高速加工（HSM或HSC）是二十世紀九十年代迅速發展應用的先進加工技術。通常是指高的主軸轉速（10,000-100,000r/min）、高的進給速度(40m-180m/min)下的銑削加工。高速加工在實際應用中能解決新材料的加工問題，適應表面質量高、精度高、形狀復雜的三維曲面加工，減少和避免效率低的電火花加工，解決薄壁零件的加工問題，數控高速復合加工還可以減少搬運與裝夾次數，避免重復定位帶來的加工誤差等，既提高了加工質量，又提高了加工效率。高速加工技術逐漸應用于加工鑄鐵和硬鋁合金，尤其是加工大型覆蓋件沖壓模、鍛模、壓鑄模和注射模。目前國際上高速切削加工技術主要應用于模具、航空航天和汽車工業等復雜曲面的加工領域。國內高速切削加工技術的研究與應用始于20世紀90年代，也是主要應用于模具、航空航天和汽車工業，但采用的高速切削CNC機床、高速切削刀具和CAD/CAM軟件等以進口為主。

    高速加工一般采用高的銑削速度和快速多次走刀來提高效率，小直徑刀具，適當的進給量，小的徑向和軸向切削深度，即切削體積。隨著銑削速度的提高，加工時間大幅度縮短，并且切削力下降、振動小，尤其是徑向切削力大幅度降低，零件變形小，由于在切削時大量的切削熱被切屑帶走，工件表面溫度較低。由于高速銑削的的上述特點，高速加工相對常規加工具有突出優點：高生產率、工作平穩、加工表面質量很高，無需再進行其它表面處理工序、有利于加工薄壁零件和高強度、高硬度脆性材料、可縮短交貨期、減少設備臺數及車間面積、減少工人數量。盡管在初期的設備投資費用增加，但高速銑削工藝的綜合效益仍有顯著提高。

1高速加工與模具制造

    目前塑料模具越來越精巧、結構越來越復雜，要求的合模次數接近和超過80萬次，采用的模具鋼材的硬度越來越高，有的甚至超過HRC 64以上，而模具的交貨期卻要求越來越短。這些市場特點給模具制造商帶來了極大的壓力。高速加工技術的出現為模具制造帶來了新的發展機會，尤其在中小型精密塑料模具加工中顯示了巨大的優勢。

    大多數模具材料都是高硬度、耐磨性能好，其加工難度大。傳統工藝廣泛采用電火花（EDM）微切削加工成形，生產效率極低。高速加工技術對模具加工工藝產生了巨大影響，它改變了傳統模具加工所采用的“電火花→拋光”等復雜冗長的工藝流程，甚至可用高速切削加工替代原來的全部工序。在模具的高淬硬鋼件（HRC45～65）的加工過程中，采用高速切削可以取代電加工和磨削拋光的工序，避免了電極的制造和費時的電加工時間，高速加工技術除可應用于淬硬模具型腔的直接加工（尤其是半精加工和精加工）外，在EDM電極加工、快速樣件制造等方面也得到了廣泛應用。大量生產實踐表明，應用高速切削技術可節省模具后續加工中約60%-100%的手工拋光時間、也可減少EDM的工序與時間、節約加工成本費用近30%、刀具切削效率可提高1倍，這種節約已經在許多國外模具廠商得到了真實反映。

    用高速銑削加工模具，不僅可用高轉速，大進給，且粗、精加工一次完成，大大提高了生產效率。采用高速切削加工淬硬鋼模具，硬度60HRC以上，表面粗糙度Ra0.6μm，達到了磨削加工的水平，效率比電加工高數倍，不僅節省了大量的修光時間，還可代替絕大部分的電加工工序。

2高速加工對CNC系統的要求

    高速加工是一項先進的、復雜的系統工程技術，與傳統加工工藝技術相比，它對機床、刀具、刀柄、加工工藝、控制系統、CAD/CAM軟件等多項指標都有較高要求。由于模具加工的特殊性以及高速加工技術的自身特點，對模具高速加工工藝系統（加工機床、數控系統、刀具等）提出了比傳統模具加工更高的要求。

    先進的數控系統是保證模具復雜曲面高速加工質量和效率的關鍵因素，其特性體現在加減預差補，前饋控制，精確矢量補償，最佳拐角減速、安全防護與實時監控等方面。模具高速切削加工對數控系統的基本要求為：

    高速的數字控制回路，如采用64位并行處理器、極短的直線電機采樣時間。

    速度加速度的前饋控制、數字驅動系統的爬行控制。

    先進的基于NURBS的樣條插補計算方法，以獲得良好的表面質量、精確的尺寸和高的幾何精度。

    預處理功能。要求CNC具有大容量緩沖寄存器，可預先閱讀和檢查多個程序段(如1000～2000個程序段)，以便在被加工表面形狀（曲率）發生變化時可及時采取改變進給速度等措施以避免過切等。

    誤差補償功能，包括因直線電機、主軸等發熱導致的熱誤差補償、象限誤差補償、測量系統誤差補償等功能。

    此外，模具高速切削加工對數據傳輸速度的要求也很高。傳統的數據接口，如RS232串行口的傳輸速度為19.2kb，而高速加工中心均已采用以太局域網（Ethernet）進行數據傳輸，速度可達200kb。

