1 引言

　　數控加工技術是第二次世界大戰(zhàn)以后，為適應復雜外形零件的加工而發(fā)展起來的一種自動化加工技術，其研究起源于飛機制造業(yè)。1952年美國空軍與麻省理工學院(MIT)和帕森斯公司合作，發(fā)明了世界第一臺三座標數控銑床，可控制銑刀進行連續(xù)空問曲面的加工，揭開了數控加工技術的序幕。而且數控加工可有效地提高生產率，保證加工質量、縮短加工周期、增加生產柔性、實現各種復雜精密零件的自動化加工，易于在工廠和車間實行計算機管理。因此，它是現代制造業(yè)的核心和發(fā)展軍事工業(yè)的重要戰(zhàn)略技術，是衡量一個國家工業(yè)化水平的重要標志。

　　20世紀20年代德國人Saloman最早提出高速加工(Higll Speed Machining，簡稱HSM)的概念，并于1931年申請了專利。50年代末及60年代初，美困和日本開始涉足此領域，在此期問德國已針對不同的高速切削加工過程及有效的機械結構進行了許多基礎性研究工作。自從1979年美國空軍和洛克希德飛機公司研制了用于加工輕合金材料的高速銑削設備，開創(chuàng)了“整體制造法”快速切削大量金屆材料的方法后．高速切削加工技術得到了進一步發(fā)展和更廣泛的應用。美國、日本、德國等工業(yè)發(fā)達的國家對這項先進制造技術極為重視，進行了大量研究，取得了積極成果。80年代初期，因飛機制造業(yè)為縮短加工時問以及對一些小型特殊零件的薄壁加工提出了快速銑削的要求，將HSM技術真正應用于實踐。

2 高速加工

　　2.1 高速加工基本概念

　　高速加工是近年內迅速崛起的先進制造技術，合理而科學的應用高速加工技術，已經成為提高加工效率、提高加工質量、縮短加工時間的重要途徑之一。目前掌握了先進制造技術的工業(yè)發(fā)達國家，在模具制造、航空航天制造、精密零件加工等領域中已廣泛地應用了高速加工技術。

　　2.2高速加工的特點

　　(1)提高生產率

　　隨著銑削速度和進給速度的提高，可大幅度提高材料去除率。另外，高速銑削可以加工淬硬零件，復雜型面零件可以通過高速銑削一次裝夾完成從粗加工到精加工等全部工序，省略電加工和手工拋光等工序，縮短加工制造周期，提高生產率。如美國GM公司在其發(fā)動機總成Powertrain工廠生產V88Northstar發(fā)動機的敏捷制造生產線上，采用了57臺日本MAKINO(牧野)公司制造的J88型加工中心，

　　最高加工切削速度達1800m／rain，三倍于原來的剛性生產線切削速度，生產準備時問也相應減少了6—9個月。

　　(2)提高加工精度和表面質量

高速加工中心需要具備高剛性和高精度等性能，由于銑削深度較小，而進給速度較快，高速加工時切削力低、工件熱變形減小，可以獲得高的加工精度和小的表面粗糙度。據英國Delcam公司實驗加工工廠的報告。采用高速切削加工鋁合金件粗糙度可穩(wěn)定地達到Ra0.4～0.6，加工鋼件可達到Ra0.2～0.4。

　　(3)可使用直徑較小的刀具

　　高速加工的切削力較小、切削負荷較為平穩(wěn)，較高的主軸轉速適合使用小直徑的刀具，相對于傳統加工使用的大直徑刀具，可有效降低刀具費用。例如GM公司在RFbll000S機床上高速銑削汽缸精密鑄造模具型腔，工件材料硬度為ttRC35的鋼材(X38CrAIoV51裔合金工具鋼)，加工最大轉速和最大進給速度分別為30 000 rpm與5 000 mm／rain，采用的最小刀具半徑僅為2 mm。

　　(4)可加工薄壁零件和高強度、高硬度的脆性材料

　　高速加工時的銑削力小，切削力穩(wěn)定，可確保成功的加工出薄壁零件，采用高速銑削可加工出壁厚0.2mm、壁高20mm，甚至壁厚0.1mm、壁高15mm的薄壁零件。

　　另外由于加工工藝、刀具等技術的進步，目前高速加工已可以加工硬度達HRC60的零件，可以實現熱處理后的再加工，簡化了模具制造工藝。

　　(5)可實現整體結構零件的加工

　　高速加工可加工飛機框架、構架等大材料去除率>90％的零件，除了可以有效減輕零部件重量、保證零件材料整體性外，也可以減少裝配工序，減少零件數目，提高可靠性。如瑞士派士12(PC-12)客機飛機大梁，零件形狀復雜，采用Starragahaeckea公司制造的臥式五坐標加工中心高速加工，其制造時問縮短為原有的75％，同時提高了零件精度和互換性。又如波音公司生產的F15戰(zhàn)斗機零件中，原本為需要約500個零件組裝而成的構件，現僅用一塊整料采用高速加工技術即可完成。

