高速加工中心切削中刀具路径的探究
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1 高速切削加工定义
数控高速切削加工是指在比常规切削速度高出很多的切削速度下进行的切削加工, 因此, 有时也称为超高速切削 (ullra—high speed machining)。所以数控高速切削加工中的“高速”只是一个相对的概念, 对于不同的加工方法、 加工条件和工件材料, 数控高速切削加工时所采用的切削速度是不同的, 根据不同的切削条件, 应具有不同的切削速度范围, 而不能简单地用一个切削速度数值来定义。虽然很难给数控高速切削加工一个确切的定义, 但在实际使用中, 数控高速切削加工中的“高速”一般是指机床的主轴转速和进给速度。
2 高速加工时刀具路径规划特征及原则
高速加工除对机床结构、 功能部件、 进给系统和刀具有很高的要求之外, 对加工路径也必须进行详细的规划。 为了避免刀具位置和切削速度在加工中的突然变化, 从而能够输出光滑、 平顺的刀具轨迹, 高速加工时刀具路径规划应遵循如下原则: 路径之间平滑连接与过渡; 加工时平缓切入与平缓切出; 粗加工时尽量保证所留余量均匀, 以减少精加工时切削负荷的变化; 尽可能减少刀具的换向次数与加工区域之间的跳转次数; 切削过程中尽可能保持恒定的切削负荷及金属去除率; 确保刀具及机床主轴不过载, 刀具与工件及夹具之间无干涉碰撞。
3 影响高速切削平稳性的因素
数控高速切削加工由于切削速度快,所以一定要保证切削的平稳性,影响切削平稳性的主要因素有:
3.1 切削用量
切削速度对切削温度的影响是很大的。 数控高速切削加工中切削线速度很高, 刀具每个切削刃参与切削的时间大大缩短, 这样可以使刀刃得到充分的冷却, 同时热量的大部分由切屑带走, 刀具温升不会很高。
刀具轴向、 径向切削深度和进给量对切削温度也有一定的影响, 在高速加工中, 为了能使刀具合理散热和降低刀具负荷, 不能采用传统加工的低速—重载切削方式, 而应该采取较小的刀具轴向切削深度与径向切削深度, 且应使切深变化尽量平缓。
3.2 进给方式
使用球头铣刀加工曲面时, 在需要 z轴垂直方向进给的场合, 应选用斜向进给或螺旋进给形式,这样可以保持切削过程中刀刃的切削力连续恒定。
如在精加工型腔类零件时, 若采用沿侧壁上升与下降的走刀路径, 则刀具切削部位、 刀具轴向切深与径向切深都将发生急剧变化, 且刀具以径向载荷为主。若采用逐层等高下降切削的情况, 其刀具切削部位、 轴向切深与径向切深均相对平稳, 从而保证了刀具负载的稳定。
4 数控高速切削加工路径规划
4.1 顺铣与逆铣
在铣削加工中, 根据刀具切削的线速度方向与工件运动方向的关系可以得到两种不同的铣削方式: 顺铣与逆铣。顺铣是指刀具切削的线速度方向与工件运动方向相同; 逆铣则是指刀具切削的线速度方向与工件运动方向相反。
在普通铣床上根据其进给传动系统的结构特点, 采用顺铣时会造成工作台受切削力的作用而沿进给方向窜动的现象, 通常称其为“拉刀”, 所以常采用逆铣切削方式。数控机床由于采用了高精度的传动系统, 消除了反向间隙, 而且传动系统的刚性好, 这样一来就可以有效地避免“拉刀”现象的发生, 从而使得顺铣切削方式的优点得到充分体现,也就是: 切刃从工件外部切入工件, 切削厚度由大变小, 这样就减少了工件与刀刃之间的挤刮, 有利于工件切削和减少刀具磨损; 可以避免过切现象的产生; 顺铣还有利于减少切削热; 降低刀具负载,获得较好的加工表面质量; 但对于表面硬化比较严重的铸件和锻件, 为了保护刀具, 则应采用逆铣。 在数控高速切削加工中, 一般都采用顺铣加工方式。
4.2 进、 退刀方式
