1 引言
高速加工技术是采用高转速、快进给、小切深和小步距来提高切削加工效率的一种加工方式。它已在航空航天制造、汽车工业和模具制造、轻工产品制造等重要工业领域创造出了惊人的效益。高速加工的成功实现取决于许多因素，包括高速主轴、CNC系统、专用刀具，以及特殊的加工工艺和加工控制方法等。
在高速加工过程中，刀具的非正常破损是当前高速加工所面临的重要难题。加工余量不均匀极易引起刀具破损和过切，因此保持恒定的材料去除率很重要。然而，对于带有底面、壁面、凹槽和斜面的复杂3D型面加工中，很难满足这一要求。因为尖锐的转角或刀具方向的突然变化等很容易导致刀具过切、破损甚至损坏主轴。此外，在高转速和高进给速度的加工条件下，刀具极易损坏；同时高速加工机床所使用的许多刀具，在周边或中心处都进行了处理，以便高压冷却液或压缩气体将切屑从工件上吹走。这些处理在某种程度上削弱了刀具的强度，应当尽可能避免。
为保证高速加工顺利进行，提高零件的加工质量，延长刀具寿命，缩短加工时间，高速加工具有不同于普通数控加工的特殊工艺要求，如保持恒定的切削载荷、每齿进给量应尽可能保持恒定，并保持稳定的进给运动，使进给速度损失降低到最小、避免走刀方向和加速度的突然变化、程序处理速度最佳化。这些要求在制定高速NC 编程策略时应得到充分注意。
国内外一直注重对高速加工的研究，在高速加工条件下的切削刀具、高速加工仿真、加工过程的精度保障、刀具监控、自适应控制等方面已经进行了大量的研究工作。许多应用软件已经不同程度提供了高速加工专用模块。但对于如何优化高速加工的Nc 编程策略，以消除加工过程中的刀具崩刃等刀具非正常破损，充分发挥高速加工机床的高效高精度性能等问题，尚需进行深入的研究和探讨。
本文主要从优化工艺过程，消除刀具非正常破损的角度出发，详细阐述了金属模具高速加工NC 编程的优化策略：(1)走刀路径的选择与优化；(2)合理选择切削用量；(3)采用高速高精度的关键控制技术；(4)典型型面与难加工型面的加工策略。
2 高速加工走刀路径的选择与优化
一条有效的刀具路径可以通过保持稳定的切削载荷来保护刀具，并通过避免加工方向的突变来保持高的进给速度，它将直接决定复杂型面高速加工的可能性、质量与效率。
2.1 高速加工刀具轨迹生成的基本原则及方法
利用CAM系统进行高速加工NC编程所生成的刀具路径，不仅要满足尺寸和轮廓的高精度要求，同时还要考虑加工工艺的加工细节，选择适当的加工策略和工艺参数来优化各种刀具路径，以改善切削条件，减少加工时间，减少刀具磨损，避免刀刃破损或刀柄折断等。
高速加工的刀具轨迹必须满足无干涉、无碰撞、轨迹光滑、切削载荷平滑、满足加工要求等条件；同时，保证零件的加工精度和表面粗糙度要求；缩短走刀路线，减少进退刀时间和其它辅助时间；方便数值计算，减少编程工作量；尽量减少程序段数。
零件轮廓形状对加工效率、加工质量、编程计算复杂性和零件程序长度等有着重要影响。如何根据型面形状、刀具形状以及零件加工要求，合理选择走刀路径是一个十分复杂但又非常重要的问题。复杂型面加工可采用多种走刀路径，如参数线型、截面线型、放射线型、环型等。参数线走刀的刀具轨迹规划和刀位计算简单，适合于参数线分布较均匀的情况。截面法对于曲面网格分布不太均匀以及由多个曲面形成的组合曲面的加工非常有效。环切法主要应用于边界受限制零件(如型腔类零件)的加工。在采用环切法加工螺旋桨桨叶等类型的零件时，由于工件刚度小，加工变形问题突出，因此采用从里到外的环切走刀时，刀具切削部位的四周可受到毛坯刚性边框的支持，有利于减小工件在加工过程中的变形。
2.2 优选走刀方式
