1 引言
高速加工是近年来迅速崛起的先进制造技术，对模具制造业产生了巨大的影响，成为模具型腔数控加工的重点发展方向之一。模具零件常常具有高硬度、带有狭窄沟槽或拐角的复杂型腔或薄壁结构，高速加工实现了模具行业用小型刀具，小切深进行加工的可能性，也令窄槽以及复杂型面的加工可选择铣削来取代电加工。与常规数控切削加工方式相比。高速加工可以几倍甚至十几倍地提高加工效率；可以获得更高质量的加工表面；可以直接加工淬硬材料，省去电加工，大大简化了加工工序，从而降低生产成本。然而，高速加工并不是简单地使用现有刀具路径，通过提高主轴转速和进给率实现。而是在充分发挥高速机床的性能和刀具的切削效率的基础上，以小的径向和轴向背吃刀量、较小而恒定的切削负荷、高出普通数控切削几倍的切削速度和进给速度完成对工件的加工。
以下以定模板加工过程为例，在PowerMILL环境下，详述不同加工阶段（包括粗加工、半精加工、精加工三个阶段）高速加工工艺方法和策略。
零件形状如图1所示。零件材料：CD钢，材料硬度：HRC45-HRC50，外形尺寸：240mm×240mm×60mm。最小圆角半径1mm。刀具材料：涂层硬质含金。机床型号：DMC-DMU40T。
2 粗加工
粗加工的主要目标是追求单位时间内的材料去除率，并为半精加工准备工件的几何轮廓。目前大多数使用者习惯于在精加工的时候使用高速加工，其实在粗加工的时候使用高速切削可以更快地去除加工余量，更应该推广使用。粗加工时，其表面质量和轮廓精度要求并不高。减小刀具损耗和减少空刀是重点，并且尽量采取顺铣的加工方式。
本例粗加工首先使用PowerMILL的偏置区域清除策略，螺旋式下刀。然后，勾选高速加工选项中的“轮廓光顺”，如图2所示。可使刀路在轨迹折弯处圆弧过渡，如图3中的①处所示。勾选“光顺余量”，可使刀路在远离尖角处用光滑的圆弧代替直线段刀路（即赛车线加工方法）。避免加工方向的突然改变导致刀具载荷的急剧变化，如图3中的②处所示。赛车线加工是PowerMILL拥有专利权的加工策略。这种方法把刀具看成赛车在跑道内高速行驶，赛车可以偏离跑道的中心，从而产生类似于赛车在跑道内的运动路径。赛车可以在不失速率的情况下转弯，增加了刀路的光滑性和平衡性，避免了刀路突然转向、频繁的切入切出所造成的冲击，在实际的高速加工应用中效果很好。
第一次粗加工结束后，换用小一号刀具进行“二次开粗”，采用残留粗加工策略。PowerMILL在残留粗加工中引入了“残留模型”的概念，即系统可自动判别前一刀具未能加工到的区域，并只针对这些区域生成刀具路劲，避免了空刀，提高了加工效率。3 半精加工
半精加工的目的是在所有加工表面产生均匀的切削量，尽可能的保证精加工的稳定进行，对于成功的精加工是必需的，而不充分的半精加工会对精加工时的表面质量、轮廓精度和刀具寿命产生负面影响。在实际工作中，编程人员对这个过程的重要性常常估计不足，把更多的编程时间花在粗加工和精加工上。
本例半精加工主要采用了PowerMILL的最佳等高精加工策略，该策略是综合了等高加工和三维偏置加工的混合策略。使用此策略时，模型的陡峭区域将使用等高精加工方法加工，平坦区域则使用三维偏置精加工方法加工。请勾选“修圆”和“螺旋”选项，减少抬刀并使刀路光顺。
4 精加工
精加工是工件加工过程的最后一步。它的目的是达到要求的最佳表面质量和外形精度。模具高速精加工阶段的策略取决于刀具与工件的接触点，而刀具与工件的接触点随着加工表面的曲面斜率和刀具有效半径的变化而变化。对于由多个曲面组合而成的复杂曲面，应尽可能在一个工序中进行连续加工，而不是对各个曲面分别进行，以减少抬刀、下刀的次数。一般情况下，精加工曲面的曲率半径应大于刀具半径的1.5倍，以避免进给方向的突然变化。
