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要实现经济的金属切除作业，必须全盘考虑整个加工过程。在许多情况下，与采用廉价刀具相比，采用高质量铣刀，可选用更高的进给量和切削速度，并可获得更长的刀具寿命。由于加工时间减少，大大提高了生产率和成本效益。


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我们可以采用多种不同的方法，来降低制造成本。由于直接减少刀具成本的方法，实施起来简便而迅速，所以经常有人做这方面的尝试。据专业刊物报导，刀具成本 仅占总制造成本4％左右，这是众所周知的事实。因此可以推断，采用高质量刀具可节省更多的费用。因为高质量的刀具允许采用最大的进给量，从而可获得最短的 加工时间。实际上，降低成本要从金属切除作业的整体来考虑。如果用户希望经济地使用现今的刀具，就必须研究某些要素。首先是约束参数和刀具使用条件，还包 括加工材料。这对于刀具的选择和切削参数的确定极为重要。可以看到，在湿切削、干切削和硬材料切削中，加工可靠性是一个重要的因素。具有异常锋利刀刃和合 适几何形状的刀具，可减小切削力和摩擦生热。
湿切削在冷却润滑液条件下用端铣刀进行铣拐角
切削和约束参数对不同涂层高速钢刀具的耐用度有重大影响，见右图。该图描述了铣削奥氏体不锈钢(材料牌号：1.4301)时，无涂层和TiN、TiCN、 TiAlCN、TiAlN涂层端铣刀的耐用度。刀齿进给量fz是变量。随着进给量的增大，涂层刀具的耐用度明显变大。这是由于不锈钢切削时的加工硬化所 致。在刀齿进给量小时，切屑在上次切削的加工硬化区内形成，使应力作用在刀具及其涂层上。这说明TiCN、TiAlN和TiAlCN涂层具有有利的性能。 随着进给量的增大，相对于金属去除率的比切削力减小。在较低的应力载荷下，TiN、TiCN、TiAlCN和TiAlN涂层不再显示任何不同(表1， A)。从这些关系所表露的事实，可通过减少涂层的重复性而节省刀具费用。为此，瑞士Alesa公司将标准刀具的涂层限定在TiN、TiAlN和TiAlN -X几种。其他涂层刀具也可按要求供应。
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表1　湿切削的切削用量 　 刀具 切削用量
材料 工序 铣刀类型 刀直径
mm 齿数 刀片 刀片材料 每齿进
给量fz
mm/Z 切削速度
Vc
m/min 切深
aP
mm 切宽
aB
mm
A DIN 1.4301
(X5GrNi1810) 铣角 端铣刀 10 4 　 　 　 60 13 2
B DIN 1.4301
(X5GrNi1810) 铣槽 Alesa螺旋式90°
AO 20R 63 5 　 　 0.12 19.8 16 63
C GGV-40 粗铣 面铣刀
90°SD
12R 160 10 SDFT
1204-
AEFN 硬质合金
MG-20
TiAIN
(单层) 0.15 130 2.0 130
D GGV-40 精铣 面铣刀
45°SD
12R 10 SDFT
1204-
AEFN 硬质合金
MG-20
TiAIN
(单层) 0.05 130 1.0 130
在奥氏体不锈钢上铣槽

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机床之外，实践中某些参数已基本上不必再选。在第一个例子中，这些与切削宽度ae、深度ap和材料有关。尽管如此，该例还是说明了依据使用高速钢刀头的切 削规范，可实现的切削性能。附加的措施确保了可靠的加工。该例还表明，涂层是非常合适的。为获得最佳结果，奥氏体不锈钢(材料牌号为1.4301)是在一 台稳固的立式铣床上进行切削的。该铣床主轴驱动电机功率为22kW，铣削时以较小压力从外部供给冷却润滑液。
首先，必须保证可靠排屑。排屑是借助一套压缩空气喷射装置直接完成的。允许的最大切削速度Vc和刀具进给量，受限于由机床、工件、工件夹紧机构和刀具组成 的系统的刚度。甚至，稍稍增大切削速度就会触发显著的振动。结果，使刀刃在瞬间遭到破裂。采用槽铣刀时(左图)，刀具持续时间可达40～60min(下 图)。由图可知，从磨损的观点看，TiAlN涂层刀具的效果最佳。至于工件的表面质量，不同涂层间无任何差别。该试验结果，在后来的实际加工中得到证实 (表1，B)。

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GGV-40铸铁制发动机缸体的加工
虽然现有的GGV铸铁已经问世多时。但因其始终如一的可再现特性，直到最近才能加工。与灰铸铁(GGL)相比，它具有较高的强度和弹性模量；与球墨铸铁 (GGG)相比，它更耐温度波动和具有更好的浇铸性能和阻尼性能。这些有利的性能的结合，使GGV铸铁特别适合用作制造发动机缸体的材料。但加工时由于刀 具磨损严重，至今，切削加工仍是一个难题。在惯用的切削速度下，刀具耐用度比切削普通铸铁下降30％～50％。由于加工条件和切削参数由自动线给出，因 而，提出了是否采用特殊刀具几何形状、细晶粒硬合金和特殊耐磨涂层组合的问题，以使耐用度得以提高。
试切是用45°SD12R面铣刀(表1，C、D)，在Maho 800H型加工中心上进行的。
表面粗糙度和表面质量符合规定的标准。在进行了八次粗铣和两道精铣后，刀具的磨损仍不明显。与标准机夹刀片相比，这种锐刃涂层刀片切削得相当好，且整个切 削过程几乎寂静无声。大流量冷却液用于冲走切屑和稳定系统的温度。这说明硬质合金在目前是合用的，它特别适用于冷却辅助切削。
干切削
干式切削免去了冷却、润滑和由冷却液冲走切屑的主要功能。因而，这种切削方式不能用来吸收切削时产生的那部分热量。尽管如此，所提供的合适的切削材料、涂 层、刀具几何形状和工艺参数均经过预选确定，干切削是可行的。出于健康方面的原因以及燃烧和爆炸的危险，无论如何，应注意抽走因干切削所产生的微细屑末。
如今，已有适用于做刀具材料的硬质合金。采用机夹刀片的刀具几何形状在刀具的选择中起着重要的作用。刀具涂层也极为重要。它必须能实现两个功能：其一，它 在刀具与工件之间起一个热壁垒的作用，从而减小作用于刀具基体上的热应力；同时，它起一种固体润滑剂的作用，以减小摩擦和切屑的附着。理想的涂层应能阻碍 这类磨损，不致损坏刀具，且延续的时间要尽可能地长。目前，TiAlN涂层便是其中一种能满足这些要求的高性能涂层。
铣削导柱
由于所需切削力和发热量有限，采用干切削加工导柱并不困难。不管长度如何，被加工工件都会产生少量变形。但由于所用的切削力异常地小，所造成的变形也很 小。结果，加工时间明显缩短。干切削时，必须切记，不管采用何种刀具涂层，加工过程中产生的热量，总有一部分会传到刀具上，并再经刀具传到刀具主轴，尤其 是在工件特别长或延长加工时间的情况下。
导柱(用St52-3制成)上的槽，是采用45°SD12R面铣刀铣削的。铣刀上装有SDFT 1204 AEFN机夹刀片(参见表2，A)。鉴于这些刀片刀刃的耐用度超过40min，因而，不用换刀，便可加工10个以上的工件。在此情况下，最大金属切除率达 到315cm3/min。平面铣削是使用90°AP 16R面铣刀进行的，铣刀上装有APFT 1604PDR刀片(参见表2，B)。
铣削多位夹具
该工件由工具钢(材料牌号：1.2312)制成，平面加工由铣削完成，槽部挖空且将角铣至90°。基于这些情况，考虑采用干切削。这不仅可保证顺利地排 屑，而且能不太困难地实现稳定可靠的加工。压缩空气用于辅助排屑，尤其是在铣削槽部和角部时。采用这种方法可防止切屑回落到切削区。每个刀刃的耐用度为 45～60min(参见表2，C～E)。
表2　干切削的切削用量　 刀具 切削用量
　 材料 工序 面铣刀 刀具
直径
mm 齿数 刀片 刀片材料 每齿进
给fz 切削速度
Vc
m/min 进给量
Vf
mm/min 切深
aP
mm 切宽
aB
mm
A St52-3 槽铣 Alesa
45°SD
12R 50 4 SDFT
1204
AEFN 硬合金
MG-20
TiAIN(单层) 0.25 260 1400 2.0 50
B St52-3 平面铣 Alesa
90°SD
16R 50 4 APFT
1604
PDR 硬合金
MG-20
TiAIN(单层) 0.1 260 640 3.5 17
C 工具钢
1.2312 平面铣 Alesa
45°SD
12R 100 7 SDFT
1204
AEFN 硬合金
MG-20
TiAIN(单层) 0.084 150 280 5 75
D 工具钢
1.2312 扩孔 Alesa
45°SD
12R 50 4 SDFT
1204
AEFN 硬合金
MG-20
TiAIN(单层) 0.084 150 320 5×3 50
E 工具钢1.2312 开槽铣 Alesa
90°AP
16R 50 4 SDFT
1604
PDR 硬合金
MG-20
TiAIN(单层) 0.06 140 214 15 1
铣削淬硬金属
与干切削一样，使用几何形状确定的刀具加工淬硬零件，在金属去除加工领域是一种突破性的工艺技术。它特别适用于大量生产。目前，硬化零件的加工程序通常的 安排是，加工成形后便进行热处理，以磨削作为最后工序。淬硬金属切削的优点在于，淘汰了金属工件在未淬硬状态下的成形加工。这是由“接近纯粹形状”技术支 持的。淬硬零件的最后成形，是用一种专用刀具直接完成的。因此，可明显地缩短工件的传送和切削时间。另一个优点是可加工出具有很高表面质量的工件。
这种技术的出现是基于：新的制造概念和机床设计；高温硬质切削材料的出现和涂层技术的发展，另外还包括低导热性和高耐热、耐化学性技术的发展。
只有在能量转换点产生的高温，使材料软化，硬金属的加工才是可行的。适用作切削材料的有CBN(立方氮化硼)、陶瓷和超细晶粒硬质合金。成功地进行加工的 先决条件，是正确地选择切削速度、进给量和切削深度等加工参数。由于作用于刀具上的应力载荷相当高，因而这些参数要小于切削未淬硬金属的参数，特别是切削 深度。这样能达到的金属去除率也相对较低。确保淬硬工件边缘的金属组织不会在切削过程中遭到破坏也是很重要的。这在刀具锋利时进行切削加工是能实现的，但 随着刀刃的磨损，边缘区域可能会受影响。

