高速銑削時生成刀具軌跡的優(yōu)化設置

  
1 引言 

高速銑削技術(shù)是最近幾年新出現(xiàn)的一種加工方法，因其可以有效地對高硬度材料進行加工等優(yōu)秀特點，經(jīng)過不斷的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛的應用到航空、轎車、鍛模等制造領(lǐng)域。在高速銑削時機床主軸轉(zhuǎn)速高達8000～30000rpm，進給速度在3～6m/min左右，加工中能否使機床及刀具保持恒定的切削負荷非常重要。雖然現(xiàn)在某些數(shù)控機床可以部分實現(xiàn)在加工中的切削負荷的自適應，但刀具軌跡的不合理編排也會產(chǎn)生對機床及刀具較大的慣性沖擊，這種沖擊對機床的主軸也是非常不利的，會影響主軸等零件的壽命。因此對高速銑削的編程要非常仔細，它要求CAM軟件能提供新的刀具切入方式，使刀具在不同的切削形式下與被切削材料保持相對恒定的接觸狀態(tài)，另外還應選擇合適的刀具進給和切削深度等參數(shù)，這些工藝方案必須符合高速切削的實際要求。 

2 高速銑削編程時需要注意的幾個原則 

高進給，高轉(zhuǎn)速，低切削量是基本原則； 
垂直進刀要盡量使用螺旋進給，應避免垂直下刀，因為這樣會降低切削速度，同時會在零件表面上留下很多刀痕； 
要盡一切可能保證刀具運動軌跡的光滑與平穩(wěn)，程序中走刀不能拐硬彎，要盡可能地減少任何切削方向的突然變化，從而盡量減少切削速度的降低； 
要盡量減少全刀寬切削，保持金屬切除率的穩(wěn)定性； 
最好使用順銑，且在切入和切出工件時，使用圓弧切入和切出方法來切入或離開工件； 
如果數(shù)控系統(tǒng)支持，最好采用NURBS輸出，以減小程序量，提高數(shù)控系統(tǒng)的處理速度。 

出于安全考慮，在輸出程序前需進行仔細的碰撞和過切檢查。 

3 高速銑削時生成軌跡時的特別設定 

基于高速銑削技術(shù)的飛速發(fā)展，目前絕大多數(shù)CAM軟件都提供了對高速銑削的支持，下面就以各軟件普遍具有的功能進行說明。 

在用球頭銑刀加工三維曲面工件時，刀具的實際加工直徑是隨軸向進給量或刃口接觸點而變化的。高速銑削機床的高轉(zhuǎn)速主軸和高進給速度，要求盡量采用小的進給量和小的切削深度，且隨著三維曲面的變化，刀具刃口的實際接觸點是在不斷變化的，直徑過大的球頭銑刀的加工直徑與名義直徑相差太大，切削速度不好匹配，不容易獲得較高的表面質(zhì)量。因此，為了保持刀具的最佳切削速度及切削性能并獲得最佳加工表面，最好的辦法是在刀具的剛性可以克服切削力的情況下采用直徑盡可能小的刀具。 

選定刀具后就是刀路的合理設置了，在設置刀路時要依據(jù)以上所提到的一些原則，主要的解決方法是附加合理的圓弧轉(zhuǎn)接，下面以幾個實例來說明高速銑削的特別設定。 

                                    圖1 
 

                                     圖2 
 

                                     圖3 
 

                                      圖4
在相鄰的兩行切刀路間附加圓滑刀路轉(zhuǎn)接 

如圖一所示，在使用軟件所提供的刀路光順化設置后，相鄰行切刀路中的行間移刀中自動附加了圓滑的轉(zhuǎn)接（圖一中②處所示），另外經(jīng)過一定的設置，在圖一中①處又附加了圓滑的刀具切入及切出轉(zhuǎn)接。這樣既保證了刀路軌跡的平滑又有效的避免了兩行切間的拐硬彎現(xiàn)象，使刀路平滑的轉(zhuǎn)接到下一行去了，此種轉(zhuǎn)接方法普遍的使用在各種曲面銑削方法中。 

在相鄰的兩層切削刀路間附加圓滑刀路轉(zhuǎn)接 

在曲面等高切削等涉及到相鄰兩層切削刀路間的移刀情況出現(xiàn)時，最有效的方法是附加圓滑刀具轉(zhuǎn)接。如圖二中②處所示，兩層間的刀路圓弧轉(zhuǎn)接既有效的解決了刀路平滑的要求，又符合螺旋下刀減少切削阻力的問題。另外如圖二中①處所示，附加的圓弧使切入、切出工件時是沿著切線方向切入切出的，這樣也起到了均勻切削負荷作用。 

