模具制造業(yè)以及航天工業(yè)的零件加工可以用現(xiàn)代化的高速切削(HSC)技術(shù)得到最優(yōu)化。如果想到達(dá)高速切削技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性目的，只有使機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)可以應(yīng)對(duì)高于常規(guī)切削方式的運(yùn)動(dòng)速度。
    機(jī)床運(yùn)動(dòng)速度不但要非�？�，加工形狀也必須準(zhǔn)確，數(shù)控系統(tǒng)必須在編程輪廓加工路徑上精確控制加速和減速運(yùn)動(dòng)。為了應(yīng)對(duì)加工時(shí) 間、表面質(zhì)量和幾何精度間的矛盾，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)必須為銑床和加工工藝提供最優(yōu)化的解決方案。而且最終用戶也可以通過簡(jiǎn)單的參 數(shù)調(diào)整控制最終的銑削結(jié)果。CNC系統(tǒng)的路徑控制能力是特定精度和表面質(zhì)量條件下影響加工時(shí)間的決定性因素。
1 模具制造業(yè)高速切削(HSC)技術(shù)對(duì)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的要求
    HSC技術(shù)為高硬度材料和合金工具鋼加工 提供了許多全新選擇。在經(jīng)典的電火花成形 加工技術(shù)之后，高速切削技術(shù)直接加工高硬 度材料越來越顯出其出眾的經(jīng)濟(jì)性。HSC技 術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)之一是它在加工期間的溫度 分布情況和熱量排除能力。高速切削、高速 進(jìn)給和小的切削深度使切屑可以將大量熱 量帶離工件。

圖1 自由形狀加工(雙曲面)

2 高速切削加工(HSC)要求和影響
    HSC加工進(jìn)給速率大，這對(duì)加工曲面工件輪廓的加速度要求更高。它能突出體現(xiàn)機(jī)床的機(jī)電性能。如果進(jìn)給驅(qū)動(dòng)加速度增加，必然使機(jī)床結(jié)構(gòu)承受更大加速力。也因此容易造成機(jī)床振動(dòng)，惡化表面質(zhì)量。這就要求數(shù)控系統(tǒng)在盡可能縮短加工時(shí)間和滿足精度要求條件下具有實(shí)現(xiàn)最佳表面加工質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)控制能力。數(shù)控系統(tǒng)必須為機(jī)床制造商和用戶提供最佳路徑控制方法。
    機(jī)床制造商需要數(shù)控系統(tǒng)可以最佳地控制機(jī)床特性。數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)為運(yùn)動(dòng)控制和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制環(huán)提供的參數(shù)集具有合理的結(jié)構(gòu)以易于使用。機(jī)床經(jīng)常通過最終精加工零件測(cè)評(píng)其性能。必須執(zhí)行每一項(xiàng)加工任務(wù)確保高動(dòng)態(tài)響應(yīng)不會(huì)造成機(jī)床振動(dòng)。因此，數(shù)控系統(tǒng)必須與機(jī)床緊密配合以確保任何加工任務(wù)都具有高動(dòng)態(tài)性能。
   機(jī)床用戶要求數(shù)控系統(tǒng)在滿足工件精度的前提下減小加工時(shí)間。達(dá)到要求的精度不需要耗時(shí)的測(cè)試，首件加工就必須能達(dá)到要求。這些要求必須定義在NC程序中，以確保批量生產(chǎn)的要求。而且，為使模具的加工時(shí)間在可接受范圍內(nèi)，自由形狀表面經(jīng)常采用往復(fù)路徑銑削。這樣，數(shù)控系統(tǒng)還必須能生成從相反方向加工輪廓元素的可重復(fù)刀具路徑。否則，將損害表面質(zhì)量。
3 數(shù)據(jù)處理能力對(duì)工件表面質(zhì)量的影響
    用金屬切削方法加工零件涉及大量中間步驟，通過這些步驟將CAD模型幾何形狀轉(zhuǎn)為刀具路徑，如圖2所示。
    CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))：工件輪廓通常用NURBS(非均勻有理B樣條)建模，NURBS技術(shù)可以用數(shù)學(xué)方法描述自由形狀表面;CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造)：刀具路徑的計(jì)算在考慮一定銑削方式和刀具值補(bǔ)償情況下從CAD幾何模型逐點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，因此預(yù)定弦高差(模型精度)決定兩點(diǎn)間距離;CNC(計(jì)算機(jī)數(shù)字控制)：零件程序被逐點(diǎn)轉(zhuǎn)為軸向運(yùn)動(dòng)和速度特性并考慮路徑公差要求，要獲得高表面質(zhì)量，相鄰銑削路徑間的距離必須明顯小于定義的刀具路徑;機(jī)電系統(tǒng)：在固定時(shí)間內(nèi)的軸向運(yùn)動(dòng)作為名義運(yùn)動(dòng)和實(shí)際運(yùn)動(dòng)，并將其通過機(jī)床幾何形狀轉(zhuǎn)為刀具和工件運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給軸的跟隨誤差、機(jī)床名義幾何形狀的偏差和發(fā)熱影響以及機(jī)床結(jié)構(gòu)和電機(jī)的振動(dòng)將影響工件精度。