　　(6)可替代其它電加工、磨削等加工工藝

　　由于高速加工可以實現對淬火后零件的切削，以及可獲得細膩的表面質量和較高的加工精度，在模具型腔加工中可以取代電加工和磨削加工，減少或者取消拋光工序。如上述提及的GM公司采用高速銑削汽缸精密鑄造模具型腔一例中，高速銑削后的粗糙度低于Ra0.6，減少了80％的手工拋光時間。

　　(7)提高經濟效益

　　由于上述的種種優(yōu)點，高速加工工藝提高了加工效率；改進了加工質量。筒化了加工工序，減少了額外機床和刀具的費用，從而使綜合經濟效益顯著提高。近年來出現的柔性生產線兀L(FlexibleTransfer Line)，可以比FMS減少30％的投資額。適用于大量制造的場合。目前我國的汽車工業(yè)已有諸如上海通用汽車公司等十幾條FTL投入使用，在加快制造節(jié)拍的同時降低了制造成本。

　　由于高速切削的特殊性和控制的復雜性，在高速切削條件下，傳統的NC程序已經不能滿足要求。因此，必須認真考慮加工過程中的每個細節(jié)，深入研究高速切削狀態(tài)下的數控編程，MasterCAM軟件具有很強大的CAM功能，可很好的實現復雜、難加工零件程序的自動生成。

3 MasterCAM軟件

　3.1 MasterCAM系統介紹

　　MasterCAM是集CAD／CAM于一體的系統，側重于數控加工編程，廣泛應用于模具設計、通用機械等領域，具有2—5坐標數控銑削加工編程能力、線切割加工編程能力和車削加工編程能力。MasterCAM系統由CAD模組和CAM模組兩部分組成。(DCAD模組CAD模組具有完整的曲線功能。可設計、編輯復雜的二維、三維空問曲線，還能生成方程曲線，能進行尺寸標注和注釋；采用NURBS，PARAMETRICS等數學模型，具有多種生成曲面方法，能完成曲面修剪、曲面問變半徑倒圓角：倒角、曲面偏置、延伸等編輯功能；在實體造型方面，具有倒圓角、抽殼、布爾運算、延伸、修剪等功能。CAD模組還具有可靠的數據交換功能。可轉換的格式包括：.IGES，.DXF，.DWG,.ASCII等。

　　(2)CAM模組

　　CAM模組包括銑床2D加工系統：能完成外形銑削、型腔加工、實體加工、刀具路徑模擬、編輯等功能。銑床2．5D加工系統：刀具路徑可投影至斜面。圓錐面、球面及圓筒面，能進行直紋曲面、掃描曲面、旋轉面的加工、單一曲面的粗、精加工及具有程序過濾(Filter)功能；銑床3D加工系統：能完成多重曲面的粗加工及精加工．等高線加工、環(huán)繞等距加工、平行式加工、放射狀加工、插拉刀方式加工、投影加工、沿面加工、淺平面及陡斜面加工，四坐標、五坐標聯動加工等。-MasterCAM系統CAM工作流程圖如圖1所示。

圖1 CAM工作流程圖

4 應用實例

　　利用MasterCAM9．0進行薄壁零件加工程序的生成，零件如圖2所示，在MasterCAM9．0中進行造型，模擬加工，生成程序。傳輸機床加工。

圖2加工零件囝圖

　　加工用MasterCAM9．0編程，幾何構圖完成后采用外形銑削，粗加工后留出單邊加工余量0.5mm，工藝安排分為加工方臺、輪廓的粗加工及精加工三步。

　　加工中使用兩把刀具，其中Φ10mm普通高速鋼刀用于粗加工及半精加工，精加工使用平底Φ12mm高速硬質合金銑刀。

　　1)使用MasterCAM9．0編程，加工出兩個80×80×20—mm的方臺，去除螺旋形狀和六邊形的多余余量，主軸轉速7 000 r／min，進給速度3 000 mm/min。工件單側留有2 I瑚的余趕。　　2)精加工，

　　加工采用沿z向分層的加工策略，共分30層、每層0.5 mm，即逐層下降，依次按薄壁外僅4一層。內側一層進行銑削加工。主軸轉速為10 000 r／min，進給速度2 000 mm／min，最終加工完畢工件薄壁厚度為0.1 mm。后處理生成加工程序進行修改，后傳輸加工中心加工結果如圖5所示。

　　加工實例表明，利用MasterCAM可合理的安排加工工藝和工藝參數，包括粗精加工分開、合理裝夾、對稱切削、余量適當、充分冷卻及逐層下切等，而這些條件是實現薄壁件高速加工的關鍵。

5 結語

　　高速加工多在數控機床上進行，實施高速加工需要具備必要的硬件條件，如功能強大的CNC系統、高精度高速度的主軸系統；高剛性和精確平衡的刀具夾持；高性能的切削刀具等。但僅僅具備硬件條件還不夠，還必須有合適的軟件做支持。因而離不開CAD/CAM系統的支持。CAM系統的性能、NC編程策略、刀具軌跡規(guī)劃方法等對高速加工的效率與加工質量有決定性的影響。高效、高質量地實現高速加工，很有必要采用CAD／CAM軟件，MasterCAM在有關高速加工的設定中，提供了不同加工區(qū)域之間的不同連接方式選項，而且只需繪出二維線框圖即可編制數控程序，且刀具軌跡生成速度較快。因此在高速切削加工中應用非常廣泛。