铣削导轨

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铣削导轨时，工件(参见左图)局部表面淬硬至60～62HRC。对于曲面以及从淬硬材料与未淬硬材料的过渡区，采用间断加工法。加工该工件型面的外轮廓相当困难。加工是在驱动电机额定功率为10kW的加工中心上进行的。
铣削时所用铣刀为90°AP16R面铣刀，其直径为80mm，6齿，用装有带TiAlN涂层的硬质合金APFT 1604 PDR刀片，刀片前角为18°。所用切削速度200m/min，进给量100mm/min，切削宽度48mm，分三个工步，每工步切深2.5mm，每齿进 给量为0.02mm。刀具可稳定地加工50多个工件。具有标准几何形状的刀具不能加工淬硬金属。
充分合作

将来，为能经济地完成金属去除工作，需要用户与刀具、机床及涂层制造厂商密切合作。在制造环境方面，刀具制造厂商的作用将从单独供货商变为在很大程度上共 担生产责任的协作者。他将不仅管理刀具后勤和与生产过程有关的服务，而且需要提供优化加工参数的技术支持。用户期待着新的技术，以保证其产品的质量符合要 求并能确保加工的可靠性。当然，在每个决策阶段，成本效益仍起着决定性的作用。
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一、前言

模具作为模压产品生产的关键工装，其设计与生产周期日益成为决定新产品开发周期的决定因素。目前工业发达国家的航空航天、汽车、机械、模具、机床等行业首 先得益于该项新技术，使上述行业的产品质量明显提高，成本大幅度降低，获得了市场竞争优势。在汽车工业中，过去新车型的开发周期一般为10年，现在缩短为 2～3年。福特、通用、丰田等公司的新车型开发周期仅为1年半，这一切都得益于企业模具设计与制造手段的现代化水平的提高。高速切削技术逐渐应用于加工铸 铁和硬铝合金，尤其是加工大型覆盖件冲压模、锻模、压铸模和注射模，目的是在减少加工时间和研制时间的同时提高尺寸公差和表面一致性。目前国际上高速切削 加工技术主要应用于汽车工业、模具行业、航空航天行业，尤其是在加工复杂曲面的领域，工件本身或刀具系统刚性要求较高的加工领域，显示了强大的功能。国内 高速切削加工技术的研究与应用始于20世纪90年代，也是主要应用于模具、航空、航天和汽车工业，但采用的高速切削CNC机床、高速切削刀具和 CAD/CAM软件等以进口为主。

二、高速切削加工应用的关键技术

数控高速切削加工作为模具制造中最为重要的一项先进制造技术，是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术。在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高 速切削加工的应用得到了解决。其切削速度、进给速度相对于传统的切削加工，以级数级提高，切削机理也发生了根本的变化。与传统切削加工相比，切削加工发生 了本质性的飞跃，其单位功率的金属切除率提高了30%～40%，切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%，留于工件的切削热大幅度降低，低阶切削 振动几乎消失。随着切削速度的提高，单位时间毛坯材料的去除率增加，切削时间减少，加工效率提高，从而缩短了产品的制造周期，提高了产品的市场竞争力。同 时，高速加工的小量快进使切削力减少，切屑的高速排除，减少了工件的切削力和热应力变形，提高了刚性差和薄壁零件切削加工的可能性。由于切削力的降低，转 速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的表面粗糙度对低阶频率最为敏感，由此降低了表面粗糙度。在模具的高淬硬钢件 （HRC45～65）的加工过程中，采用高速切削可以取代电加工和磨削抛光的工序，避免了电极的制造和费时的电加工时间，大幅度减少了钳工的打磨与抛光 量。一些市场上越来越需要的薄壁模具工件，高速铣削可顺利完成。而且在高速铣削CNC加工中心上，模具一次装夹可完成多工步加工。这些优点在资金回转要求 快、交货时间紧急、产品竞争激烈的模具等行业是非常适宜的。

1.高速切削加工

高速加工切削系统主要由可满足高速切削的高速加工中心、高性能的刀具夹持系统、高速切削刀具、安全可靠的高速切削CAM软件系统等构成，因此，高速加工实 质上是一项大的系统工程。随着切削刀具技术的进步，高速加工已可以应用于加工合金钢（HRC>30），广泛地应用于汽车和电子元件产品中的冲压模、 注塑模具等零件的加工。高速加工的定义依赖于被加工的工件材料的类型。图1是采用高速加工时对不同材料普遍采用的切削速度。例如，高速加工合金钢采用的切 削速度为500m/min，而这一速度在加工铝合金时为常规采用的顺铣速度。

随着高速加工的应用范围扩大，对新型刀具材料的研究、刀具设计结构的改进、数控刀具路径新策略的产生和切削条件的改善等也有所提高。而且，切削过程的计算 机辅助模拟技术也出现了，这项技术对预测刀具温度、应力、延长刀具使用寿命很有意义。铸造、冲模、热压模和注塑模加工的应用代表了铸铁、铸钢和合金钢的高 速切削应用范围的扩大。工业领先的国家在冲模和铸模制造方面，研制时间大部分耗费在机械加工和抛光加工工序上，如图1所示。冲模或铸模的机械加工和抛光加 工约占整个加工费用的2/3，而高速铣可正好用来缩短研制周期，降低加工费用。


图1 高速铣削制造周期与常用材料切削速度
2.高速铣削加工机床

超高速切削技术是切削加工的发展方向，也是时代发展的产物。高速切削技术是切削加工技术的主要发展方向之一，它随着CNC技术、微电子技术、新材料和新结 构等基础技术的发展而迈上更高的台阶。然而，高速切削技术自身也存在着一些急待解决的问题，如高硬度材料的切削机理、刀具在载荷变化过程中的破损、建立高 速切削数据库、开发适用于高速切削加工状态的监控技术和绿色制造技术等。高速切削所用的CNC机床、刀具和CAD/CAM软件等，技术含量高，价格昂贵， 使得高速切削投资很大，这在一定程度上制约了高速切削技术的推广应用。高速切削的高效应用要求机床系统中的部件都必须先进，主要表现在以下几个方面：

(1)机床结构的刚性

要求提供高速进给的驱动器(快进速度约40m/min,3D轮廓加工速度为10m/min),能够提供0.4m/s2到10m/s2的加速度和减速度。

(2)主轴和刀柄的刚性

要求满足10000r/min到50000r/min的转速，通过主轴压缩空气或冷却系统控制刀柄和主轴间的轴向间隙不大于0.0002英寸。

(3)控制单元
要求32或64位并行处理器，具有高的数据传输率，能够自动加减速。

(4)可靠性与加工工艺
能够提高机床的利用率（6000h/y）和无人操作的可靠性，工艺模型有助于对切削条件和刀具寿命之间关系的理解。

常见国内外高速加工中心的代表如表1所示。与传统普通数控机床相比，其机床结构、加工速度和性能表现更加优秀，如德国的DMC85高速加工中心，采用直线 电机和电主轴，其主轴转速达到30000r/min，进给速度达到120m/min，加速度超过1g（重力加速度）。高速机床要求高性能的主轴单元和冷却 系统、高刚性的机床结构、安全装置和监控系统以及优良的静动力特性等，具有技术含量高、机床制造难度大等特点。目前国内的高速机床，其性能与国外相比还存 在一定的差距。