在数控高速切削加工中, 为了使切削载荷平稳变化, 在刀具切入切出工件时应尽量保证刀具的渐入和渐出。在选择进刀方式时应考虑到方便排屑、切削的安全性和刀具的散热, 同时还要有利于观察切削状况。所以一般来说, 对于内部有足够刀具回旋空间的封闭腔体, 可采用螺旋下刀或者是往复式斜插下刀; 而对于凸台或者有开口的腔体则可以采用在工外部以水平圆弧进刀的方法。总之, 在数控高速切削加工中, 应尽量避免沿刀具的轴向垂直。 在退刀时主要要使刀具平缓离开工件以防止在已加工表面产生刀痕, 影响加工表面质量。高速加工中通常有以下进、 退刀方式:
( 1) 垂直进、 退刀方式。对于刀具中心具有切削能力的刀具( 如键槽铣刀) 可以采用这种方法直接下切入刀。 该方法直接简便, 计算量小; 但刀具直接从无切削状态进入全刃切削, 其冲击力较大, 排屑及散热困难, 不适于加工硬度较高的材料, 且对刀具韧性要求较高。 而刀具中心无切削能力的铣刀则不能采用该方法切入。在 ug nx 3.0 中在自动进/ 退刀的“倾斜类型”选择项中选择“在直线上”、在“斜角”选择项中选择“0”。
( 2) 点钻式进刀。 这种方式是对垂直进刀的改进, 它采用了进刀量小多次下刀的方法, 铣刀垂直进刀一大步, 然后回退一小步, 有利于机加工的排屑, 带走垂直加工产生的大量的热。这种方法在一定程度上保护刀具和工件, 减少工件变形。但是要耗费较多的时间, 而且精度不容易保证。
( 3) 斜线进刀。 这种加工方式采用侧刃切削工件, 加工时需要设定两个度:x- y平面角度, 从垂直方向看时, 刀具轨迹与 x轴的夹角通常为零; 与工件的夹角, 即刀具切入加工面的角度。 这个角度设置的时候, 如果选取的太小, 则刀具每次切入深度较浅, 有利于保护刀具和工件。但是, 这也会导致切入斜线增长, 加工路线加长; 反之, 如果选取的角度太大, 又会产生不希望的端刃切削的情况。所以一定要适当选择切入角度。
( 4) 之形往复进刀。 这种方法是斜线进刀的改进, 把一步斜线进刀划为多步小斜线进刀, 虽然仍有刀具两侧刀刃受力不对称的问题,但要比斜线进刀要好, 所以同样要设定好“斜角”。
( 5) 水平轮廓切向进、 退刀。常用于两轴半加工即在 xy平面内刀具联动, 在 z向作周期性进给的场合。 对于工件轮廓封闭且没有可供刀具直线切入切出的尖角, 采用与轮廓相切的圆弧在水平面内切入, 走刀完毕后再以切弧轨迹切出。该方法为二维加工编程中常用的刀具轨迹导入导出方法。
( 6) 螺旋进刀。 当刀具不能沿 z向直接切入时,或由于空间狭小刀具无法正常起降时, 刀具可以螺旋线切入, 以保证刀具切削载荷的平稳变化。高速加工时应尽量采用轮廓的切向进、 退刀方式以保证刀路轨迹的平滑。在对曲面进行加工时,刀具可以是 z向垂直进、退刀, 曲面切向的进、 退刀, 曲面正向与反向的进、 退刀和斜向或螺旋式进、退刀等方式, 在这些方式中, 曲面的切向进、 退刀或螺旋式进、 退刀更有利于高速加工。
4.3 移刀方式
在数控高速切削加工中也应采用光滑的移刀方式, 移刀方式主要是指行切中的行间移刀、 环切中的环间移刀、 等高加工的 z向层间移刀和不同切削区域之间的区域移刀等。 普通的移刀方式大多不适合高速加工的要求, 如在行切移刀时, 刀具多是直接垂直于原来行切方向的法向移刀以至使刀具路径中存在尖角; 在环切的情况下, 环间移刀也是从原来轨迹的法向直接移刀, 也致使道路轨迹存在不平滑情况; 在等高线加工中的层间移刀时, 也存在移刀尖角。 这些将导致高速加工机床频繁的加减速, 它严重影响了加工的效率。 高速加工中, 采用的切削用量通常比较小(包括轴向切削用量和径向切削用量), 移刀次数也就会急剧增加。因此必须使刀路轨迹中的移刀平滑, 同时要尽量减少移刀次数,缩短进、 退刀时间, 提高加工效率。
