作者：何庆
出版社：电子工业出版社
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高速加工与数控编程试读：
前言
本书是作者近年来在研究高速加工和STEP-NC技术的基础上，结合科研成果，有选择地吸收国内外的最新研究，经整合而成的著作。
高速加工是当前机械工业先进制造技术方面研究和应用的热点之一。在军工、模具、发动机等方面有良好的应用前景。大型机械制造企业和高等院所等都在积极引进国内外高速加工设备，开展高速加工在薄壁件、复杂曲面和大型壳体方面的制造研究和应用。由于高速加工的机理不同于普通的机械加工和一般的数控加工，在某些方面有独特的优势，其机理目前尚未得到满意的解释，国内开展此方面的研究时间也不长，急需这方面的理论和技术指导。
本书从系统的观点出发，将当前的研究热点——高速加工（HSM），作为一个大系统来展开，而不是过于细节地描述某个方面，本书较全面地论述了高速加工的关键技术，以及如何从绿色制造的系统出发来选择高速加工设备，对高速数控加工的新技术进行了全面论述。此外，本书在ANSYS的基础上，对高速铣削有限元进行了分析计算，对高速铣刀几何参数的优化选择有积极的借鉴作用。
由于高速加工其主轴转速、进给速度和加速度都很快，这就使得高速加工编程策略与普通数控编程有所不同，本书探讨了将新的国际标准STEP-NC引入到高速加工中。
STEP-NC是国际标准化组织开发的新型数据接口（ISO 14649），将产品数据转换标准STEP扩展至CNC领域，重新定义了CAD/CAM与CNC之间的接口，要求CNC直接使用符合STEP标准（ISO 10303）的三维产品数据模型，加上工艺信息、刀具信息，直接产生数控程序，驱动机床进行数控加工。STEP-NC不再使用ISO 6983所定义的G、M格式，不是直接对刀具中心轨迹进行编程，而采用STEP-NC数控程序接口，根据零件的制造特征（如平面、孔、曲面、型腔等）进行程序规划和加工。
本书分析了STEP-NC与高速加工的关系，系统地探讨了STEP-NC的结构和特点，并针对符合ISO 14649的STEP-NC程序的生成，以及高速加工的编程策略进行了系统论述。由于STEP-NC是新的国际标准，将代替现行数控方面使用的G、M代码，目前市场上这方面的专业书籍不多，本书对此进行了积极探讨，以期起到抛砖引玉的作用。
本课题研究先后得到了两个科研基金项目支持：安徽省教育厅自然科学研究项目“高速切削及其CNC自动编程技术的研究”（2003KJ101）、江苏省高校自然科学研究项目：基于高速加工的STEP-NC系统研究（05KJB460027）。
感谢博士生导师桂贵生教授对我的教诲和理论指导，使我对该研究领域有了更加深刻的理解和认识，对课题的进展和本书的成文有很大的推动作用。
本书在撰写过程中，得到了王乾廷博士后、杜世昌博士、仓公林博士，许良元硕士、彭丹丹硕士、吕堃硕士等多位学友的技术支持和帮助。尤其是王乾廷博士后对本书稿进行了通读和修订；我的研究生王雅讲师和朱涛工程师也对本书的出版付出了劳动和技术协作；电子工业出版社也给予了大力支持，在此向他们表示衷心的感谢。
本书参考了国内外大量的技术文献资料，由于时间仓促，有些文献和资料的作者和单位未能一一列出，在此一并向他们表示衷心感谢。
高速加工的相关理论，以及STEP-NC数控技术正处在不断探讨和发展中，由于作者知识水平和研究试验背景有限，书中难免存在缺点和错误，恳请专家、学者和工程技术人员不吝赐教，给予批评指正。
何 庆
2008年12月于北京交通大学
第1章 绪论
1.1 HSM概述
1.1.1 HSM的基本概念高速加工（High Speed Machining，HSM）也称高速切削（High Speed Cutting，HSC）。国内外文献对HSM的描述主要有以下几种：（1）国际生产工程科学院（CIRP）切削委员会在1978年提出，线速度在500～7000m/min的切削加工为高速切削加工。（2）德国Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所（PTW）提出，以高于普通切削速度5～10倍的切削加工为高速加工。（3）对铣削加工，从刀具夹持装置达到平衡要求时的速度来定义高速加工，ISO 1940标准提出，主轴转速超过8000r/min为高速加工。（4）从主轴设计的角度，以沿用多年的主轴转速特征值DN值来5定义高速加工，DN值在（5～15）×10mm·r/min时为高速加工。（5）从主轴和刀具的动力学角度来进行定义，它取决于刀具振动的主模式频率，在ANSI/ASME标准中用来进行切削性能测试时选择转速范围。
