Heidenhain iTNC 530数控系统与高速模具加工

　　高速加工（HSM或HSC）是二十世纪九十年代迅速发展应用的先进加工技术。通常是指高的主轴转速（10,000-100,000r/min）、高的进给速度(40m-180m/min)下的铣削加工。高速加工在实际应用中能解决新材料的加工问题，适应表面质量高、精度高、形状复杂的三维曲面加工，减少和避免效率低的电火花加工，解决薄壁零件的加工问题，数控高速复合加工还可以减少搬运与装夹次数，避免重复定位带来的加工误差等，既提高了加工质量，又提高了加工效率。高速加工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。目前国际上高速切削加工技术主要应用于模具、航空航天和汽车工业等复杂曲面的加工领域。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。

　　高速加工一般采用高的铣削速度和快速多次走刀来提高效率，小直径刀具，适当的进给量，小的径向和轴向切削深度，即切削体积。随着铣削速度的提高，加工时间大幅度缩短，并且切削力下降、振动小，尤其是径向切削力大幅度降低，零件变形小，由于在切削时大量的切削热被切屑带走，工件表面温度较低。由于高速铣削的的上述特点，高速加工相对常规加工具有突出优点：高生产率、工作平稳、加工表面质量很高，无需再进行其它表面处理工序、有利于加工薄壁零件和高强度、高硬度脆性材料、可缩短交货期、减少设备台数及车间面积、减少工人数量。

　　尽管在初期的设备投资费用增加，但高速铣削工艺的综合效益仍有显著提高。

　　1 高速加工与模具制造

　　目前塑料模具越来越精巧、结构越来越复杂，要求的合模次数接近和超过80万次，采用的模具钢材的硬度越来越高，有的甚至超过HRC 64以上，而模具的交货期却要求越来越短。这些市场特点给模具制造商带来了极大的压力。高速加工技术的出现为模具制造带来了新的发展机会，尤其在中小型精密塑料模具加工中显示了巨大的优势。

　　大多数模具材料都是高硬度、耐磨性能好，其加工难度大。传统工艺广泛采用电火花（EDM）微切削加工成形，生产效率极低。高速加工技术对模具加工工艺产生了巨大影响，它改变了传统模具加工所采用的“电火花→抛光”等复杂冗长的工艺流程，甚至可用高速切削加工替代原来的全部工序。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，高速加工技术除可应用于淬硬模具型腔的直接加工（尤其是半精加工和精加工）外，在EDM电极加工、快速样件制造等方面也得到了广泛应用。大量生产实践表明，应用高速切削技术可节省模具后续加工中约60%-100%的手工抛光时间、也可减少EDM的工序与时间、节约加工成本费用近30%、刀具切削效率可提高1倍，这种节约已经在许多国外模具厂商得到了真实反映。

　　用高速铣削加工模具，不仅可用高转速，大进给，且粗、精加工一次完成，大大提高了生产效率。采用高速切削加工淬硬钢模具，硬度60HRC以上，表面粗糙度Ra0.6μm，达到了磨削加工的水平，效率比电加工高数倍，不仅节省了大量的修光时间，还可代替绝大部分的电加工工序。

　　2 高速加工对CNC系统的要求

　　高速加工是一项先进的、复杂的系统工程技术，与传统加工工艺技术相比，它对机床、刀具、刀柄、加工工艺、控制系统、CAD/CAM软件等多项指标都有较高要求。由于模具加工的特殊性以及高速加工技术的自身特点，对模具高速加工工艺系统（加工机床、数控系统、刀具等）提出了比传统模具加工更高的要求。

　　先进的数控系统是保证模具复杂曲面高速加工质量和效率的关键因素，其特性体现在加减预差补，前馈控制，精确矢量补偿，最佳拐角减速、安全防护与实时监控等方面。模具高速切削加工对数控系统的基本要求为：

　　高速的数字控制回路，如采用64位并行处理器、极短的直线电机采样时间。

　　速度和加速度的前馈控制、数字驱动系统的爬行控制。

　　先进的基于NURBS的样条插补计算方法，以获得良好的表面质量、精确的尺寸和高的几何精度。

　　预处理功能。要求CNC具有大容量缓冲寄存器，可预先阅读和检查多个程序段(如1000～2000个程序段)，以便在被加工表面形状（曲率）发生变化时可及时采取改变进给速度等措施以避免过切等。

　　误差补偿功能，包括因直线电机、主轴等发热导致的热误差补偿、象限误差补偿、测量系统误差补偿等功能。

　　此外，模具高速切削加工对数据传输速度的要求也很高。传统的数据接口，如RS232串行口的传输速度为19.2kb，而高速加工中心均已采用以太局域网（Ethernet）进行数据传输，速度可达200kb。

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