( 1) 行切连接移刀。 行切的方式对于大平面或相对平坦轮廓的切削较为高效便捷。
( 2) 环切连接移刀。 环切的移刀采用环间的圆弧切出与切入连接, 这种方法的弊端是在加工三维复杂零件时, 由于移刀轨迹直接在两个刀路轨迹之间生成圆弧, 在间距较大的情况下, 会产生过切。 因此该方法一般多用于两轴半加工, 所有的加工都在一个平面内。
( 3) 不同切削区域间移刀。在高速加工中, 经常要在同一工件的不同区域进行移刀, 为了尽量减少进、 退刀次数, 提高加工效率, 应尽可能采用“深度优先”; 在可能的情况下少采用甚至是不采用“层优先”。
在数控高速切削加工中, 无论采用何种移刀方法, 均会造成轮廓连接处切削纹理乃至加工微观尺寸的变化, 并影响到整体加工效率。在路径生成中应针对不同的加工区域特征, 通过切削路径的合理安排和切削策略的设定, 选用适当的连接移刀方式并尽量减少移刀次数。
4.4 走刀(切削)方式
高速加工中应能提供各种不同的加工方法以满足不同形状和类别的零件加工要求, 同时加工方法也应具有智能、 简便、 快捷、 准确等特点, 走刀方法要丰富。 高速加工中的走刀方式应满足以下一些基本原则: 避免刀具轨迹中走刀方向的突然变化,以免因局部过切而造成刀具或设备的损坏; 走刀速度要平稳, 避免突然加速或减速; 避免多余空刀; 应采用光滑的转弯走刀, 采用光滑的转弯走刀与进行光滑的移刀一样, 对保证高速加工的平稳与效率同样重要。高速加工的走刀方式主要有如下几种:
( 1) 平行轨迹加工( raster) 。 该类刀具轨迹又称为扫描行切“zigzag”类轨迹( 图 1) 。该类加工策略优点为切削效率高, 计算量小。缺点是对于平行刀具轨迹的陡斜面, 将得到 z向间隔很大的刀具轨迹, 加工质量不高, 对此可以通过调整刀具轨迹摆放角度或采用补充垂直路径的方法加以修正。
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( 2) 环行铣削( 图 2) 。这种切削方式是同时对多张曲面进行加工的计算方法, 其走刀路线是以外轮廓的形状由外向内(或由内向外)进行走刀, 钻攻中心, 请选择 伯特利数控
( 3) 摆线式加工( 图 3) 。这是一种专门针对高速加工的刀位轨迹策略, 所谓“摆线”即为圆上一固定点随着圆沿曲线滚动时生成的轨迹, 由于切削过程中总是沿一条具有固定曲率的曲线运动, 使得刀具运动总能保持一致的进给率, 所以对高速铣比较适合。
( 4) 放射轨迹加工 ( 图 4) 。放射状加工( radial) 策略通常用于对称且加工纹理有特殊要求的场合, 它在靠近中心的位置刀具轨迹密集重叠, 故对于刀具轨迹延伸至中心的模型, 其加工效率不高, 其总体加工时间比采用平行加工策略约多出 20%～30%, 故只用于如球面、 环形圆弧面区域等对于刀具加工纹路有特殊要求的加工区域。
( 5) 螺旋轨迹 ( 图 5) 。螺旋类刀具轨迹( rpiral) 的优点是可以避免刀具的起降与行间移刀, 对于特定类型工件, 只需要一次切入切出即可完成对工件模型表面的包络。 该类加工策略可以用于切削圆形回转特征, 由于避免了刀具在工件中心的重叠, 故其切削效率高于放射轨迹。但由于螺旋曲线其行距固定, 如投影至加工斜度较大的工件表面时将产生类似欲平行诡计切削陡斜面的情况, 刀具轨迹间 z向值变化较大从而导致该区域加工质量不高, 故通常适用于较平坦的区域。
