高速铣削与数控编程技术
摘要：对高速铣削和高速数控编程进行工作经验总结,介绍了在高速数控编程时应该注意和避免的问题, 并提出对高速数控编程进行优化的方法。
关键词：高速铣削 加工 数控编程
高速铣削一般采用高的铣削速度,适当的进给量, 小的径向和轴向铣削深度。一般情况下,高速铣削的 铣削速度要比常规速度高出5 ~ 10 倍,其材料去除率是常规铣削的3 ~5 倍以上。铣削时,大量的铣削热被 切屑带走,因此工件的表面温度较低[2] 。随着铣削速 度的提高,铣削力略有下降,表面质量提高,加工生产率随之提高。但在高速加工范围内,随铣削速度的提 高会加剧的磨损,如图1 所示。
1 高速切削对数控编程的具体要求
高速切削有着比传统切削特殊的工艺要求,除了高速切削机床和高速切削刀具,具有合适的 编程 软件也是至关重要的。一个优秀的高速加工CAM 编 程系统应具有很高的计算速度、较强的插补功能、全程自动过切检查及处理能力、自动刀柄与干涉检查、 进给率优化处理功能、刀具轨迹编辑优化功能、加工残 余分析功能等。国内外比较成熟适用于高速加工编程 的软件有西门子公司的
UnigraphicsNX、英国DelCAM 公司的PowerMill、以色列的Cimatron 软件。其中英国 DelCAM 公司的PowerMill 在3D 加工中优势较为突出。
高速切削中的NC 代码并不仅仅局限于切削速度、切削深度和进给量的不同数值。NC 编程人员必须 改变他们的全部加工策略,以创建有效、精确、安全的刀具路径,从而得到预期的表面精度[2] 。数控编程时首先要注意加工方法的安全性和有效性;其次要尽一 切可能保证刀具轨迹光滑平稳,这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命;最后要尽量使刀具载荷均匀,这会直接影响刀具的寿命。高速切削对数控编程的具体要求如下。
1. 1保持恒定的切削载荷
高速铣削过程中保持恒定的切削载荷非常重要, 这会直接影响工件的加工质量和机床主轴以及刀具等 零件的寿命。
1. 1. 1保持金属的去除量恒定
在加工中恒定的金属去除量可以获得较好的加工质量,由于切削载荷均匀,从而可以延长刀具和机床的 使用寿命。 为保持恒定的切削条件,主要采用顺铣方式进行粗加工。在高速切削过程中采用顺铣铣削方式,可以产生较少的切削热,降低刀具的负载,降低甚至消除了工件的加工硬化,以及获得较好的表面质量等。 在工件余量不均匀的情况下,通常采用等高加工策略来保证恒定的金属去除量。粗加工采用的方法通 常是在Z 方向切削连续的平面,又叫等高加工策略。 这种切削遵循了高速加工的理论,采用了比常规切削更小的切深,从而减小每齿切削去
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除量。图2 为Z 方 向切削连续平面示意图。通常这种加工方式采用斜向或者螺旋切入,可以获得较平稳的切削路径。
在高速切削的粗加工过程中,保持恒定的金属去 除率,可以获得以下的加工效果:(1)保持恒定的切削负载;(2)保持切削量的恒定;(3)较好的热转移;(4) 刀具和工件均保持在较冷的状态;(5)延长刀具寿命;
(6)获得较好的加工质量等[1] 。
1. 1. 2刀具要平滑地切入工件
如图3 所示,在高速切削过程中,让刀具斜向或者沿螺旋线方向切入工件要优于让刀具沿Z 向直接切入,这样可以保护刀具和机床,而且可以获得较好的加工质量。
1. 1. 3保证刀具轨迹的平滑过渡
刀具轨迹的平滑是保证切削负载恒定的重要条件。如图4 所示,螺旋曲线走刀是高速切削加工中一种较为有效的走刀方式。
在NC 编程中应尽量避免刀具路径轨迹出现尖角,让轨迹尽可能的光顺,这样可以提高工件表面加工质量,从而降低模具数控加工后的后续研磨强度。如图5 中c 图所示的刀具轨迹最好。
1. 1. 4尽量减少刀具的急速换向
由于进给量和切削速度非常高,编程人员必须预测刀具是如何切削材料的。除了减小步距和切削深度 以外,还要避免可能的加工方向的急剧改变。急速换向的地方要减慢速度,急停或者急动会破坏表面精度, 而且有可能因为过切而产生拉刀或者在外拐角处咬 边[2]。
通常,切削过程越简单越好。这是因为简单的切 削过程可以允许最大的进给量,而不必因为数据点的 密集或者方向的急剧改变而降低速度。从一切削层等 变率地降到另一层要好于直接跃迁,采用类似于圈状 的路线将每一条连续的刀具路径连接起来,可以减小加速度的突变[6] 。实际的高速数控编程中,常常用圆 弧连接来过渡切削移动以缓解这种急速换向的现象。
1. 2保证工件的高精度
1. 2. 1减少刀具的切入次数
