五坐标高速铣削加工与编程的关键技术及应用

一、前言
   
    数控高速切削制造技术促进了机械冷加工制造业的飞速发展，更新了产品设计概念，通过采用整体件加工取代零部件的分项制造装配，提高了加工效率和产品质量，缩短了产品制造周期。高速切削加速了汽车、模具、航空、航天、光学、精密机械等产品的更新换代，加速了制造技术与装备的升级，推动了企业技术进步。但目前国内存在相当一部分高速机床因各方面的原因并没有达到理想的效果，如刀具配置跟不上而低速使用，高速电主轴因长期受重载荷或使用不当造成寿命低下，企业高速切削工艺参数库及CAD/CAM高速编程软件包造成高速切削应用不是很好，高速切削工艺流程与传统的工艺流程没有有机结合，没有充分发挥高速切削加工变形小、加工效率高、定位装夹少等优势。

    高速铣削机床的特点是采用主轴运动结构实现载荷的平稳，减小工作台由于运动的惯性。尤其是当工作台承载较大时，工作台本身和工件的运动载荷对高速切削极容易引起冲击，机床结构的新颖性对高速切削有着重要的影响，传统#昧依靠工作台移动实现机床的岁方向的移动不影民适台高速切削的。典型的高速机床有瑞士Mikron公司的VCP710,美国Cincinnati公司的HyperMach五轴加工中心、日本Mazak公司的SMM-2500UHS、德国Roders公司的RFM1000、意大利FIDIA公司的KR214六坐标加工中心、FIDIA公司的D218五坐标加工中心等，其主轴转速及工作进给如表1所示。

    一般情况下，高速切削其切削速度比常规速度高出5~10倍，其材料的去除率是常规切削的3~5倍以上。对于铝合金铣削进度可达到1100m/min以上，铸铁可到700m/min，钢材可到380m/min以上，钻削200~1200/min，磨削150~360m/min。如图1所示的是采用FIDIA  KR214五坐标高速铣削加工中心机床及机床验收标准试切产品示意图。

二、高速铣削刀具、刀柄

    1.高速锐削刀柄由于高速切削时，主轴、刀柄及刀具在高速旋转情况下，较小的偏心就会产生较大的离心力，由振动引起产品的质量下降从而降低主轴和刀具的使用寿命。常规的刀具刀柄系统难以满足高速切削时的切削刚度和精度要求。现阶段比较流行常用的高速刀柄系统主要有德国的HSK刀柄、美国KM刀柄、日本NC5刀柄。HSK刀柄及KM刀柄均为1:10的锥度，采用主轴锥孔和刀柄端面过定位的方式，实现刀具的定位夹紧，其重复定位精度由传统7:24的锥度刀柄的士2.5μm提高到土1μm。采用这种刀柄系统可以提高主轴刚度，由于其契形效果好，所以能提高刀具的杭扭能力，且转速越高其锁紧力越大。但这种刃柄价格较贵，一般为常规刀柄的1.5~2倍，其最低转速小于KM刀柄。一般情况下，高速铣削中刀具刀柄的不平衡力小于切削力时，不影响刀具的使用寿命和切削效率。
   
    根据高速切削的动平衡规定，主轴转速至少要达到8000 r/min以上。其进给速度至少大于20m/min.50刀柄转速达到10000~20000 r/min,40刀柄以及HSK刀柄20000~40000r/min, KM刀柄达到35000 r/min以上。由于高速铣削动平衡的要求，在配置高速铣削刀柄刀具时优先配置经过动平衡测试的刀具系统，其次用户可以自行采用动平衡机及调整系统进行动平衡调节，但其使用非常麻烦。美国Kennametal公司推出了一种通过调节主轴系统的自动平衡刀柄系统TABS刀柄，但目前应用还不广泛。为有效发挥高速切削的加工效率，在配置高速刀具夹持刀柄系统时显得非常重要，传统的弹簧夹头、螺钉连接刀柄已不能满足高速铣削夹持精度高、结构对称性好、传递扭矩大等要求，以下为笔者总结的高速刀具及刀柄配置经验，其刀柄结构如图2所示。

图2 高速铣常用刀柄示意图

   第一，优先配置热胀式刀柄，通过热胀式加热仪装置进行加热，通过热胀冷缩的原理对刀具进行夹紧，其回转精度、结构对称性、动平衡性能均较液压式刀柄好，在欧洲应用非常广泛，尤其适合模具等行业产品的高速切削加工，该刀柄可达到40000r/min。其中热胀式装刀装置以德国Thermal Grip为典型代表。