一、前言
    數(shù)控高速切削制造技術(shù)促進(jìn)了機(jī)械冷加工制造業(yè)的飛速發(fā)展，革新了產(chǎn)品設(shè)計(jì)概念，如通過(guò)采用整體件加工取代零部件的分項(xiàng)制造裝配，提高了加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品制造周期。高速切削加速了汽車(chē)、模具、航空、航天、光學(xué)、精密機(jī)械等產(chǎn)品的更新?lián)Q代，加速了制造技術(shù)與裝備的升級(jí)，推動(dòng)了企業(yè)技術(shù)進(jìn)步。但目前國(guó)內(nèi)存在相當(dāng)一部分高速機(jī)床因各方面的原因并沒(méi)有達(dá)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(zhǎng)期受重載荷或使用不當(dāng)造成壽命低下，企業(yè)高速切削工藝參數(shù)庫(kù)及CAD\CAM高速編程軟件包造成高速切削應(yīng)用不是很好，高速切削工藝流程與傳統(tǒng)的工藝流程沒(méi)有有機(jī)結(jié)合，沒(méi)有充分發(fā)揮高速切削加工變形小、加工效率高、定位裝夾少的優(yōu)勢(shì)。
    高速銑削機(jī)床的特點(diǎn)，采用主軸運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)載荷的平穩(wěn)，減小工作臺(tái)由于運(yùn)動(dòng)的慣性，尤其是當(dāng)工作臺(tái)承載較大時(shí)，工作臺(tái)本身和工件的運(yùn)動(dòng)載荷對(duì)高速切削極容易引起沖擊，機(jī)床結(jié)構(gòu)的新穎性對(duì)高速切削有著重要的影響，傳統(tǒng)機(jī)床依靠工作臺(tái)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的XY方向的移動(dòng)不是很適合高速切削。高速機(jī)床有瑞士Mikron公司VCP710、美國(guó)Cincinnati公司HyperMach五軸加工中心、日本Mazak公司SMM－2500UHS、德國(guó)Roders公司RFM1000、意大利FIDIA公司KR214六坐標(biāo)加工中心、FIDIA公司D218五坐標(biāo)加工中心等。
    一般情況下，高速切削其切削速度比常規(guī)速度高出5～10倍，其材料的去除率是常規(guī)切削的3～5倍以上。對(duì)于鋁合金銑削可達(dá)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(biāo)高速銑削加工中心機(jī)床及機(jī)床驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)試切產(chǎn)品。
二、高速銑削刀具刀柄
      由于高速切削時(shí)，主軸、刀柄及刀具在高速旋轉(zhuǎn)情況下，較小的偏心就會(huì)產(chǎn)生較大的離心力，由振動(dòng)引起產(chǎn)品的質(zhì)量、降低主軸和刀具的使用壽命。常規(guī)的刀具刀柄系統(tǒng)難以滿(mǎn)足高速切削時(shí)的切削剛度和精度要求�，F(xiàn)階段比較流行常用的高速刀柄系統(tǒng)主要有德國(guó)的HSK刀柄、美國(guó)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(guò)定位的方式，實(shí)現(xiàn)刀具的定位夾緊，其重復(fù)定位精度在傳統(tǒng)7:24的錐度刀柄±2.5μm提高到±1μm，采用這種刀柄系統(tǒng)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(zhuǎn)速越高其鎖緊力越大。但這種刀柄價(jià)格較貴，一般為常規(guī)刀柄的1.5～2倍，其最低轉(zhuǎn)速小于KM刀柄。一般情況下，高速銑削時(shí)，刀具刀柄的不平衡力小于切削力時(shí)，不影響刀具的使用壽命和切削效率。
      根據(jù)高速切削的動(dòng)平衡規(guī)定，主軸轉(zhuǎn)速至少要達(dá)到8000 r/min以上。其進(jìn)給速度至少大于20m/min。50柄轉(zhuǎn)速達(dá)到10000～20000 r/min，40柄以及HSK刀柄20000～40000 r/min，KM刀柄達(dá)到35000 r/min以上。由于高速銑削動(dòng)平衡的要求，在配置高速銑削刀柄刀具時(shí)優(yōu)先配置經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡測(cè)試的刀具系統(tǒng)，其次用戶(hù)可以自行采用動(dòng)平衡機(jī)及調(diào)整系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)節(jié)，但其使用非常麻煩。美國(guó)Kennametal公司推出了一種通過(guò)調(diào)節(jié)主軸系統(tǒng)的自動(dòng)平衡刀柄系統(tǒng)TABS刀柄，但目前應(yīng)用還不廣泛。為有效發(fā)揮高速切削的加工效率，在配置高速刀具夾持刀柄系統(tǒng)時(shí)顯得非常重要，傳統(tǒng)的彈簧夾頭、螺釘連接刀柄已不能滿(mǎn)足高速銑削夾持精度高、結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性好、傳遞扭矩大等要求，以下為作者總結(jié)的高速刀具及刀柄配置經(jīng)驗(yàn)。
