信息時代數控銑削的刀具路徑優化技術

方玉峰

摘要：在加工過程中，工藝員在編制數控加工程序時對刀具參數、銑削方式、刀具路徑等了解不透，造成模具曲面加工質量不高，加工工時過長和刀具使用壽命降低。當參數和路徑選擇不當時，模具會曲面過切甚至報廢。因此，如何對多準則數控銑削刀具路徑進行優化有很重要的意義。文章詳細地介紹了數控銑削刀具路徑的優化步驟，并以加工模具曲面時數控銑削刀具路徑的優化為實例進行了分析，對數控銑削刀具路徑的優化研究具有一定的指導意義和參考價值。

關鍵詞：數控銑削；刀具規劃；加工質量；路徑優化

1 數控銑削刀具路徑的優化準則

1.1 基于安全性的刀具路徑優化

在數控加工過程中，刀具路徑是其重要參數，在加工過程中，必須將安全放在首位。在刀具路徑規劃時，其中最主要的問題就是考慮刀具在快速的點定位過程中是否會與障礙物發生碰撞。

1.1.1 快速點定位的刀具路徑優化

在對刀具路徑規劃時，必須注意刀具的快速移動路徑，尤其注意工件表面的接觸，必須保證刀具與工件具有一定的安全間隙。如圖1所示，刀具在Z方向上快速進擊時，必須謹慎考慮是否會出現撞刀。在不同情況下，工件與刀具之間的安全間隙的大小也有不同的選擇。例如想要縮短加工時間，則可取較小值，但是該值過小則會產生危險。總之，對于間隙量大小的選定不只是一個簡單的數據的選取，更是與加工工件材質、操作人員的技術經驗等都有密切的關系。

在銑削加工中，刀具從X，Y向靠近工件的情況與上述從Z向快速進給至工件的情況有所不同，因為刀具從X，Y向工件靠攏的過程中，刀位點沒有在工件邊緣，而是處在工件圓心，始終與刀尖相差一個刀具的半徑和工件的半徑之和的距離。因此在設計刀具與工件在X，Y方向的安全距離時，除了要考慮前面提到的相關內容外，還需額外考慮到刀具半徑。必須使準備切削點處刀尖到工件原點的距離大于工件半徑與刀具半徑之和；同時刀具切出點也必須滿足該條件。具體實例如圖2所示。

1.1.2 避免障礙物的刀具路徑優化

在刀具快速移動的過程中，必須保證沒有障礙物的存在。銑削加工中常見的障礙物有：機床工作臺及卡盤、分度頭，虎鉗、夾具、工件的非加工結構等。這些障礙物的存在不僅對選取工件的預留安全間隙有極大的影響，易發生撞刀；同時還使得刀具路徑的規劃變得復雜繁瑣。與此同時，還應真正理解撞刀的含義，它不僅僅指刀頭與障礙物的碰撞，還包括了刀具其他部分與障礙物的碰撞，如刀柄與夾具的碰撞。

數控編程代碼G00的意思便是快速點定位，即快速地將刀具從一個點移動到另外一個點，但需要注意的是，CNC數控加工中的兩點間點的移動不一定全是直線，如圖3所示。點定位路線便是由兩部分構成。一是刀具沿幾軸等速移動，然后是單軸驅近目標點的折線，只有注意到點定位的實際意義及實際路線，才能真正避免出現碰撞。同時需要注意的是，不僅是G00，G28，029，G30，G81-G89，G73等代碼的路線也有可能出現同樣的問題。

1.2 數控銑削工件刀具路徑的優化

1.2.1 基于尺寸精度刀具路徑的優化

工件加工的尺寸精度、形位公差等的確保主要依靠于機床的進給運動的定位精度，對于閉環伺服系統的機床，其定位精度取決于檢測裝置的測量精度，但不得不說的是，大多數機床采用的是半閉環進給伺服系統，它們的尺寸精度等與數控機床的絲桿副、齒輪副的傳動間隙的制造精度有極大的關系。因此在加工精度較高的工件時，必須在設計刀具路徑的時候考慮到傳動系統對加工的影響，這樣才能設計出較好的定位路線。

如圖4所示，在不同要求下對于6個尺寸相同的孔的加工，其刀具路徑也有不同的設計方法。（a）中明顯可見對孔的位置精度要求較高，此時在設計路線時一定要注意孔的點定位路線的設計，避免坐標軸的反向間隙影響位置精度，下面就對該例進行分析。若按（b）所示的路線加工，則由于4，5，6孔與1，2，3孔的Y軸定位方向相反，Y軸傳動系統的反向間隙影響1，2，3孔的位置精度。若按（c）所示的路線加工，將6個孔的定位方向都選成Y軸方向，這樣就可避免反向間隙的引入，因此提高了孔的位置精度。

1.2.2 基于工藝系統剛度刀具路徑優化

為保證工件的完美加工，刀具路線的設計必須考慮到刀具切削力的影響，切削力不僅決定了零件加工的能耗，更是決定了零件加工過程中的工藝系統剛度。因此應盡量選取使得工件加工順利進行但切削力最小的刀具路徑進行設計。

例如對于薄壁類零件，它的加工難點在于如何防止工件加工變形。隨著銑削加工的順利進行，零件厚度逐漸變薄，零件剛性降低，加工變形增大，容易發生切削振顫，影響零件的加工質量和加工效率。

1.2.3 基于表面質量刀具路徑的優化

工件表面質量的影響因素主要是刀具運動后留下的軌跡，具體來說就是刀在加工過零件后，會留有未加工到材料，這樣的材料離理論工件面的高度稱為殘留高度，極大地影響了工件的表面質量。