一般认为，高速加工是指采用比常规切削速度和进给速度高得多（一般要大于5～10倍）的速度，来进行高效加工的先进制造技术。HSM一般采用高的主轴转速n、高的进给速度v，较小的切削深度fa，其切削速度伴随着刀具材料的超硬耐磨性的发展而不断提高，现p阶段一般把主轴转速在10000～20000r/min、进给速度在30～100m/min范围的切削，划归为高速加工，图1-1表示为不同材料的切削速度与切削温度HSM曲线图。超过此速度范围，即为超高速切削（Ultra High Speed Cutting，UHSC）。
HSM与普通数控加工在切削参数、刀具、机床等方面，是有一定的区别，如表1-1所示。图1-1 不同材料的切削速度与切削温度HSM曲线图表1-1 HSM与普通数控加工的区别
1.HSM的特点
1）减少机加工时间，获得高的加工效率
高速加工采用高的切削速度和进给速度，使单位时间内金属切除量Z（Z=v·f·a）增大，生产效率得到提高。高速铣削一般只需进wwp行粗、精加工，半精和清根加工则可省略，工艺方案可简化，机加工设备种类也有所减少。此外，高速加工后的表面粗糙度已接近磨削加工的程度，因此可以用HSM来部分代替磨削。以某模具零件的加工为例，传统加工方法和高速加工的工艺路线如图1-2所示。图1-2 模具传统加工与HSM工序路线图
2）获得高的加工精度和表面质量（1）HSM时由于a小，对同样的切削层，表现为切削力下降，p工件变形减小。（2）由于切削速度高，对工件切削作用时间短，大量的切削热来不及传导，就随切屑排出，切削温度下降；工件的热变形小，仅受一次热冲击，工件表面损伤轻，使得表面粗糙度降低，可保持良好的表面机械性能，呈压应力状态。（3）HSM时与主轴转速有关的激振频率远远高于工艺系统的固有频率，对切削加工的不利因素如振动等被削弱。
3）有利于薄壁件加工
在常规切削条件下，由于切削力大，工件易变形，尤其是薄壁件变形更大。而HSM时，随着切削速度的提高，切削剪切区温度升高，工件材料软化，材料屈服强度降低，使得单位切削力下降，如图1-3所示，利用这一特性可加工薄壁件，且加工时间短，工件变形小，易保证加工质量。在航空工业上，特别是铝的薄壁件加工目前已经可以切出厚度为0.1mm的成形曲面。图1-3 F-V曲线
4）属于环境友好型加工方式
在一些精密加工中，如模具制造中，型面加工多采用电加工，由于电加工会产生一些有害的气体和烟雾，生产效率也不高，这同目前低能耗、与环境相协调的“绿色制造”的发展方向不相一致，用高速铣削来代替特种加工是模具制造业的一个发展方向。HSM可以获得较好的表面质量（Ra可达0.4μm），这不仅可省去电火花加工后的磨削、抛光等工序，而且在工件表面上可形成压应力，提高模具的寿命。
2.HSM的应用
高速加工机床进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车生产家厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国Cincinnati公司的hypermach机床进给速度最大达60m/min，2快进时为100m/min，加速度达20m/s，主轴转速已达60000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般数控铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h。
此外，高速加工后的表面粗糙度已接近磨削加工的程度，因此可以用高速切削来部分代替磨削，简化工艺，减少机加工设备，在现代制造中显示出较大的优越性。
1）难加工材料的高速切削
难加工材料（如钛合金、高温合金、不锈钢及高强度合金钢等）在宇航和国防等领域的应用越来越广，但它们的切削加工性差，普通加工只能采用低速切削，制造和应用都受到限制；采用高速切削后，切削热大部分被切屑带走，工件温升不高，制造难度下降。
2）重切削