     第一、優(yōu)先配置熱脹式刀柄通過(guò)熱脹式加熱儀裝置進(jìn)行加熱，通過(guò)熱脹冷縮的原理對(duì)刀具進(jìn)行夾緊，其回轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性、動(dòng)平衡性能均較液壓式刀柄好，在歐洲應(yīng)用非常廣泛，尤其適合模具等行業(yè)產(chǎn)品的高速切削加工，該刀柄可達(dá)到40000r/min。其中熱脹式裝刀裝置以德國(guó)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(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性和動(dòng)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(guó)雄克公司的為典型代表，經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡后轉(zhuǎn)速可達(dá)到25000r/min。
     第三、整體式刀柄，如日本Nikken公司刀柄、奧地利盤(pán)石的整體鋁合金銑削刀柄，其結(jié)構(gòu)主要是刀體和刀柄為一體，在經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡測(cè)試調(diào)整后，再安裝銑削刀片進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)節(jié)來(lái)滿(mǎn)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(zhuǎn)速一般可以達(dá)到10000～30000r/min之間。
   最后、高速銑削應(yīng)用精密彈簧夾頭刀柄和側(cè)固式刀柄時(shí)，其轉(zhuǎn)速由于本身結(jié)構(gòu)的限制，一般難以達(dá)到20000 r/min，精密彈簧夾頭刀柄一般可達(dá)到12000～15000 r/min，而側(cè)固式刀柄則難以達(dá)到10000 r/min，在高速機(jī)床上盡量少用。
2.高速銑削刀具
      由于高速銑削對(duì)刀具刀柄要求較高，在購(gòu)置高速刀具時(shí)盡量購(gòu)置經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡測(cè)試的刀具，常用的硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、立方氮化硼（PCBN），聚晶金剛石（PCD）在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間磨損后，可應(yīng)用于普通數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。另外一個(gè)方面由于高速切削的安全性，在進(jìn)行工件加工時(shí)一定要注意加工防護(hù)，如40mm直徑刀具，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到30000r/min,其射出的速度可達(dá)到63m/s的速度，接近于230km/h的汽車(chē)速度，切削過(guò)程中如出現(xiàn)斷刀摔出，勢(shì)必有較大的沖擊動(dòng)量。同時(shí)對(duì)沒(méi)有把握的刀具刀柄一定要經(jīng)過(guò)高速動(dòng)平衡儀測(cè)試出真實(shí)數(shù)據(jù)，方可進(jìn)行產(chǎn)品加工。此外由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，刀具的長(zhǎng)度在高速環(huán)境下其刀具直徑和長(zhǎng)度與靜態(tài)條件下有所差別，采用激光機(jī)內(nèi)對(duì)刀儀可有效解決數(shù)控編程的刀具工藝參數(shù)的確定，因此在購(gòu)置高速銑削機(jī)床時(shí)，配置激光機(jī)內(nèi)對(duì)刀儀是不應(yīng)少的選項(xiàng)，尤其在進(jìn)行高精度產(chǎn)品的銑削加工時(shí)更能體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。
    高速切削鋼材時(shí)，刀具材料應(yīng)選用熱硬性和疲勞強(qiáng)度高的P類(lèi)硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、立方氮化硼(CBN)與CBN復(fù)合刀具材料(WBN)等。切削鑄鐵，應(yīng)選用細(xì)晶粒的K類(lèi)硬質(zhì)合金進(jìn)行粗加工，選用復(fù)合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼(PCNB)復(fù)合刀具進(jìn)行精加工。精密加工有色金屬或非金屬材料時(shí)，應(yīng)選用聚晶金剛石PCD或CVD金剛石涂層刀具。高速銑削時(shí)應(yīng)針對(duì)相應(yīng)的材料選擇合適的刀柄和刀具材料，鋁合金高速銑削時(shí)可優(yōu)先選用采用鑲刀片的整體刀柄。
三、五坐標(biāo)高速銑削刀具軌跡設(shè)計(jì)
