高速加工（HSM或HSC）是二十世紀(jì)九十年代敏捷發(fā)展利用的先進(jìn)加工技巧。通常是指高的主軸轉(zhuǎn)速（10,000-100,000r/min）、高的進(jìn)給速度(40m-180m/min)下的銑削加工。高速加工在實(shí)際利用中能解決新材料的加工標(biāo)題，適應(yīng)表面質(zhì)量高、精度高、外形復(fù)雜的三維曲面加工，減少和避免效率低的電火花加工，解決薄壁零件的加工標(biāo)題，數(shù)控高速復(fù)合加工還可以減少搬運(yùn)與裝夾次數(shù)，避免重復(fù)定位帶來的加工誤差等，既提高了加工質(zhì)量，又提高了加工效率。高速加工技巧逐漸利用于加工鑄鐵和硬鋁合金，尤其是加工大型籠罩件沖壓模、鍛模、壓鑄模和注射模。目前國(guó)際上高速切削加工技巧重要利用于模具、航空航天和汽車產(chǎn)業(yè)等復(fù)雜曲面的加工范疇。國(guó)內(nèi)高速切削加工技巧的研究與利用始于20世紀(jì)90年代，也是重要利用于模具、航空航天和汽車產(chǎn)業(yè)，但采用的高速切削CNC機(jī)床、高速切削刀具和CAD/CAM軟件等以進(jìn)口為主。

高速加工一般采用高的銑削速度和快速多次走刀來提高效率，小直徑刀具，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給量，小的徑向和軸向切削深度，即切削體積。隨著銑削速度的提高，加工時(shí)間大幅度縮短，并且切削力降落、振動(dòng)小，尤其是徑向切削力大幅度下降，零件變形小，由于在切削時(shí)大批的切削熱被切屑帶走，工件表面溫度較低。由于高速銑削的的上述特點(diǎn)，高速加工相對(duì)慣例加工具有突出長(zhǎng)處：高生產(chǎn)率、工作安穩(wěn)、加工表面質(zhì)量很高，無需再進(jìn)行其它表面處理工序、有利于加工薄壁零件和高強(qiáng)度、高硬度脆性材料、可縮短交貨期、減少設(shè)備臺(tái)數(shù)及車間面積、減少工人數(shù)目。盡管在初期的設(shè)備投資用度增加，但高速銑削工藝的綜合效益仍有明顯提高。

1 高速加工與模具制作

目前塑料模具越來越精巧、結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，請(qǐng)求的合模次數(shù)接近和超過80萬次，采用的模具鋼材的硬度越來越高，有的甚至超過HRC 64以上，而模具的交貨期卻請(qǐng)求越來越短。這些市場(chǎng)特點(diǎn)給模具制作商帶來了極大的壓力。高速加工技巧的呈現(xiàn)為模具制作帶來了新的發(fā)展機(jī)會(huì)，尤其在中小型精密塑料模具加工中顯示了宏大的上風(fēng)。

大多數(shù)模具材料都是高硬度、耐磨性能好，其加工難度大。傳統(tǒng)工藝廣泛采用電火花（EDM）微切削加工成形，生產(chǎn)效率極低。高速加工技巧對(duì)模具加工工藝產(chǎn)生了宏大影響，它轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)模具加工所采用的“電火花→拋光”等復(fù)雜冗長(zhǎng)的工藝流程，甚至可用高速切削加工調(diào)換本來的全部工序。在模具的高淬硬鋼件（HRC45～65）的加工過程中，采用高速切削可以代替電加工和磨削拋光的工序，避免了電極的制作和費(fèi)時(shí)的電加工時(shí)間，高速加工技巧除可利用于淬硬模具型腔的直接加工（尤其是半精加工和精加工）外，在EDM電極加工、快速樣件制作等方面也得到了廣泛利用。大批生產(chǎn)實(shí)踐表明，利用高速切削技巧可節(jié)儉模具后續(xù)加工中約60%-100%的手工拋光時(shí)間、也可減少EDM的工序與時(shí)間、節(jié)儉加工本錢用度近30%、刀具切削效率可提高1倍，這種節(jié)儉已經(jīng)在很多國(guó)外模具廠商得到了真實(shí)反應(yīng)。

用高速銑削加工模具，不僅可用高轉(zhuǎn)速，大進(jìn)給，且粗、精加工一次完成，大大提高了生產(chǎn)效率。采用高速切削加工淬硬鋼模具，硬度60HRC以上，表面粗糙度Ra0.6μm，達(dá)到了磨削加工的程度，效率比電加工高數(shù)倍，不僅節(jié)儉了大批的修光時(shí)間，還可代替盡大部分的電加工工序。

