高速铣削时生成刀具轨迹的优化设置

    1 引言 

    高速铣削技术是最近几年新出现的一种加工方法，因其可以有效地对高硬度材料进行加工等优秀特点，经过不断的发展，现在已经广泛的应用到航空、轿车、锻模等制造领域。在高速铣削时机床主轴转速高达8000～30000rpm，进给速度在3～6m/min左右，加工中能否使机床及刀具保持恒定的切削负荷非常重要。虽然现在某些数控机床可以部分实现在加工中的切削负荷的自适应，但刀具轨迹的不合理编排也会产生对机床及刀具较大的惯性冲击，这种冲击对机床的主轴也是非常不利的，会影响主轴等零件的寿命。因此对高速铣削的编程要非常仔细，它要求CAM软件能提供新的刀具切入方式，使刀具在不同的切削形式下与被切削材料保持相对恒定的接触状态，另外还应选择合适的刀具进给和切削深度等参数，这些工艺方案必须符合高速切削的实际要求。 

    2 高速铣削编程时需要注意的几个原则 

    高进给，高转速，低切削量是基本原则； 

    垂直进刀要尽量使用螺旋进给，应避免垂直下刀，因为这样会降低切削速度，同时会在零件表面上留下很多刀痕； 

    要尽一切可能保证刀具运动轨迹的光滑与平稳，程序中走刀不能拐硬弯，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； 

    要尽量减少全刀宽切削，保持金属切除率的稳定性； 

    最好使用顺铣，且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； 

    如果数控系统支持，最好采用NURBS输出，以减小程序量，提高数控系统的处理速度。 

    出于安全考虑，在输出程序前需进行仔细的碰撞和过切检查。 

    3 高速铣削时生成轨迹时的特别设定 

    基于高速铣削技术的飞速发展，目前绝大多数CAM软件都提供了对高速铣削的支持，下面就以各软件普遍具有的功能进行说明。 

    在用球头铣刀加工三维曲面工件时，刀具的实际加工直径是随轴向进给量或刃口接触点而变化的。高速铣削机床的高转速主轴和高进给速度，要求尽量采用小的进给量和小的切削深度，且随着三维曲面的变化，刀具刃口的实际接触点是在不断变化的，直径过大的球头铣刀的加工直径与名义直径相差太大，切削速度不好匹配，不容易获得较高的表面质量。因此，为了保持刀具的最佳切削速度及切削性能并获得最佳加工表面，最好的办法是在刀具的刚性可以克服切削力的情况下采用直径尽可能小的刀具。 

    选定刀具后就是刀路的合理设置了，在设置刀路时要依据以上所提到的一些原则，主要的解决方法是附加合理的圆弧转接，下面以几个实例来说明高速铣削的特别设定。  
 

图1
 
图2
 
图3
 
图4

分页

    在相邻的两行切刀路间附加圆滑刀路转接 

    如图一所示，在使用软件所提供的刀路光顺化设置后，相邻行切刀路中的行间移刀中自动附加了圆滑的转接（图一中②处所示），另外经过一定的设置，在图一中①处又附加了圆滑的刀具切入及切出转接。这样既保证了刀路轨迹的平滑又有效的避免了两行切间的拐硬弯现象，使刀路平滑的转接到下一行去了，此种转接方法普遍的使用在各种曲面铣削方法中。 

    在相邻的两层切削刀路间附加圆滑刀路转接 

    在曲面等高切削等涉及到相邻两层切削刀路间的移刀情况出现时，最有效的方法是附加圆滑刀具转接。如图二中②处所示，两层间的刀路圆弧转接既有效的解决了刀路平滑的要求，又符合螺旋下刀减少切削阻力的问题。另外如图二中①处所示，附加的圆弧使切入、切出工件时是沿着切线方向切入切出的，这样也起到了均匀切削负荷作用。 