为了保证工件的高精度,最重要的一点就是尽量减少刀具的切入和切出次数。 在高速数控编程中常常选择回路或者单向路径切削。这是因为在换向时,NC 机床必须立即停止(紧急 降速)然后再执行下一步操作。由于机床的加速局限性,容易造成时间的浪费。因此,许多人选择单向的路径切削模式来进行顺铣,尽可能地不中断切削过程和刀具路径,尽量减少刀具的切入次数,以获得相对稳定的切削过程。图6 显示了减少刀具切入次数的有效方法。
1. 2. 2精加工刀具的选择
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高速精加工不同于粗加工与半精加工,高速精加工直接决定了所加工工件的加工质量的好坏,所以精加工选用适当的刀具也非常重要。在同等条件下,刀具越长刚性越差,加工时让刀越严重。所以精加工应 尽量选用较短的刀具,可以减少让刀现象,保证加工质 量。但是由于3D 加工往往形状复杂,较深的地方刀具会发生碰撞,这时就可以采用摆角加工,这样就可以保证使用较短的刀具保证加工时减小让刀,从而保证加工质量。同样,精加工清角也可以采用这种方法进行加工。
1. 3保证工件的表面加工质量
在通常情况下,除了单纯地通过控制程序的步距、公差和点分布等参数来提高工件的表面质量以外,还可以通过以下方法来保证工件的加工表面质量。
1. 3. 1分特征精加工
在精加工过程中,尤其在3D 特征的加工过程中, 要注意一些复杂的细节或者拐角处切削形貌的产生, 而不是仅仅设法采用平行、“之冶字形切削、单向切削或其他的普通切削等方式来生成所有的形貌。由于加工区域形状复杂不能单纯地用一种加工策略进行编程时,便需要针对不同的特征单独考虑进行编程,比较平缓的区域可以采用平行线精加工,比较陡峭的区域就 需要单独考虑处理分区加工(如图7),这样的加工策略可以弥补单一加工策略的局限性,从而提高工件的表面加工质量。
分特征精加工是比较复杂的过程,要求编程员在对各种加工策略都非常了解的基础上,对工件进行详 细分析,针对不同特征的区域采用不同的加工策略。 分区域的恰当与否直接影响了工件的表面加工质量, 所以这也需要经验的积累。
分区域精加工有一定的原则:(1)精加工不是分区越多越好,在允许的情况下,能不分区精加工就不要分,因为加工分区越多产生的加工对刀误差就越多,加工质量就越不容易保证;(2)精加工刀路越简单越好, 精加工应尽量减少刀路的连接时间,提高加工效率; (3)刀路中应尽量避免尖角的出现,因为刀路中存在 尖角会影响整个工件表面的质量,会增加数控加工后的后续研磨时间;(4)陡壁面精加工时刀路应自上而 下,这样可以避免加工过程中“拉刀冶现象的出现。
1. 3. 2采用较大的进给量
在高速切削过程中,过小的步进(进给量)会影响实际的进给速率,其往往会造成切削力的不稳定,产生切削振动,从而影响工件表面的完整性。如图8 所示, 即为采用不同步进对工件加工表面质量的影响示意 图。可以看出,在高速切削条件下,采用较大的进给 量,会产生较好的表面加工质量[2] 。
1. 3. 3精加工前清角
在高速切削的精加工过程中,保证精加工余量的恒定至关重要。为保证精加工余量恒定,通常在精加 工之前要用比精加工使用的刀具小的刀具进行清角。 笔式清角采用的策略为,首先找到先前大尺寸刀具加工后有残留的拐角和凹槽区域,
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然后自动沿着这些拐角走刀。其允许用户采用越来越小的刀具,直到刀具的半径与三维拐角或凹槽的半径相一致,如图9 所示。
精加工前清角,在期望保持切屑去除率为常量的高速加工中是非常重要的。精加工前缺少了清角,当 精加工这些带有侧壁和腹板的部件时,刀具走到拐角 处将产生较大的金属去除率,难以获得较好的表面加 工质量。清角后,拐角处的切削难度降低,减少了让刀量和噪声的产生。
所以3D 精加工之前对工件进行行笔式清根可以有效地减小让刀量,使切削过程更稳定,减小噪声,从 而获得较好的加工质量。
1. 3. 4采用f =P 工艺来达到高速高精度工件表面
在高速铣削过程中,最好采用f = P 的铣削方式 ( 如图10所示)。这样加工出来的表面粗糙度比较均匀,可以获得较好的表面加工质量[2] 。
1. 3. 5退刀时采用进给速率
在高速数控精加工中采用进给速率退刀可以减小切削载荷的瞬间变化,使切削过程更平稳,从而获得较 好的表面加工质量。
2 结语
高速铣削技术以其卓越的加工优点被运用于各行各业。高速切削的发展源于市场日益激烈的竞争,对 时间和成本效率的要求越来越高,这便要求数控NC 编程不断地优化加工策略,充分发挥高速铣削的优点。
参考文献
[1]潘宝权. 模具制造工艺. 北京:机械工业出版社,2004.