2 高速加工對(duì)CNC系統(tǒng)的請(qǐng)求

高速加工是一項(xiàng)先進(jìn)的、復(fù)雜的系統(tǒng)工程技巧，與傳統(tǒng)加工工藝技巧相比，它對(duì)機(jī)床、刀具、刀柄、加工工藝、把持系統(tǒng)、CAD/CAM軟件等多項(xiàng)指標(biāo)都有較高請(qǐng)求。由于模具加工的特別性以及高速加工技巧的自身特點(diǎn)，對(duì)模具高速加工工藝系統(tǒng)（加工機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、刀具等）提出了比傳統(tǒng)模具加工更高的請(qǐng)求。

先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)是保證模具復(fù)雜曲面高速加工質(zhì)量和效率的關(guān)鍵因素，其特征體現(xiàn)在加減預(yù)差補(bǔ)，前饋把持，準(zhǔn)確矢量補(bǔ)償，最佳拐角減速、安全防護(hù)與實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面。模具高速切削加工對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)請(qǐng)求為：

高速的數(shù)字把持回路，如采用64位并行處理器、極短的直線電機(jī)采樣時(shí)間。

速度和加速度的前饋把持、數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的爬行把持。

先進(jìn)的基于NURBS的樣條插補(bǔ)盤算方法，以獲得良好的表面質(zhì)量、準(zhǔn)確的尺寸和高的幾何精度。

預(yù)處理功效。請(qǐng)求CNC具有大容量緩沖存放器，可預(yù)先瀏覽和檢查多個(gè)程序段(如1000～2000個(gè)程序段)，以便在被加工表面外形（曲率）產(chǎn)生變更時(shí)可及時(shí)采用轉(zhuǎn)變進(jìn)給速度等措施以避免過切等。

誤差補(bǔ)償功效，包含因直線電機(jī)、主軸等發(fā)熱導(dǎo)致的熱誤差補(bǔ)償、象限誤差補(bǔ)償、丈量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償?shù)裙πА?

此外，模具高速切削加工對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度的請(qǐng)求也很高。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，如RS232串行口的傳輸速度為19.2kb，而高速加工中心均已采用以太局域網(wǎng)（Ethernet）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，速度可達(dá)200kb。

3 Heidenhain iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)

海德漢公司是一家擁有100多年歷史的專門生產(chǎn)高精密丈量元件和數(shù)控系統(tǒng)的跨國(guó)集團(tuán)公司。所生產(chǎn)的高性能數(shù)控系統(tǒng)和丈量反饋元件在模具加工和高精密加工范疇中得到了廣泛的利用。

Heidenhain的iTNC 530把持系統(tǒng)是合適銑床、加工中心或需要優(yōu)化刀具軌跡把持之加工過程的通用性把持系統(tǒng)。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理時(shí)間比以前的TNC系列產(chǎn)品快8倍，所配備的“快速以太網(wǎng)”通信接口能以100Mbit/s的速率傳輸程序數(shù)據(jù)，比以前快了10倍，新型程序編纂用具有大型程序編纂才能，可以快速插進(jìn)和編纂信息程序段。在新系統(tǒng)中，該公司首次將NC主控盤算機(jī)與驅(qū)動(dòng)把持單元離開，并裝了英特爾處理器。該機(jī)采用15英寸高分辨率XGA顯示器（1025×768）或10.4英寸（640×480）VGA顯示器顯示。任何熟悉TNC系統(tǒng)的把持者很快便可以把握這種新系統(tǒng)的把持。機(jī)械師不必記憶G代碼，只需要用組合鍵按鍵就可以編制線段、弧段、循環(huán)程序。

針對(duì)模具加工的復(fù)雜曲面，假如要實(shí)現(xiàn)高速、高精和高表面質(zhì)量加工，必需具備好的硬件基礎(chǔ)、良好的伺服性能及高速把持才能。

高速3D把持器Heidenhain iTNC530重要特點(diǎn)是采用了速度更快的400 MHz的AMD處理器，iTNC530所有的實(shí)時(shí)任務(wù)均在自己開發(fā)的實(shí)時(shí)把持系統(tǒng)（HEROS）下完成，而且也可供給帶雙處理器的主盤算機(jī)，一個(gè)用來運(yùn)行Heidenhain把持系統(tǒng)，即CNC的核心“New Heros”，另一個(gè)用來運(yùn)行MS Windows 2000把持系統(tǒng)。它既可以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)盤算和穩(wěn)固性能，同時(shí)又能滿足用戶對(duì)Windows利用程序的需求。

Heidenhain iTNC530程序段的處理時(shí)間是0.5ms。幾何外形越復(fù)雜、公差請(qǐng)求越嚴(yán)格，點(diǎn)的密度將越高。用高速進(jìn)給加工時(shí)，必需更快地處理相應(yīng)的NC編碼，以免產(chǎn)生所謂的數(shù)據(jù)饑餓限制進(jìn)給速度。當(dāng)被處理的NC程序段的緩存中沒有數(shù)據(jù)時(shí)，由于缺乏定位指令，運(yùn)動(dòng)將結(jié)束或突變。HSM的CNC的特點(diǎn)是程序段的處理時(shí)間要短到1ms甚至更短的時(shí)間。iTNC530完整能勝任高速加工（HSM）請(qǐng)求的CNC系統(tǒng)。