表1 国内外高速加工中心



3.高速切削加工的刀柄和刀具

由于高速切削加工时离心力和振动的影响，要求刀具具有很高的几何精度和装夹重复定位精度，很高的刚度和高速动平衡的安全可靠性。由于高速切削加工时较大的 离心力和振动等特点，传统的7:24锥度刀柄系统在进行高速切削时表现出明显的刚性不足、重复定位精度不高、轴向尺寸不稳定等，主轴的膨胀引起刀具及夹紧 机构质心的偏离，影响刀具的动平衡能力。目前应用较多的是HSK高速刀柄和国外现今流行的热胀冷缩紧固式刀柄。热胀冷缩紧固式刀柄的加热系统，其刚性较 好，但是刀具可换性较差，一个刀柄只能安装一种连接直径的刀具。由于此类加热系统比较昂贵，在初期时采用HSK类的刀柄系统即可。当企业的高速机床数量超 过3台以上时，采用热胀冷缩紧固式刀柄比较合适。

刀具是高速切削加工中最活跃重要的因素之一，它直接影响着加工效率、制造成本和产品的加工精度。刀具在高速加工过程中要承受高温、高压、摩擦、冲击和振动 等载荷，因此其硬度和耐磨性、强度和韧性、耐热性、工艺性能和经济性等基本性能是实现高速加工的关键因素之一。同时不同的材料的工件高速切削在刀具的选用 上要注意其与工件材料的匹配性，表2为常用高速刀具对不同工件材料切削加工的适应性能力。高速切削加工的刀具技术发展速度很快，应用较多的如金刚石 （PCD）、立方氮化硼（CBN）、陶瓷刀具、涂层硬质合金、（碳）氮化钛硬质合金TIC（N）等。目前由于高速机床和刀具材料价格比较昂贵是影响高速加 工在国内普及的重要原因之一。其中涂层硬质合金在高速加工中应用最为广泛，可用于耐热合金、钛合金、高温合金、铸铁、纯钢、铝合金及复合材料的高速切削。

表2 常用高速刀具材料切削适应性



在加工铸铁和合金钢的切削刀具中，硬质合金是最常用的刀具材料。硬质合金刀具耐磨性好，但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。为提高硬度和表面光洁度，硬质合金刀 具采用硬的涂层材料进行涂层，如氮化钛、氮化钛铝和碳氮化钛等。直径在10～40mm范围内，且有碳氮化钛涂层的硬质合金刀片能够加工洛氏硬度小于42的 材料；而氮化钛铝涂层的刀具能够加工洛氏硬度为42甚至更高的材料。可根据使用要求，选用不同的刀具材料和涂层材料。表3给出了硬质合金刀具加工铝合金材 料的切削参数。

应用于高速切削的刀具和涂层材料可分为：加工铸铁的立方氮化硼和氮化硅刀具，加工洛氏硬度达42的合金钢的氮化钛和碳氮化钛涂层的合金刀具，加工洛氏硬度 为42甚至更高的合金钢的氮化钛铝和铝氮化钛涂层合金刀具等。经过实践验证，在复合材料的铣削加工过程中由于切屑呈现粉末状，因此要求切削刃比较锋利耐 磨，采用金刚石材料的刀具其效率和精度比普通硬质合金要好。钛合金的切削采用涂层硬质合金和YG8的普通硬质合金比较理想。

表3 硬质合金铝合金的高速切削参数


4.高速切削数控编程

高速铣削加工对数控编程系统的要求越来越高，价格昂贵的高速加工设备对软件提出了更高的安全性和有效性要求。高速切削有着比传统切削特殊的工艺要求，除了 要有高速切削机床和高速切削刀具外，具有合适的CAM编程软件也是至关重要的。数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程，一个优秀的高速加工CAM编程系 统应具有很高的计算速度、较强的插补功能、全程自动过切检查及处理能力、自动刀柄与夹具干涉检查、进给率优化处理功能、待加工轨迹监控功能、刀具轨迹编辑 优化功能和加工残余分析功能等。高速切削编程首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次，要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响加工质量和机床 主轴等零件的寿命；最后，要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影响刀具的寿命。

(1)CAM系统应具有很高的计算编程速度

高速加工中采用非常小的切给量与切深，故高速加工的NC程序比对传统数控加工程序要大得多，因而要求计算速度要快，要方便节约刀具轨迹编辑，优化编程的时间。

(2)全程自动防过切处理能力及自动刀柄干涉检查能力
高 速加工以传统加工近10倍的切削速度进行加工，一旦发生过切对机床、产品和刀具将产生灾难性的后果，所以要求其CAM系统必须具有全程自动防过切处理的能 力。高速加工的重要特征之一就是能够使用较小直径的刀具，加工模具的细节结构。系统能够自动提示最短夹持刀具长度，并自动进行刀具干涉检查。

(3)丰富的高速切削刀具轨迹策略

高速加工对加工工艺走刀方式比传统方式机能有着特殊要求，因而要求CAM系统能够满足这些特定的工艺要求。为了能够确保最大的切削效率，又保证在高速切削 时加工的安全性，CAM系统应能根据加工瞬时余量的大小，自动对进给率进行优化处理，以确保高速加工刀具受力状态的平稳性，提高刀具的使用寿命。CAM软 件在生成刀具轨迹方面应具备以下功能：

☆应避免刀具轨迹中走刀方向的突然变化，以免因局部过切而造成刀具或设备的损坏；

☆应保持刀具轨迹的平稳，避免突然加速或减速；

☆下刀或行间过度部分最好采用斜式下刀或圆弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料；行切的端点采用圆弧连接，避免直线连接；
☆残余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般应采用多次加工或采用系列刀具从大到小分次加工，避免用小刀一次加工完成，还应避免全力宽切削；

☆刀具轨迹编辑优化功能非常重要，避免多余空刀，可通过对刀具轨迹的镜像、复制、旋转等操作，避免重复计算；

☆刀具轨迹裁剪修复功能也很重要，可通过精确裁剪减少空刀，提高效率，也可用于零件局部变化时的编程，此时只需修改变化的部分，无须对整个模型重编；

☆可提供优秀的可视化仿真加工模拟与过切检查，如Vericut软件就可很好地检测干涉。

三、在高速铣削编程中的常用策略和CAM软件

高速加工包括以去除余量为目的的粗加工、残留粗加工，以及以获取高质量的加工表面及细微结构为目的的半精加工、精加工和镜面加工等。高速加工中的粗加工所 应采取的工艺方案是高切削速度、高进给率和小切削量的组合。等高加工方式是众多CAM软件普遍采用的一种加工方式。应用较多的是螺旋等高和等Z轴等高两种 方式，也就是在加工区域仅一次进刀，在不抬刀的情况下生成连续光滑的刀具路径，进、退刀方式采用圆弧切入、切出。螺旋等高方式的特点是，没有等高层之间的 刀路移动，避免频繁抬刀、进刀对零件表面质量的影响及机械设备不必要的耗损。对陡峭和平坦区域分别处理，计算适合等高及适合使用类似3D偏置的区域，并且 同时可以使用螺旋方式，在很少抬刀的情况下生成优化的刀具路径，获得更好的表面质量。在高速加工中运用，一定要采取圆弧切入、切出连接方式，以及拐角处圆 弧过渡。禁止使用直接下刀的连接方式来生成高速加工的程序。

高速精加工策略包括三维偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。这些策略可保证切削过程光顺、稳定，确保能快速切除工件上的材料，得到 高精度、光滑的切削表面。精加工的基本要求是要获得很高的精度、光滑的零件表面质量，轻松实现精细区域的加工，如小的圆角、沟槽等。

对许多形状来说，精加工最有效的策略是使用三维螺旋策略。使用这种策略可避免使用平行策略和偏置精加工策略中会出现的频繁的方向改变，从而提高加工速度， 减少刀具磨损。这个策略可以在很少抬刀的情况下生成连续光滑的刀具路径。这种加工技术综合了螺旋加工和等高加工策略的优点，刀具负荷更稳定，提刀次数更 少，可缩短加工时间，减小刀具损坏机率。它还可改善加工表面质量，最大限地减小精加工后手工打磨的需要。在许多场合需要将陡峭区域的等高精加工和平坦区域 三维等距精加工方法结合起来使用。

