提高數控編程加工效率的技術研究及其應用

錢春華 錢楊林 湖南科技經貿職業學院 421009

提高數控編程加工效率的技術研究及其應用

錢春華 錢楊林 湖南科技經貿職業學院 421009

引言

在進行數控加工時，質量當然是第一位的。但在經濟高速發展的沿海地區，競爭十分激烈，如何提高數控加工效率也是一個非常重要的議題，并且越來越擺在十分突出的位置。幾年前，本人曾在珠三角從事MaseterCAM數控編程工作，深刻體會數控編程時刀具的選擇、加工過程中切削用量的確定、刀具運行軌跡的確定三方面對數控加工效率影響極大。因此，本文以MaseterCAM為例（其它數控編程軟件類同），從這三方面對數控加工效率提高做詳細論述。大家在以后的生產實踐中盡量質量、效率二者兼顧，才能使廠家效益大大提高。

1 數控加工刀具的選擇

刀具的選擇是在數控編程的人機交互狀態下進行的。應根據機床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相關因素正確選用刀具及刀柄。刀具選擇總的原則是：安裝調整方便、剛性好、耐用度和精度高。在滿足加工要求的前提下，盡量選擇較短的刀柄，以提高刀具加工的剛性和加工效率。

選取刀具時，要使刀具的尺寸與被加工工件的表面尺寸相適應。這樣既能保證質量，還能提高加工效率。生產中，平面零件周邊輪廓的加工，常采用立銑刀；銑削平面時，應選硬質合金刀片銑刀；加工凸臺、凹槽時，選高速鋼立銑刀；加工毛坯表面或粗加工孔時，可選取鑲硬質合金刀片的玉米銑刀；對一些立體型面和變斜角輪廓外形的加工，常采用球頭銑刀、環形銑刀、錐形銑刀和盤形銑刀。

在進行自由曲面(模具)加工時，由于球頭刀具的端部切削速度為零，因此，為保證加工精度，切削行距一般采用頂端密距，故球頭常用于曲面的精加工。而平頭刀具在表面加工質量和切削效率方面都優于球頭刀，因此，只要在保證不過切和加工質量的前提下，無論是曲面的粗加工還是精加工，都應優先選擇平頭刀。另外，刀具的耐用度和精度與刀具價格關系極大，必須引起注意的是，在大多數情況下，選擇好的刀具雖然增加了刀具成本，但由此帶來的加工質量和加工效率的提高，則可以使整個加工成本大大降低。

在加工中心上，各種刀具分別裝在刀庫上，按程序規定隨時進行選刀和換刀動作。因此必須采用標準刀柄，以便使鉆、鏜、擴、銑削等工序用的標準刀具迅速、準確地裝到機床主軸或刀庫上去。編程人員應了解機床上所用刀柄的結構尺寸、調整方法以及調整范圍，以便在編程時確定刀具的徑向和軸向尺寸。目前我國的加工中心采用TSG工具系統，其刀柄有直柄（3種規格）和錐柄（4種規格）2種，共包括16種不同用途的刀柄。

在經濟型數控機床的加工過程中，由于刀具的刃磨、測量和更換多為人工手動進行，占用輔助時間較長，因此，必須合理安排刀具的排列順序。一般應遵循以下原則：①盡量減少刀具數量；②一把刀具裝夾后，應完成其所能進行的所有加工步驟；③粗精加工的刀具應分開使用，即使是相同尺寸規格的刀具；④先銑后鉆；⑤先進行曲面精加工，后進行二維輪廓精加工；⑥在可能的情況下，應盡可能利用數控機床的自動換刀功能，以提高生產效率等。

2 加工過程中切削用量的確定

合理選擇切削用量的原則是：粗加工時，一般以提高生產率為主，但也應考慮經濟性和加工成本；半精加工和精加工時，應在保證加工質量的前提下，兼顧切削效率、經濟性和加工成本。具體數值應根據機床說明書、切削用量手冊，并結合經驗而定。具體要考慮以下幾個因素：

①切削深度t。在機床、工件和刀具剛度允許的情況下，t就等于加工余量，這是提高生產率的一個有效措施。為了保證零件的加工精度和表面粗糙度，一般應留一定的余量進行精加工。數控機床的精加工余量可略小于普通機床。②切削寬度L。一般L與刀具直徑d成正比，與切削深度成反比。經濟型數控機床的加工過程中，一般L的取值范圍為：L=（0.6～0.9）d。③切削速度v。提高v也是提高生產率的一個措施，但v與刀具耐用度的關系比較密切。隨著v的增大，刀具耐用度急劇下降，故v的選擇主要取決于刀具耐用度。另外，切削速度與加工材料也有很大關系，例如用立銑刀銑削合金鋼30CrNi2MoVA時，v可采用8m/min左右；而用同樣的立銑刀銑削鋁合金時，v可選200m/min以上。④主軸轉速n(r/min)。主軸轉速一般根據切削速度v來選定。計算公式為：v=∏nd/ 1000。數控機床的控制面板上一般備有主軸轉速修調（倍率）開關，可在加工過程中對主軸轉速進行整倍數調整。⑤進給速度vF。vF應根據零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料來選擇。vF的增加也可以提高生產效率。加工表面粗糙度要求低時，vF可選擇得大些。在加工過程中，vF也可通過機床控制面板上的修調開關進行人工調整，但是最大進給速度要受到設備剛度和進給系統性能等的限制。

