1 引言

高速加工（High Speed Machining，簡稱HSM），是相對傳統加工系統而言，通過高性能的機床，以通常意義上的幾倍，甚至幾十倍的加工速度來實現對零件的高精度、高效率加工，最終達到提高生產率的目的。在高速銑削零件本身剛度不足（如薄壁件和細長桿件）、復雜曲面加工、難加工材料以及精密切削等加工領域中都得到了充分的應用。本文以NX CAM為例，詳細分析在高速加工技術的應用。

2 高速加工的優勢

高速加工之所以日益得到廣泛的工業應用，是因為它相對傳統加工具有顯著的優越性，具體來說具有以下優點：

（1）提高加工效率

高速銑削加工允許使用較大的進給率，比常規銑削加工提高5～10倍，單位時間材料切除率可提高3～6倍。當加工需要大量切除金屬的零件時，可使加工時間大大減少。

（2）降低切削力

由于高速銑削采用極淺的切削深度和窄的切削寬度，因此切削力較小，和常規切削相比，切削力至少可降低30％，如圖1所示。這對于加工剛性較差的零件來說可減少加工變形，使一些薄壁類精細工件的銑削加工成為可能。

圖1 切削載荷隨切削深度和主軸轉速的變化

（3）提高了加工質量

因為高速旋轉時刀具切削的激勵頻率遠離工藝系統的固有頻率，不會造成工藝系統的受迫振動，保證了較好的加工狀態。由于切削深度、切削寬度和切削力都很小，使得刀具、零件變形小，保持了尺寸的精確性，另外也使得切削破壞層變薄，殘余應力小，實現了高精度、低粗糙度值加工。

（4）簡化了加工工藝流程

傳統的加工工藝不能直接加工淬火后的材料，而且淬火變形必須進行人工修整或通過放電加工來解決。高速銑可以直接加工淬火后的材料，在很多情況下可省去放電加工工序，消除了放電加工所帶來的表面硬化問題，減少或免除人工光整加工。圖2為某模具制造中分別采用常規加工與高速銑削加工時的工序。

圖2 常規加工與高速加工方式的比較

a—傳統加工方式 b—高速加工方式

3 NX CAM的高速加工策略

在模具高速加工編程中，以小的切削量，恒定側向切削步距，高進給率為準則，配合一些細節處理，包括圓弧過渡、圓弧進刀、螺旋進刀、優化進給速度、切削速度等，使刀具路徑做到圓滑、平穩地過渡。通過上述方法，機床不會突然降速或加速，使得刀具負載恒定，達到降低導軌磨損、延長刀具和機床的使用壽命、保證零件表面加工品質的目的。在高速加工切削方式中刀具路徑不存在尖角和突然改變方向等現象。下面以NX軟件為平臺，介紹如何生成滿足高速加工要求的刀具路徑來體現高速加工的特點。

（1）切削方式

NC軟件里提供了多種切削方式來進行高速加工，主要有平行往復銑削、擺線方式加工、跟隨周邊銑削、跟隨工件銑削、輪廓銑、螺旋線驅動加工等。對于精加工，可以使用跟隨周邊或者區域輪廓銑，螺旋驅動的切削模式更適合于高速加工。根據零件特征選擇合適的切削方式。如圖3所示。

圖3 擺線切削和螺旋式切削

（2）螺旋與圓弧進退刀

刀具切入/切出零件時應盡可能采用傾斜式（或圓弧式）進刀，避免刀具垂直切入零件，同時要盡可能的減少切入/切出零件的次數。在進行局部區域銑削操作時應盡可能使用“螺旋”和“圓弧進刀”的進刀方式，使刀具減小受力，并圓滑刀軌路徑。如圖4所示。

圖4 螺旋與圓弧進退刀

（3）光順刀軌

在高速銑削過程里，為了保證機床的性能，所有刀軌盡可能避免尖角過渡；基于NX CAM模塊里拐角控制相應的處理方法，如圖5所示。通過設置參數使得進刀和退刀的刀軌都光順加工，如圖6所示。也可以使步進光順過渡，光順進給以避免刀具在進給和切削運動間產生停頓現象。如圖7所示。光順的刀軌更符合高速加工應用。

圖5 拐角控制

圖6 尖角的刀軌和設置圓角的刀軌

圖7 光順步進

（4）刀軌點的均布

刀軌點的均布大大改進了加工零件的表面光潔度。在NX CAM中“區域銑削”和“流線加工”操作在要加工的面上輸出更均勻的點柵格（默認行為），如圖8所示。

圖8 傳統的計算和NX優化計算方式

新的刀軌點均布使控制器光順了相鄰刀路提供一致的機床運動，輸出高端精加工刀路；在模具加工行業大大減少拋光的工藝、提高了生產效率，如圖9所示。

圖9 傳統與NX優化刀軌加工質量的比較

（5）后處理輸出

對于復雜曲面的輪廓銑削，如果后處理方式和CNC控制都支持“NURBS”輸出，則使用該功能可以用更高的進給率產生更光順的曲面精加工效果。在NX CAM中機床運動控制應選擇NURBS控制，如圖10所示。

圖10 NURBS控制

NURBS使用控制點、節點矢量、權3個變量來表達自由曲線，如下公式所示：

使用NURBS進行插補，誤差小、精度高，可以簡化NC代碼程序，不僅可以控制機NURBS曲線的曲率變化，進行不超出機床許可加速度的自動進給速度控制，可實現高速、高精度的模具加工。

4 結束語

NX具有極強的讀取并處理數據模型的能力，加工功能也非常強大。通過實例加工證明，NX是能夠輸出光滑、平順、穩定合理的刀具軌跡，非常合適用于高速加工，為高速加工行業大大提高生產效率。