复杂型面数控加工的技术关键

魔神

    

　　1.复杂型面的主要加工方法

　　复杂型面在工具和模具制造中的出现是大批量高效率生产的产物。在汽车工业中使用的锻模和冲模在数控机床出现以前主要以手工方式制造。至70年代以后，数控机床在工具和模具制造中得到了广泛的应用，复杂型面的基本轮廓通常用铣削加工，最初使用的数控机床为三轴联动。进入80年代后，五轴联动的铣床在复杂型面加工中得到了广泛的应用，铣削后的工件轮廓已经十分接近工件的最终形状，但最后一道精整工序仍为手工操作。80年代末期，高速切削技术逐步发展成熟，它在工业生产中的应用从机床、刀具及其他相关技术方面都得到了不断的完善。由于高速切削能够成倍地提高进给速度，所以在不降低生产效率的情况下使减少进刀间距成为可能，从而为提高工件的形状精度和降低表面粗糙度提供了前提条件。目前，高速铣削加工过的工件多数已不再需要最后一道手工加工的工序，而可以直接投入使用。

　　新型刀具材料如氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金属陶瓷、硬质合金特别是超硬镀膜的不断发展，使硬面铣削成为可能。模具的型面可以在淬火后铣削成形，从而可避免在铣削后再淬火而引起变形。这样既简化了加工过程，又可以提高工件精度。

　　另外，随着精密锻造在模具制造中的应用，锻打后的模具毛坯已经具有其基本形状，所剩的加工余量与整块毛坯铣削时相比已经微不足道，在这种情况下，除铣削外，还可以通过高效磨削进行加工。与硬面铣削相比，高效磨削不但可以提高工件的形状精度，而且可以改善工件的表面粗糙度。高效磨削的方法很多，通常采用的有球面砂轮高速磨削和小直径带轮的砂带磨削。

　　2.复杂型面数控加工的技术关键

　　(1)五轴多功能加工中心

　　工具和模具中常见的三维自由曲面通常在五轴联动的加工中心上进行切削。由于工件的材料大多为合金钢或工具钢，机床的结构和数控系统必须考虑加工过程中生产率和工件精度的要求，并以此为依据进行适当的布局和优化。为了保证机床在切削各种模具材料时不发生太大的变形，在确定机床布局时，机床刚度应放在首位。较大的五轴加工中心多半采用龙门式结构，一些中小尺寸的五轴加工中心有时也采用立柱式结构。

　　进入21世纪以来，复杂型面在生产中几乎全部以高速切削的方式进行加工。目的是为了提高生产效率，降低产品的成本，同时提高工件的形状精度和降低表面粗糙度。为了满足高速切削的需要，机床的主轴几乎无一例外地采用电主轴。主轴转速根据所用刀具直径的不同进行无级变速，转速范围从每分钟几千转至几万转。滑台的驱动系统在高速切削时也不同于常规加工中心，常用的系统有高速丝杠螺母副驱动和直线电机驱动，最大的进给速度可以达到100m/min以上。

　　在加工复杂型面时，机床的数控系统也必须满足一些特殊要求。比如，复杂型面的数控加工程序一般在CAD/CAM软件上生成，一个型面的程序往往需数兆字节(Byte)的储存空间，用软盘传递数控程序已经没有可能。所以数控系统必须有与其他计算机系统联网的功能，以便直接从CAD/CAM上接收数控程序。

　　此外，数控系统还必须采用先进的控制技术，首先要求具有前瞻(Look Ahead)功能。也就是说，在机床加工某一轨迹前，数据系统对要加工的曲面进行预先分析，根据曲面各点的曲率以及各相邻点的衔接关系，适当调整机床的进给速度，以便在保证工件精度的前提下达到最高的生产率。为了减少加工过程中的动态误差，新型的数据系统伺服误差的校正不再采用以往的串联式比例微分积分(PID)调节器，而是采用按位置和速度等状态参数进行补偿的状态调节器，采用这种调节器可以彻底消除驱动滞后误差，补偿由于间隙或摩擦引起的非线性误差，甚至可以抵消机床的某些振动，从而达到提高工件形状精度和降低表面粗糙度的要求。

　　(2)刀具系统

　　刀具系统在加工复杂型面时对生产效率和加工质量起决定性作用。在选用刀具系统时，必须首先从被加工零件几何形状出发，合理采用刀具的种类。如图1所示的工件，各个部位的几何形状差异很大。如果只采用球头铣刀进行加工，则必须选用直径很小的球头铣刀，这样就很难提高加工效率。另外，某些部位的圆弧半径很小，即使用很小的球头铣刀也无法加工。因此，考虑到生产效率和工件形状两方面的要求，在加工复杂型面的五轴联动加工中心上必须配备其他类型的铣刀，如端铣刀和三面刃铣刀等。

　　图2是加工复杂型面常用的一些选用铣刀类型。只要尺寸允许，不管是哪种形状的刀具，切削刃宜采用机夹可转位铣刀片。这样的刀具由于刀片和刀体可以进行多种组合，且刀片和刀体可以在不同公司进行生产，所以可形成大规模专业化生产，既有利于提高刀具的质量，又有利于降低刀具的生产成本。

　　目前市场上的可转位刀片，大多采用CVD镀膜的硬质合金刀片。为了达到更高的抗磨损性能，可转位刀片均采用多层镀膜。比如用Al2O3可以提高刀片的化学稳定性；用TiN和TiCN则可增强刀片的耐磨性。为了增强刀片的锋利程度，镀膜除了可用低温CVD方法外，还可以用PVD方法产生。有些加工对刀片的要求十分严格，刀片既要有锋利的切削刃，以降低精加工表面的粗糙度，又要有极高的耐磨性，以保证工件的形状精度。这种情况下，必须采用多种镀膜的组合。有的刀片为了确保使用过程万无一失，镀膜层数可多达100余层。

　　(3)工艺过程的优化

　　刀具的寿命与进给量、切削速度和切削深度密切相关。最佳切削用量常常是一个很小的范围，要根据具体的刀具与工件材料情况进行确定。

　　此外，切削策略如：走刀路径的规划，刀具轴线曲面法矢(曲面在该点的法向方向)或沿曲面切矢(曲面在该点的切线方向)的不同方式等，也是加工复杂型面的一个关键性因素。它不仅影响被加工工件的表面粗糙度，也影响到工件的形状和尺寸精度。图3是加工一个柱形曲面时采用的不同切削策略。在圆周方向进行切削，刀具轨迹要进行两轴联动插补。在沿母线方向进行切削时，刀具只需作单轴的插补。另外，不同的切削方法，刀具的磨损差别很大，顺铣时的刀具磨损明显低于逆铣，往复铣削时的磨损远远大于单向铣削。

　　为了提高加工过程的稳定性，优化切削策略时，必须保证切削的连续性，同时尽可能减少走刀运动和空行程，以便缩短切削时间。粗铣钢件时，必须保证连续顺铣，尽量降低刀刃在切削过程中切削量波动的峰值。

　　加工图4所示工件时，假如采用行切轨迹分区加工，刀具的运动很不合理，切削条件很不理想，加工时间需要33min，工件表面粗糙度为6～9μm。倘若改用圈切轨迹分区进行加工，加工时间约需27min,工件的粗糙度也可降至2～4μm。