結構。系統能夠自動提示最短夾持刀具長度，並自動進行刀具干涉檢查。 (3)豐富的高速切削刀具軌跡策略 高速加工對加工工藝走刀方式比傳統方式機能有著特殊要求，因而要求CAM系統能夠滿足這些特定的工藝要求。為了能夠確保最大的切削效率，又保證在高速切削時加工的安全性，CAM系統應能根據加工瞬時余量的大小，自動對進給率進行優化處理，以確保高速加工刀具受力狀態的平穩性，提高刀具的使用壽命。CAM軟體在生成刀具軌跡方面應具備以下功能： ☆應避免刀具軌跡中走刀方向的突然變化，以免因局部過切而造成刀具或設備的損壞； ☆應保持刀具軌跡的平穩，避免突然加速或減速； ☆下刀或行間過度部分最好採用斜式下刀或圓弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料；行切的端點採用圓弧連接，避免直線連接； ☆殘餘量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般應採用多次加工或採用系列刀具從大到小分次加工，避免用小刀一次加工完成，還應避免全力寬切削； ☆刀具軌跡編輯優化功能非常重要，避免多餘空刀，可通過對刀具軌跡的鏡像、複製、旋轉等操作，避免重複計算； ☆刀具軌跡裁剪修復功能也很重要，可通過精確裁剪減少空刀，提高效率，也可用於零件局部變化時的編程，此時只需修改變化的部分，無須對整個模型重編； ☆可提供優秀的可視化模擬加工模擬與過切檢查，如Vericut軟體就可很好地檢測干涉。 三、在高速銑削編程中的常用策略和CAM軟體 高速加工包括以去除余量為目的的粗加工、殘留粗加工，以及以獲取高質量的加工表面及細微結構為目的的半精加工、精加工和鏡面加工等。高速加工中的粗加工所應採取的工藝方案是高切削速度、高進給率和小切削量的組合。等高加工方式是眾多CAM軟體普遍採用的一種加工方式。應用較多的是螺旋等高和等Z軸等高兩種方式，也就是在加工區域僅一次進刀，在不抬刀的情況下生成連續光滑的刀具路徑，進、退刀方式採用圓弧切入、切出。螺旋等高方式的特點是，沒有等高層之間的刀路移動，避免頻繁抬刀、進刀對零件表面質量的影響及機械設備不必要的耗損。對陡峭和平坦區域分別處理，計算適合等高及適合使用類似3D偏置的區域，並且同時可以使用螺旋方式，在很少抬刀的情況下生成優化的刀具路徑，獲得更好的表面質量。在高速加工中運用，一定要採取圓弧切入、切出連接方式，以及拐角處圓弧過渡。禁止使用直接下刀的連接方式來生成高速加工的程序。 高速精加工策略包括三維偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。這些策略可保證切削過程光順、穩定，確保能快速切除工件上的材料，得到高精度、光滑的切削表面。精加工的基本要求是要獲得很高的精度、光滑的零件表面質量，輕鬆實現精細區域的加工，如小的圓角、溝槽等。 對許多形狀來說，精加工最有效的策略是使用三維螺旋策略。使用這種策略可避免使用平行策略和偏置精加工策略中會出現的頻繁的方向改變，從而提高加工速度，減少刀具磨損。這個策略可以在很少抬刀的情況下生成連續光滑的刀具路徑。這種加工技術綜合了螺旋加工和等高加工策略的優點，刀具負荷更穩定，提刀次數更少，可縮短加工時間，減小刀具損壞機率。它還可改善加工表面質量，最大限地減小精加工後手工打磨的需要。在許多場合需要將陡峭區域的等高精加工和平坦區域三維等距精加工方法結合起來使用。 採用高速加工設備之後，對編程人員的需求量將會增加，因高速加工工藝要求嚴格，過切保護更加重要，故需花多的時間對NC指令進行模擬檢驗。一般情況下，高速加工編程時間比一般加工編程時間要長得多。為了保證高速加工設備足夠的使用率，需配置更多的CAM人員。現有的CAM軟體，如DELCAM的PowerMILL、美國MasterCAM、 UGS的UnigraphicsNX、Dassualt的CATIA、以色列的Cimatron E等都提供了相關功能的高速銑削刀具軌跡策略。圖2～圖5分別為UnigraphicsNX、CATIA、MasterCAM平台下的薄壁零件和模具的高速銑削加工刀具軌跡示意圖。 UG NX/CAM高速銑削軌跡示意圖 CATIA高速銑削軌跡示意圖
MasterCAM高速銑削軌跡示意圖 MasterCAM高速銑削模擬加工示意圖 四、高速切削加工在模具製造中的典型應用實例 模具的高速加工技術逐漸成為我國模具工業技術改造最主要的內容之一。高速加工的效率不僅決定於主軸速度與刀具直徑，還與所切削的材料、刀具壽命及加工工藝等綜合因素有關。注塑模具、壓鑄模具、衝壓模具及鍛模等合金模具鋼材料的硬度一般超過HRC50。這類模具高速加工的限制因素主要是刀具壽命，而非鋁合金加工中的主軸速度。對於小型模具的細節結構的加工，主軸速度可達40000r/min以上。而大型汽車覆蓋件模具的加工，一般主軸速度12000r/min以上的加工即可稱為高速加工。 注射模、鑄模、鍛模和覆蓋件衝壓模等的模具機械加工時間主要耗費在生產凸模和凹模等部件上。在美國，最常用的模具材料為3Cr2Mo模具鋼(HRC30)，鍛模和鑄模常用材料為4Cr5MoV1Si鋼，有HRC45～60的鍛模和HRC46～50的鑄模等。表4列出了最常用的模具材料，40Cr、45＃鋼淬火調質是注射模常用的材料，50%的模具製造商加工注射模採用高速切削來完成。3Cr2Mo模具鋼是加工注射模最常用的鋼，因含碳量低，通常預先熱處理到HRC30時加工，然後在淬火到HRC50～55。在壓鑄模的應用中，熱鍛模具鋼4Cr5MoV1Si在HRC46狀態時仍可進行精加工。 表4 美國常用模具材料與公差要求 是在UGNX環境下編製的某基於SMC成型的大型覆蓋件熱壓模凹模的數控高速銑削加工刀具軌跡示意圖。其粗加工採用基於殘留毛坯的等高分層銑削，半精加工採用3D平行銑削。該熱壓模材料為55＃鑄鋼，在粗加工時採用了Ф40的鑲齒螺旋銑刀，切削參數為主軸800r/min、切削深度為Z軸每層2mm、切削寬度90%刀具直徑寬度、進給率為2000mm/min。 覆蓋件熱壓模高速銑削示意圖 圖7則是在MasterCAM平台下，對某採用40Cr的注射模進行高速切削加工的刀具軌跡與模擬加工示意圖。這裡採用的是傳統的數控機床，由於其主軸轉速的限制，其高速切削用量：粗加工採用Ф20的刀具、轉速2000r/min、進給率2000mm/min、切削深度2mm；精加工採用Ф12mm的刀具、切削深度0.2mm/min、主軸轉速3500r/min、進給率3000mm/min。 注射模高速銑削刀具軌跡示意圖 五、結束語 高速加工技術是世界範圍內倍受關注的前沿技術，它將極大地促進加工的效率提高和產品品質的改善。正如前文所述，高速加工是一個系統工程，他要求從軟體、硬體及設備方面的全方位的改革，但由於其具有傳統加工無可比擬的優勢，仍將是今後加工技術必然的發展方向。 |
