1 引言

　　高速加工是近年來迅速崛起的先進制造技術，對模具制造業產生了巨大的影響，成為模具型腔數控加工的重點發展方向之一。模具零件常常具有高硬度、帶有狹窄溝槽或拐角的復雜型腔或薄壁結構，高速加工實現了模具行業用小型刀具，小切深進行加工的可能性，也令窄槽以及復雜型面的加工可選擇銑削來取代電加工。與常規數控切削加工方式相比。高速加工可以幾倍甚至十幾倍地提高加工效率；可以獲得更高質量的加工表面；可以直接加工淬硬材料，省去電加工，大大簡化了加工工序，從而降低生產成本。然而，高速加工并不是簡單地使用現有刀具路徑，通過提高主軸轉速和進給率實現。而是在充分發揮高速機床的性能和刀具的切削效率的基礎上，以小的徑向和軸向背吃刀量、較小而恒定的切削負荷、高出普通數控切削幾倍的切削速度和進給速度完成對工件的加工。

　　以下以定模板加工過程為例，在PowerMILL環境下，詳述不同加工階段（包括粗加工、半精加工、精加工三個階段）高速加工工藝方法和策略。

　　零件形狀如圖1所示。零件材料：CD鋼，材料硬度：HRC45-HRC50，外形尺寸：240mm×240mm×60mm。最小圓角半徑1mm。刀具材料：涂層硬質含金。機床型號：DMC-DMU40T。

2 粗加工

　　粗加工的主要目標是追求單位時間內的材料去除率，并為半精加工準備工件的幾何輪廓。目前大多數使用者習慣于在精加工的時候使用高速加工，其實在粗加工的時候使用高速切削可以更快地去除加工余量，更應該推廣使用。粗加工時，其表面質量和輪廓精度要求并不高。減小刀具損耗和減少空刀是重點，并且盡量采取順銑的加工方式。

　　本例粗加工首先使用PowerMILL的偏置區域清除策略，螺旋式下刀。然后，勾選高速加工選項中的“輪廓光順”，如圖2所示。可使刀路在軌跡折彎處圓弧過渡，如圖3中的①處所示。勾選“光順余量”，可使刀路在遠離尖角處用光滑的圓弧代替直線段刀路（即賽車線加工方法）。避免加工方向的突然改變導致刀具載荷的急劇變化，如圖3中的②處所示。賽車線加工是PowerMILL擁有專利權的加工策略。這種方法把刀具看成賽車在跑道內高速行駛，賽車可以偏離跑道的中心，從而產生類似于賽車在跑道內的運動路徑。賽車可以在不失速率的情況下轉彎，增加了刀路的光滑性和平衡性，避免了刀路突然轉向、頻繁的切入切出所造成的沖擊，在實際的高速加工應用中效果很好。

　　第一次粗加工結束后，換用小一號刀具進行“二次開粗”，采用殘留粗加工策略。PowerMILL在殘留粗加工中引入了“殘留模型”的概念，即系統可自動判別前一刀具未能加工到的區域，并只針對這些區域生成刀具路勁，避免了空刀，提高了加工效率。3 半精加工

　　半精加工的目的是在所有加工表面產生均勻的切削量，盡可能的保證精加工的穩定進行，對于成功的精加工是必需的，而不充分的半精加工會對精加工時的表面質量、輪廓精度和刀具壽命產生負面影響。在實際工作中，編程人員對這個過程的重要性常常估計不足，把更多的編程時間花在粗加工和精加工上。

　　本例半精加工主要采用了PowerMILL的最佳等高精加工策略，該策略是綜合了等高加工和三維偏置加工的混合策略。使用此策略時，模型的陡峭區域將使用等高精加工方法加工，平坦區域則使用三維偏置精加工方法加工。請勾選“修圓”和“螺旋”選項，減少抬刀并使刀路光順。

4 精加工

　　精加工是工件加工過程的最后一步。它的目的是達到要求的最佳表面質量和外形精度。模具高速精加工階段的策略取決于刀具與工件的接觸點，而刀具與工件的接觸點隨著加工表面的曲面斜率和刀具有效半徑的變化而變化。對于由多個曲面組合而成的復雜曲面，應盡可能在一個工序中進行連續加工，而不是對各個曲面分別進行，以減少抬刀、下刀的次數。一般情況下，精加工曲面的曲率半徑應大于刀具半徑的1.5倍，以避免進給方向的突然變化。

