高水平的表面轮廓铣削加工

行休

模具制造业以及航天工业的零件加工可以用现代化的高速切削（HSC）技术得到最优化的效果。如果想达到高速切削技术的经济性目的，那么就要使机床和数控系统能够应对高于常规切削方式的运动速度。
" [- m% g$ v& r/ X机床运动速度不但要非常快，加工形状也必须准确，数控系统必须在编程轮廓加工路径上精确地控制加速和减速运动。为了应对加工时间、表面质量和几何精度间的矛盾，现代数控系统必须为铣床和加工工艺提供最优化的解决方案。而且最终用户也可以通过简单的参数调整控制最终的铣削结果。CNC系统的路径控制能力是特定精度和表面质量条件下影响加工时间的决定性因素。
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图1  自由形状加工（双曲面）
模具制造业高速切削（HSC）技术对机床数控系统的要求为高硬度材料和合金工具钢加工提供了许多全新选择。在经典的电火花成形加工技术之后，高速切削技术直接加工高硬度材料越来越显示出卓越的经济性。HSC技术的突出优势之一是它在加工期间的温度分布情况和热量排除能力。高速切削、高速进给和小的切削深度使切屑可以将大量热量带离工件。
( N9 G  Q1 C: C/ \' v% IHSC的要求和影响
HSC加工进给速率大，对加工曲面工件轮廓的加速度要求更高。它能突出体现机床的机电性能。如果进给驱动加速度增加，必然会使机床的结构承受更大的加速力。此外，也容易造成机床的振动，影响表面质量。这就要求数控系统在尽可能缩短加工时间和满足精度要求条件下具有实现最佳表面加工质量的运动控制能力。数控系统必须为机床制造商和用户提供最佳的路径控制方法。
+ G. U! x+ w( I3 J; [6 u' _; ~# p机床制造商需要数控系统可以最佳地控制机床的特性。数控系统应为运动控制和进给驱动电机控制环提供参数，以及具有合理的结构。机床经常通过最终精加工零件测评其性能。必须执行每一项加工任务确保高动态响应不会造成机床的振动。因此，数控系统必须与机床紧密配合以确保任何加工任务都具有高动态性能。
5 p9 \2 O% q* b0 E- [6 s4 |CNC机床用户要求数控系统在满足工件精度的前提下能够减小加工时间。达到要求精度不需要耗时的测试，首件加工就必须能达到要求。这些要求必须定义在NC程序中，以确保批量生产的要求。而且，为使模具的加工时间控制在可接受的范围内，自由形状表面经常采用往复路径铣削。这样，数控系统还必须能生成从相反方向加工轮廓的可重复刀具路径。否则，将损坏表面质量。
  j" n3 ^( s# I4 r& G5 s数据处理能力对工件表面质量的影响，用金属切削方法加工零件涉及大量中间步骤，通过这些步骤将CAD模型几何形状转为刀具路径；CAD（计算机辅助设计）；CAM（计算机辅助制造）；CNC（计算机数字控制）；机电系统。
0 ]! Q' m( p% ~8 D; F" s, H优化加工时间、表面质量和工件精度对CNC系统提出了以下的基本要求：有效监测轮廓公差；运动方向转换后，准确的重复相邻路径；高动态运动不会导致振动。对2D刀具运动，数据处理链能力对工件精度的影响可以用海德汉公司的KGM182 2D编码器检测。通过龙门铣床上的演示单元可以展示海德汉iTNC 530系统的运动控制特性。KGM是最终可实现轮廓精度的基础检查工具。
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3 V! }  ^2 P& ?* m( v图2  球头铣刀TCP刀具路径
更快、精度更高和更准确的轮廓
5 ~$ X9 X  n4 a. X& d有效地控制轮廓公差自由形状表面的NC程序通常用CAM系统生成，它由大量简单线段组成。海德汉数控系统能够自动平滑处理过渡形状，同时保持刀具在工件表面上的连续运动。这个检测轮廓偏差的系统内部功能，可以自动控制平滑处理过程。
在自由形状表面上，CAD几何形状模型的偏差包括定义的轮廓公差值和CAM系统定义的弦高差。对工件的最终影响取决于机床整体特性和进给轴的加速调整值和加速度。
8 Y9 u, A; `  D. O* ~! @4 F# B2 UiTNC 530的路径控制功能可以平滑处理加速并满足轮廓公差要求，甚至是在轮廓加工速度剧烈变化时（图3）。如果可以定义更大的公差，就可以显著缩短加工时间。在本例中，将轮廓加工公差从0.01mm放宽到0.02mm，加工时间缩短12%。

图3  局部放大图，显示TCP的轮廓监测名义路径
5 ^! g$ P7 ?( Y  L) G9 ~图4为最优化运动控制的效果。用往复运动加工自由形状表面（编程进给速率为10m/min，精铣余量为0.1mm）。图4a的工件表面质量不合格。用iTNC 530系统的加工结果如图4b所示，相邻路径重复性好。

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图4  换向运动的多刀铣削，相邻切削路径的重复性 4a：相邻路径偏差导致的表面质量下降 4b：iTNC 530系统铣削结果：前进和后退运动加工的表面一样
HSC铣削技术要求的进给速率是对机床数控系统的巨大挑战。只有达到更高的轮廓加工平均速度才能缩短加工时间。但是，如果有小半径路径，就必须大大降低运动速度，以保证路径偏差在允许的公差带内。此外，加速和减速运动还能造成机床结构振动，损害工件表面质量。
# v3 W: m1 [. U, Y- u* |提速和加速度的平滑运动控制是海德汉数控系统的突出特点。它能非常有效地抑制机床振动。根据需要，数控系统还可以自动降低编程进给速率使振动的危险性降到最低。有效预防机床振动使零件程序以更高的运动速度执行，因此能显著缩短加工时间。

图5  实际位置用2D编码器在圆角处测量和记录，一个用名义位置值过滤器处理NC数据，另一个未用名义值过滤器（分别为5a和5b）
  ^- ^3 t3 J) @9 M3 {1 j/ g图5为2D轮廓的机床刀具实际路径。如果提速无平滑处理，加速运动阶段机床产生振动（图5a）。海德汉公司的iTNC 530系统的运动控制功能能有效避免严重振动（图5b）。图6的工件表面质量再一次清楚地显示出海德汉公司数控系统运动控制功能的非凡作用。沿图示圆弧运动需要在每一点处改变轴的加速度，造成机床振动（图6a）。iTNC 530通过平滑处理提速获得了高质量表面，没有振动影响（图6b）。
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( r! Z" I* t3 i5 X; s图6  机床振动对工件表面的影响：6a：无提速平滑处理，Z轴振动导致表面划伤  6b：iTNC 530系统的运动控制功能有效避免了振动导致的表面质量问题
HSC铣削技术对模具制造业和航天工业的加工工艺具有决定性的影响。HSC铣削技术要求的进给速率对机床数控系统是巨大挑战。加工时间、轮廓表面精度和表面质量是相互矛盾的因素，海德汉公司的iTNC 530数控系统可以确保满足优选的加工要求。因此可以防止机床振动，满足高精度要求，同时缩短加工时间。
此外，iTNC 530的相邻铣削路径重复性高，确保用户实现高质量工件表面加工，用往复多刀铣削工艺缩短加工时间。iTNC 530奠定了数控、驱动和机床结构相互配合的全新标准。使用户的批量零件生产从首件就能达到高质量加工效果。
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