1) 进、退刀 高速加工时，刀具切入工件的方式，不仅影响加工质量，同时也直接关系到加工的安全。刀具高速切削工件时，工件将对刀具产生一定的作用力。此外，刀具以全切深和满进给速度切入工件将会缩短刀具寿命。通过较平缓地增加切削载荷，并保持连续的切削载荷，可以达到保护刀具的目的。确定刀具、进退刀方式时，应注意在切入工件时尽量采用沿轮廓的切向或斜向切入的方式缓慢切入工件(比如：直线式切入和螺旋式切入)，以保持刀具轨迹光顺平滑。
斜线和螺旋式切入方式适用于简单型腔的粗加工。加工表面质量和精度要求高的复杂型面时，采用沿曲面的切矢量方向或螺旋式进、退刀，这样刀具将不会在工件表面的进退刀处留下驻刀痕迹，从而获得高的表面加工质量。对于深腔件的加工，螺旋式切入是一种比较理想的进刀方式，采用相同或不同半径的螺旋路径，自内向外地逐步切除型腔材料，非常适合深腔件的高速加工。
2) 移刀 高速加工中的移刀是指在高进给速度时相邻刀具路径间有效过渡的连接方式。平行线扫描表面加工是精加工复杂型面的一种手段。但是这种方法容易在每条刀具路径的末端造成进给量的突然变化。进给速度适中时，在扫描路径之间采用简单的环型刀具路径可以适当缓解拐角处进给量的突然变化。但是，进给速度较高时，这种简单的环型运动仍然太突然。这种情况下，在扫描路径间采用“高尔夫球棒”式移刀则更为有效。
3) 拐角加工 如何实现高效率的拐角加工，也是优化刀具路径的一个重要方面。加工工件的内锐角时，刀具路径可采用圆角或圆弧走刀，并相应地减小进给速度，这样在加工拐角时可以得到光滑的刀具轨迹，并可保持连续的高进给速度及加工过程的平稳性。然后拐角的残留余量可通过再加工工序去除。
4) 重复加工 重复加工是对零件的残留余量进行针对性加工的加工方法。在高速加工中，重复加工主要应用于二次粗加工以及笔式铣削和残余铣削。
采用二次粗加工时，先进行初始粗加工，然后根据加工后的形状计算二次粗加工的加工余量。在等高线粗加工中，由于零件上存在斜面，加工后会在斜面上留下台阶，从而导致残留余量不均匀，并引起刀具载荷不均匀。采用二次粗加工，可使用不同于初始粗加工的方法——平行线法、螺旋线法等，来获得均匀余量。这样可以更有效地保持刀具进行连续切削，减少空走刀，并提高精加工的加工效率。
笔式铣削主要运用于半精加工的清根操作，它通过找到前道工序大尺寸刀具加工后残留部分的所有拐角和凹槽，自动驱动刀具与两被加工曲面双切，并沿其交线方向运动来加工这些拐角。笔式铣削允许使用半径与3D拐角或凹槽相匹配的小尺寸刀具一次性完成所有的清根操作，可极大地减少退刀次数。此外，笔式铣削可以保持相对恒定的切屑去除率，这对于高速加工特别重要。精加工带有壁面和底面的零件时，如果没有笔式铣削，刀具到达拐角时，将要去除相当多的材料。采用笔式铣削时，拐角已被预先进行清根处理，因此可减少精加工拐角时的刀具偏斜和噪声。
残余铣削与笔式铣削极为相似。残余铣削可以找到前道工序使用各种不同尺寸刀具所形成的3D型面，且只用一把尺寸较小刀具来加工这些表面。它与笔式铣削的不同之处在于它是对前道工序采用较大尺寸刀具加工后所残留的整个表面进行加工，而笔式铣削只对拐角进行清根处理。
5) 高效率切削法(HEM) 高效率切削法(HEM) 又称“Fukui Climbing”切削法，是实现高材料去除率的一种新的高效率粗加工方法。HEM是通过“Fukui method cutting”(福井高侧刃切削法)和“Climb up cutting”上爬式切削法)得以实现的。福井切削法是日本福井雅彦教授提出的高轴向深度铣削法，通过将Z向切削深度调整为刀具直径的1～2倍，可高效率地切削出垂直梯级式粗略工件外形。采用福井法加工后，再采用上爬式切削法，可以使加工表面的形状和精度更加接近零件的最终加工要求。上爬式切削时，采用较细的梯级节距来去除剩余梯级面，刀具从底部开始，一层一层地向上切削，梯级节距调整范围为0.5～3mm，加工表面较陡时，可采用较宽的梯级节距，加工表面较平时，可采用较细密的梯级节距。