    優(yōu)化加工時(shí)間、表面質(zhì)量和工件精度對(duì)CNC系統(tǒng)提出以下基本要求：有效監(jiān)測(cè)輪廓公差;運(yùn)動(dòng)方向換向后，準(zhǔn)確重復(fù)相鄰路徑;高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)不導(dǎo)致振動(dòng)。
    對(duì)二維刀具運(yùn)動(dòng)，數(shù)據(jù)處理鏈能力對(duì)工件精度的影響可以用海德漢公司的KGM 182二維編碼器檢測(cè)。通過龍門銑床上的演示單元可以展示海德漢iTNC 530系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制特性。KGM是最終可實(shí)現(xiàn)輪廓精度的基礎(chǔ)檢查工具。
4 更快、更高精度和更準(zhǔn)確輪廓- 用iTNC 530控制高速銑削
4.1有效控制輪廓公差
    自由形狀表面的NC程序通常用CAM系統(tǒng)生成，它由大量簡(jiǎn)單線段組成。海德漢數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)平滑處理過渡形狀，同時(shí)保持刀具在工件表面連續(xù)運(yùn)動(dòng)。這個(gè)檢測(cè)輪廓偏差的系統(tǒng)內(nèi)部功能自動(dòng)控制平滑處理過程。此功能(循環(huán)32)使用戶可以根據(jù)需要自定義輪廓偏差。機(jī)床制造商在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中定義默認(rèn)值(通常為0.01至0.02 mm)。此外，這個(gè)公差還影響編程圓弧上的運(yùn)動(dòng)路徑。
    在自由形狀表面上， CAD幾何形狀模型的偏差包括定義的輪廓公差值和CAM系統(tǒng)定義的弦高差。對(duì)工件的最終影響取決于機(jī)床整體特性和進(jìn)給軸加加速調(diào)整值和加速度。
    圖3所示工件的角點(diǎn)顯示球頭銑刀的球心路徑(TCP = 刀具中心點(diǎn))。如果沒有名義路徑的平滑處理，機(jī)床Y軸在過渡點(diǎn)處必然突然加速。其加加速將造成機(jī)床嚴(yán)重振動(dòng)。而且，名義驅(qū)動(dòng)的物理限制也不允許這種理論上無限的加加速產(chǎn)生。如果沒有有力的路徑控制措施，將不可避免地產(chǎn)生明顯成比例關(guān)系的輪廓偏差，具體情況取決于曲率和輪廓加工的速度變化。

圖3 球頭銑刀TCP刀具路徑

    iTNC 530的路徑控制功能可以平滑處理加加速并滿足要求的輪廓公差要求，包括輪廓加工速度劇烈變化時(shí)(圖4)。如果可以定義更大公差，就可以顯著縮短加工時(shí)間。在本例中，將輪廓加工公差從0.01 mm放寬到0.02 mm，加工時(shí)間縮短12 %。

圖4 局部放大圖，顯示TCP的輪廓監(jiān)測(cè)名義路徑

4.2換向運(yùn)動(dòng)時(shí)相鄰路徑的高重復(fù)性
    圖5為一個(gè)局部工件和相應(yīng)的TCP路徑線圖。相鄰路徑可以通過往復(fù)運(yùn)動(dòng)高效銑削(往復(fù)運(yùn)動(dòng)的多刀銑削)。各條路徑由長度很短的直線組成。CAM系統(tǒng)設(shè)置的弦高差為3 μm。

圖5 往復(fù)運(yùn)動(dòng)的工件輪廓和相應(yīng)線條。圖中點(diǎn)代表程序數(shù)據(jù)點(diǎn)

    圖6為編程輪廓的刀具路徑偏差的局部放大圖。顯示的偏差為理想的線到圓的過渡情況，零件程序(圖5)的線條弦高差為3 μm。弦高差只影響曲線部分，與CNC系統(tǒng)設(shè)置的輪廓公差疊加。海德漢數(shù)控系統(tǒng)在往復(fù)多刀道銑削運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)了高重復(fù)性(圖6)。前進(jìn)和后退運(yùn)動(dòng)路徑間輪廓偏差可以忽略不計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高表面質(zhì)量加工。