[2]高速铣削加工工艺. 培训教程,2004.
[3]魏凤兰,等. 机械制造基础. 沈阳:辽宁科学技术出版社,2002.
[4]Noaker P M. 高速铣削加工的发展. 国外金属加工,1999(2).
[5]Schulz H. High-speed machining. Annals of the CIRP, 1992,41(2).
[6]艾兴,等. 高速切削加工技术. 北京:国防工业出版社,2003.
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[8]加工数据资料. 编程技术资料. 工艺技术资料. 软件学习资料. 四川 成飞集成科技股份有限公司(内部资料).(end) 文章内容仅供参考 ()
()(2011-4-16)
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第二篇：高职高专《 建筑电气控制技术》 课程改革与探索
高职高专《建筑电气控制技术》课程改革与探索
李文
高等职业教育培养目标定位在“坚持培养面向生产、建设、管理、服务第一线需要的‘下得去、留得住、用得上’，实践能力强，具有良好职业道德的高技能人才”，《 建筑电气控制技术》课程是建筑设备工程技术等专业的一门主干课程，对实现专业人才培养目标具有很重要的作用。我系在《建筑电气控制技术》课程教学过程中抓住高等职业教育培养目标的宗旨，坚持以就业为导向、以培养专业职业技能为主线，构建学生的专业知识、能力和素质结构，带动教学模式、教学方法、教学手段的改革,取得了突出成绩。
一、进行了教学内容、教学体系的改革
1.加强教材建设
教材是师生教学活动的主要工具和基本依据，是理论与实践的结合，是全面提高教学效率与教学质量的关键因素。通过骨干教师推荐、课程组讨论、教研室与系部把关的方式，精心选择教材。理论教材采用侯进旺主编、机械工业出版社的《建筑电气控制技术》，实验实训教材采用我校教师自行编写的《建筑电气控制技术实验实训指导书》（校本教材），里面包含全部的课程实验、课内实训项目。
2.精选教学内容
为了培养适应社会人才市场需要的高素质、高技能的操作型人才，我们对《建筑电气控制技术》课程教学大纲进行调整。在执行国家有关教学要求的前提下，根据国家职业资格鉴定内容与要求，修订或补充教学大纲的内容。在调整与确定教学内容时，既要认真考虑国家职业标准的要求，也要考虑国家制定的学历教育教学大纲的基本要求，将职业技能标准的各项要求纳入到教学大纲之中，使专业教学内容与职业资格标准相适应，保证达到职业资格证书的要求。对照分析维修电工技能要求鉴定点，将职业资格鉴定的每一个考核点明确到教学大纲之中，使《建筑电气控制技术》课程理论教学内容符合维修电工（高级工）的理论与技能要求，实践教学内容与维修电工（中级工）的技能要点完全符合，与维修电工（高级工）技能要点也基本相吻合。
3.调整实验内容
为了培养学生的实际操作能力，提高学生的工程实践能力和创新开发能力，我们将实践教学环节整和为基础训练和能力训练两个模块。其中基础训练包括验证性实验和设计性实验，验证性实验如接触器自锁正转控制电路，接触器联锁正反转控制电路等。设计性实验如两台笼型异步电动机的顺序起、停控制电路，工作台前进、后退自动循环控制电路等。能力训练将工艺技能训练与课程设计糅合合到一起，将单纯的理论设计改变为真刀真枪的工程应用设计，工艺技能训练则贯穿于工程设计、安装、调试全过程。
二、改革教学方法
在建筑电气控制技术教学中,我们对专业的人才培养目标进行了认真地分析和研究,更新教育观念,采用灵活多样的先进的教学方法和教学手段,充分调动学生的学习积极性,发挥学生在学习中的主体作用,注重对学生自学能力、知识应用能力、创新意识和综合素质的培养。根据具体教学内容灵活运用下列不同的教学方法：
（1）启发式、引导式教学。讲解新的内容和知识点时，引导学生去发现问题，提出问题，选择适当的切入点引出教学内容和教学难点，激发学生的学习积极性和学习热情，培养学生发现问题、探索问题的意识和精神。
（2）项目化教学。在部分内容中尝试了项目化教学，全课程共引入了4个工程实例项