采用高速加工设备之后，对编程人员的需求量将会增加，因高速加工工艺要求严格，过切保护更加重要，故需花多的时间对NC指令进行仿真检验。一般情况下，高 速加工编程时间比一般加工编程时间要长得多。为了保证高速加工设备足够的使用率，需配置更多的CAM人员。现有的CAM软件，如DELCAM的 PowerMILL、美国MasterCAM、 UGS的UnigraphicsNX、Dassualt的CATIA、以色列的Cimatron E等都提供了相关功能的高速铣削刀具轨迹策略。图2～图5分别为UnigraphicsNX、CATIA、MasterCAM平台下的薄壁零件和模具的高 速铣削加工刀具轨迹示意图。


图2 UG NX/CAM高速铣削轨迹示意图


图3 CATIA高速铣削轨迹示意图



图4 MasterCAM高速铣削轨迹示意图


图5 MasterCAM高速铣削仿真加工示意图
四、高速切削加工在模具制造中的典型应用实例

模具的高速加工技术逐渐成为我国模具工业技术改造最主要的内容之一。高速加工的效率不仅决定于主轴速度与刀具直径，还与所切削的材料、刀具寿命及加工工艺 等综合因素有关。注塑模具、压铸模具、冲压模具及锻模等合金模具钢材料的硬度一般超过HRC50。这类模具高速加工的限制因素主要是刀具寿命，而非铝合金 加工中的主轴速度。对于小型模具的细节结构的加工，主轴速度可达40000r/min以上。而大型汽车覆盖件模具的加工，一般主轴速度 12000r/min以上的加工即可称为高速加工。

注射模、铸模、锻模和覆盖件冲压模等的模具机械加工时间主要耗费在生产凸模和凹模等部件上。在美国，最常用的模具材料为3Cr2Mo模具钢 (HRC30)，锻模和铸模常用材料为4Cr5MoV1Si钢，有HRC45～60的锻模和HRC46～50的铸模等。表4列出了最常用的模具材料， 40Cr、45＃钢淬火调质是注射模常用的材料，50%的模具制造商加工注射模采用高速切削来完成。3Cr2Mo模具钢是加工注射模最常用的钢，因含碳量 低，通常预先热处理到HRC30时加工，然后在淬火到HRC50～55。在压铸模的应用中，热锻模具钢4Cr5MoV1Si在HRC46状态时仍可进行精 加工。


表4 美国常用模具材料与公差要求



图6所示的是在UGNX环境下编制的某基于SMC成型的大型覆盖件热压模凹模的数控高速铣削加工刀具轨迹示意图。其粗加工采用基于残留毛坯的等高分层铣 削，半精加工采用3D平行铣削。该热压模材料为55＃铸钢，在粗加工时采用了Ф40的镶齿螺旋铣刀，切削参数为主轴800r/min、切削深度为Z轴每层 2mm、切削宽度90%刀具直径宽度、进给率为2000mm/min。



图6 覆盖件热压模高速铣削示意图

图7则是在MasterCAM平台下，对某采用40Cr的注射模进行高速切削加工的刀具轨迹与仿真加工示意图。这里采用的是传统的数控机床，由于其主轴转 速的限制，其高速切削用量：粗加工采用Ф20的刀具、转速2000r/min、进给率2000mm/min、切削深度2mm；精加工采用Ф12mm的刀 具、切削深度0.2mm/min、主轴转速3500r/min、进给率3000mm/min。


图7 注射模高速铣削刀具轨迹示意图

五、结束语

高速加工技术是世界范围内倍受关注的前沿技术，它将极大地促进加工的效率提高和产品品质的改善。正如前文所述，高速加工是一个系统工程，他要求从软件、硬件及设备方面的全方位的改革，但由于其具有传统加工无可比拟的优势，仍将是今后加工技术必然的发展方向。
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摘要：本文简略介绍了通用典型CAD\CAM平台在进行数控铣削加工编程时，其三轴刀具轨迹设计、五轴刀具矢量控制及其轨迹设计、后处理程序开发等方面的对比应用，并以实例的形式进行说明，希望能为读者利用不同的CAM软件平台进行数控编程时提供参考借鉴作用。
关键词：数控铣削编程，CAD\CAM

前言:

数 控加工作为机械制造业中先进生产力的代表，经过十余年的引进与发展，已经在汽车、航空、航天、模具等行业发挥了巨大的作用。它推动了企业的技术进步和经济 效益的增长。但是由于多方面原因，国内不同行业在应用数控加工方面表现的差距较大。一方面由于机床刀具软硬件配置等方面的原因，尤其是多坐标控制联动的高 速铣削机床，进口设备由于其成本很高，企业不得不考虑其投资效益问题。另一方面多坐标联动高速铣削的CAM软件选型、应用编程与开发方面，需要一个长时期 的技术积累才能赶上国外先进水平，尤其是对于人员的技术水平要求较高的CAM软件应用编程开发方面表现更为明显。

用于数控铣削加工编程的 CAM软件平台较多，比较常用的UGNX、CATIA、Pro/E、Mastercam、Cimatron、Surfcam、Powermill等，这些 CAM软件平台在不同企业数控铣削编程方面发挥了很大的作用，虽然各自应用流程略有差别，但各系统提供的基本数控编程功能都比较相似。但是企业产品对象不 同，使得对CAM平台的选型和应用方面的要求有所不同。数控三轴铣削编程上都能满足企业的要求，但在五轴铣削编程，刀具轴矢量控制与后处理程序开发等方面 还是存在较大差别的，尤其是五轴机床的加工编程与后处理程序开发表现更为突出。本文就通用的CAD\CAM软件平台为环境，以几个具体的产品对象的数控铣 削加工编程应用实例，简要介绍它们在进行数控三轴铣削、五坐标联动加工编程、后处理开发模式、机床仿真加工模拟接口方面的实例应用。希望对读者有所借鉴作 用。

一、三轴铣削刀具轨迹设计

现有典型CAM平台在进行数控铣削编程时，其流程基本相同，主要涉及加工对象定义、刀具选 择、加工模式选择、轨迹优化编辑修改控制、后处理与实体模拟等方面内容。典型CAM平台在三轴联动数控铣削加工编程方面，都包括为粗加工、精加工、清根加 工三种模式以及实体模拟仿真。在刀具轨迹的生成控制方式主要包括二维轮廓粗精加工、、深孔钻削加工、平行或环形等高分层铣削、螺旋铣削、曲面流线、投影加 工、曲面清根、放射加工等功能，在高速铣削加工方面一般都提供高速R圆角控制、变速处理、直线拟合、样条插补等轨迹优化策略。利用典型的CAM 平台在加工某薄壁空间曲面，其刀具轨迹示意图如下图1～3所示。从图中可以看出，在粗加工方面，各CAM平台功能相当；但在清根处理上，UGNX、 CATIA、CIMATRONE可进行多次清根处理；在实体仿真切削时，MASTERCAM、CATIA、CIMATRONE、SURFCAM等平台相对 而言模拟速度较快。

二、五轴数控铣削刀具轨迹设计

在利用CAM平台进行五轴数控铣削刀具轨迹设计时，其核心内容主要包括 刀具轴矢量控制、轨迹驱动方式、进退刀处理、五轴数控机床后处理与五坐标机床加工仿真模拟等方面的工作。由于五轴加工时产品的复杂性和刀具轴控制的灵活性 和多样性，导致五坐标联动加工编程的难度和复杂性较大。一般CAM平台都提供五轴铣削数控编程功能，其主要包括（A）旋转四轴：多用于带旋转工作台或配备 绕X、Y轴的旋转台的的四轴加工；如MACH1600位Z轴旋转的工作台主轴可立卧转换，可对外圆上的槽或型腔进行加工；（B）五轴底刃铣削：用于铣刀的 底刃对空间曲面进行加工，避免传统球头刀的加工，此时需要对刀轴矢量进行合理的控制设计；（C）侧刃五轴：利用铣刀的侧刃对空间的曲面进行加工，避免球头 刀的R切削，能大幅度提高曲面粗精加工的效率；（D）五轴顺序铣削与五面体加工：多用于铣削工步内容比较多的多面体加工，如立卧转换五面体加工中心可一次 加工产品上的五个面或内外腔的场合，多用于工序的复合化加工；（E）曲线五轴：对空间的曲面曲线进行五轴曲线加工；（F）五轴钻孔：对空间的孔进行钻孔加 工，多用于孔的位置不再三个基准平面上比较特殊的场合，如圆锥面上的孔或产品上孔位的轴线方向变化的场合。

