模具制造業(yè)以及航天工業(yè)的零件加工可以用現(xiàn)代化的高速切削(HSC)技術得到最優(yōu)化。如果想到達高速切削技術的經(jīng)濟性目的，只有使機床和數(shù)控系統(tǒng)可以應對高于常規(guī)切削方式的運動速度。
    機床運動速度不但要非�？�，加工形狀也必須準確，數(shù)控系統(tǒng)必須在編程輪廓加工路徑上精確控制加速和減速運動。為了應對加工時 間、表面質(zhì)量和幾何精度間的矛盾，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)必須為銑床和加工工藝提供最優(yōu)化的解決方案。而且最終用戶也可以通過簡單的參 數(shù)調(diào)整控制最終的銑削結果。CNC系統(tǒng)的路徑控制能力是特定精度和表面質(zhì)量條件下影響加工時間的決定性因素。
1 模具制造業(yè)高速切削(HSC)技術對機床數(shù)控系統(tǒng)的要求
    HSC技術為高硬度材料和合金工具鋼加工 提供了許多全新選擇。在經(jīng)典的電火花成形 加工技術之后，高速切削技術直接加工高硬 度材料越來越顯出其出眾的經(jīng)濟性。HSC技 術的突出優(yōu)勢之一是它在加工期間的溫度 分布情況和熱量排除能力。高速切削、高速 進給和小的切削深度使切屑可以將大量熱 量帶離工件。

圖1 自由形狀加工(雙曲面)

2 高速切削加工(HSC)要求和影響
    HSC加工進給速率大，這對加工曲面工件輪廓的加速度要求更高。它能突出體現(xiàn)機床的機電性能。如果進給驅(qū)動加速度增加，必然使機床結構承受更大加速力。也因此容易造成機床振動，惡化表面質(zhì)量。這就要求數(shù)控系統(tǒng)在盡可能縮短加工時間和滿足精度要求條件下具有實現(xiàn)最佳表面加工質(zhì)量的運動控制能力。數(shù)控系統(tǒng)必須為機床制造商和用戶提供最佳路徑控制方法。
    機床制造商需要數(shù)控系統(tǒng)可以最佳地控制機床特性。數(shù)控系統(tǒng)應為運動控制和進給驅(qū)動電機控制環(huán)提供的參數(shù)集具有合理的結構以易于使用。機床經(jīng)常通過最終精加工零件測評其性能。必須執(zhí)行每一項加工任務確保高動態(tài)響應不會造成機床振動。因此，數(shù)控系統(tǒng)必須與機床緊密配合以確保任何加工任務都具有高動態(tài)性能。
   機床用戶要求數(shù)控系統(tǒng)在滿足工件精度的前提下減小加工時間。達到要求的精度不需要耗時的測試，首件加工就必須能達到要求。這些要求必須定義在NC程序中，以確保批量生產(chǎn)的要求。而且，為使模具的加工時間在可接受范圍內(nèi)，自由形狀表面經(jīng)常采用往復路徑銑削。這樣，數(shù)控系統(tǒng)還必須能生成從相反方向加工輪廓元素的可重復刀具路徑。否則，將損害表面質(zhì)量。
3 數(shù)據(jù)處理能力對工件表面質(zhì)量的影響
    用金屬切削方法加工零件涉及大量中間步驟，通過這些步驟將CAD模型幾何形狀轉(zhuǎn)為刀具路徑，如圖2所示。
    CAD(計算機輔助設計)：工件輪廓通常用NURBS(非均勻有理B樣條)建模，NURBS技術可以用數(shù)學方法描述自由形狀表面;CAM(計算機輔助制造)：刀具路徑的計算在考慮一定銑削方式和刀具值補償情況下從CAD幾何模型逐點進行計算，因此預定弦高差(模型精度)決定兩點間距離;CNC(計算機數(shù)字控制)：零件程序被逐點轉(zhuǎn)為軸向運動和速度特性并考慮路徑公差要求，要獲得高表面質(zhì)量，相鄰銑削路徑間的距離必須明顯小于定義的刀具路徑;機電系統(tǒng)：在固定時間內(nèi)的軸向運動作為名義運動和實際運動，并將其通過機床幾何形狀轉(zhuǎn)為刀具和工件運動。進給軸的跟隨誤差、機床名義幾何形狀的偏差和發(fā)熱影響以及機床結構和電機的振動將影響工件精度。

    優(yōu)化加工時間、表面質(zhì)量和工件精度對CNC系統(tǒng)提出以下基本要求：有效監(jiān)測輪廓公差;運動方向換向后，準確重復相鄰路徑;高動態(tài)運動不導致振動。
    對二維刀具運動，數(shù)據(jù)處理鏈能力對工件精度的影響可以用海德漢公司的KGM 182二維編碼器檢測。通過龍門銑床上的演示單元可以展示海德漢iTNC 530系統(tǒng)的運動控制特性。KGM是最終可實現(xiàn)輪廓精度的基礎檢查工具。
4 更快、更高精度和更準確輪廓- 用iTNC 530控制高速銑削
4.1有效控制輪廓公差
    自由形狀表面的NC程序通常用CAM系統(tǒng)生成，它由大量簡單線段組成。海德漢數(shù)控系統(tǒng)自動平滑處理過渡形狀，同時保持刀具在工件表面連續(xù)運動。這個檢測輪廓偏差的系統(tǒng)內(nèi)部功能自動控制平滑處理過程。此功能(循環(huán)32)使用戶可以根據(jù)需要自定義輪廓偏差。機床制造商在機床數(shù)控系統(tǒng)中定義默認值(通常為0.01至0.02 mm)。此外，這個公差還影響編程圓弧上的運動路徑。
    在自由形狀表面上， CAD幾何形狀模型的偏差包括定義的輪廓公差值和CAM系統(tǒng)定義的弦高差。對工件的最終影響取決于機床整體特性和進給軸加加速調(diào)整值和加速度。
    圖3所示工件的角點顯示球頭銑刀的球心路徑(TCP = 刀具中心點)。如果沒有名義路徑的平滑處理，機床Y軸在過渡點處必然突然加速。其加加速將造成機床嚴重振動。而且，名義驅(qū)動的物理限制也不允許這種理論上無限的加加速產(chǎn)生。如果沒有有力的路徑控制措施，將不可避免地產(chǎn)生明顯成比例關系的輪廓偏差，具體情況取決于曲率和輪廓加工的速度變化。