目，通过布置资料收集任务→提出工程实例项目→讲解相关知识→分析解决方案→讨论总结经验等环节组织教学，拉近理论与应用的距离，也有利于拓展学生的创新思路。
（3）案例教学法。在教学过程中，对于常规低压电器产品、基本电气控制线路和典型建筑电气控制线路都通过不同的实例引入，以增加学生的学习兴趣，提高学生的理解能力，为学生利用所学知识解决类似的实际问题奠定基础。
（4）一体化教学法。将课程的理论教学、实践教学、生产、技术服务融于一体，教学场所直接安排在实验室或实训车间，来完成某个教学目标和教学任务。例如在讲解接触器自锁正转控制电路时，首先由教师介绍相关基本知识。其次对学生进行能力训练。再由老师对学生训练过程中的出现问题进行讲评，提出重点和难点，帮助学生理清理解和操作障碍，同时提出相关的知识内容，以强化学生的思维训练，拓宽学生的知识面，并注意把教学大纲中的内容适当地溶入每个模块，作为知识拓展的内容。最后进行能力测试，老师首先介绍接触器自锁正转控制电路常见故障，故障产生原因及检测方法，接下来由学生在已接好的线路中自行设置故障，通电试验后，从故障现象出发，通过反复测试，做出分析判断，逐步找出故障，然后由老师设置故障，学生在规定的时间内查找出故障点，并给学生打分作为本模块的学习成绩。
（6）结合工程实际，进行直观性、体验性教学。适时带学生外出参观，使学生直接了解建筑电气控制技术在建筑工程中的应用，取得了较好的教学效果。
（7）适当安排讨论课、习题课。学生通过对热点问题进行深入的讨论，和习题课的练习，加强对所学理论知识的理解。
三、进行了现代教育技术的研究，改革了教学手段
现代化教育技术手段给教学带来了教育思想、教育体制、教育内容及教育形式等方面前所未有的变化，接受利用现代化课堂教学手段是大势所趋,不以人的意志为转移的。
（1）采用多媒体教学。教学组织形式实现多样化,除了常规课堂授课外,尽量利用现代化的教学手段, 例如多媒体技术等，增加每一堂课的信息量。根据电气控制技术的最新发展情况，在平时授课中经常介绍一些有关的新技术、新知识，让学生及时了解最新的科技动态。
（2）开辟课程教学网页。网页由学生制作和维护。其功能有二：一是承载上课的教案，供所有学生下载和复习用。二是开辟讨论角，鼓励学生网上讨论问题，相互讨论和与教师讨论，提高学生的学习热情和主动性。 四、教学评价体系的改革
学习的目的不是为了考试，而考试是促进学习的方法之一。我们对考试的定位是：引导学生掌握知识脉络和重点，激发学生积极思考和学习的热情。因此，采取了多元化考核方法：
（1）考勤占5％。主要目的是：加强学风建设，建立、维护正常的教学秩序，创建优良校风。
（2）课堂提问占5％。主要目的是：使学生产生疑问，积极思维，充分调动学生的观察、思维想象等能力，并能有效地培养学生主动学习的意识，同时教师可以从中发现问题，有的放矢地展开教学。 （3）课堂小考占10％。主要目的是：提高学生们平时上课和学习的积极性；通过平时小考把每一章的重点和脉络使学生有一个更好的把握；主讲教师可以根据小考成绩及时了解学生们的学习状况，及时解决“教”与“学”中的问题，特别是困难生的问题；缓解学生的期末考试压力。
（4）课后作业占5％。主要目的是：使学生巩固复习、加深理解课堂所学知识，培养能力，训练技能不可缺少的重要环节，也是教师检查学生课堂学习效果，及时进行反馈矫正的主要途径。
（5）实践考核占25％。主要目的是：判断学生对知识的掌握程度，运用所学知识解决实际问题的能力，从而促进学生努力学习，不断进步。培养学生的实际操作能力，提高了学生的职业技能，使学生更能适应市场需求。并在实践考核中，逐步引人社会评价，加强职业技能的社会化考证工作，要求学生直接参加中级维修电工技能考证,直接以社会评价标准作为考核标准。
（6）期末考试占50％。主要考核学生是否建立起一个扎实的建筑电气控制技术知识体系。
五、结束语
近几年来，我系《建筑电气控制技术》课程组构建了建筑电气控制技术课程体系、实验体系、课程评价体系，实践总结了适合本课程的教学方法,采取多媒体教学手段,达到了提高教学质量的目的。今后，随着对高等职业教育的进一步深化，应积极开展教学研究和科学研究，努力提高自身的学术造诣,为社会主义现代化建设培养高素质的应用型人才。