空间曲面五轴加工涉及的内容比 较多，尤其是五轴加工时更明显。进行五轴加工时涉及加工导动曲面、干涉面、轨迹限制区域、进退刀及刀轴矢量控制等关键技术。四轴五轴加工的基础是理解刀具 轴的矢量变化。四轴五轴加工的关键技术之一是刀具轴的矢量（刀具轴的轴线矢量）在空间是如何发生变化的，而刀具轴的矢量变化是通过摆动工作台或主轴的摆动 来实现的。对于矢量不发生变化的固定轴铣削场合，一般用三轴铣削即可加工出产品，五轴加工关键就是通过控制刀具轴矢量在空间位置的不断变化或使刀具轴的矢 量与机床原始坐标系构成空间某个角度，利用铣刀的侧刃或底刃切削加工来完成。刀具轴的矢量变化控制一般有固定矢量、曲面法线、固定点、直线导动、直纹面导 动、刀具轨迹投影、点位与任意矢量连续插补等方式。

典型 CAM平台在对某变锥度零件数控铣削加工编程时，各平台环境下的刀具轨迹示意图如下图4～7所示。从图中可以看出，现有的CAM平台一般能满足该产品五坐 标铣削加工编程的需要。但是从用户的使用经验上讲，UnigraphicsNX平台在刀具轴矢量控制方面表现得更加灵活，尤其是其提供的插补刀具轴矢量控 制和顺序铣削编程功能能够使得用户很轻松得完成所期望的五坐标联动铣削刀具轨迹目标。

三、后处理程序开发模式

五坐标数控 铣削加工编程的后处理程序开发的主要内容包括：①算法处理：主要针对多坐标加工时的坐标变换、跨象限处理、进给速度控制。②数控系统控制指令的输出：主要 包括机床种类及机床配置、机床的定位、插补、主轴、进给、暂停、冷却、刀具补偿、固定循环、程序头尾输出等方面的控制。③格式转换：数据类型转换与圆整、 字符串处理等：主要针对数控系统的输出格式如单位、输出地址字符等方面的控制。

五轴数控机床的配置形式多样，典型配置有绕X 轴和Y轴旋转的两个摆动工作台，其二为主轴绕X轴或Y轴摆动，另外的工作台则相应绕Y轴或X轴摆动来构造空间的五轴联动加工。对于主轴不摆动的五轴数控机 床，其摆动轴存在主次依赖关系，即主摆动轴（Primary Table）的运动影响次摆动轴（Secondary Table）的空间位置，而次摆动轴的运动则不影响主摆动轴的空间位置状态。用于对典型的五轴机床运动方式进行配置，可对工作台双摆动、主轴头双摆动、主 轴摆动及工作台摆动、工作台复合摆动（回转）、主轴复合摆动（回转）等典型五轴机床进行设置。主轴回转或摆动对应于相应机床，其所处于主动轴或从动轴的形 式。在确定机床运动类型以后，其旋转轴矢量平面和旋转中心等设置是非常重要的，：用于设置主动轴及次动旋转轴矢量方向，设置主轴或工作台复合摆动轴矢量方 向。旋转轴中心、偏心设置及刀具轴输出设置。如下所示为在Mastercam平台下的五轴机床类型设置。

#Machine rotary routine settings
mtype : 0 #Machine type (Define base and rotation plane below)
#0 = Table/Table
#1 = Tilt Head/Table
#2 = Head/Head
#3 = Nutator Table/Table
#4 = Nutator Tilt Head/Table
#5 = Nutator Head/Head
head_is_sec : 1 #Set with mtype 1 and 4 to indicate head is on secondary

现 有的CAM平台提供的刀具路径的文件包括标准的可编译文件（如APT文件）和二进制文件. CATIA, UGNX, Surfcam,PROE等CAM都支持这两种格式, MasterCam的NCI则是另外的文字格式档案.后处理则各家大多有各自的后处理。典型CAM平台的后处理用户界面如下图8所示。除 Mastercam采用文本方式以外，大部分CAM平台都提供自己的后处理用户界面，操作设置比较方便，尤其是可用于多CAM平台和异构数控系统，如 Imspost后处理包可支持几乎所有的通用CAM平台和流行的数控系统。后处理程序的开发编辑模式各不相同，其UnigraphicsNX 采用UGPostBuilder，采用基于TCL语言的二次开发功能完成用户开发；Mastercam提供基于GENERIC FANUC系统通用五轴铣削后处理文件，用户需根据具体机床对其进行编辑修改，达到最终的使用要求。其中 CimatronE、 Catia可采用ImsPost进行后处理开发；Spost/Gpost则采用宏程序方式用于Surfcam 、Pro/Engineer 平台。

四、机床加工仿真模拟接口

美 国CGTech的产品VERICUT，它可用来在编程阶段校验加工程序的准确性，能够让编程人员对NC加工环境进行仿真。应用VERICUT，可对包括工 装夹具在内的整个机床建模，它的易修改的控制程序库使得NC程序在仿真环境中的运行，完全模拟了在机床上的运行。一些CAM系统本身具备校验功能，内部校 验检查的是内部的CAD/CAM数据，它们在上机床执行前往往已被转换多次了。外部校验系统则不仅能检查内部CAM文件，还能够校验G代码。NC校验软件 能够校验不同CAM系统生成的程序，用同样的手段校验所有的NC程序，使编程人员能够对所用的各种CAM系统得到稳定的可靠的结果。NC校验软件能够减少 甚至省略在机床上进行人工的修正，这不仅节省了编程时间，更能使机床被解放出来完全用于加工产品。校验程序还可使返工、加工出废品和损坏加工刀具的可能性 降到最低。

Vericut提供了许多功能，其中有对毛坯尺寸、位置和方位的完全图形显示，可模拟2~5轴联动数控加工。现有的CAM 平台都提供与Vericut的嵌入式接口或转换功能。如下图所示分别为UGNX、CATIA、Mastercam等平台与Vericut之间的转换设置， 且它们可直接与Vericut进行嵌入式链接仿真，如Pro/Engineer、UGNX、CATIA、Mastercam平台等。其中 UGII/Vericut 切削仿真模块是集成在UGII软件中的第三方模块，它采用人机交互方式模拟、检验和显示NC加工程序，是一种方便的验证数控程序的方法。由于省去了试切样 件，可节省机床调试时间，减少刀具磨损和机床清理工作。通过定义被切零件的毛坯形状，调用NC刀位文件数据，就可检验由NC生成的刀具路径的正确性。 UGII/Vericut可以显示出加工后并着色的零件模型，用户可以容易的检查出不正确的加工情况。如图9为UGNX、CATIA、Mastercam 与Vericut的数据转换接口设置，图10为基于Vericut环境的机床加工仿真模拟，能帮助用户大幅度提高五坐标加工编程的效率和质量。

五、小结

典 型CAM平台用于数控铣削加工编程时，各平台的基本功能都差不多。在细节控制上，UG更灵活，对于高速切削加工，应采用螺旋铣削加工，或者是在转角处配置 圆弧过渡都在一定程度上支持高速加工；在支持变速切削的功能上，高速加工转角处的降速处理上，UG和CiamtronE相对好一些，CimatronE支 持变速切削，Mastercam只有一次降速功能；在根部清根上的处理，UG和CiamtronE相对好一些，可实现多次清根；五轴铣削刀具轴矢量控制方 式上， UGNX非常灵活，其它平台基本都能满足使用要求，主要依赖于用户的灵活应用开发上；后处理程序开发上UGII/PostBuilder灵活， Mastercam采用文本形式，而CimatronE与Catia均可采用支持异构数控系统与CAM平台数控程序转换的Imspost进行后处理， Surfcam与Proe可采用同一后处理NCpost或Gpost；与Vericut软件之间的接口关系，仿真加工上，各平台均可链接；参数化驱动方面 UGNX、Catia、Pro/Engineer等均支持参数化刀具轨迹编辑修改，相对其数控编程模板与参数化功能更强大一些。

参考文献：
【1】实用数控加工技术，《实用数控加工技术》编委会，兵器工业出版社，1995
【2】数控加工编程的理论基础，刘雄伟，机械工业出版社，2000
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1 ．微铣削的概念：

微 铣削（ Micro-milling ）是加工微小零件和高精密零件的一种全新加工技术。是在高速铣削基础上进一步发展起来的先进加工技术。微铣削是指使用非常小的刀具（直径小于 0.1mm ）并能获得非常小的曲面公差和高质量的曲面精度，通用的 NC 软件是不能达到这个精度的。微铣削除了面向微细零件外，还能够对常规或者大型模具的细小几何特征进行高精密加工。

微铣削能加工出精度高达 5 微米以上，硬度大于 45 HRC 的零件，曲面质量达到 0.2 微米或更小，细筋零件的厚度小至 0.5 微米或更小。微铣削需要高精度的软件加以支持，计算公差少于等于 0.1 微米，同样微铣削对机床和刀具的要求也相当严格：刀具直径小至 100 微米、刀具外形比例（长度 / 直径）高达 10 到 100 ，机床主轴转速要求到 150,000 PRM 或更高。