圖3 球頭銑刀TCP刀具路徑

    iTNC 530的路徑控制功能可以平滑處理加加速并滿足要求的輪廓公差要求，包括輪廓加工速度劇烈變化時(圖4)。如果可以定義更大公差，就可以顯著縮短加工時間。在本例中，將輪廓加工公差從0.01 mm放寬到0.02 mm，加工時間縮短12 %。

圖4 局部放大圖，顯示TCP的輪廓監(jiān)測名義路徑

4.2換向運動時相鄰路徑的高重復性
    圖5為一個局部工件和相應的TCP路徑線圖。相鄰路徑可以通過往復運動高效銑削(往復運動的多刀銑削)。各條路徑由長度很短的直線組成。CAM系統(tǒng)設置的弦高差為3 μm。

圖5 往復運動的工件輪廓和相應線條。圖中點代表程序數(shù)據(jù)點

    圖6為編程輪廓的刀具路徑偏差的局部放大圖。顯示的偏差為理想的線到圓的過渡情況，零件程序(圖5)的線條弦高差為3 μm。弦高差只影響曲線部分，與CNC系統(tǒng)設置的輪廓公差疊加。海德漢數(shù)控系統(tǒng)在往復多刀道銑削運動中實現(xiàn)了高重復性(圖6)。前進和后退運動路徑間輪廓偏差可以忽略不計，實現(xiàn)了高表面質(zhì)量加工。

圖6 工件輪廓曲面部分的刀具路徑偏差(進給速率 = 10 m/min，公差 = 0.01 mm)

    圖7的工件照片顯示最優(yōu)化運動控制的效果。用往復運動加工自由形狀表面(編程進給速率為10 m/min，精銑余量為0.1 mm)。圖7a的工件表面質(zhì)量不合格。用iTNC 530系統(tǒng)的加工結果如圖7b所示，相鄰路徑重復性好。

圖7 換向運動的多刀銑削，相鄰切削路徑的重復性
7a：相鄰路徑偏差導致的表面質(zhì)量下降
7b：iTNC 530系統(tǒng)銑削結果：前進和后退運動加工的表面一樣

4.3 高速運動期間有效避免振動
    HSC銑削技術要求的進給速率對機床數(shù)控系統(tǒng)是巨大挑戰(zhàn)。只有達到更高的輪廓加工平均速度才能縮短加工時間。但是，如果有小半徑路徑，就必須大大降低運動速度，以保證路徑偏差在允許的公差帶內(nèi)。此外，加速和減速運動還能造成機床結構振動，損害工件表面質(zhì)量。
    加加速和加速度的平滑運動控制是海德漢數(shù)控系統(tǒng)的突出特點。它能非常有效地抑制機床振動。根據(jù)需要，數(shù)控系統(tǒng)還可以自動降低編程進給速率使振動的危險性降到最低。有效預防機床振動使零件程序以更高的運動速度執(zhí)行，因此能顯著縮短加工時間。
    圖8為二維輪廓的機床刀具實際路徑。如果加加速無平滑處理，加速運動階段機床產(chǎn)生振動(圖8a)。海德漢公司的iTNC 530系統(tǒng)的運動控制功能有效避免了嚴重振動(圖8b)。圖9的工件表面質(zhì)量再一次清楚地顯示出海德漢公司數(shù)控系統(tǒng)運動控制功能的非凡作用。沿圖示圓弧運動需要在每一點處改變軸的加速度，造成機床振動(圖9a)。iTNC 530通過平滑處理加加速獲得了高質(zhì)量表面，沒有振動影響(圖9b)。

圖8 實際位置用二維編碼器在圓角處測量和記錄，一個用名義位置值過濾器處理NC數(shù)據(jù)，另一個未用名義值過濾器(分別為8a和8b)。

圖9 機床振動對工件表面的影響：
9a：無加加速平滑處理，Z軸振動導致表面劃傷
9b：iTNC 530系統(tǒng)的運動控制功能有效避免了振動導致的表面質(zhì)量問題

5 小結
    HSC銑削技術對模具制造業(yè)和航天工業(yè)的加工工藝具有決定性影響。HSC銑削技術要求的進給速率對機床數(shù)控系統(tǒng)是巨大挑戰(zhàn)。加工時間、輪廓表面精度和表面質(zhì)量是相互矛盾的因素，海德漢公司的iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)可以確保滿足優(yōu)選的加工要求。也就是說刀具路徑符合預期，因此，可以防止機床振動，滿足高精度要求，同時縮短加工時間。
    此外，iTNC 530的相鄰銑削路徑重復性高，確保用戶實現(xiàn)高質(zhì)量工件表面加工，用往復多刀銑削工藝縮短加工時間。iTNC 530奠定了數(shù)控、驅(qū)動和機床結構相互配合的全新標準。使用戶的批量零件生產(chǎn)從首件就能達到高質(zhì)量加工效果