一、高速铣削的背景概述
普通数控铣削存在着加工效率低，零件产生热变形较大，切削力较大，零件的加工表面质量不高等的局限性。高速切削则一般采用高的切削速度，适当的进给量，小的径向和轴向切削深度，切削时，大量的切削热被切削带走，因此，工件的表面温度较低，能够克服普通加工的上述缺点。高速切削加工技术具有不同于传统切削加工技术的加工机理和应用优势。
但许多企业虽具有精密的高速加工机床，但仅用简单孤立的切削技术，或按普通编程方法进行的数控加工，没发挥出高速切削设备的高效率，其机床利用率不到25%。
由于高速切削的特殊性和控制的复杂性，传统的NC程序已不能适应要求。所有应用先进的高速编程CAM系统针对高速铣削的特点进行编程方法的优化，形成系列关键技术总结整理并推广是目前急需进行的工作。
二、适合高速数控编程最佳CAM系统的选取
CATIA V5提供了强大的数控编程模块，车削加工模块、快速成型模块、2轴半加工、3轴曲面加工、多轴曲面加工等完备的CAM功能，而且提供了高速铣专用优化功能，丰富的加工策略，完全满足各种复杂零部件的高速加工的需要。
三、高速加工的数控编程的关键单元技术
高速加工一般主轴转速在10 000RPM～40 000RPM，进给速度3 000mm/min～6 000mm/min的条件下，提升高速加工的质量和效率，避免高速下的机械惯性影响，结合高速机床和高速铣刀的性能参数，应用CATIA 高速加工模块的特点进行零件的高速加工技术关键细节处理工作。
1.保持恒定的切削载荷
由于高速铣机床功率小，高转速高进给下的动态平衡问题和刀具耐用度的要求，要求刀具切削过程平稳，受到的切削力均匀。如果金属去除量的不断变化，当切削过程中的金属去除量的突然增大，增加了刀具切削时受到的阻力，相应主轴的切屑力距随着加大，这样机床功率增大；而瞬间切削载荷又变化减小，相应的刀具切削时受到的阻力减小，主轴的切屑力距随着减小，这样机床功率减小，这样不断变化，而主轴在10 000r/min以上，速度方向的惯性力相当大，不可能瞬间减小到零而继续前行，容易造成零件过切和刀具的颤振，影响到零件质量和刀具寿命。保持恒定的切削载荷十分重要。
（1）首先保持金属去除量的恒定。
从图1可以看出，沿零件轮廓加工，刀具在下降时，金属去除量增大，刀具在上升时，金属去除量减小，刀具切削部位不断变化，切削量不均匀。而分层切削过程中，使应力均匀释放，有利于加工变形的消除；不仅金属去除量均匀，一直在用刀具的最佳切削刃在切削。
（2）刀具要平滑地切入工件。刀具直接垂直的插入毛坯中，在接触零件的瞬间要产生很大的反作用力，该作用力的突然过大而造成刀具的偏斜，从而造成刀具的折断或崩刃。而采用坡向或螺旋切入等使刀具侧刃慢慢接触，切削量逐渐增大的下刀方式可以化解反作用力的影响。如图2所示。
（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，在尖角处要有平滑的走刀轨迹。
高进给、高转数下切削方向的改变，转向切削惯性力可使刀具切入零件转角处，造成零件过切而影响零件质量，对于薄壁厚零件产生筋条壁厚超差而报废，而一般高速机床没有转向减速的能力，这也是高速加工要解决的关键问题之一。所以保证刀具轨迹的转角圆弧是解决该问题的一个方面。如图3所示。
2.高速铣机床、刀具的选择
高速铣削加工的必要先觉条件是：高速铣数控机床，能够提供每分钟上万转的稳定转速和准确而快速的进给，CNC高速控制和反映能力，高速多数据处理以及有效的冷却方式和切屑处理能力。
根据工厂的实际，对照高速设备的说明书，合理分析该设备的控制系统能力、主轴头数、主轴额定转速、主轴额定功率以及主轴行程等参数进行工艺性分析，合理分配适合加工材料的零件，扬长避短，合理应用高速加工工艺方法和数控编程技术，发挥它们的最大优势，来提高机床利用率和加工效率。切削过程中，采用油雾冷却润滑的干式切削方式为最佳的高速切削冷却方式，可以避免过热蒸发和温度的激烈变化造成切削刃裂纹。
3.高速切削加工策略优化
（1）在高速加工中，不管是粗加工还是精加工都要采用顺铣的加工方式。
顺铣的概念：铣刀与工件接触部分的旋转方向与工件进给方向相同成为顺铣，反之为逆铣。在以主轴为进给运动，而零件静止的机床上，铣刀的旋转方向与刀具的进给方向相反时为顺铣，反之为逆铣。如图4所示。