微铣削主要用在需要制造极小的高精密零件的特殊行业，例如生物－医疗装备、光学、微电子以及微小塑料制品的微型模具以及微小金属零件的加工等。

2 ． Cimatron 公司发布第一款符合微铣削的 NC 软件：

2005 年 9 月 Cimatron 公司发布的旗舰产器 E7 ，是第一款符合微铣削编程的商业化 NC 软件。 Cimatron E 提供了独特的算法以及特殊的加工策略，这些都是传统的 NC 软件所不能实现的。该解决方案典型的特征包括：高精度、小公差加工、高效处理导入的低质量曲面模型、直接曲面加工以及 3 轴 5 轴的刀具路径，满足并超越了微型刀具加工的要求。

Cimatron E 的微铣削是 Cimatron 参与的微铣削研究项目的成果，该项目在欧共同体的支持下由德国亚琛的 Fraunhofer 产品技术研究所（ IPT ）领导，它汇集了世界领先的模具制造供应商，并通过复杂的高精度 3D 结构对高精密注射模具的制造过程进行了验证。微系统技术已经从科学研究到实际加工迈出了一大步， IPT 的首席工程师 Thomas Bergs 说道：我们非常高兴的看到作为欧洲微铣削研究项目的成果， Cimatron 已经在其新的版本中实现了特殊的微铣削功能。

3 ． CimatronE 微铣削编程的应用及特点：

进 入 CimatronE 的 NC 模块下，新建刀具路径，然后勾选 Micro Milling 选项即可进入微铣削编程环境，如下图所示。 Cimatron 的微铣削支持 3 轴到 5 轴的刀具路径， ACIS 的内核技术提供了高达 1nm 的内部精度，为微铣削提供了技术保障。 Cimatron 通过无缝缩放的计算环境来提高精度，在计算环境中按照放大的进行计算，而对任何输入或输出模型、视图、仿真、 NC 报告、 G 代码等都不会从产生任何影响。

Cimatron 的微铣削技术通过识别真实的残留微型毛坯，具有同普通编程一样的开粗、二次开粗、精加工、清角、流线铣以及摆线加工等策略，保证刀路轨迹的高效安全。 5 轴倾角满足需要小直径的短锥型刀进行零件的加工，以及硬度高并要求曲面质量高的材料加工。为了满足微铣削的要求， Cimatron 可采用多种高速铣削的策略，例如：基于殘留毛坯的自计算、路径角部圆角连接、零重叠摆线精加工、 S 连刀和螺旋下刀、自适应 Z 层精加工和流线加工等。这样达到减少加工时间，降低刀具磨损和破坏的作用。

为保证高精度的加工要求，必需要有高质量的数学模型，如果导入 的产品数据模型质量不好，一些小的孔或者缝隙必将影响到实际的加工品质，因址，必须在 CAM 操作之前进行修复。具有 CADCAM 一体化的 Cimatron E 提供了在加工环境中实体曲面混合造型的功能，这种“为制造而设计”的功能非常方便用来修复几何模型，把各种破损的曲面缝合成严密的实体模型，满足了微铣削 的精度要求。

4 ．微铣削应用案例：

以下零件是一款微型转子注塑模型腔的加工实例，模型的最少圆角是 150 微米，模具材料硬度 53 HRc ，铣削机床是 Kern ，刀具釆用 Magafor 。从粗加工到精加工所使用的加工策略、刀具及加工参数如下表所示：

最终加工出的模具铣削精度 < 5um ，曲面粗糙度 <0.2um Ra ，如下图所示。

5 ．总结：

当今大量产品依赖于对微小系统的组建，零件以及子装配的需求越来越大，随之产生对微小模具的需求，而这些又将成为制造者所面临的挑战，因此研究微铣削的 前沿技术必将在高速增长的市场上获得巨大的成功。

作者：思美创（广州）科技有限公司 赖新建
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一、螺纹铣削的应用

随着产品市场的竞争的激烈，我公司的新产品层出不穷，曾遇到一些大型零件的螺纹加工，传统的螺纹车削和丝锥、板牙已无法满足生产的需要。加工中心得到了广泛的应用，就采用了三轴联动机床进行加工，改变了螺纹的加工工艺方法，取得了良好的效果。

螺纹的铣削加工与传统螺纹加工相比有着很多优点：

（1） 如我公司有某产品长4m多（见图1）。材料是一种钛合金，需要加工2-M72×2-6H螺纹对外形的对称度≤0.3，传统的加工方法根本无法实现。在我公 司充分利用一台4m龙门加工中心，进行螺纹铣削加工得到了解决。在加工精度，加工效率上具有较大优势并且不受螺纹结构和螺纹旋向的限制，一把装有螺纹刀片 的镗刀，可以加工多种不同旋向的内外螺纹，并且对于没有过渡扣或退刀槽结构采用车削、丝锥、板牙很难加工，数控铣削却很容易实现。

（2） 我公司加工很多大直径螺纹，大型产品上螺纹都使用了山特维克螺纹刀片，一个刀片有3个刃，就可以重复使用3次，就如2-M72×2-6H螺纹，一个刀片就 能加工几十甚至几百件产品，相对于用丝锥或板牙，螺纹铣刀的耐用度提高了几十倍，并且丝锥也是成套使用，耐用度低，对于钛合金加工更难实现，大大降低了生 产成本，提高了生产效率。

（3）螺纹铣削和镗孔的加工工艺基本相似，加工过程中，螺纹直径尺寸的调整极为方便，则丝锥和板牙根本实现不了，同一把螺纹铣刀可以加工出很多不同直径等螺距的螺纹（因为刀片根据螺距不同来分的规格）。

（4）螺纹的起始角的控制，对于车削加工，丝锥和板牙很难保证不同零件的螺纹起始角相同，铣削加工只需从同一点进刀就很容易实现不同零件具有相同起始角。

二、螺纹铣削的实例：以M72×2-6H螺纹为例

工件材料：钛合金； 刀具：镗刀杆和山特维克螺距为2的刀片；
主轴转速2000r/min； 铣削量0.06mm/z
进给速度0.25mm/min； 螺纹的底孔尺寸φ69.835+0.375 0
螺纹有效长度45mm； 铣削方式：顺铣
加工中心的操作系统： Fanuc0i-MA

加工步骤：

（1）加工孔到螺纹底孔尺寸φ69.835+0.375 0

（2）螺纹铣刀走螺旋曲线，绕螺纹轴线作X、Y方向进行圆弧插补运动，同时Z方向直线运动，每绕螺纹轴线运行一周沿Z向移动一个螺距

三、螺纹铣削编程方法：

T1
M6
G0G90G54X0Y0S400M3
G1G43H1Z50F1000M8
Z10F1000
#1=-45
Z#1
G41D1Y36F100
N10G91G3J-36Z2
#1=#1+2
IF[#1LT1]GOTO10
G1G40G90Y0F1000
Z10F1000
G55X0Y0
#1=-45
Z#1
G41D1Y36F100
N20G91G3J-36Z2
#1=#1+2
IF[#1LT1]GOTO20
G1G40G90Y0F1000
G0G49Z0M9
M5
M30

四、总结：在实际加工的过程中充分体现了加工中心的灵活性

1.在实际加工中，在首件加工时，首先通过调整刀偏，直到螺纹塞规检查零件合格。以后的加工就可以按首件的刀偏保证尺寸，可以达到一次加工合格。

2.进行同样尺寸左旋螺纹加工时，只需要把程序中G3改为G2，G41改为G42即可。

作者简介：
侯涛 汉胜工业设备（上海）有限公司 制造工程师
马强中州大学机电工程学院 讲师

作者：侯涛 马强
BW碧威股份有限公司針對客戶端改善切削方式、提供專業切削CNC數控刀具專業能力、製造客戶需求如：Cutting tool、切削刀具、HSS Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、Carbide end mill、Aerospace cutting tool、Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、Core drill、鎢鋼銑刀、航太刀具、鎢鋼鑽頭、高速剛、鉸刀、中心鑽頭、Taperd end mills、斜度銑刀、Metric end mills、公制銑刀、Miniature end mills、微小徑銑刀、鎢鋼切削刀具、Pilot reamer、領先鉸刀、Electronics cutter、電子用切削刀具、Step drill、階梯鑽頭、Metal cutting saw、金屬圓鋸片、Double margin drill、領先階梯鑽頭、Gun barrel、Angle milling cutter、角度銑刀、Carbide burrs、滾磨刀、Carbide tipped cutter、銲刃刀具、Chamfering tool、倒角銑刀、IC card engraving cutter、IC晶片卡刀、Side cutter、側銑刀、NAS tool、DIN tool、德國規範切削刀具、Special tool、特殊刀具、Metal slitting saws、Shell end mills、滾筒銑刀、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、交叉齒側銑刀、Long end mills、長刃銑刀、Stub roughing end mills、粗齒銑刀、Dovetail milling cutters、鳩尾刀具、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、鎢鋼圓鼻銑刀、Angeled carbide end mills、角度鎢鋼銑刀、Carbide torus cutters、短刃平銑刀、Carbide ball-noseed slot drills、鎢鋼球頭銑刀、Mould cutter、模具用刀具、BW微型渦流管槍、Tool manufacturer、刀具製造商等相關切削刀具、以服務客戶改善工廠加工條件、爭加競爭力。歡迎尋購～～～碧威股份有限公司www.tool- tool.com