6) 余摆线式加工 余摆线加工是利用高速加工刀具侧刃去除材料来提高粗加工速度的新技术。采用余摆线加工时，刀具始终沿着具有连续半径的曲线运动，采用圆弧运动方式逐次去除材料，对零件表面进行高速小切深加工，有效地避免了刀具以全宽度切入工件生成刀具路径。每环圆弧运动中，向前运动时刀具切削工件，向后运动时进行刀具冷却，并允许自由去除材料。当加工高硬度材料或采用较大切削用量时，刀具路径中刀具向后运动的冷却或自由去除材料圆弧段与向前运动的加工圆弧段相平衡，实现了刀具切削条件的优化。此外，余摆线加工的刀具路径全部由圆弧运动组成，走刀方向上没有突然的变化，是有利于实现高速加工的粗、精加工的一种理想加工状况。所以，摆线式加工特别适用于加工高硬度材料和高速加工的各种粗加工工序(比如腔体加工)，不仅能够使机床在整个加工过程中保持连续的进给速度，获得高的材料去除率，并且可延长刀具寿命。
7) 插入式加工 插入式加工是使用特制插入式加工刀具进行深型腔件加工的一种方法。它采用钻削式刀具路径沿加工中心的Z轴方向从深腔去除材料。该方法是粗加工深型腔件和用大直径刀具加工相对较浅腔体的一种有效方法。
3 选择适应高速加工的切削用量
实现高速切削的关键是采用高的切削速度，并配合以高的进给速度和小的切削深度，不仅可以提高加工效率，而且可使切削力减小，从而提高加工质量，并延长刀具寿命。合理的切削用量对于刀具耐用度和工件加工质量起着决定性作用。
常规粗加工以及使用小尺寸刀具进行模具粗加工时，适于采用小切深和高进给速度。精加工时，快速精确的刀具运动有利于实现更高的表面加工质量，每程序段的刀具运行轨迹越短，加工轨迹表面尖点高度越小，加工出的零件轮廓越精确。刀具路径的基本参数选择将影响精加工的表面质量。精加工时，如果刀具切削载荷即每齿进给量等于走刀步距增量，可获得最佳的表面加工质量；如果刀具切削载荷与走刀步距增量不相等，则加工的表面比较粗糙。针对不同的零件形状特征型面如平面、坡面、曲面和圆面等，应采用不同的进给量。为获得高精度的轮廓外形，要求进给运动不能出现明显的滞后现象，否则将会导致刀具过热而破损。
4 采用高速高精度的高速加工关键控制技术
采用高速高精度的关键控制技术，有利于保证高速加工的顺利实现。这些关键控制技术有加工残余分析、待加工轨迹监控、自动防过切保护、尖点控制、高精度轮廓控制技术、NURBS插补、进给速度优化、刀具轨迹编辑优化及裁剪修复、刀具轨迹验证等等。
1) 加工残余分析 加工残余分析功能可以分析出每次切削后加工残余的准确位置，允许刀具路径创建上道工序中工件材料没有去除完全的区域。后续加工的刀具路径可在前道工序刀具路径的基础上利用加工残余分析进行优化得到。通过对工件轮廓的某些复杂部分进行加工残余分析，可尽量保持稳定的切削参数，包括保持切削厚度、进给量和切削线速度的一致性。当遇到某处切削深度有可能增加时，能降低进给速度，从而避免负载变化引起刀具偏斜，以及降低加工精度和表面质量。因此，加工残余分析可实现高速加工参数最佳化，使刀具走刀路径适应工件余量的变化，减少加工时间，避免刀具破损及过切和残留现象，从而实现刀具路径的优化。
2) 待加工轨迹监控(look-ahead) 待加工轨迹监控功能(look-ahead)是用于监控待加工刀具路径中由于路径曲率引起的进给速度的不规则过渡，以及轴向加速度过大等不利于高速加工的各种加工条件的变化，实现动态调节进给速度的一种控制方法。CNC控制系统在进行加工控制时通过扫描待加工程序段的数控代码，预览刀具路径上是否有方向变化，并相应地调节进给速度。比如，在高进给速度下，待加工轨迹监控功能监测到拐角时，将自动减小进给速度，以防止刀具过切或出现残留现象。在待加工轨迹的平滑段，再将进给速度迅速提高到最大。这样通过动态调节进给速度，可以优化机床控制系统的动态性能，并获得高的加工精度和表面质量。