如圖5所示，球頭銑刀在加工空間曲面和變斜角輪廓時，刀具路徑間距的大小選取，是影響切削殘留的重要因素。同時，切削行距越小，殘余高度越小，有利于提高表面質量，但加工效率會降低。因此在編制有利于保證工件表面質量的刀具路線時，一定要注意殘留高度的控制和保證精加工時的工藝系統穩定性。

1.2.4 螺紋加工刀具路徑的優化

根據數控機床的結構特性可知，CNC在控制機床加工螺紋時，必須控制主軸旋轉與刀具進給保持同步運行關系。也就是說，只有當主軸轉速和刀具進給速度達到某一特定的值之后，數控機床才可以開始螺紋加工。因此在擬定螺紋加工路線時，必須設置足夠長的安全間隙，來保證在工件的螺紋加工過程中，有足夠長的距離來保證主軸轉速和刀具進給速度達到同步關系。具體如圖6所示，只有合理設計螺紋加工始點和終點，才可以使加工更加完善。

1.3 數控銑削刀具路徑長度的優化

刀具相對工件的進給運動，主要是是點到點的定位運動，包括快速、非切削的空行程狀態，此外還有刀具相對于工件的切削加工運動。對于刀具路徑的優化最主要的目的就是在于刀具路徑的最短化，當然前提是滿足路線的安全性和工件的質量要求。

1.3.1 點定位刀具路徑的優化

刀具切削工件前，要從某初始點開始快速運動接近工件；刀具完成切削任務后，又離開工件回到適當的結束點位置，該點通常是換刀點或機床參考點。因此，要縮短刀具接近工件的路線和切削后的回歸路線，換刀點、對刀點、機床參考點的設置，要盡量靠近工件的加工部位，但要保證換刀及其他操作的方便和安全。

若同—刀具可同時對一次裝夾工件的多個結構，或一次裝夾的多個工件加工，則應設計好刀具從一個結構到另一個結構，或從一個工件到另一個工件的點定位路線，使各結構加工連貫進行，銜接自然合理，減少重復定位次數，并使定位路線總長最短。如圖7所示，主要在于利用同一把刀具連續加工不同平面的孔，使得加工連續、順利進行，極大地提高了加工效率。

1.3.2 進給切削刀具路徑的優化

對于精加工之前的粗加工及半精加工，刀具路徑長度越短，則加工時間越少，能量消耗也越少，同時也可以得到較高的加工效率。

如圖8所示，對于矩形型腔區域的粗加工，當設置為平行銑削時如圖8a，刀具的移動距離較短，切削效率較高，但加工表面質量很差；當設置為環形銑削時如圖8b，加工后能夠保證較高的精度，但刀具移動距離較長，并且切削效率較低。因此在實際加工過程中，要綜合選取合適的加工路徑。

2 控銑削刀具路徑的優化實例分析

在用CAM軟件編程加工曲面時，以UG軟件為例，由于沒有科學合理的選擇影響加工便面質量的2個因素，切削行距αeo和步長L，使得零件表面加工質量粗糙而達不到使用要求。從h=R²-（α∞²/2）可以看出，影響殘余波峰高度^的主要參數為行距αeo，h越大殘余波峰越高，加工表面越粗糙，h、α_eo與加工精度之間成正比關系。但是步距也不能太小，行距α_eo越小，雖然加工精度越高，但是程序量也就越大，隨之加工時間也就越長，影響了加工效率。所以在選擇時要綜合考慮。選擇合適的行距α_eo，還取決于刀具半徑和曲面曲率的變化，一般情況下刀具半徑和行距α_eo之間成正比，刀具半徑越大可以選擇較大的行距α_eo。也可在曲面曲率越大時選擇較大的行距，但這不是絕對的，因為曲面曲率的變化會加工時間。

以圖9-11實際加工的模具為例，探討加工模具曲面時，數控銑削刀具路徑的優化。

如圖9所示為平行銑削方式，圖10為同心圓銑削方式，圖11為徑向銑削方式。在相同的切削深度α_eo和行距α_eo下，圖11徑向銑削獲得加工精度最高，圖10同心圓銑削相對較差，圖9平行銑削在2種方式之間，但是圖11徑向銑削曲面曲率變化最大，所需求加工時間也最長，圖10同心圓銑削在同一步長L上曲面曲率基本無變化，所以加工時機床不減速，加工時間也最短。綜合考慮，在減少行距α_eo的基礎上，采用圖10的同心圓銑削，在得到較高精度的情況下提高了加工效率。當然這中銑削方式比較使用于圖示模具。當然同時也要對與不同的曲面采用不同的銑削方式。

同時對于曲面曲率變化太大的模具，采用分區域加工的方式更為合適，比如在加工30″閥門金屬模具的星型法蘭時，就采用了分區域加工的方式。

圖12中選擇所有面整體加工，加工中區域c步距太大，加工后面非常粗糙，不滿足模具的使用要求。而把區域分割成A，B，C3個區域后再進行分區加工，這樣得到的表面就比較光滑，減少鉗工的打磨，從而模具精度也高。

3 結語

在模具實際加工的過程中，要從行距、步長、分區加工、行間、層間、切入切出點確定等方面研究刀具路徑優化，要得到一個優化的道具路徑需要綜合考慮，以便保證模具的加工質量和生產效率，加工三維曲面工件時，所用加工方法很多，為了得到滿足要求的加工精度和高的生產效率，要綜合分析確定多準則數控銑削刀具的優化路徑，不同的曲面采用最科學的行距、切入、切出、銑削方式、刀具等。