数控高速加工关键技术的研究
时间：10-10
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3.5 高速CNC系统
数控系统（数字控制系统）是指实现数控技术相关功能的软硬件模块有机集成系统。它是数控技术的载体。数字控制系统中的信息是数字量，是相对于模拟控制而言的。
随着计算机技术的发展，数控系统已经从最初的由数字逻辑电路构成的硬线数控系统发展到了以计算机为核心的计算机数控（Computer Numerical Control，CNC）系统。相对于硬线数控系统而言，CNC系统的控制功能主要由软件实现，并可处理逻辑电路难以处理的复杂信息，因而具有较高的柔性和更高的性能。
高速加工对CNC的最基本要求：以足够快的速度处理NC数据、为各进给轴加减速产生无冲击的理论值。高速加工CNC功能模块，它与普通CNC相比，扩展有后置处理器，离线预处理功能和样条译码功能。高速加工CNC的核心技术是样条实时插补和无冲击的加速器。样条不应该线性化，应该直接插补，以免降低精度。机床进给驱动系统必须具有高动态性能，为机床进给轴加减速产生无冲击的理论值——斜坡函数，即机床进给轴加速度—时间曲线不允许有突跳，只有这样才能保证高速加工的高精度和足够高的进给速度。
数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程，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、自动刀柄与夹具干涉检查、进给率优化处理功能、待加工轨迹监控功能、刀具轨迹优化功能和加工残余分析功能等。高速切削编程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，这会直接影响到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，这会直接影响到刀具的寿命。
普通 NC程序信息量低，在执行NC程序之前要进行预处理，以离线方式进行。预处理内容：将ASCII转换为二进制格式，语法检查及与操作者进行交互，分解固定循环和子程序，参数计算和公式计算。编程主要是基于IS06983标准，但IS06983不支持五轴铣削和曲线加工的高速切削。目前的数控软件都以 IS06983（G，M代码）为标准，针对高速加工（HSM），只能在原CNC基础上，对刀具中心轨迹进行编程，程序量大，针对不同的高速加工中心，还需专用的后置处理器。STEP-NC（1S014649）是国际标准化组织（1SO）所开发，用来为数控（NC）设备定义数据而扩充的STEP标准。采用了 EXPRESS语言和面向特征的编程原理，将产品模型数据交换标准STEP扩展至CNC领域，重新规定了CAD/CAM和CNC间的接口，形成了新型NC 编程数据接口国际标准（1S014649）。STEP-NC可大幅度地减少传统的CAD/CAM系统加工零件的时间，消除了在加工制造过程中所需的后处理器，并且能够支持将在今后出现的更快、更安全、更加智能的加工设备。
3.6 高速机床支撑系统
高速加工过程中机床的动态特性至关重要，而获得高动态性能的基础是机床的各个部件应该具有最佳的阻尼特性，整个系统有很高的稳定性。这些特性可以通过结构优化设计和选择合适的机床材料来获得，如可以采用高度稳定的龙门结构和经优化的高刚度床身。
大多数的高动态性能机床的制造商都用混凝土作为各种非移动结构部件的材料，比如用于机床床身和横梁。高动态特性的机床部件移动所产生的冲击力被混凝土床身完全吸收了。相比之下，当制造像主轴箱这样的移动部件时，铸铁材料的耐压和耐拉强度就更有优势一些。铸铁材料可以用于制造具有优异强度和稳定性的较轻的部件。高速加工过程中同时也要求机床具备良好的加减速功能，即必须要保持合理的加加速和加加速度控制（Jerk control）。进给率在高速加工时可能不断转变，会产生变化的加减速度即加加速度，同时出现机械的冲击和振动，因此要控制过大加减速度的变化。
如果加加速过大（突变），可在短时间内实现加速，但同时会造成机床的振动，从而使所加工表面出现条纹，降低了表面质量。如果加加速过小，可以实现高的表面质量，但很难实现快加速功能。因此，为了保证在高速情况下加工出高质量表面，合理的机床加加速非常重要。
3.7 辅助单元技术
高速切削过程会产生大量的高温热切屑，必须及时将其从工作台上清除掉，避免使机床、刀具和工件产生热变型。高压大流量的切削液不但可以冷却机床的加工区，而且也是一种有效的清理切屑的方法。当前，许多机床都配置了高速加工所必需的高压冷却液泵。高速切削机理研究表明，基本剪切区的高温有助于加速塑性变形和切屑的形成。在高速切削条件下大量使用冷却液，虽然可显著提高刀具耐用度，但却大大降低了工件的塑性流动速度，反而降低总的生产效率。合理地选择冷却润滑方式，是保证加工质量的先决条件。对于条件最为恶劣的主轴轴承的润滑方式有油脂润滑、油池润滑、喷雾润滑、油气润滑等。一种新型气体轴承还采用强制供气润滑。
采用于式切削方式，会从根本上改善切削的环境状态，节省对切削液的直接投资和废液处理及环保费用。高速切削加工中为了保护环境与人身安全、降低生产成本、提高生产率及保证加工质量，应用干切削技术是高速切削加工的必然要求。因此，应开发出更加节省能源的机床，开发出更加实用的干式切削加工技术。如采用低温气体冷却，使工件、刀具和机床的温升降低，同时配备抽吸系统进行防尘和排屑，保证加工区的清洁。在一些机械加工中，纯粹的干切削是难以实现的，可以采用最小量润滑技术又称准干切削。也可以采用通过对加工表面局部加热（如激光加热、导电加热等）辅助加热的干切削技术，以改善材料的可加工性，降低切削力，有助于干切削的实现。