      高速切削有著比傳統(tǒng)切削特殊的工藝要求，除了高速切削機(jī)床和高速切削刀具，具有合適的CAM編程軟件也是至關(guān)重要的。一個(gè)優(yōu)秀的高速加工CAM編程系統(tǒng)應(yīng)具有很高的計(jì)算速度、較強(qiáng)的插補(bǔ)功能、全程自動(dòng)過(guò)切檢查及處理能力、自動(dòng)刀柄與夾具干涉檢查、進(jìn)給率優(yōu)化處理功能、刀具軌跡編輯優(yōu)化功能、加工殘余分析功能等。數(shù)控編程時(shí)應(yīng)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(wěn)，這會(huì)直接影響加工質(zhì)量和機(jī)床主軸等零件的壽命；最后要盡量使刀具載荷均勻，這會(huì)直接影響刀具的壽命。國(guó)內(nèi)外比較成熟適用于高速加工編程的有美國(guó)EDS公司UnigraphicsNX、英國(guó)DelCAM公司的PowerMill、以色列的Cimatron軟件。
1.五軸刀具軌跡設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)
       在進(jìn)行刀具軌跡設(shè)計(jì)之前，CAD三維模型的系統(tǒng)精度盡可能設(shè)置高一些，尤其是在不同的CAD系統(tǒng)之間進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換時(shí)，優(yōu)先采用CATIA(*.model)格式、Parasolid（*.x_t）格式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，其次采用IGES格式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)使用IGES格式時(shí)，系統(tǒng)精度一般不應(yīng)低于0.01mm，尤其在進(jìn)行五軸高速切削精密零件時(shí)模型的精度、刀具插補(bǔ)精度對(duì)刀具軌跡的輸出有著重要影響。
    空間曲面軸加工涉及的內(nèi)容比較多，尤其是五軸加工時(shí)更明顯。進(jìn)行五軸加工時(shí)涉及加工導(dǎo)動(dòng)曲面、干涉面、軌跡限制區(qū)域、進(jìn)退刀及刀軸矢量控制等關(guān)鍵技術(shù)。四軸五軸加工的基礎(chǔ)是理解刀具軸的矢量變化。四軸五軸加工的關(guān)鍵技術(shù)之一是刀具軸的矢量（刀具軸的軸線矢量）在空間是如何發(fā)生變化的，而刀具軸的矢量變化是通過(guò)擺動(dòng)工作臺(tái)或主軸的擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于矢量不發(fā)生變化的固定軸銑削場(chǎng)合，一般用三軸銑削即可加工出產(chǎn)品，五軸加工關(guān)鍵就是通過(guò)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(jī)床原始坐標(biāo)系構(gòu)成空間某個(gè)角度，利用銑刀的側(cè)刃或底刃切削加工來(lái)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(shí)刻指向曲面的法線方向；
③From point：點(diǎn)位控制刀具軸的矢量遠(yuǎn)離空間某點(diǎn)；To point：刀具軸的矢量指向空間某點(diǎn)；
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(fā)生變化；
⑤刀具軸矢量連續(xù)插補(bǔ)控制。從上述刀具軸的矢量控制方式來(lái)看，五軸數(shù)控銑削加工的切削方式可以根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的加工來(lái)進(jìn)行合理的刀具軌跡設(shè)計(jì)規(guī)劃。 
    UGII/Contour Milling三軸高速等高分層粗銑削時(shí)，刀具軌跡之間的圓弧過(guò)渡。高速銑削加工的支持：系統(tǒng)提供的等高分層加工應(yīng)用于高速銑削場(chǎng)合，在轉(zhuǎn)角處以圓角的形式過(guò)渡，避免90度急轉(zhuǎn)（高速場(chǎng)合對(duì)導(dǎo)軌和電機(jī)容易損壞），同時(shí)采用螺旋進(jìn)退刀，系統(tǒng)還提供環(huán)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(guān)性。該模塊提供多年工程使用驗(yàn)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(shí)現(xiàn)控制刀具路徑生成過(guò)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(guān)，以自動(dòng)化的方式，獲得類(lèi)似APT直接編程一樣的絕對(duì)控制、允許用戶(hù)交互式地一段一段地生成刀具路徑，并保持對(duì)過(guò)程中每一步的控制、提供的循環(huán)功能使用戶(hù)可以?xún)H定義某個(gè)曲面上最內(nèi)和最外的刀具路徑，由該模塊自動(dòng)生成中間的步驟、該模塊是UGII數(shù)控加工模塊中如自動(dòng)清根等功能一樣的UGII特有模塊，適合于高難度的數(shù)控程序編制。