隨著數控機床在生產實際中的廣泛應用，量化生產線的形成，數控編程已經成為數控加工中的關鍵問題之一。在數控程序的編制過程中，要在人機交互狀態下即時選擇刀具和確定切削用量。因此，編程人員必須熟悉刀具的選擇方法和切削用量的確定原則，從而保證零件的加工質量和加工效率，充分發揮數控機床的優點，提高企業的經濟效益和生產水平

3 刀具運行軌跡的確定

在數控加工編程時，刀具運行軌跡對加工效率影響也很大。如果提刀太多，走空刀太多，會使加工時間延長，從而影響加工效率。因此，在滿足生產質量的情況下，盡量減少提刀和空刀次數，也是數控編程的一重要技術問題。以下以珠三角廣泛使用的數控編程軟件MaseterCAM為例（其它軟件類同），對這方面做詳細論述。

1）MaseterCAM二維刀路提高效率的方式

在二維外形銑削和二維挖槽時，不會發生碰撞的前提下，在XY平面分次銑削設定對話框中盡量設置不提刀，在Z軸分層銑深設定對話框中盡量設置不提刀。當然我們沒必要過于擔心碰撞問題，只要不人為地在進退刀處放置障礙物,是不會發生碰撞的。在二維外形銑削和二維挖槽數控編程時，如果選取兩個以上的輪廓線，分層銑深順序盡量設置為按輪廓。這樣刀具會把一個輪廓線加工完成后，再去加工另一輪廓線，可使提刀和空刀大大減少。如分層銑深順序設置選取按深度，則會在數個輪廓之間反復來回走空刀。如圖1：

圖1

2）MaseterCAM三維刀路提高效率的方式

三維曲面挖槽中，如提刀和空刀太多，可以更換一下走刀方式，在平行環切、等距環切、雙向切削等不同走刀方式任選一種走刀方式運算產生刀路，然后選一提刀和空刀少的為實際刀路。如出現在不同部位或不同區域之間反復提刀情況，可以把不同部位或不同區域用多個不同范圍圍起來。在進行三維曲面挖槽數控編程時，同時選上這多個范圍，這樣便會使刀具加工完一個范圍內的對象，再去加工另一個范圍內的對象，從而使提刀得以大大減少。當然三維曲面挖槽中的刀路優化選項盡量選上，其不但可以使刀路得以優化，而且提刀和空刀也得以減少。

曲面等高外形中，如果同層等高走一圈是封閉的，則采用單向切削或雙向切削走刀，在提刀和空刀的效果上是一樣的，建議此時用單向切削，以減少機床沖擊。如果同層等高走一圈是不封閉的，則采用雙向切削走刀，可使提刀和空刀大大減少。曲面等高外形中刀路優化選項盡量選上，使刀路得以優化，且提刀和空刀也得以減少。兩區域段間處理方式如選擇其它方式提刀和空刀太多，可選用斜插方式，便可減少提刀和空刀，并且刀具受力更好些。如圖2：

圖2

在所有三維刀路中都可以通過選取多個不同范圍限制，或用不同加工深度限制，大大減少不同區域和部位的提刀和空刀發生。刀路優化項盡量選上。另外，選了加工面后，把不需加工的面選為干涉面，這樣既可提高運算速度，也可減少提刀和空刀發生。在所有三維刀路中都存在一共同參數對話框間隙設定，此對話框設定很有技巧，其對提刀和空刀影響極大。首先，間隙內下刀、提刀選取，檢查刀具在間隙之過切情形選取，檢查提刀時之過切情形選取，這樣可防止過切出現，切削順序最佳化選取。在容許間隙中，當采用刀間距百分比（% of stepover）方式時，如提刀或空刀太多，一般把其數值從100到1500逐漸改大，這樣提刀會明顯減少；當采用依照距離方式時，如提刀或空刀太多，一般把其數值從0.5到5逐漸改大，這樣提刀也會明顯減少。如圖3：

圖3

4 結論

本文從數控加工刀具的選擇、加工過程中切削用量的確定、刀具運行軌跡的確定三方面如何提高數控加工效率，作了詳細分析和論述。大家對如何提高數控加工效率有深刻認識，并能在今后的數控編程中，盡量質量、效率二者兼顧，以便大大提高廠家效益。

Improve the Processing Efficiency of NC Programming and its Application

QIAN CHUNHUA QIAN YANGLIN
Hunan Vocational College of Science and Technology Trade，Hunan Henyang 421009,China

數控編程時，數控加工刀具的選擇、加工過程中切削用量的確定、刀具運行軌跡的確定三方面對數控加工效率影響極大，本文對此作了詳細論述，使大家對此有深入理解，并能在以后的數控編程中盡量質量、效率二者兼顧，以提高廠家效益。

數控; 切削用量; 刀路

CNC programming, CNC cutting tools selection, processing and determination of cutting process, tool to determine the locus of the three great impact on the face of the efficiency of CNC machining, this paper discussed in detail. We have in-depth understanding of the use and NC programming in the future as far as possible the quality, efficiency, taking into account both to improve factory efficiency.

CNC；cutting；tool path

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.15.064

錢春華，男，1965年9月8日出生，本科畢業，講師，數控編程技師，具有豐富的數控實踐經驗。