　　精加工為高速加工提出了一個特殊的問題，即刀痕問題。由于零件形狀的限制，對切削條件的妥協常常會在加工后的零件表面上留下可見刀痕。當然，可通過拋光的方法來消除這些刀痕，但這樣就違背了使用高速加工的初衷。本例精加工主要采用了PowerMILL的三維偏置精加工。勾選“螺旋”選項后，螺旋方式加入到三維偏置精加工策略中，由于刀具始終和工件表面接觸并以螺旋方式運動，因此，可防止刀具在切削表面留下刀痕。另外，螺旋方式沒有等高層之間的刀路移動，避免了頻繁進退刀對零件表面的影響。

　　在高速加工中，刀具軌跡拐角的處理是十分重要的，因為即使切削深度很淺，進給速度和走刀軌跡的劇烈變化也是造成刀具破損的重要原因之一。為避免這種情況，首先應調整進給速度，從而調整每一個刀刃的切削量。其次，如果使用與拐角半徑相同的刀具直接加工，容易造成過切及刀具負荷猛然增加，所以，加工拐角最好是使用較小半徑的刀具，一般情況下刀具半徑最好為拐角半徑的70%或更小，這樣可使拐角處的進給方向變化平滑，避免刀具的突然轉向。

　　本模具零件底部有一個30°，過渡圓弧半徑（拐角半徑）為3mm的拐角。拐角和型腔之間有一段狹長的區域。刀具在切入狹窄區域后，容易形成全刀寬切削，刀具載荷變大，需要在“高速加工”選項中設置擺線移動，如圖4所示。擺線移動是專門針對高速加工的走刀方式。這種刀具軌跡使刀具在切削時距某條曲線（一般是零件的輪廓線及其平移線）保持一個恒定的半徑，從而可使進給速度在加工過程中保持不變，而且這時的徑向吃刀量一般取刀具直徑的5%左右，因此刀具的冷卻條件良好，刀具的壽命延長。這對高速加工是非常有利的。應用此加工策略時，利用PowerMILL的“邊界”功能，把加工區域限制在一個很小的范圍。最后生成的擺線加工軌跡如圖5所示。

　　用R3mm的球刀精加工后，在零件臺階底都會有余料未被加工，需要進行清角。本例采用PowerMILL的自動清角精加工策略。這種清角策略能夠自動判斷存在大量余量的尖角落，并首先在零件的陡峭區域生成縫合式清角刀路，然后在平坦區域生成沿著角落交線的刀路。應用此策略時，請注意設置切削重疊區域以消除接刀痕。

5 碰撞、過切檢查

　　由于機床的高速旋轉和進給，高速加工過程中的任意部件之間的碰撞和干涉都極具危險性，輕則會降低刀具壽命。損毀工件或機床，重則可能導致嚴重的安全事故。所以高速加工狀態下，要完全避免刀具、刀柄、夾具、工件、機床之間可能發生的碰撞，也要避免過切的發生。從一開始的粗加工到最后的清角，都要利用PowerMILL提供的刀具路徑檢查和加工切削實體仿真功能，對上述方面進行檢查，如圖6所示。PowerMILL采用了最新的分析和仿真技術，不須指定防切面和干涉面，系統具備智能化全程過切保護功能。另外，刀具、刀柄、刀桿一起參與刀路運算。即使參數設置不合理，系統也會給出提示，并能夠自動截掉發生碰撞部位的刀路，或者給出不發生碰撞的最短夾刀長度。

　　至此，定模板零件的全部高速加工過程結束。

6 結束語

　　高速加工工藝是成功進行高速切削的關鍵技術之一，它決定了整個加工過程應該使用的方法和策略。而CAM系統又是實現這些方法和策略的基礎和載體，對成功進行高速加工有決定性的作用。由于高速切削的特殊性和控制的復雜性，傳統的加工工藝、加工方法以及CAM系統已不能滿足高速加工的要求。將來的高速加工研究必然是不斷深化加工工藝方法，積累加工經驗和共識，并開發和完善新一代CAM系統為高速加工服務。在將來，高速加工工藝和CAM系統必然是相輔相成、互相促進，以帶動整個高速加工技術向前發展。