高速切削的刀具路徑

                                張永強(qiáng)

    以高切削速度、高進(jìn)給速度和高加工精度為主要特征的高速切削技術(shù)，最近十幾年發(fā)展迅猛，在航空航天、模具制造及精密微細(xì)加工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此，高速加工技術(shù)的研究已成為國內(nèi)外制造領(lǐng)域重要的研究項(xiàng)目之一。 

    確定刀具路徑應(yīng)滿足的基本要求 

    高速切削不僅提高了對(duì)機(jī)床、夾具、刀具和刀柄的要求，同時(shí)也要求改進(jìn)刀具路徑策略，因?yàn)槿袈窂讲缓侠恚�在切削過程中就會(huì)引起切削負(fù)荷的突變，從而給零件、機(jī)床和刀具帶來沖擊，破壞加工質(zhì)量，損傷刀具。在高速切削中由于切削速度和進(jìn)給速度都很快，這種損害比在普通切削中要嚴(yán)重的多，因此，必須研究適合高速切削的路徑，將切削過程中切削負(fù)荷的突變降至最低。可以說，高速切削機(jī)床只有有了合理的高速刀具軌跡才能真正獲得最大效益。 

    為了消除切削過程中切削負(fù)荷的突變，刀具路徑應(yīng)滿足以下基本要求： 

    切削是等體積切削，即切削過程中切削力恒定。 
    盡量減少空行程。 
    盡量減少進(jìn)給速度的損失。 

    通用的刀具路徑 

    為了滿足上述基本要求，設(shè)計(jì)的刀具路徑應(yīng)是： 

    進(jìn)刀時(shí)采用螺旋或弧進(jìn)刀，使刀具逐漸切入零件，以保證切削力不發(fā)生突變，延長刀具壽命。  
    切削速度的連續(xù)和無突變，使切削連續(xù)平穩(wěn)，否則，將產(chǎn)生沖擊。  
    切削時(shí)使用順銑使切削過程穩(wěn)定，不易過切，刀具磨損小，表面質(zhì)量好。  
    采用小的軸向切深以保證小的切削力、少的切削熱和排屑的順暢。  
    無切削方向突變，即刀具軌跡是無尖角的，普通加工軌跡的尖角處用圓弧或其他曲線來取代從而保證切削方向的變化是逐漸的而不是突變的。這樣有兩點(diǎn)好處：一是現(xiàn)代高速機(jī)床的控制系統(tǒng)都有程序段前視和尖角自動(dòng)減速功能，即在到達(dá)尖角前，將自動(dòng)降低進(jìn)給速度，這樣雖然減小了沖擊，且避免了過切，但卻損失了進(jìn)給速度。軌跡是無尖角的，自然也就避免了這種情況的發(fā)生；二是在尖角處切削負(fù)荷會(huì)突然加大，引起沖擊。軌跡是無尖角的時(shí)候這種問題同樣不存在  
   
    a常規(guī)切削的刀具軌跡 b高速切削的刀具軌跡  

    采用等高線軌跡，加工余量均勻的走刀路線可取得好的效果。采用等高線法的刀具軌跡，刀具沿X或Y軸方向平動(dòng)，完成金屬的切除，這樣可保證高速加工中切削余量均勻，對(duì)加工穩(wěn)定，尤其是刀具壽命的延長有利。傳統(tǒng)方法的刀具軌跡，刀具沿斜線方向時(shí)，X、Y方向的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)使加工余量不均勻，降低了刀具的耐用度。  
  
    粗加工刀具路徑  

    粗加工時(shí)常用的刀具路徑有：  

    Z向等高線層切法，即將零件分成若干層，一層一層逐層往下切，在每層中將零件的所有區(qū)域加工完再進(jìn)人下一層，在每一層均采用螺旋或圓弧進(jìn)刀，同時(shí)采用無尖角刀具軌跡。這樣有利于排屑，也避免了切削力發(fā)生突變。對(duì)薄壁件來說，更應(yīng)采用這種刀具軌跡，因?yàn)檫@種刀具軌跡在切削過程中還能使薄壁保持較好的剛性。  
  
    等高線層切法 
    插銑刀具路徑。對(duì)于深度很深的腔體的粗加工可采用插銑的方法來進(jìn)行，因?yàn)榍惑w很深時(shí)，需要很長的刀具，這時(shí)刀具的剛性很差，按常規(guī)的切削路線切削刀具易變形，而且也易產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工質(zhì)量和效率，采用插銑的軌跡正好可解決這一問題。  

    擺線刀具路徑。另一種更新的粗加工刀具軌跡是擺線刀具軌跡，“擺線”是指當(dāng)一個(gè)圓沿著一條曲線作純滾動(dòng)時(shí)，圓上某一固定點(diǎn)的軌跡。采用這種刀具軌跡使刀具在切削時(shí)距某條曲線(一般是零件的輪廓線及其平移線)保持一個(gè)恒定的半徑，從而可使進(jìn)給速度在加工過程中可保持不變，而且這時(shí)的徑向吃刀量一般取刀具直徑的5%左右，因此刀具的冷卻條件良好，刀具的壽命較長。這對(duì)高速加工是非常有利的。  
  
    精加工刀具路徑  

    精加工時(shí)常用的刀具路徑有：  

    先在陡峭面用Z向等高線層切法加工，然后在非陡峭面采用表面輪廓軌跡法加工；  
    精加工方法一 
    先用表面輪廓軌跡法加工所有面，再在垂直方向上加工陡峭面。  
    精加工方法二
    薄壁件的精加工采用Z向等高線層切法。  

    當(dāng)然在加工過程中同樣每一層都要盡量作到螺旋或園弧進(jìn)刀，采用無尖角刀具軌跡。  

    其他的刀具路徑  

    如加工的是單一型腔的薄壁件，應(yīng)盡量采用圖8所示的走刀路線，它比單純的等高線逐層切法對(duì)保持薄壁的剛性更好，從而保證加工余量均勻，零件變形小。 

    薄壁件推薦走刀路線 
    對(duì)薄底零件應(yīng)采用從離支撐最遠(yuǎn)的點(diǎn)開始切削，分層切削直到深度到位；每次深度銑到以后再向支撐處移動(dòng)一個(gè)徑向切深，重復(fù)上一步的過程，直至切削完成。相當(dāng)于將薄壁件的等高線逐層切法轉(zhuǎn)動(dòng)90°。這樣才能在切削時(shí)較好地保持零件剛性，避免振動(dòng)。  
  
    結(jié)論  

    從以上的分析不難看出，刀具路徑的優(yōu)化對(duì)高速切削是非常必要的對(duì)不同形狀的零件及不同的加工過程應(yīng)采用不同的刀具軌跡，但螺旋或圓弧進(jìn)刀、切削速度的連續(xù)和無突變以及無尖角刀具軌跡是在各種對(duì)具路線中都應(yīng)盡量采用的，以保證切削過程的平穩(wěn)、快速。