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( 6) z向等高分层加工( 图 6) 。生成 z向等高分层轨迹的方法是用等距离的一组水平面对工件进行切片, 从而得到工件加工曲面的等高线, 以此作为刀具与加工曲面的接触点, 补偿后的得到刀具轨迹。对于该类加工策略, 由于刀具轨迹为 z向定距下降, 容易存在对水平或接近水平的浅滩平面行距过大的问题。对于陡斜面, 刀具路径可能过于密集, 而水平或浅滩平面将因行距过大而得到较大的残留高度。
( 7) 陡斜面与浅平面(steep 与 shallow)补充加工( 图 7) 。加工之前首先分析计算曲面斜度, 将曲面斜度大于某一设定值的曲面定为陡斜面, 反之为浅平面。该方法可以测定并补充加工由平行加工及 z向等距加工后的残留高度过大的曲面区域。在图 7中, 曲面斜度设为 30°, 所以曲面角度小于 30°的才进行补充加工。
( 8) 曲面流线( flow- line) 加工( 图 8) 。刀具轨迹沿某曲面的曲面坐标系的 u向或 v向的曲面流线方向生成, 可以得到沿曲面伸展的特定的加工轨迹。
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( 9) 二次开粗加工。在粗加工中, 为了提高加工效率, 通常采用直径比较大的刀具, 这就造成了在有些部位有很多残余材料没有去除或在有些部位刀具根本无法进入, 所以给半精加工和精加工带来了很大困难。因此, 在粗加工以后可以根据实际情况安排一步二次开粗加工工序。 所谓的二次开粗就是由 cam软件根据粗加工结果来自动判断哪些部位的残余材料太多、 哪些部位是前一把刀具没有加工到的。在二次开粗中只对这些部位进行切削,而工件上的其它部位将不会进行加工。ug cam提供的二次开粗加工方式主要有以下两种:
第一种, 使用 3d 法。在图 9 中由于底面与侧面的圆倒角为 r5, 而粗加工采用了 r10 的刀具, 所以在圆倒角上有很多残余材料, 利用二次开粗中的“使用 3d 法” 加工方式就得到了如图的刀具路径, 它只对圆倒角上的残余材料进行切削。
第二种, 参考刀具法。在图 10 中, 由于两凸台间距为 8mm, 而在粗加工中选用了直径 20mm的刀具, 所以刀具无法进入两凸台间进行切削, 此时就可以采用二次开粗中的“参考刀具”法, 选用直径小于 8mm的刀具就可以得到图中的刀具轨迹。
4.5 拐角处理
在数控高速切削加工中, 刀具轨迹拐角的处理是十分重要的, 因为即使切削深度很浅, 进给速度和走刀轨迹的剧烈变化也是造成刀具破损的重要原因之一。 为避免这种情况, 应调整进给速度, 从而调整每一个刀刃的切削量( 图 11) , 在图中的拐角处, ug nx3.0 采用了分步减速的方法。同时要避免刀具轨迹的剧烈变化( 图 12) , 图中的圆角如果用等半径的刀具直接加工, 如图 4- 12 ( a) 所示, 则进给方向发生突变势必会使机床负荷猛然增加, 所以, 加工这种类型的圆倒角是使用较小半径的刀具, 一般情况下刀具半径为圆倒角几何尺寸的 70%或更小, 这样可使拐角处的切削刀具进给方向变化平滑, 避免刀具的突然转向, 见图 4- 12b) 。使用小直径刀具加工和直接切入拐角相比,机床负荷可以降低 3 倍左右。
5 结束语
数控高速切削加工的刀具路径规划是数控编程的核心环节, 优化的刀具路径不仅可以提高加工效率, 还可以大大提高工件表面质量、 减小刀具磨损。总体来说, 在进行刀具路径规划时要优先使用顺铣切削方式; 在切入和切出工件时, 使用圆弧切入和切出方法来切入或离开工件; 进刀方式要尽量使用螺旋进给方式, 应尽量避免垂直下刀, 因为这样可以有效地保护刀具, 延长刀具使用寿命; 要尽可能保证刀具运动轨迹的光滑与平稳, 程序中走刀路径不能拐硬弯, 也要尽可能地减少任何切削方向的突然变化, 从而尽量减少切削速度的降低。