精加工为高速加工提出了一个特殊的问题，即刀痕问题。由于零件形状的限制，对切削条件的妥协常常会在加工后的零件表面上留下可见刀痕。当然，可通过抛光的方法来消除这些刀痕，但这样就违背了使用高速加工的初衷。本例精加工主要采用了PowerMILL的三维偏置精加工。勾选“螺旋”选项后，螺旋方式加入到三维偏置精加工策略中，由于刀具始终和工件表面接触并以螺旋方式运动，因此，可防止刀具在切削表面留下刀痕。另外，螺旋方式没有等高层之间的刀路移动，避免了频繁进退刀对零件表面的影响。
在高速加工中，刀具轨迹拐角的处理是十分重要的，因为即使切削深度很浅，进给速度和走刀轨迹的剧烈变化也是造成刀具破损的重要原因之一。为避免这种情况，首先应调整进给速度，从而调整每一个刀刃的切削量。其次，如果使用与拐角半径相同的刀具直接加工，容易造成过切及刀具负荷猛然增加，所以，加工拐角最好是使用较小半径的刀具，一般情况下刀具半径最好为拐角半径的70%或更小，这样可使拐角处的进给方向变化平滑，避免刀具的突然转向。
本模具零件底部有一个30°，过渡圆弧半径（拐角半径）为3mm的拐角。拐角和型腔之间有一段狭长的区域。刀具在切入狭窄区域后，容易形成全刀宽切削，刀具载荷变大，需要在“高速加工”选项中设置摆线移动，如图4所示。摆线移动是专门针对高速加工的走刀方式。这种刀具轨迹使刀具在切削时距某条曲线（一般是零件的轮廓线及其平移线）保持一个恒定的半径，从而可使进给速度在加工过程中保持不变，而且这时的径向吃刀量一般取刀具直径的5%左右，因此刀具的冷却条件良好，刀具的寿命延长。这对高速加工是非常有利的。应用此加工策略时，利用PowerMILL的“边界”功能，把加工区域限制在一个很小的范围。最后生成的摆线加工轨迹如图5所示。
用R3mm的球刀精加工后，在零件台阶底都会有余料未被加工，需要进行清角。本例采用PowerMILL的自动清角精加工策略。这种清角策略能够自动判断存在大量余量的尖角落，并首先在零件的陡峭区域生成缝合式清角刀路，然后在平坦区域生成沿着角落交线的刀路。应用此策略时，请注意设置切削重叠区域以消除接刀痕。
5 碰撞、过切检查
由于机床的高速旋转和进给，高速加工过程中的任意部件之间的碰撞和干涉都极具危险性，轻则会降低刀具寿命。损毁工件或机床，重则可能导致严重的安全事故。所以高速加工状态下，要完全避免刀具、刀柄、夹具、工件、机床之间可能发生的碰撞，也要避免过切的发生。从一开始的粗加工到最后的清角，都要利用PowerMILL提供的刀具路径检查和加工切削实体仿真功能，对上述方面进行检查，如图6所示。PowerMILL采用了最新的分析和仿真技术，不须指定防切面和干涉面，系统具备智能化全程过切保护功能。另外，刀具、刀柄、刀杆一起参与刀路运算。即使参数设置不合理，系统也会给出提示，并能够自动截掉发生碰撞部位的刀路，或者给出不发生碰撞的最短夹刀长度。
至此，定模板零件的全部高速加工过程结束。
6 结束语
高速加工工艺是成功进行高速切削的关键技术之一，它决定了整个加工过程应该使用的方法和策略。而CAM系统又是实现这些方法和策略的基础和载体，对成功进行高速加工有决定性的作用。由于高速切削的特殊性和控制的复杂性，传统的加工工艺、加工方法以及CAM系统已不能满足高速加工的要求。将来的高速加工研究必然是不断深化加工工艺方法，积累加工经验和共识，并开发和完善新一代CAM系统为高速加工服务。在将来，高速加工工艺和CAM系统必然是相辅相成、互相促进，以带动整个高速加工技术向前发展。
(审核编辑: 智汇胡妮)