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高速铣削加工效率的计算与分析

随着高速切削技术的发展，高速铣削工艺的应用日益广泛，越来越受到制造业的企业和科研工作者的关注。信息产业部某研究所自1999年7月从瑞士 MIKRON公司购进第一台HSM-700型高速立式铣削中心后，2001年10月又购进三台HSM-700型高速铣床用于生产。笔者通过对这批先进高速 铣床的加工效率进行深入、细致的调查研究，对比了不同铣床的加工效率，推导了高速铣削加工效率的计算公式。

1 加工效率的计算
按照传统切削理论，切削加工效率ZW(cm3/min)可通过下列公式计算：ZW=v·f·ap (1)
式中v———切削速度
f———进给量
ap———切削深度
根据分析与研究，我们认为式(1)不适用于高速铣削加工效率的计算，原因主要有两点：
1)高速铣床的主轴转速相当高(如HSM-700型高速铣床最高转速达42000r/min,，加工平面时转速也在35000r/min,以上)，如此高的转速使刀具并非每一转都在切削金属；
2)在实际加工中，设定的转速和进给量只是最大转速和最大进给量，实际的刀具转速和进给量时刻都在变化(HSM-700机床的自测功能可以显示整个切削过 程中的变化情况)，切削过程中的实际转速和进给量总是从较低值迅速达到较高值又很快降到较低值，如此反复变化，这是铣削过程的客观反映，而不像车削过程中 可以保持转速和进给量恒定不变。
因此，我们提出用单位时间内的金属去除量Z(cm3/min)表示加工效率，即
(2)
式中W———切削过程总的金属去除量(cm3)
t———切削时间(<0,)
式(2)更符合高速铣削的实际情况，用式(2)很容易实现对高速铣削加工效率的计算，同时也便于不同铣床加工效率的比较。


图1 零件示意图

例如，原来在普通铣床上加工图1所示零件，为了缩短生产周期，一部分零件现采用高速铣床加工。这样，可通过该零件的加工来比较两种加工设备的加工效率。由 于该零件的表面质量要求不高，高速铣削和普通铣削均能达到要求。事实上，高速铣削加工出的零件表面粗糙度要比普通铣削加工低1~2个等级。
用单位时间内的金属去除量Z=W/t(cm3/min) 表示加工效率。试验中取铣削加工过程中的几个时间段，记录加工时间，测量在各个时间段零件加工前后的体积差，通过式(2)计算得到Z值。通过多次测量计算 取Z的平均值，该平均值即可视为较准确的Z值。对于图1所示零件的高速铣削过程，由式(2)算得的Z值为

按照传统切削理论即按式(1)计算得

比较Z高速和ZW，显然ZW与该零件实际的高速铣削加工效率相差很大。

2 不同铣床加工效率的比较
某研究所目前用于生产的铣床除HSM-700型高速铣床外，还有国产的立式铣床和进口的铣削中心。国产铣床是二十世纪九十年代初购进的北京第一机床厂生产 的XK5040-1型立式升降台铣床(以下简称国产普通铣床)，目前主要用于零件粗加工及少量铸铁件和钢件的加工；进口铣削中心是美国产VF-0 HAAS型铣削中心(以下简称进口普通铣床)，可用于粗加工和精加工。
对于图1所示零件，在国产普通铣床上加工的切削效率为
Z国普= W =3.073cm3/min
t
在进口普通铣床上加工的切削效率为
Z进普= W =7.277cm3/min
t
将Z高速分别与Z国普和Z进普进行比较，有
Z高速 =8.323
Z国普
Z高速 =3.476
Z进普
由上述计算和比较可以看出，在高速铣床上加工该零件的金属去除率相当高，与国产普通铣床相比其优势更为明显(据操作工人反映，甚至出现过高速铣床加工效率 比国产普通铣床快10倍以上的情况)。当然，对于不同材质、不同形状和不同加工要求的零件，不同铣床的加工效率并不相同。对于加工面积较大的大型零件或形 状特别复杂的零件，高速铣床具有更为显著的加工效率优势。高速铣床的效率优势主要体现为高的刀具转速n和高的进给速度Vf。在实际加工中，进给速度Vf 对加工效率的影响往往更大。

3 考虑成本因素的加工效率 比较
比较加工效率必须带有一定的约束条件，应结合企业的实际情况，考虑加工效率与生产成本的关系。用式(2)求得的加工效率Z除以加工成本C来表示考虑了成本因素的加工效率E(cm3/min?万元)，即
式(3)中，为计算简便，设加工成本C 主要为制造费用(包括设备成本、设备维护费用、刀具损耗费用等)，并假设高速铣床、国产普通铣床、进口普通铣床的日常维护费用相等。为了能客观地反映实际 加工效率，对2001年1月到2002年5月这一较长时间段内的机床使用情况进行比较：
瑞士MICRON HSM-700型高速铣床每台价值人民币C0高速=200万元；由于机床零部件价格昂贵，用于机床非日常维护的费用(包括故障检修、更换零部件等)为C2 高速=9.5万元；在高速铣床上使用的刀具均为进口铣刀，价格较为昂贵，再加上缺少针对不同刀具和零件材料的切削用量规范，使得高速铣刀的使用成本较高， 因此，从去年初至今，高速铣刀损耗费用为C3高速=14,548.13元。
美国产VF-0 HAAS型铣削中心是1998年进口的普通铣削中心，当时价值人民币C0进普=80万元；机床使用性能较好，除日常维护外，至今没有出现需要维修的故障， C2进普=0.45万元；与高速铣床一样，所使用的刀具均为进口铣刀，除正常的刀具磨损外，很少出现刀具非正常损耗，铣刀损耗费用为C3进普= 2,195.26元。
1992年从北京第一机床厂购进的XK5040-1型立式升降台铣床，当时价值人民币C0国普=60万元；目前主要用于零件粗加工，虽然精度不高，但性能 还比较稳定，除日常维护外，未出现大故障。2000年对其操作系统进行了改造(换装了西门子操作系统)，改造和检修的费用为C2国普=6.45万元；在 此机床上既使用进口刀具也使用国产刀具，铣刀损耗费用为C3国普=1,377.62元。
设机床的使用年限为20年，按照直线折旧法，机床每年折旧5%，则到2002年，三种铣床的当前成本分别为：

由式(3)可求得考虑成本时三种不同铣床 的加工效率分别为

由计算结果可以看出，考虑成本因素后，高速铣削不再具有显著的效率优势(与进口普通铣削中心的加工效率接近)。这一比较结果说明，目前高速铣削的使用成本还比较高(其设备成本、维护费用和刀具损耗费用都比普通机床高出很多)。
尽管目前采用高速铣削还达不到经济的切削效率，但并不说明高速铣削不具优势。首先，上文对铣削效率经济性的分析仅考虑了生产成本，并没有考虑时间效益。在 技术飞速发展的今天，时间往往是更重要的经济因素。高速铣削加工在缩短加工工时方面的优势是很明显的。其次，上文所作加工效率比较是在高速铣床和普通铣床 均能加工同一种零件的前提下进行的，事实上许多不适合(或不能)在普通铣床上加工的零件(如薄壁零件或对加工表面质量要求较高的零件)只能用高速铣床加 工。第三，高速铣削技术作为一种新的加工技术在我国正经历不断发展的过程，为了获得高速铣削的经济加工效率，必须深入研究高速铣削机理，加快进行高速铣削 工艺的科研开发，同时加强生产管理，提高操作者素质。相信随着对高速铣削技术研究的不断深入，加工的经济性等问题将得到很好解决。

4 结论
*生产实践表明，高速铣床加工零件覆盖面广，特别适用于加工面积较大、形状复杂的精密零部件。零件加工精度高，废品率低。
*传统的切削加工效率公 式不适用于高速铣削，用单位时间内的金属去除量来表述高速铣削的加工效率更为准确。
*单从机床的切削效率来看，高速铣床 要高出普通铣床好几倍，但目前高速铣床的使用成本较高。在选择工艺方案时，可以考虑用普通铣床进行粗加工，用高速铣床进行半精加工和精加工。
*只有深入开展高速铣削技术的科研开发，才能充分发挥高速铣床的加工效率优势。
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如果iPod有任何暗示的话，那就是越小越好。iPod已经变成成功占领市场的最流行的小玩意之一，为苹果公司带来大把利润的同时也把股票价格推向新高。 不仅在最初iPod的外形就已经很小，而且它正使其变得更小。现在取代iPod mini机型的是更小的iPod nano机型；而且然后有非常小的iPod机型。