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1 高速切削加工定义
数控高速切削加工是指在比常规切削速度高出很多的切削速度下进行的切削加工, 因此, 有时也称为超高速切削 (ullra—high speed machining)。所以数控高速切削加工中的“高速”只是一个相对的概念, 对于不同的加工方法、 加工条件和工件材料, 数控高速切削加工时所采用的切削速度是不同的, 根据不同的切削条件, 应具有不同的切削速度范围, 而不能简单地用一个切削速度数值来定义。虽然很难给数控高速切削加工一个确切的定义, 但在实际使用中, 数控高速切削加工中的“高速”一般是指机床的主轴转速和进给速度。
2 高速加工时刀具路径规划特征及原则
高速加工除对机床结构、 功能部件、 进给系统和刀具有很高的要求之外, 对加工路径也必须进行详细的规划。 为了避免刀具位置和切削速度在加工中的突然变化, 从而能够输出光滑、 平顺的刀具轨迹, 高速加工时刀具路径规划应遵循如下原则: 路径之间平滑连接与过渡; 加工时平缓切入与平缓切出; 粗加工时尽量保证所留余量均匀, 以减少精加工时切削负荷的变化; 尽可能减少刀具的换向次数与加工区域之间的跳转次数; 切削过程中尽可能保持恒定的切削负荷及金属去除率; 确保刀具及机床主轴不过载, 刀具与工件及夹具之间无干涉碰撞。
3 影响高速切削平稳性的因素
数控高速切削加工由于切削速度快,所以一定要保证切削的平稳性,影响切削平稳性的主要因素有:
3.1 切削用量
切削速度对切削温度的影响是很大的。 数控高速切削加工中切削线速度很高, 刀具每个切削刃参与切削的时间大大缩短, 这样可以使刀刃得到充分的冷却, 同时热量的大部分由切屑带走, 刀具温升不会很高。
刀具轴向、 径向切削深度和进给量对切削温度也有一定的影响, 在高速加工中, 为了能使刀具合理散热和降低刀具负荷, 不能采用传统加工的低速—重载切削方式, 而应该采取较小的刀具轴向切削深度与径向切削深度, 且应使切深变化尽量平缓。
3.2 进给方式
使用球头铣刀加工曲面时, 在需要 z轴垂直方向进给的场合, 应选用斜向进给或螺旋进给形式,这样可以保持切削过程中刀刃的切削力连续恒定。
如在精加工型腔类零件时, 若采用沿侧壁上升与下降的走刀路径, 则刀具切削部位、 刀具轴向切深与径向切深都将发生急剧变化, 且刀具以径向载荷为主。若采用逐层等高下降切削的情况, 其刀具切削部位、 轴向切深与径向切深均相对平稳, 从而保证了刀具负载的稳定。
4 数控高速切削加工路径规划
4.1 顺铣与逆铣
在铣削加工中, 根据刀具切削的线速度方向与工件运动方向的关系可以得到两种不同的铣削方式: 顺铣与逆铣。顺铣是指刀具切削的线速度方向与工件运动方向相同; 逆铣则是指刀具切削的线速度方向与工件运动方向相反。
在普通铣床上根据其进给传动系统的结构特点, 采用顺铣时会造成工作台受切削力的作用而沿进给方向窜动的现象, 通常称其为“拉刀”, 所以常采用逆铣切削方式。数控机床由于采用了高精度的传动系统, 消除了反向间隙, 而且传动系统的刚性好, 这样一来就可以有效地避免“拉刀”现象的发生, 从而使得顺铣切削方式的优点得到充分体现,也就是: 切刃从工件外部切入工件, 切削厚度由大变小, 这样就减少了工件与刀刃之间的挤刮, 有利于工件切削和减少刀具磨损; 可以避免过切现象的产生; 顺铣还有利于减少切削热; 降低刀具负载,获得较好的加工表面质量; 但对于表面硬化比较严重的铸件和锻件, 为了保护刀具, 则应采用逆铣。 在数控高速切削加工中, 一般都采用顺铣加工方式。
4.2 进、 退刀方式