大型或重型零件在切削加工时，普遍存在的问题是：切削深度大，切削力大，切削时间长，生产效率低。而在高速加工时，由于机床和刀具的性能都较好，且切削力下降。这对提高大型工矿设备的制造效率，有着重要的意义。以新日本工机（SNK）生产大型轧辊为例，采用高速加工后生产效率比普通加工提高了5倍。
3）精密机械制造
在精密机械或光学仪器的制造中，尺寸精度、加工稳定性等往往要求较高。采用高速加工时激振频率很高，工作平稳，易获得较高的尺寸精度。日本研制的转速为55000r/min的超精密铣床，在微细加工方面，它的生产率和相对精度均超过了光刻技术。
此外，HSM在干式切削、石墨电极的高速加工等方面都有着良好的应用前景。1.1.2 HSM的技术范畴
高速加工涉及的技术领域很宽，如图1-4所示。（1）高速切削机理研究。对高速切削过程中的各种物理现象以及被加工材料（尤其是难加工材料）的切削加工性进行研究。（2）高速机床的结构、性能研究。
① 高速主轴单元。对高速电主轴的结构、材料、支撑轴承的开发与研究；主轴系统动态特性和热态性能研究；主轴端部与刀具连接技术研究、系统的润滑与冷却技术研究。
② 高速进给单元。研究加、减速控制技术、直线电动机及精密伺服系统；导轨、精密滚珠丝杠副及大导程丝杠副的研制、系统惯量与伺服电动机参数匹配关系的研究。图1-4 高速加工技术系统（3）高速加工刀具技术研究。研究适合高速加工的刀具材料、刀具的几何参数与结构、刀具与工件材料的匹配性、刀具磨损、HSK（Hole Short Kegel）刀柄等。（4）高速加工工艺技术研究。研究高速加工策略，加工参数的选择及优化，高速加工知识库及工艺数据库，CAD/CAM。（5）高速数控技术研究。研究刀具路径规划、高速插补技术、NC编程、新型CNC系统、数据高速大容量传输技术、接口技术等。（6）高速加工检测技术研究。研究高速加工机床主轴单元、进给单元及其辅助单元的监测技术；对刀具的磨损、破损等进行在线监测研究。（7）高速加工表面质量。1.1.3 HSM的国内外研究现状
高速加工的理论最早是由德国的Salomon博士于1931年提出的。1981年德国Darmstadt工业大学研制了高速主轴系统，随后德国发起了由18家企业和大学联合开发为期4年的高速加工研究。Darmstadt工业大学的H.Schulz教授在高速切削机理和工艺方面进行了卓有成效的研究，促进了高速加工技术的应用。
20世纪90年代，发达的工业国家相继投入到HSM的研究与开发中，1993年直线电动机的研制成功拉开了高速进给的序幕，标志着HSM技术已从理论研究走向工业应用，HSM已成为现代数控技术的重要发展方向之一。
1996年芝加哥IMTS’96（国际制造技术展览会）技术主题就是机床的“高速化”。1998年芝加哥IMTS’98又增加了高速切削的刀具、刀夹系统等专题，CIRP年会近年来一直把HSM理论与技术作为其主要内容之一进行研究。
国际上近年来在HSM方面开展的主要研究项目有：（1）H.Schulz教授领导开展的德国科学技术部资助项目，主要内容是对高速铣削机床及其主轴、刀具、HSM工艺、效率与应用的研究。（2）Komanduri博士领导的美国先进加工研究计划AMRP。（3）意大利Levi等人对HSM经济性的研究。（4）日本鸣泷则彦等在端面铣削方面进行的高速切削应用研究。
国内的HSM研究起步较晚，国内著名的北京国际机床展览会（CIMT’2001——CIMT’2007），HSM机床是热点之一。目前国内HSM的研究多数集中在高校和研究所，还处于实验室研究阶段，有一部分也已进入了实际应用（如上海通用汽车有限公司高速铣削发动机箱盖、成都飞机制造公司加工起落架等）。近年来，我国对高速切削资助的研究集中在下列院所。（1）北京理工大学“高速切削机理研究与刀具研制”。（2）东北大学“高速切削技术的研究”。（3）广东工业大学“快速进给系统的研究”。（4）同济大学的“高速主轴系统的研究”、“水泥床身的研究”。（5）沈阳冶金建筑学院“全陶瓷轴承及磁悬浮轴承的研究”等。
在新型高速数控系统与技术方面，尤其是新的数控数据接口STEP-NC的研究较少。
国内主要机床生产厂家在引进、合作、吸收国外HSM先进技术的基础上，也设计开发了一些国产的HSM机床，国内HSM机床部分性能参数如表1-2所示。表1-2 国内HSM机床部分性能参数