在顺铣时，刀具刚切入工件产生的切屑厚度为最大，随后逐渐减小。在逆铣时，刀具刚切入工件产生的切屑厚度为最小，随后逐渐增厚，这样增加了刀具与工件的摩擦，在刀刃上产生大量热，所以在逆铣中产生的热量比顺铣时多很多，径向力也大大增加。同时，在顺铣中，刀刃主要受压应力，而在逆铣中刀刃受拉应力，受力状态较恶劣，降低了刀具的使用寿命。如图5所示。
（2）要分层切削。根据切削载荷平稳，金属体积去除率相等的原则，在粗加工中，根据轴向切深高度分层，每层切深Ap=3mm，分成若干层自上而下，逐步去除余量，仅在内轮廓及腹板面留有0.2mm～0.5mm均匀的精加工余量，让精加工达到去除刀痕和提高表面粗糙度的作用。如图6、图7所示。
4.走刀的策略及进退刀的方式
（1）走刀的策略。用刀具径向沿着内形轮廓对加工区域进行分布，形成刀具轨迹的方式称为走刀方式。一般用于薄壁型腔、槽口有Zig-Zag（往复加工）、向内环切以及向外环切。如图8所示。
高速切削中采用由内向外环切的走刀方式，而且排到宽度等于刀具的有效直径减掉1mm～2mm的刀具重叠量。
在刀具行进过程中要尽量减小急速换向。这是因为在换向时数控机床必须立即停止（紧急降速）然后再执行下一步操作。由于机床的加速局限性，而容易造成时间的浪费，急停或即动会破坏表面精度，且有可能因为过切而产生拉刀或在拐角处咬边。尽可能不中断切削过程和刀具路径，尽量减少刀具的切入切出次数，以获得相对稳定的切削过程。减少转向对机床惯性的影响，就要沿轮廓以小圆弧连接转向，环切从内到外切出的刀具路径也要进行圆弧连接，同时在转向之前降低切削速度。如图9所示。
（2）进退刀的方式。对于薄壁零件最典型的结构型腔和封闭槽，要在毛坯板材内形区域内选择下刀切入点，即起刀点，然后选择合理的进刀方式切入毛坯，而且每层加工完成后要返回进刀点，再选择进刀方式进行从该层到下一层的进刀，还有同一轮廓内，有时要跳转到另一下刀点，也需要进退刀的联接，直到最后一层加工完成，又要用到较好的进退刀方式连接到下一个型腔或槽口，所以在整个零件的加工中，进退刀次数较多，所以进退刀方式的优劣，迅速与否，对加工质量和切削效率影响较大。
在程序的开始和结束以及从一个加工区域跳转至另一个加工区域时，应该使用快速进给方式（即G00方式）。这样可以减少刀具非切削加工的运动时间，前提是刀具的运动轨迹必须是安全的。当然，也可以采用高速直线进给方式（即G01方式），采用较大的进给速度。刀具在快速进给时，尽量不要沿空间直线进行，即不要同时使用 X、Y、Z三个轴。尽量在 X-Y平面内或者在单一的轴线上快速运动，这样可以减少因为程序的不完善造成的零件超差或废品，如图10所示。适合高速切削的数控加工有如下两种进刀方式。
◎之形进刀：这种方法是斜线进刀的改进，把一步斜线进刀化为多步小进刀，虽然仍有刀具两侧刀刃受力不对称的问题，但每一步行程小，变形也小，所以比斜线进刀方式要好。
◎螺旋进刀：这种方法从内向外加工即从最上面开始，螺旋向下加工，采用了连续加工的方式比较容易保证精度，可以利用较小的进刀量，刀具下降缓慢，极大地减小了偏刃切削的发生。
（3）因为高速加工的特殊性，要求走刀路径不能存在直角和锐角。在CATIA V5中，加入了拐角强制圆弧过渡功能。这样可以保证刀具切削过程的连续性和平稳性。
5.设置拐角路径过渡
高速切削的拐角路经过渡设置如图11所示，设置转角的刀具轨迹效果如图12所示。
四、解决的问题和项目研究的意义
综上所述，应用CATIA等CAM软件，加入特定的关键单元技术，编制出适合高速切削设备的编程方法，在加工过程中避免了刀具轨迹中走刀方向突然变化，局部过切而造成的刀具或设备的损坏；保持刀具轨迹的平稳，避免突然加速或减速对精度要求极高零件表面的影响；下刀或行间过渡部分采用合理进退刀方式，避免垂直下刀直接接近工件材料；行切的端点采用圆弧连接，避免直线连接；采用多次加工或采用系列刀具从大到小分次加工，避免用小刀一次加工完成，还应避免全力宽切削；将刀具轨迹编辑优化，避免多余空刀，可通过对刀具轨迹的镜像、复制和旋转等操作，避免重复计算；通过精确裁剪减少空刀，提高效率，也可用于零件局部变化时的编程，此时只需修改变化的部分，无须对整个模型重编；与可视化仿真加工进行模型传递与集成，模拟与过切检查，如VERICUT软件就可很好地检测干涉。
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