数控系统（数字控制系统）是指实现数控技术相关功能的软硬件模块有机集成系统。它是数控技术的载体。数字控制系统中的信息是数字量，是相对于模拟控制而言的。
随着计算机技术的发展，数控系统已经从最初的由数字逻辑电路构成的硬线数控系统发展到了以计算机为核心的计算机数控（Computer Numerical Control，CNC）系统。相对于硬线数控系统而言，CNC系统的控制功能主要由软件实现，并可处理逻辑电路难以处理的复杂信息，因而具有较高的柔性和更高的性能。
高速加工对CNC的最基本要求：以足够快的速度处理NC数据、为各进给轴加减速产生无冲击的理论值。高速加工CNC功能模块，它与普通CNC相比，扩展有后置处理器，离线预处理功能和样条译码功能。高速加工CNC的核心技术是样条实时插补和无冲击的加速器。样条不应该线性化，应该直接插补，以免降低精度。机床进给驱动系统必须具有高动态性能，为机床进给轴加减速产生无冲击的理论值——斜坡函数，即机床进给轴加速度—时间曲线不允许有突跳，只有这样才能保证高速加工的高精度和足够高的进给速度。
数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程，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、自动刀柄与夹具干涉检查、进给率优化处理功能、待加工轨迹监控功能、刀具轨迹优化功能和加工残余分析功能等。高速切削编程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，这会直接影响到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，这会直接影响到刀具的寿命。
普通 NC程序信息量低，在执行NC程序之前要进行预处理，以离线方式进行。预处理内容：将ASCII转换为二进制格式，语法检查及与操作者进行交互，分解固定循环和子程序，参数计算和公式计算。编程主要是基于IS06983标准，但IS06983不支持五轴铣削和曲线加工的高速切削。目前的数控软件都以 IS06983（G，M代码）为标准，针对高速加工（HSM），只能在原CNC基础上，对刀具中心轨迹进行编程，程序量大，针对不同的高速加工中心，还需专用的后置处理器。STEP-NC（1S014649）是国际标准化组织（1SO）所开发，用来为数控（NC）设备定义数据而扩充的STEP标准。采用了 EXPRESS语言和面向特征的编程原理，将产品模型数据交换标准STEP扩展至CNC领域，重新规定了CAD/CAM和CNC间的接口，形成了新型NC 编程数据接口国际标准（1S014649）。STEP-NC可大幅度地减少传统的CAD/CAM系统加工零件的时间，消除了在加工制造过程中所需的后处理器，并且能够支持将在今后出现的更快、更安全、更加智能的加工设备。
3.6 高速机床支撑系统
高速加工过程中机床的动态特性至关重要，而获得高动态性能的基础是机床的各个部件应该具有最佳的阻尼特性，整个系统有很高的稳定性。这些特性可以通过结构优化设计和选择合适的机床材料来获得，如可以采用高度稳定的龙门结构和经优化的高刚度床身。
大多数的高动态性能机床的制造商都用混凝土作为各种非移动结构部件的材料，比如用于机床床身和横梁。高动态特性的机床部件移动所产生的冲击力被混凝土床身完全吸收了。相比之下，当制造像主轴箱这样的移动部件时，铸铁材料的耐压和耐拉强度就更有优势一些。铸铁材料可以用于制造具有优异强度和稳定性的较轻的部件。高速加工过程中同时也要求机床具备良好的加减速功能，即必须要保持合理的加加速和加加速度控制（Jerk control）。进给率在高速加工时可能不断转变，会产生变化的加减速度即加加速度，同时出现机械的冲击和振动，因此要控制过大加减速度的变化。
如果加加速过大（突变），可在短时间内实现加速，但同时会造成机床的振动，从而使所加工表面出现条纹，降低了表面质量。如果加加速过小，可以实现高的表面质量，但很难实现快加速功能。因此，为了保证在高速情况下加工出高质量表面，合理的机床加加速非常重要。
3.7 辅助单元技术
高速切削过程会产生大量的高温热切屑，必须及时将其从工作台上清除掉，避免使机床、刀具和工件产生热变型。高压大流量的切削液不但可以冷却机床的加工区，而且也是一种有效的清理切屑的方法。当前，许多机床都配置了高速加工所必需的高压冷却液泵。高速切削机理研究表明，基本剪切区的高温有助于加速塑性变形和切屑的形成。在高速切削条件下大量使用冷却液，虽然可显著提高刀具耐用度，但却大大降低了工件的塑性流动速度，反而降低总的生产效率。合理地选择冷却润滑方式，是保证加工质量的先决条件。对于条件最为恶劣的主轴轴承的润滑方式有油脂润滑、油池润滑、喷雾润滑、油气润滑等。一种新型气体轴承还采用强制供气润滑。
采用于式切削方式，会从根本上改善切削的环境状态，节省对切削液的直接投资和废液处理及环保费用。高速切削加工中为了保护环境与人身安全、降低生产成本、提高生产率及保证加工质量，应用干切削技术是高速切削加工的必然要求。因此，应开发出更加节省能源的机床，开发出更加实用的干式切削加工技术。如采用低温气体冷却，使工件、刀具和机床的温升降低，同时配备抽吸系统进行防尘和排屑，保证加工区的清洁。在一些机械加工中，纯粹的干切削是难以实现的，可以采用最小量润滑技术又称准干切削。也可以采用通过对加工表面局部加热（如激光加热、导电加热等）辅助加热的干切削技术，以改善材料的可加工性，降低切削力，有助于干切削的实现。
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