机械科学研究院在2000年“机械制造业产品与技术发展预测”中阐述，在“十五”期间，高速加工到2005年基本上实现工业应用，在下列关键技术和研究工作上有所突破：（1）高速切削、磨削机理研究。（2）高速主轴单元制造技术研究。（3）高速进给单元制造技术研究。（4）高速加工的刀具、磨具及材料研究。（5）高速加工测试技术研究。
1.2 高速切削机理
切削机理主要包括切削加工过程中发生的一些物理现象，如切屑的形成过程、切削力与切削温度的产生和分布规律、刀具磨损等。目前主要研究手段有理论分析、物理试验和计算机仿真。1.2.1 有关HSC机理的三种学说
高速切削机理目前有三种学说，分述如下。（1）学说之一：Dr.Salomon理论。如图1-5所示，在常规切削速度范围内（A区），切削温度随切削速度的增加而升高。当切削速度增大到某一数值v之后，切削速度再增加，切削温度反而降低。v值εε与工件材料有关。对每种工件材料，存在一个速度区（B区），在这个区域内，由于切削温度太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行，这个区称为“死谷”（Dead Vally），如果能超过这个“死谷”进入高速区（C区），则切削速度再增加，切削温度可能反而下降，则有可能用现有的刀具进行高速切削，大幅度地减少切削加工时间，提高生产率。图1-5 高速切削概念示意图A—常规切削区 B—非切削区C—高速切削区
Dr.Salomon还认为，“如果在低速切削区中某一切削速度v下会1产生某一切削温度θ，那么把切削速度提高到高速切削区中的某个值V，还会出现同样的切削温度θ”，这份德国专利（No.523594）标志2着高速加工技术的诞生。
然而后来的学者和高速切削试验结果对Salomon假设提出了置疑。（2）学说之二。在高速切削铸铁、钢及难加工材料时，即使在很高的切削速度范围内也不存在上述的“死谷”，刀具耐用度总是随切削速度的增加而降低。然而有趣的是，在用硬质合金刀具高速铣削钢材时，尽管随切削速度v提高，切削温度随之升高，刀具磨损随之m加剧，且T—v规律仍遵循Taylor方程v=A/T。但在高速区，Taylor方程中的m值要大于较低速度区的m值，这意味着在高速区刀具耐用度T随v提高而下降的速率变缓。这一结论对高速切削加工技术的实际应用有重要意义。（3）学说之三。切削试验表明，与常规切削相比，高速加工切削力可降低30%左右，刀具耐用度可提高70%左右。美国于20世纪70年代前后用爆炸射击法实现的1200m/s的高速切削试验表明：在高速切削条件下切屑的形成过程和普通切削时不同，随着v的提高，塑性材料的切屑形态将从带状、片状到碎屑不断演变，单位切削力初期呈上升趋势，随后急剧下降，但还没有成熟的高速切削理论解释这些试验结果。1.2.2 切屑形成机理分析
HSM中切屑的形成过程，如图1-6所示。在图1-6（a）的切削层前端区域，被切削的材料发生连续塑性变形，经过切削变形，刀刃前方的金属结构发生了变化，由于摩擦、切削作用和切屑内部的分离作用，在刀面和刀刃侧面产生了切削热。热量传导给刀具和工件、并通过切屑散发出去。当加工效率高时，一般生成热量的70%～80%会传给切屑并带走。
切削速度提高以后的切屑形成过程如图1-6（b）所示。切削速度提高，将使摩擦、压力增加，从而使切屑以及刀具与工件的接触面间的温度升高。此时，接触面区域的温度就会升高到工件材料的熔点温度，切屑和切削面间接触区的高温会对切削区域起到回火的效果，这就降低了工件材料变形的阻力，相应就会引起切屑流动的顺畅，降低了切屑的压力，结果就会产生大的剪切角ψ和较小的切屑截面面积。也就会产生较大的切屑弧度，剪切角增大，这就降低了切削力。
广义上整个机床区域——不论热的切屑直接接触到的，或是间接通过工件接触到的，以及重要的机床部件区域都可被认为是工作区域，因此，尽快地排除高温的切屑非常重要。前刀面和后刀面上的各种磨损可通过有效的外部润滑来降低，此外，切屑和工件之间的摩擦也可通过外部润滑而降低，从而加速切屑的流动。图1-6 HSM切屑形成图
HSM中，切屑形成的机理和屑形都与普通加工有所不同。在不同切削速度下，车削工件材料为CK45，得出的屑形如表1-3所示。随着v的增加，切屑形状由长变短，呈不连续状，有利于排屑。表1-3 高速车削的屑形变化1.2.3 高速切削方程式
经典的切削方程式：
式中 ψ——剪切角；