并非只有iPod正变得更小。计算机和电视机也不断地变得更薄。医疗设备的进步使得越来越多的微型器械能安装到我们的身体内；甚至是一个极小的照相机能穿行于身体内。

不仅是东西正变得更小，它们被装配了更多的零件，能提供额外的动力和功能。微型零件在航空、汽车、生物医学、电子、信息技术光学和电信等行业具有各种广泛的应用。

所有这些产品的开发都正在对小型部件和产品提出更高的要求。为了不断降低成本，这些小型部件中的大多数使用模具进行生产。这些趋势对模具制造商提出形形色 色新的挑战，范围从使用新的太空时代材料到特殊的模具涂层，用直径0.1mm的刀具铣削零件并获得亚微米级的精度。

同时，微型零件的内在复杂性也为模具制造商带来新的机遇。每当简单和中等复杂的模具制造被转移到劳动力成本低的国家时，美国和欧洲的模具制造商能转向诸如微型模具和微型铣削等更先进的技术以维持他们的竞争优势。

用直径0.1 mm的刀具加工电极。(照片由Cimatron公司提供)
小型部件的加工
为小型零件加工模具的主要挑战之一是微型零件的加工。模具有效区域的直接铣削和小型EDM电极的制造都对铣削工艺提出极高的要求。

与微型铣削相关的挑战包括直径降为100微米(μm)或更小的微型刀具的使用并运转于达到150,000r/min的非常高的转速。表面质量(Ra)需要达到0.2µm。而且既然对于如此小的零件和微小的细节，抛光是不现实的，微型铣削要求是一种无需抛光的加工。
微型铣削技术
为了在获得微型铣削要求的质量和精度的同时，满足经济性的约束条件，整个制造链必须优化和同步。CNC机床、刀具、刀柄、夹具和质量控制设备的供应商都需要以有竞争力的成本来提供正确的解决方案。

以下是一个在微型铣削环境中应该提出的主要问题的清单：

1. 刀具、刀柄和主轴
小规格的刀具是微型铣削的实现者。根据工件的大小，它们可小至0.1mm，而且在将来可能变得更小。在托付一个微型铣削项目时必须考虑刀具的可用性和成本。
在是用小直径刀具时，高转速的主轴是至关重要的。在主轴10,000r/min下使用0.1mm直径的刀具，意味着切削速度(Vc)仅为3.3 m/min，这太低了！
对于转速级别20,000-150,000的主轴，主轴和热胀刀柄结合在一起作完全动平衡、跳动量为零是必须的。否则，将损害表面质量并显著缩短刀具寿命。
2. 夹具、夹紧系统和制造工艺
在多数情况下，微型铣削零件的生产应该在一次装夹中完成。例如，把EDM和铣削结合在一起很可能引起不能接受的不重合和接刀痕。
3. 机床和车间地面
不用说机床必须是精度的一致性好并能分辨出四位小数(尺寸传感器)。
微型铣削能很好地利用五轴铣削的功能。倾斜刀具并远离材料的能力使其能使用更短的刀具。但是，既然五轴联动铣削目前的精度比三轴铣削差，当把五轴联动用于微型铣削时，必须仔细验证机床规格和实际性能。
机床环境必须具有可控的温度(光有软件补偿可能是不够的)并避免振动。如果机床没有正确地隔离，即使是一辆重型卡车经过厂房外，可能产生的振动足以在工件表面上留下痕迹。
4. 铣削技术
取决于零件的几何形状，微型铣削可能需要超越简单的按比例缩小的特殊加工策略。例如，在很多情况下，逆铣(和非顺铣)将是优先考虑的铣削策略。


用于模具制造的高精度微型铣削的CAD/CAM解决方案，有一整套易于使用的3-D刀具。
CAD/CAM系统的要求
每个人在直觉上认为铣床、刀柄和刀具是难以按比例缩小至微型铣削需要的极小的尺寸和极高的精度。初看起来，软件似乎也许是更容易地匹配。毕竟有人要说，处理象0.0001这样的数字对于软件来说应该象处理1.0或10那样容易。

但是它比呈现在眼前的更复杂。生成和修改具有正确的精度、平滑度和连续性的几何形状对于小型部件的CAD解决方案仅仅是一个入口点。为了得到一个适用于微型铣削的功能性解决方案，CAD系统必须要仔细调整和优化以支持下述要求：

1. 可靠和精确地阅读零件模型。对于维持详细模型的精度，最小化多重数据转化的需要是至关重要的。
2. 当生成分型面或为滑块、推杆和顶出杆创建几何形状时，很紧的0.1-0.01微米的形位公差是起作用的。为了防止分型面之间的间隙并保持C1和C2的连续性，这是必需的。
3. 处理规格非常小的多型腔模具，包括专门的样品零件和组件。

CAM系统也必须为微型铣削进行优化。NC软件必须处理紧公差和超高精度的加工。而且既然操作工不能干预防止刀具的破坏，NC软件必须精确地考虑贯穿加工过程的切屑载荷。

为了充分支持微型铣削，CAM软件应该能：

* 精确地使用非常细化的数学模型，从而维持其复杂程度。拥有一个集成的CAD/CAM解决方案是理想的，因为它消除了处理中的任何数据转换。
* 在CAD系统内包括高精度的、内置的CAD能力，提供在CAM系统内的具有合适的精度和相切的造型帮助(例如，型面的封顶、延伸等)。
* 支持偏差低到0.1µm的刀具路径计算。当在大型零件上加工微细特征时，这尤其有挑战性。
* 支持考虑实际机床约束时的微型铣削级参数的计算。例如，CAM系统可能要求用一把直径0.1mm的刀具、0.005mm的步距和大10倍的0.05mm刀尖圆弧半径来提供超精的结果。生成的刀具路径必须精确到小数点后五位。
* 支持针对微型铣削优化的加工策略，如以相同的NC操作来进行粗加工、半精加工和精加工。
* 为了降低加工时间的同时保护精密的刀具免于损坏，在整个加工过程使用根据实际加工余量调整进给量以控制实际刀具负载的知识。

总结：微型系统、微型模具和微型铣削对于微型零件的大量生产都是新颖且令人激动的技术。有了用肉眼几乎看不见的亚微米级的精度和刀尖，这种新兴且快速增长 的领域给模具制造商和供应商提出了众多的挑战。新材料、新刀具、特殊的模具涂层和创新的CAD/CAM软件技术都必须要被研究和掌握。

从好的方面看，微型系统和微型铣削为正寻找差异性、得到更多业务和比低工资竞争对手处于更有利位置的模具制造商带来新的机遇。

这个领域的有效开发需要行业、研究机构和政府之间的合作。这种合作在欧洲已经在进行之中。欧盟的技术合作研究行动(CRAFT) 项目集合了Fraunhofer生产技术研究所(IPT)和CAD/CAM、CNC机床、刀具、夹具的领先供应商来开发针对微型制造的下一代材料、机床和 软件工具及工作方法学。该是北美刀具行业加入到开发这个新兴的引人注意且有利可图的细分市场的时候了。
微铣削简介
微型系统技术已经成为全球增长最快的工业之一，需要制造极小的高精密零件的工业，例如生物－医疗装备、光学、以及微电子(包括移动通信和电脑组件)等都有大量的需求。

需要微系统加工的零件其精度高达5mm或更小以及曲面质量达0.2mm 或更小，其零件硬度也达到45 HRC 或更高。

微铣削(Micro-milling)是加工微小零件和高精密零件的一种全新加工技术。微铣削使用非常小的刀具(直径小于0.1mm)并能获得非常小的曲 面公差和高质量的曲面精度，通用的NC软件是不能达到这个精度的，所以制造商不得不面对以下巨大的挑战：零件变形，复杂程度增加，必须以极高的精度加工微 小特征的工件，以及使用微米级的特殊刀具。例如直径为0.1mm的工件，为了获得高精度要求的曲面，达到以上要求，微铣削技术需要达到以下支持： 100mm 或更小的小直径刀具；外形比例(L/D)10或高达100的高速刀具；150000 r/min或更高速主轴转速； 0.1mm或更小的加工公差；能够修正几何体。

微铣削是高速铣削的未来，精通微精模具的公司将会拥有更大的竞争力。

作者：:Cimatron Technologies公司 Hari Sridharan
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