在数控高速切削加工中, 为了使切削载荷平稳变化, 在刀具切入切出工件时应尽量保证刀具的渐入和渐出。在选择进刀方式时应考虑到方便排屑、切削的安全性和刀具的散热, 同时还要有利于观察切削状况。所以一般来说, 对于内部有足够刀具回旋空间的封闭腔体, 可采用螺旋下刀或者是往复式斜插下刀; 而对于凸台或者有开口的腔体则可以采用在工外部以水平圆弧进刀的方法。总之, 在数控高速切削加工中, 应尽量避免沿刀具的轴向垂直。 在退刀时主要要使刀具平缓离开工件以防止在已加工表面产生刀痕, 影响加工表面质量。高速加工中通常有以下进、 退刀方式:
( 1) 垂直进、 退刀方式。对于刀具中心具有切削能力的刀具( 如键槽铣刀) 可以采用这种方法直接下切入刀。 该方法直接简便, 计算量小; 但刀具直接从无切削状态进入全刃切削, 其冲击力较大, 排屑及散热困难, 不适于加工硬度较高的材料, 且对刀具韧性要求较高。 而刀具中心无切削能力的铣刀则不能采用该方法切入。在 ug nx 3.0 中在自动进/ 退刀的“倾斜类型”选择项中选择“在直线上”、在“斜角”选择项中选择“0”。
( 2) 点钻式进刀。 这种方式是对垂直进刀的改进, 它采用了进刀量小多次下刀的方法, 铣刀垂直进刀一大步, 然后回退一小步, 有利于机加工的排屑, 带走垂直加工产生的大量的热。这种方法在一定程度上保护刀具和工件, 减少工件变形。但是要耗费较多的时间, 而且精度不容易保证。
( 3) 斜线进刀。 这种加工方式采用侧刃切削工件, 加工时需要设定两个度:x- y平面角度, 从垂直方向看时, 刀具轨迹与 x轴的夹角通常为零; 与工件的夹角, 即刀具切入加工面的角度。 这个角度设置的时候, 如果选取的太小, 则刀具每次切入深度较浅, 有利于保护刀具和工件。但是, 这也会导致切入斜线增长, 加工路线加长; 反之, 如果选取的角度太大, 又会产生不希望的端刃切削的情况。所以一定要适当选择切入角度。
( 4) 之形往复进刀。 这种方法是斜线进刀的改进, 把一步斜线进刀划为多步小斜线进刀, 虽然仍有刀具两侧刀刃受力不对称的问题,但要比斜线进刀要好, 所以同样要设定好“斜角”。
( 5) 水平轮廓切向进、 退刀。常用于两轴半加工即在 xy平面内刀具联动, 在 z向作周期性进给的场合。 对于工件轮廓封闭且没有可供刀具直线切入切出的尖角, 采用与轮廓相切的圆弧在水平面内切入, 走刀完毕后再以切弧轨迹切出。该方法为二维加工编程中常用的刀具轨迹导入导出方法。
( 6) 螺旋进刀。 当刀具不能沿 z向直接切入时,或由于空间狭小刀具无法正常起降时, 刀具可以螺旋线切入, 以保证刀具切削载荷的平稳变化。高速加工时应尽量采用轮廓的切向进、 退刀方式以保证刀路轨迹的平滑。在对曲面进行加工时,刀具可以是 z向垂直进、退刀, 曲面切向的进、 退刀, 曲面正向与反向的进、 退刀和斜向或螺旋式进、退刀等方式, 在这些方式中, 曲面的切向进、 退刀或螺旋式进、 退刀更有利于高速加工。
4.3 移刀方式
在数控高速切削加工中也应采用光滑的移刀方式, 移刀方式主要是指行切中的行间移刀、 环切中的环间移刀、 等高加工的 z向层间移刀和不同切削区域之间的区域移刀等。 普通的移刀方式大多不适合高速加工的要求, 如在行切移刀时, 刀具多是直接垂直于原来行切方向的法向移刀以至使刀具路径中存在尖角; 在环切的情况下, 环间移刀也是从原来轨迹的法向直接移刀, 也致使道路轨迹存在不平滑情况; 在等高线加工中的层间移刀时, 也存在移刀尖角。 这些将导致高速加工机床频繁的加减速, 它严重影响了加工的效率。 高速加工中, 采用的切削用量通常比较小(包括轴向切削用量和径向切削用量), 移刀次数也就会急剧增加。因此必须使刀路轨迹中的移刀平滑, 同时要尽量减少移刀次数,缩短进、 退刀时间, 提高加工效率。