    利用摆线切削避免全刃径切削 

    如图三中①处所示，在曲面切槽加工中，当用螺旋下刀切入工件后，正确的方法是利用摆线切削摆动前进切开一道或两道通槽，而不是直接直线走刀切削通槽，在通槽切削出来后，再使用直线走刀进行切削。这样就有效的避免了全刃径的前进切削，使得整个曲面切槽加工的每刀的切削负荷更加平均了。另外如图三中②处所示，在转弯处也增加了摆线接近和附加圆弧转角，使得刀路更加平滑化了。 

    当遇到圆形或近视圆形的槽时，摆线切削路径的空切削将会很多，这时可以采用如图四所示的螺线切削路径，螺线路径也有效的避免了全刃径的切削。 

    使用有效的螺旋下刀切入工件 

    如图五中①处所示，当刀具切入工件时使用螺旋下刀平滑的切入到工件中去，另外还应该为螺旋直径设定一定的变化范围，当下刀位置不够螺旋直径时，系统会自动的减小下刀时螺旋的直径，只道能够下刀为止（图五中②处）。但螺旋的直径也不能无限制的减小，要受到下限值的限制，当螺旋直径太小时，就近视的为直线下刀了，此时要设定为采用斜坡下刀方式解决，而且最好使用一个斜坡就下到尺寸处，来回的斜坡加工会产生很剧烈的硬拐弯。 

图5
   

    以上这些设定不是独立存在的，往往是相互交叉的，要有效的实现高速铣削，还应该综合的考虑，要做到合理使用。如图一的方法在刀具行间距较大时可以使用，当精切时两行间距太小时，即使附加圆弧转接也会因圆弧直径太小而近视为直线转接，此时要使用到如图五中③处所示的行间摆线横越，或是变更铣削方法，使用从中间摆线铣进，中间往两边分开环剥铣削，以增加两行的间距的方法。如图二所示的方法在多岛曲面铣削时会遇到附加圆弧空间距离不够的情况，此时就要变更方法，使用随动铣削，在相对较平坦的一边曲面上附加跟随曲面变化的沿层间下降的曲线或直线，这样也可以平滑的过渡到下一铣削层中去。在使用摆线开槽，直线铣进的曲面切槽中，当槽轮廓不规则，具有多处锐角存在时，就应该采用全部摆线铣削的功能。 

    4 高速铣削程序后置输出前的优化 

    除了合理设置刀具路径外，在高速铣削后置输出为高速铣用程序前还应该对刀路及切削参数进行一定的优化处理。具体包括进给率平顺化、转弯的减加速、碰撞过切检测、材料切除率均匀化检测等优化措施。 
   

    在刀具路径设置时给出了基础的切削进给速度，曲面加工时产生的刀具路径很多，每一步骤的刀路都有相应的切削速度，一般设定为当进给率的变化小于10%时，将几个相邻的不同进给率合并成一个，这样机床切削过程中要相对平稳一些。 

    当转弯前后的两条刀路间的夹角为锐角时，要设定在转弯处的切削进给率，CAM系统会在转弯前后的一定距离内将切削路径分为几段，并且对各段赋于不同的切削进给率，使之达到在转弯前由正常切削进给率降到转角所设定的切削进给率，转过弯后又逐渐加速到正常切削进给率的效果。 

    高速铣削进给非常的快，所以碰撞检查非常重要，要逐个解决系统提示的可能的碰撞。又由于高速铣削附加的刀具路径太多，如果在设置加工平面、检测平面、切削边界、加工方法等各项时未协调好，就很容易出现过切现象，所以也应进行精心的过切检测，在输出程序前仔细的排除掉系统检测到的过切刀路。 

    为了使刀具具有较恒定的切削负荷，在后置前还要进行材料切除率的优化设定，当某一刀路切除率高时就会适当的降低切削进给率，反之适当的增加切削进给率，空切时加大到机床的最大进给率，这样可以有效的均匀切削负荷。 

    5 结语 

    高速铣削技术解决了许多加工难题，有效的提高了加工效率和工件的表面和内在质量，它将越来越得到快速的发展。有效的高速切削，除了对机床和切削刀具具有很高要求外，还对CAM软件、切削方法以及操作者的技术熟练程度等有很高的要求。