3) 尖点控制 高速加工控制器的待加工轨迹监控(look-ahead)功能虽然可以预先了解待加工NC程序段的刀具轨迹，预览刀具轨迹及其走刀方向是否有变化，即是否存在拐角，但对于3D零件上的每个具体的走刀步距和切削余量是无法预知的。
加工复杂的3D型面时，可根据尖点高度来计算NC精加工刀具路径的加工步距，而不是采用恒定的加工步距。采用尖点控制进行高速加工即可实现连续的表面精加工，减少去毛刺或其它手工精加工工序，而且可以根据NC精加工路径动态调整走刀步距，使材料去除率保持恒定，刀具受力状况更加稳定，并使刀具所受到的外界冲击载荷降低到最小。
4) 自动防过切处理 高速加工时，前道工序遗留的加工余量将会导致刀具切削负载突然加大，甚至出现过切和刀具破损现象。过切对于工件的损坏是不可修复的，对于刀具的破坏也是灾难性的。通过自动防过切处理功能，可以保护刀具的切削过程，实现高速加工的安全操作。
5) 高精度轮廓控制 通常，在模具加工中，可采用CAM系统或者其他编程系统的方法，编写子程序进行轮廓加工操作。因而加工信息可能超过CNC中子程序的存储容量，并且可能需要进行多种DNC加工操作。在这种情况下，如果不能保持CNC 高速分配处理与DNC操作的子程序进给速度之间的平衡，子程序将不能及时进行进给操作，而且机床的平滑运动也可能得不到保证。高速加工CNC系统可通过高精度轮廓控制进行高速分配处理和自动加速/减速处理。针对高于常规速度的转速进行处理和分配，可提高加工精度，缩短工作时间。
5 典型型面及难加工型面的高速加工策略
高速加工工艺技术是成功进行高速加工的关键技术之一。如果切削方法选择不当，将加剧刀具的磨损，甚至可能完全达不到高速加工的目的。根据零件轮廓的类型及其复杂程度来选择合适的加工方法，有助于实现优质高效的高速加工。
5.1 典型型面
铣削复杂二维轮廓时，无论是外轮廓或内轮廓，要安排刀具从切向进入轮廓进行加工。当轮廓加工完毕之后，刀具必须沿切线方向继续运动一段距离后再退刀，这样可以避免刀具在工件上的切入点和退出点留下接刀痕。
铣削外圆可采用直线式切向进、退刀。加工内轮廓时，可采取圆弧式切向进、退刀。加工直纹面类工件时，可采用侧铣方式一刀成型。一般立体型面特别是较为平坦的大型表面，可以用大直径端铣刀端面贴近表面进行加工，这样走刀次数少，残余高度小。加工空间受到限制的通道加工和组合曲面的过渡区域加工，可采用较大尺寸的刀具避开干涉，刀具刚性好，有利于提高加工效率与精度。
5.2 难加工型面
深腔加工 加工由薄壁分隔成的深腔型面时，所有的型腔不要一次加工完，而要采取每次只加工一部分的方式，使所有型腔壁在两边都可保持支承。
薄壁加工 立铣刀加工薄壁件时，切削力的作用易导致工件和刀具的变形。因此，加工薄壁件时，采用小轴向切深的重复端铣削，不仅可以获得恒定的刀刃半径和小的切削力，减小工件变形，而且不会出现由于刀具偏心产生的形状误差。此外，快速小切深加工薄壁零件时，加工薄壁任一面的刀具都必须保持一直向下加工，直至越过薄壁开始新的走刀路径。这样可以通过靠近刀具切削处的未切除余量使薄壁在两边都保持支承。
薄底加工 加工无支承的薄底时，应先从支承最少的表面开始加工，刀具在抬刀前一直保持向下加工，并逐步向支承靠近，加工后的底面不可再次与刀具相接触。
6 结语
为提高加工效率、加工质量和刀具寿命，保证高速加工顺利进行，高速加工NC 编程所生成的刀具路径，不仅要满足尺寸和轮廓的高精度要求，同时还需考虑不同加工工序、加工型面形状等加工过程的若干细节问题。根据高速加工的具体需要，优选刀具切入工件的方式和移刀方式，以及优选拐角加工、二次粗加工、笔式铣削、残余铣削、高效率切削法HEM、余摆线加工和插入式加工等加工方法；选择适应高速加工的切削用量；采用高速高精度的关键控制技术；有利于保证高速加工的顺利实现。(end)