( 1) 行切连接移刀。 行切的方式对于大平面或相对平坦轮廓的切削较为高效便捷。
( 2) 环切连接移刀。 环切的移刀采用环间的圆弧切出与切入连接, 这种方法的弊端是在加工三维复杂零件时, 由于移刀轨迹直接在两个刀路轨迹之间生成圆弧, 在间距较大的情况下, 会产生过切。 因此该方法一般多用于两轴半加工, 所有的加工都在一个平面内。
( 3) 不同切削区域间移刀。在高速加工中, 经常要在同一工件的不同区域进行移刀, 为了尽量减少进、 退刀次数, 提高加工效率, 应尽可能采用“深度优先”; 在可能的情况下少采用甚至是不采用“层优先”。
在数控高速切削加工中, 无论采用何种移刀方法, 均会造成轮廓连接处切削纹理乃至加工微观尺寸的变化, 并影响到整体加工效率。在路径生成中应针对不同的加工区域特征, 通过切削路径的合理安排和切削策略的设定, 选用适当的连接移刀方式并尽量减少移刀次数。
4.4 走刀(切削)方式
高速加工中应能提供各种不同的加工方法以满足不同形状和类别的零件加工要求, 同时加工方法也应具有智能、 简便、 快捷、 准确等特点, 走刀方法要丰富。 高速加工中的走刀方式应满足以下一些基本原则: 避免刀具轨迹中走刀方向的突然变化,以免因局部过切而造成刀具或设备的损坏; 走刀速度要平稳, 避免突然加速或减速; 避免多余空刀; 应采用光滑的转弯走刀, 采用光滑的转弯走刀与进行光滑的移刀一样, 对保证高速加工的平稳与效率同样重要。高速加工的走刀方式主要有如下几种:
( 1) 平行轨迹加工( raster) 。 该类刀具轨迹又称为扫描行切“zigzag”类轨迹( 图 1) 。该类加工策略优点为切削效率高, 计算量小。缺点是对于平行刀具轨迹的陡斜面, 将得到 z向间隔很大的刀具轨迹, 加工质量不高, 对此可以通过调整刀具轨迹摆放角度或采用补充垂直路径的方法加以修正。
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( 2) 环行铣削( 图 2) 。这种切削方式是同时对多张曲面进行加工的计算方法, 其走刀路线是以外轮廓的形状由外向内(或由内向外)进行走刀, 钻攻中心, 请选择 伯特利数控
( 3) 摆线式加工( 图 3) 。这是一种专门针对高速加工的刀位轨迹策略, 所谓“摆线”即为圆上一固定点随着圆沿曲线滚动时生成的轨迹, 由于切削过程中总是沿一条具有固定曲率的曲线运动, 使得刀具运动总能保持一致的进给率, 所以对高速铣比较适合。
( 4) 放射轨迹加工 ( 图 4) 。放射状加工( radial) 策略通常用于对称且加工纹理有特殊要求的场合, 它在靠近中心的位置刀具轨迹密集重叠, 故对于刀具轨迹延伸至中心的模型, 其加工效率不高, 其总体加工时间比采用平行加工策略约多出 20%～30%, 故只用于如球面、 环形圆弧面区域等对于刀具加工纹路有特殊要求的加工区域。
( 5) 螺旋轨迹 ( 图 5) 。螺旋类刀具轨迹( rpiral) 的优点是可以避免刀具的起降与行间移刀, 对于特定类型工件, 只需要一次切入切出即可完成对工件模型表面的包络。 该类加工策略可以用于切削圆形回转特征, 由于避免了刀具在工件中心的重叠, 故其切削效率高于放射轨迹。但由于螺旋曲线其行距固定, 如投影至加工斜度较大的工件表面时将产生类似欲平行诡计切削陡斜面的情况, 刀具轨迹间 z向值变化较大从而导致该区域加工质量不高, 故通常适用于较平坦的区域。
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( 6) z向等高分层加工( 图 6) 。生成 z向等高分层轨迹的方法是用等距离的一组水平面对工件进行切片, 从而得到工件加工曲面的等高线, 以此作为刀具与加工曲面的接触点, 补偿后的得到刀具轨迹。对于该类加工策略, 由于刀具轨迹为 z向定距下降, 容易存在对水平或接近水平的浅滩平面行距过大的问题。对于陡斜面, 刀具路径可能过于密集, 而水平或浅滩平面将因行距过大而得到较大的残留高度。