3Heidenhain iTNC 530數控系統

    海德漢公司是一家擁有100多年歷史的專門生產高精密測量元件和數控系統的跨國集團公司。所生產的高性能數控系統和測量反饋元件在模具加工和高精密加工領域中得到了廣泛的應用。

    Heidenhain的iTNC 530控制系統是適合銑床、加工中心或需要優化刀具軌跡控制之加工過程的通用性控制系統。該系統的數據處理時間比以前的TNC系列產品快8倍，所配備的“快速以太網”通訊接口能以100Mbit/s的速率傳輸程序數據，比以前快了10倍，新型程序編輯器具有大型程序編輯能力，可以快速插入和編輯信息程序段。在新系統中，該公司首次將NC主控計算機與驅動控制單元分開，并裝了英特爾處理器。該機采用15英寸高分辨率XGA顯示器（1025×768）或10.4英寸（640×480）VGA顯示器顯示。任何熟悉TNC系統的操作者很快便可以掌握這種新系統的操作。機械師不必記憶G代碼，只需要用組合鍵按鍵就可以編制線段、弧段、循環程序。

    針對模具加工的復雜曲面，如果要實現高速、高精和高表面質量加工，必須具備好的硬件基礎、良好的伺服性能及高速控制能力。

    高速3D控制器Heidenhain iTNC530主要特點是采用了速度更快的400 MHz的AMD處理器，iTNC530所有的實時任務均在自己開發的實時操作系統（HEROS）下完成，而且也可提供帶雙處理器的主計算機，一個用來運行Heidenhain操作系統，即CNC的核心“New Heros”，另一個用來運行MS Windows 2000操作系統。它既可以保證系統的實時計算和穩定性能，同時又能滿足用戶對Windows應用程序的需求。

    Heidenhain iTNC530程序段的處理時間是0.5ms。幾何形狀越復雜、公差要求越嚴格，點的密度將越高。用高速進給加工時，必須更快地處理相應的NC編碼，以免發生所謂的數據饑餓限制進給速度。當被處理的NC程序段的緩存中沒有數據時，由于缺少定位指令，運動將停止或突變。HSM的CNC的特點是程序段的處理時間要短到1ms甚至更短的時間。iTNC530完全能勝任高速加工（HSM）要求的CNC系統。

    高速加工應用中的數控加工NC程序是在外部的CAM系統上生成的。通常，NC程序只有幾百千字節，也常常有高達數百兆字節的程序。因此，HSM使用的CNC系統的重要特點是，要具有高速數據傳輸能力的快速以太網接口。以太網接口的傳輸速度是100 MBit/s，這是現今常規網絡的標準速度。新型的Heidenhain CNC系統主機單元帶有各類數據通信接口（Ethernet/RS232/RS422/USB等），所配備的快速以太網通信接口能以100Mb/s的速率傳輸程序數據。

    iTNC 530系統采用限制加加速值并利用過濾器對加加速度進行了光滑處理。高速進給時，如果任何一個軸突然換向會導致過高加速度和加加速，將造成機床結構產生振動。通過CNC實現速度、加速度和加加速平滑方案是降低或消除該影響的好方法。

    Heidenhain iTNC 530支持姊妹刀具的自動更換功能。為了自動處理刀具磨損或斷裂需要用同尺寸的銑刀進行更換的情況，而且如果CNC支持該功能的話，操作人員可加載多個相同銑刀的換刀裝置，將這些相同的銑刀標識為姊妹刀具用于NC程序的調用。CNC將自動用這些特定的姊妹刀具更換磨損或斷裂的銑刀，繼續完成NC程序。

    Heidenhain iTNC 530的“預讀”功能為256行。所謂“預讀”功能預先計算每一個程序段所應采用的正確速度和加速度，并生成速度和加速度配置方案以便滿足編程的刀具路徑要求。預先計算的信息被讀入到CNC系統內的緩存中，并按加工中的程序要求從緩存中調用。一旦緩存中沒有數據，由于CNC系統的計算速度無法跟上進刀速度，機床將停止運動直到達到下一個預先計算行為止。這種問題被稱為數據饑餓。現代CNC系統的程序段處理時間越來越短，為避免發生數據饑餓需要數控系統預讀的行數也越來越少。

    在強大硬件的支持下，iTNC 530采用了全數字化驅動技術。其位置控制器、速度控制器和電流控制器全部實現數字控制。數字電機控制技術能獲得非常高的進給速率。iTNC 530在同時插補多達5軸時，還能使轉速高達40000r/min的數控主軸達到要求的切削速度。

    該系統通用性好并適合五坐標控制，在需要優化刀具軌跡控制的情況下，其強大的控制能力可計算實際坐標系，因而簡化了加工循環的編程。在脫線編制3D形狀程序時，該系統可計算單臺機床的幾何結構，所以同一程序可用于不同的機床。

4結語

    模具高速加工技術目前已在發達國家的模具制造業中普遍應用，而在我國的應用范圍及應用水平仍有待提高，隨著我國模具工業的發展，采用高速切削生產模具已經成為模具制造的大趨勢，高速切削逐漸取代電火花精加工模具在國外的模具制造企業已經普遍采用，高速切削生產模具已經成為逐漸模具制造的大趨勢，大大提高了模具生產效率和質量。在德國用HSC技術生產模具以來，實現了生產成本和加工時間的大幅下降，相對以前用的電火花方法，生產鍛模的成本下降了50到60％，而加工時間下降了約70％，已經顯示了其為模具制造企業帶來的巨大利益。