高速加工利用中的數(shù)控加工NC程序是在外部的CAM系統(tǒng)上天生的。通常，NC程序只有幾百千字節(jié)，也經(jīng)常有高達(dá)數(shù)百兆字節(jié)的程序。因此，HSM應(yīng)用的CNC系統(tǒng)的重要特點(diǎn)是，要具有高速數(shù)據(jù)傳輸才能的快速以太網(wǎng)接口。以太網(wǎng)接口的傳輸速度是100 MBit/s，這是現(xiàn)今慣例網(wǎng)絡(luò)的尺度速度。新型的Heidenhain CNC系統(tǒng)主機(jī)單元帶有各類數(shù)據(jù)通信接口（Ethernet/RS232/RS422/USB等），所配備的快速以太網(wǎng)通信接口能以100Mb/s的速率傳輸程序數(shù)據(jù)。

iTNC 530系統(tǒng)采用限制加加速值并利用過濾器對(duì)加加速度進(jìn)行了光滑處理。高速進(jìn)給時(shí)，假如任何一個(gè)軸忽然換向會(huì)導(dǎo)致過高加速度和加加速，將造成機(jī)床結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)。通過CNC實(shí)現(xiàn)速度、加速度和加加速平滑計(jì)劃是下降或打消該影響的好方法。

Heidenhain iTNC 530支撐姊妹刀具的主動(dòng)調(diào)換功效。為了主動(dòng)處理刀具磨損或斷裂需要用同尺寸的銑刀進(jìn)行調(diào)換的情況，而且假如CNC支撐該功效的話，把持職員可加載多個(gè)雷同銑刀的換刀裝置，將這些雷同的銑刀標(biāo)識(shí)為姊妹刀具用于NC程序的調(diào)用。CNC將主動(dòng)用這些特定的姊妹刀具調(diào)換磨損或斷裂的銑刀，持續(xù)完成NC程序。

Heidenhain iTNC 530的“預(yù)讀”功效為256行。所謂“預(yù)讀”功效預(yù)先盤算每一個(gè)程序段所應(yīng)采用的準(zhǔn)確速度和加速度，并天生速度和加速度配置計(jì)劃以便滿足編程的刀具路徑請(qǐng)求。預(yù)先盤算的信息被讀進(jìn)到CNC系統(tǒng)內(nèi)的緩存中，并按加工中的程序請(qǐng)求從緩存中調(diào)用。一旦緩存中沒有數(shù)據(jù)，由于CNC系統(tǒng)的盤算速度無法跟上進(jìn)刀速度，機(jī)床將結(jié)束運(yùn)動(dòng)直到達(dá)到下一個(gè)預(yù)先盤算行動(dòng)止。這種標(biāo)題被稱為數(shù)據(jù)饑餓?，F(xiàn)代CNC系統(tǒng)的程序段處理時(shí)間越來越短，為避免產(chǎn)生數(shù)據(jù)饑餓需要數(shù)控系統(tǒng)預(yù)讀的行數(shù)也越來越少。

在強(qiáng)盛硬件的支撐下，iTNC 530采用了全數(shù)字化驅(qū)動(dòng)技巧。其地位把持器、速度把持器和電流把持器全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字把持。數(shù)字電機(jī)把持技巧能獲得非常高的進(jìn)給速率。iTNC 530在同時(shí)插補(bǔ)多達(dá)5軸時(shí)，還能使轉(zhuǎn)速高達(dá)40000r/min的數(shù)控主軸達(dá)到請(qǐng)求的切削速度。

該系統(tǒng)通用性好并合適五坐標(biāo)把持，在需要優(yōu)化刀具軌跡把持的情況下，其強(qiáng)盛的把持才能可盤算實(shí)際坐標(biāo)系，因而簡(jiǎn)化了加工循環(huán)的編程。在脫線編制3D外形程序時(shí)，該系統(tǒng)可盤算單臺(tái)機(jī)床的幾何結(jié)構(gòu)，所以同一程序可用于不同的機(jī)床。

4 結(jié)語

模具高速加工技巧目前已在發(fā)達(dá)國(guó)家的模具制作業(yè)中廣泛利用，而在我國(guó)的利用范疇及利用程度仍有待提高，隨著我國(guó)模具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，采用高速切削生產(chǎn)模具已經(jīng)成為模具制作的大趨勢(shì)，高速切削逐漸代替電火花精加工模具在國(guó)外的模具制作企業(yè)已經(jīng)廣泛采用，高速切削生產(chǎn)模具已經(jīng)成為逐漸模具制作的大趨勢(shì)，大大提高了模具生產(chǎn)效率和質(zhì)量。在德國(guó)用HSC技巧生產(chǎn)模具以來，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)本錢和加工時(shí)間的大幅降落，相對(duì)以前用的電火花方法，生產(chǎn)鍛模的本錢降落了50到60％，而加工時(shí)間降落了約70％，已經(jīng)顯示了其為模具制作企業(yè)帶來的宏大利益。

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