( 7) 陡斜面与浅平面(steep 与 shallow)补充加工( 图 7) 。加工之前首先分析计算曲面斜度, 将曲面斜度大于某一设定值的曲面定为陡斜面, 反之为浅平面。该方法可以测定并补充加工由平行加工及 z向等距加工后的残留高度过大的曲面区域。在图 7中, 曲面斜度设为 30°, 所以曲面角度小于 30°的才进行补充加工。
( 8) 曲面流线( flow- line) 加工( 图 8) 。刀具轨迹沿某曲面的曲面坐标系的 u向或 v向的曲面流线方向生成, 可以得到沿曲面伸展的特定的加工轨迹。
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( 9) 二次开粗加工。在粗加工中, 为了提高加工效率, 通常采用直径比较大的刀具, 这就造成了在有些部位有很多残余材料没有去除或在有些部位刀具根本无法进入, 所以给半精加工和精加工带来了很大困难。因此, 在粗加工以后可以根据实际情况安排一步二次开粗加工工序。 所谓的二次开粗就是由 cam软件根据粗加工结果来自动判断哪些部位的残余材料太多、 哪些部位是前一把刀具没有加工到的。在二次开粗中只对这些部位进行切削,而工件上的其它部位将不会进行加工。ug cam提供的二次开粗加工方式主要有以下两种:
第一种, 使用 3d 法。在图 9 中由于底面与侧面的圆倒角为 r5, 而粗加工采用了 r10 的刀具, 所以在圆倒角上有很多残余材料, 利用二次开粗中的“使用 3d 法” 加工方式就得到了如图的刀具路径, 它只对圆倒角上的残余材料进行切削。
第二种, 参考刀具法。在图 10 中, 由于两凸台间距为 8mm, 而在粗加工中选用了直径 20mm的刀具, 所以刀具无法进入两凸台间进行切削, 此时就可以采用二次开粗中的“参考刀具”法, 选用直径小于 8mm的刀具就可以得到图中的刀具轨迹。
4.5 拐角处理
在数控高速切削加工中, 刀具轨迹拐角的处理是十分重要的, 因为即使切削深度很浅, 进给速度和走刀轨迹的剧烈变化也是造成刀具破损的重要原因之一。 为避免这种情况, 应调整进给速度, 从而调整每一个刀刃的切削量( 图 11) , 在图中的拐角处, ug nx3.0 采用了分步减速的方法。同时要避免刀具轨迹的剧烈变化( 图 12) , 图中的圆角如果用等半径的刀具直接加工, 如图 4- 12 ( a) 所示, 则进给方向发生突变势必会使机床负荷猛然增加, 所以, 加工这种类型的圆倒角是使用较小半径的刀具, 一般情况下刀具半径为圆倒角几何尺寸的 70%或更小, 这样可使拐角处的切削刀具进给方向变化平滑, 避免刀具的突然转向, 见图 4- 12b) 。使用小直径刀具加工和直接切入拐角相比,机床负荷可以降低 3 倍左右。
5 结束语
数控高速切削加工的刀具路径规划是数控编程的核心环节, 优化的刀具路径不仅可以提高加工效率, 还可以大大提高工件表面质量、 减小刀具磨损。总体来说, 在进行刀具路径规划时要优先使用顺铣切削方式; 在切入和切出工件时, 使用圆弧切入和切出方法来切入或离开工件; 进刀方式要尽量使用螺旋进给方式, 应尽量避免垂直下刀, 因为这样可以有效地保护刀具, 延长刀具使用寿命; 要尽可能保证刀具运动轨迹的光滑与平稳, 程序中走刀路径不能拐硬弯, 也要尽可能地减少任何切削方向的突然变化, 从而尽量减少切削速度的降低。
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