数控粗加工走刀和进刀方式的研究

1 引言

　　作为数控加工的一个重要的工艺参数，走刀方式的选择往往依据工艺人员的经验。由于在影响走刀方式选择的诸多因素(如曲面的几何形状、岛屿的大小和位置、刀具的大小等)中，有些是明确的，有些是含糊的，且它们的作用程度都不一样，仅仅依靠经验将很难做出合理的选择，这使得对走刀方式的选择存在着许多难题。通过铣削过程中的切入角的变化对铣刀所受载荷的影响进行了分析，解决了铣削加工的进刀方式的选取。

2 层切法粗加工

　　数控加工过程一般分为粗加工、半精加工、精加工3个阶段。粗加工作为数控加工第一阶段，其目的在于迅速切除工件毛坯的大部分余量以提高生产效率，同时为后续加工创造条件。据统计，目前在注射成型模具的加工中，有50%左右的时间花费在切除大余量的粗加工上。因此，从保证产品精度、提高加工效率、缩短交货期等方面考虑，粗加工是一道非常重要的工序。制造业的不断发展，粗加工的研究已被放到了日益重要的地位上。

　　目前的CAM软件及相关文献中，可将模具型腔的粗加工归纳为如下几类方法：等距切削、层切法(也叫等高轮廓线法)、截面线法、八叉树法和钻孔方法等。各粗加工方法有其自身的特点，层切法由于使用端铣刀加工，基本走刀轨迹被限制在二维平面中，便于轨迹的优化，程序量少，而且空刀现象极少，所以这种粗加工方法应用较广。因此，本文主要针对层切粗加工方法进行研究。

　　层切法是在等高面上切除坯料，其实质上是一种二维半的分层处理加工方法。在层切法加工过程中，走刀轨迹被限制在二维平面中，方便了刀具轨迹的优化，空走刀现象大大减少，因此， 层切法是特别有效的粗加工方法。层切法加工如图1所示。

　　图1 层切加工举例

　　当以层切法进行粗加工时，刀具自上而下逐层地切除余量，层与层之间的高度称为粗加工的层高。在数控加工编程系统中，层高是由工艺人员根据毛坯材料、刀具材料确定的。每个二维切削层与曲面进行求交得到一组交线，将求得交线进行组合(首尾相接)，从而封闭得到在二维平面上的一个边界轮廓，这个平面上的二维轮廓有一个外环和若干个内环组成。下面介绍一下相关的概念，如图2所示。

图2 轮廓、岛和加工单元

　　轮廓。一个区域可被加工，则组成该区域的曲线环称为一个轮廓。

　　岛。不可加工区域的曲线环，称为岛。

　　加工单元。一个轮廓及其包含的岛(零个、一个或者多个)称为一个加工单元。一个加工单元只有一个轮廓。在同一层中，可能有多个加工单元存在，但各加工单元之间互不相交。

　　在每一个层切平面上，根据加工单元中轮廓和岛的信息就可以找出切削区间，按照走刀方式生成二维的刀具轨迹，进行二维平面上的轮廓加工。

　　层切法粗加工方法的基本思想是：根据毛坯的大小和预先设定的工艺参数构造一系列垂直于刀具旋转轴的平面;将这些分层平面和零件曲面、毛坯体曲面求交;在各分层平面上将求得的交线段组合成封闭的二维环;对这些二维环分别进行等距、互交运算，确定各层的无干涉加工区域;分别计算各层的刀具轨迹，将各层的刀具轨迹统一组织后即形成层切法粗加工的刀具轨迹。

　　层切法粗加工的基本过程是，在某一层加工结束之后，刀具被抬至安全平面，然后从安全平面快速落刀，从下一层的起始切削位置开始新一层的切削，如此反复，直至零件的加工曲面被全部加工结束。由其加工过程可以看出，层切法粗加工刀轨生成过程的关键问题是如何生成各层面合理的刀轨，其中包括进刀方式的选取和层面刀具轨迹的规划。