利用擺線切削避免全刃徑切削 

如圖三中①處所示，在曲面切槽加工中，當用螺旋下刀切入工件后，正確的方法是利用擺線切削擺動前進切開一道或兩道通槽，而不是直接直線走刀切削通槽，在通槽切削出來后，再使用直線走刀進行切削。這樣就有效的避免了全刃徑的前進切削，使得整個曲面切槽加工的每刀的切削負荷更加平均了。另外如圖三中②處所示，在轉(zhuǎn)彎處也增加了擺線接近和附加圓弧轉(zhuǎn)角，使得刀路更加平滑化了。 

當遇到圓形或近視圓形的槽時，擺線切削路徑的空切削將會很多，這時可以采用如圖四所示的螺線切削路徑，螺線路徑也有效的避免了全刃徑的切削。 

使用有效的螺旋下刀切入工件 

如圖五中①處所示，當?shù)毒咔腥牍ぜ�時使用螺旋下刀平滑的切入到工件中去，另外還應該為螺旋直徑設定一定的變化范圍，當下刀位置不夠螺旋直徑時，系統(tǒng)會自動的減小下刀時螺旋的直徑，只道能夠下刀為止（圖五中②處）。但螺旋的直徑也不能無限制的減小，要受到下限值的限制，當螺旋直徑太小時，就近視的為直線下刀了，此時要設定為采用斜坡下刀方式解決，而且最好使用一個斜坡就下到尺寸處，來回的斜坡加工會產(chǎn)生很劇烈的硬拐彎。  
 

                                    圖5
以上這些設定不是獨立存在的，往往是相互交叉的，要有效的實現(xiàn)高速銑削，還應該綜合的考慮，要做到合理使用。如圖一的方法在刀具行間距較大時可以使用，當精切時兩行間距太小時，即使附加圓弧轉(zhuǎn)接也會因圓弧直徑太小而近視為直線轉(zhuǎn)接，此時要使用到如圖五中③處所示的行間擺線橫越，或是變更銑削方法，使用從中間擺線銑進，中間往兩邊分開環(huán)剝銑削，以增加兩行的間距的方法。如圖二所示的方法在多島曲面銑削時會遇到附加圓弧空間距離不夠的情況，此時就要變更方法，使用隨動銑削，在相對較平坦的一邊曲面上附加跟隨曲面變化的沿層間下降的曲線或直線，這樣也可以平滑的過渡到下一銑削層中去。在使用擺線開槽，直線銑進的曲面切槽中，當槽輪廓不規(guī)則，具有多處銳角存在時，就應該采用全部擺線銑削的功能。 


4 高速銑削程序后置輸出前的優(yōu)化 


除了合理設置刀具路徑外，在高速銑削后置輸出為高速銑用程序前還應該對刀路及切削參數(shù)進行一定的優(yōu)化處理。具體包括進給率平順化、轉(zhuǎn)彎的減加速、碰撞過切檢測、材料切除率均勻化檢測等優(yōu)化措施。 
在刀具路徑設置時給出了基礎(chǔ)的切削進給速度，曲面加工時產(chǎn)生的刀具路徑很多，每一步驟的刀路都有相應的切削速度，一般設定為當進給率的變化小于10%時，將幾個相鄰的不同進給率合并成一個，這樣機床切削過程中要相對平穩(wěn)一些。 

當轉(zhuǎn)彎前后的兩條刀路間的夾角為銳角時，要設定在轉(zhuǎn)彎處的切削進給率，CAM系統(tǒng)會在轉(zhuǎn)彎前后的一定距離內(nèi)將切削路徑分為幾段，并且對各段賦于不同的切削進給率，使之達到在轉(zhuǎn)彎前由正常切削進給率降到轉(zhuǎn)角所設定的切削進給率，轉(zhuǎn)過彎后又逐漸加速到正常切削進給率的效果。 

高速銑削進給非常的快，所以碰撞檢查非常重要，要逐個解決系統(tǒng)提示的可能的碰撞。又由于高速銑削附加的刀具路徑太多，如果在設置加工平面、檢測平面、切削邊界、加工方法等各項時未協(xié)調(diào)好，就很容易出現(xiàn)過切現(xiàn)象，所以也應進行精心的過切檢測，在輸出程序前仔細的排除掉系統(tǒng)檢測到的過切刀路。 

為了使刀具具有較恒定的切削負荷，在后置前還要進行材料切除率的優(yōu)化設定，當某一刀路切除率高時就會適當?shù)慕档颓邢鬟M給率，反之適當?shù)脑黾忧邢鬟M給率，空切時加大到機床的最大進給率，這樣可以有效的均勻切削負荷。 

5 結(jié)語 

高速銑削技術(shù)解決了許多加工難題，有效的提高了加工效率和工件的表面和內(nèi)在質(zhì)量，它將越來越得到快速的發(fā)展。有效的高速切削，除了對機床和切削刀具具有很高要求外，還對CAM軟件、切削方法以及操作者的技術(shù)熟練程度等有很高的要求。