γ——刀具前角；β——摩擦角。o
为了推导HSM时摩擦角β，作如下假设：（1）切削不产生积屑瘤；（2）刀尖圆弧半径r忽略不计。β
在如图 1-7 所示的切屑与前刀面之间的作用力图上，工件上的切削部分在被切离时，其 v 由零到高速，在切屑被切离工件的瞬间存在一个加速度 a，因此产生了一个沿A向上的惯性力F，在高速切削力γg学模型中，由平衡可得：
式中 F——刀具对切屑作用的合力；g
F——切屑脱离工件时的惯性力；f
F——切屑与刀具间的摩擦力。r
由图1-8可知：图1-7 切削受力分析图1-8 切削合力分解
代入式（1-2），得：，代入式（1-5），得：
代入式（1-1），得出高速切削方程式：1.2.4 切削热的产生和传递
1.高速加工时切削热来源（1）约80%的热量由形成切屑的机械变形产生；（2）约18%的热量由第二变形区产生；（3）约2%的热量发生在刀尖。
可以看出高速切削与普通切削热传导的方式是不同的，高速加工时，切削速度越高，切屑带走的热量也越多。工件吸收的热量就少，工件的温升不明显，这对热效应敏感材料的加工和保证工件的尺寸精度都是有利的。
但在高速切削薄壁件时，切削热的影响会带来加工精度问题，因此要予以考虑。由于切削热是属于移动热源加热问题，目前有两种基本计算方法：（1）数值计算法，如有限差分法和有限单元法。（2）模型简化法，是将实际问题简单化，近似得到温度场的解析公式。
以下就在有关文献分析的基础上，建立高速铣削温度场的有限差分模型和有限单元模型。在有限单元模型中，对空间域采用Galerkin加权余量法，对时间域采用差分格式的有限差分法。
2.高速铣削温度场解析解
1）热流密度计算
要计算工件的温度分布，首先要计算切削加工过程中传入到工件的最大热流密度q，根据文献，传入到工件的最大热流密度为：max
式中 F——剪切面上剪切力；sh
v——剪切速度；sh
J——热功当量；
b——切削宽度；
a——背吃刀量；p
ψ——剪切角。
根据文献，在切削速度较高的情况下
传入到工件的能量比为：
式中 r——剪切应变，r=cotψ+tan（ψ-r）；shsh0
v——切削速度；——导温系数，其中k为热导率，c为工件比热容，ρ为工件密度。
把式（1-10）代入式（1-8），即可得到高速铣削时传入工件的最大热流密度。
2）高速铣削温度场解析
求解温度场要从实际问题中抽象出既能够正确反映对象实际受热情况，又能简化计算的热源模型。因高速铣削的薄壁件多是铝材构件，故可设定工件材料具有各向同性，工件的比热、密度以及热传导系数是常数，假设忽略塑性变形所产生的热量，采用图1-9（a）所示坐标系，O-XYZ为固定坐标系，在立式高速加工中心上立铣刀旋转，工作台以恒定的进给速度沿-X轴方向前进；O′-X′Y′Z′为移动坐标系，坐标原点位于立铣刀轴线与工件交点上，并且随立铣刀一起移动。将切削中热源近似为半径为a的移动圆形热源，如图1-9（b）所示。该移动热源热流密度是以原点为中心呈三角形分布，如图1-10所示。设工件是薄板，厚度为δ，在Z方向上，因温度变化不明显，就暂不考虑工件Z方向上温度变化。当切削不考虑对流影响时，可得到工件的温度控制方程式：
式中 T——工件任一点的温度；
v——工作台进给速度；f
t——时间。
在边界条件应满足：
当R→∞时，=0其中图1-9 铣削加工过程坐标系统图1-10 三角形分布热源
在刀具与工件接触处：
初始温度为室温：
求解方程（1-11）在不同边界条件的解析解，解的形式是：
当t→∞时，在准稳态情况下：
式中，。
K是第二类修正Bessel函数，I是第一类修正Bessel函数。
3）高速铣削温度场数值解
在上面的分析中，材料的物性假设为常数，但是在实际中材料的这些指标（导热系数、密度和比热）都是和温度有关的，过程是非定常的，求出解析解是非常困难的。在变物性条件下，式（1-11）变为：
与工件接触区（0 对式（1-17）可以采用以下两种方法求数值解：（1）有限差分法 将区域划分成步长为ΔX、ΔY的网格：X=iΔX，Y=jΔY，其中i，j是正整数。把时间域分成小的时间步长Δt，即t=nΔt（n=0，1，2，…），在任意位置（X，Y）、任意时刻t的温度可表示为： 式（1-17）的有限差分格式为：
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]