圖6 工件輪廓曲面部分的刀具路徑偏差(進(jìn)給速率 = 10 m/min，公差 = 0.01 mm)

    圖7的工件照片顯示最優(yōu)化運(yùn)動(dòng)控制的效果。用往復(fù)運(yùn)動(dòng)加工自由形狀表面(編程進(jìn)給速率為10 m/min，精銑余量為0.1 mm)。圖7a的工件表面質(zhì)量不合格。用iTNC 530系統(tǒng)的加工結(jié)果如圖7b所示，相鄰路徑重復(fù)性好。

圖7 換向運(yùn)動(dòng)的多刀銑削，相鄰切削路徑的重復(fù)性
7a：相鄰路徑偏差導(dǎo)致的表面質(zhì)量下降
7b：iTNC 530系統(tǒng)銑削結(jié)果：前進(jìn)和后退運(yùn)動(dòng)加工的表面一樣

4.3 高速運(yùn)動(dòng)期間有效避免振動(dòng)
    HSC銑削技術(shù)要求的進(jìn)給速率對(duì)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)是巨大挑戰(zhàn)。只有達(dá)到更高的輪廓加工平均速度才能縮短加工時(shí)間。但是，如果有小半徑路徑，就必須大大降低運(yùn)動(dòng)速度，以保證路徑偏差在允許的公差帶內(nèi)。此外，加速和減速運(yùn)動(dòng)還能造成機(jī)床結(jié)構(gòu)振動(dòng)，損害工件表面質(zhì)量。
    加加速和加速度的平滑運(yùn)動(dòng)控制是海德漢數(shù)控系統(tǒng)的突出特點(diǎn)。它能非常有效地抑制機(jī)床振動(dòng)。根據(jù)需要，數(shù)控系統(tǒng)還可以自動(dòng)降低編程進(jìn)給速率使振動(dòng)的危險(xiǎn)性降到最低。有效預(yù)防機(jī)床振動(dòng)使零件程序以更高的運(yùn)動(dòng)速度執(zhí)行，因此能顯著縮短加工時(shí)間。
    圖8為二維輪廓的機(jī)床刀具實(shí)際路徑。如果加加速無平滑處理，加速運(yùn)動(dòng)階段機(jī)床產(chǎn)生振動(dòng)(圖8a)。海德漢公司的iTNC 530系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制功能有效避免了嚴(yán)重振動(dòng)(圖8b)。圖9的工件表面質(zhì)量再一次清楚地顯示出海德漢公司數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制功能的非凡作用。沿圖示圓弧運(yùn)動(dòng)需要在每一點(diǎn)處改變軸的加速度，造成機(jī)床振動(dòng)(圖9a)。iTNC 530通過平滑處理加加速獲得了高質(zhì)量表面，沒有振動(dòng)影響(圖9b)。

圖8 實(shí)際位置用二維編碼器在圓角處測(cè)量和記錄，一個(gè)用名義位置值過濾器處理NC數(shù)據(jù)，另一個(gè)未用名義值過濾器(分別為8a和8b)。

圖9 機(jī)床振動(dòng)對(duì)工件表面的影響：
9a：無加加速平滑處理，Z軸振動(dòng)導(dǎo)致表面劃傷
9b：iTNC 530系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制功能有效避免了振動(dòng)導(dǎo)致的表面質(zhì)量問題

5 小結(jié)
    HSC銑削技術(shù)對(duì)模具制造業(yè)和航天工業(yè)的加工工藝具有決定性影響。HSC銑削技術(shù)要求的進(jìn)給速率對(duì)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)是巨大挑戰(zhàn)。加工時(shí)間、輪廓表面精度和表面質(zhì)量是相互矛盾的因素，海德漢公司的iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)可以確保滿足優(yōu)選的加工要求。也就是說刀具路徑符合預(yù)期，因此，可以防止機(jī)床振動(dòng)，滿足高精度要求，同時(shí)縮短加工時(shí)間。
    此外，iTNC 530的相鄰銑削路徑重復(fù)性高，確保用戶實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量工件表面加工，用往復(fù)多刀銑削工藝縮短加工時(shí)間。iTNC 530奠定了數(shù)控、驅(qū)動(dòng)和機(jī)床結(jié)構(gòu)相互配合的全新標(biāo)準(zhǔn)。使用戶的批量零件生產(chǎn)從首件就能達(dá)到高質(zhì)量加工效果