高速數(shù)控加工技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

吳志挺

（深圳市沙井職業(yè)高級(jí)中學(xué) 廣東深圳 518000）

摘 要：高速數(shù)控加工是一種集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)切削技術(shù)，編程是其中一項(xiàng)重要工作，也是一項(xiàng)創(chuàng)造性工作。本文分析了高速數(shù)控加工特點(diǎn)，論述了高速數(shù)控加工編程策略，并探討了采用球頭銑刀高速切削加工三維曲面工件時(shí)刀路軌跡生成的特別設(shè)定方法，對(duì)于高速加工編程具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：高速數(shù)控 加工技術(shù) 模具制造 應(yīng)用

引言

高速數(shù)控加工技術(shù)是21世紀(jì)的一種先進(jìn)制造技術(shù)，是集材料科學(xué)、信息科學(xué)、控制理論和制造技術(shù)為一體的綜合高新技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的切削加工，其切削速率、進(jìn)給速率有了很大的進(jìn)步，并且切削機(jī)理也不雷同。高速數(shù)控加工包含多方面的技術(shù)，對(duì)機(jī)床、刀具等都有特別的要求，但數(shù)控編程是影響高速機(jī)床發(fā)揮效益的最關(guān)鍵因素。然而隨著高速數(shù)控加工設(shè)備的應(yīng)用范圍擴(kuò)大，其對(duì)數(shù)控編程系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高，依然延續(xù)原有的普通數(shù)控設(shè)備的編程思路，會(huì)導(dǎo)致刀具磨損加劇、表面粗糙度值上升等不良缺陷出現(xiàn)，鑒于此，本文從優(yōu)化工藝過(guò)程、消除刀具非正常磨損的角度出發(fā)，具體闡述模具高速加工數(shù)控編程的優(yōu)化策略。[1]

一、高速數(shù)控加工特點(diǎn)分析

在高速數(shù)控加工過(guò)程中，刀具的非正常破損是當(dāng)前高速加工所面臨的重要困難。而刀具的非正常破損又是由于不能保持恒定的材料去除率，與尖銳的轉(zhuǎn)角或刀具方向的忽然變化等有密切的關(guān)系，具體表現(xiàn)為：

（1）切削過(guò)程中切削負(fù)荷突變，切屑過(guò)程中空行程多，導(dǎo)致切削不能連續(xù)，頻繁產(chǎn)生沖擊。

（2）加工過(guò)程中切削方向突變，即刀具軌跡尖角多，切削速度不連續(xù)。

（3）切削過(guò)程中頻繁抬刀、進(jìn)刀。

（4）在用球頭銑刀加工三維曲面工件時(shí)，隨著三維曲面的變化，刀具刃口的實(shí)際接觸點(diǎn)是在不斷變化的，直徑過(guò)大的球頭銑刀的加工直徑與名義直徑相差太大，切削速度不好匹配。

為保證高速加工順利進(jìn)行，提高零件的加工質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具壽命，縮短加工時(shí)間，高速數(shù)控加工具有不同于普通數(shù)控加工的特殊工藝要求，如保持恒定的切削載荷、每齒進(jìn)給量應(yīng)盡可能保持恒定，并保持穩(wěn)定的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，使進(jìn)給速度損失降低到最小、避免走刀方向和加速度的忽然變化、程序處理速度最佳化等。

二、高速數(shù)控加工編程策略

利用計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）系統(tǒng)進(jìn)行高速數(shù)控加工編程時(shí)，刀具路徑不僅要滿(mǎn)足尺寸和輪廓的高精度要求，同時(shí)還要考慮加工工藝的加工細(xì)節(jié)，選擇適當(dāng)?shù)募庸げ呗院凸に噮?shù)來(lái)優(yōu)化各種刀具路徑，以改善切削條件，減少加工時(shí)間，減少刀具磨損，避免刀刃破損或刀柄折斷等。

高速加工的刀具軌跡必須滿(mǎn)足切削是等體積切削，即切削過(guò)程中切削力恒定，盡量減少空行程，盡量減少進(jìn)給速度的損失，通用的刀具路徑。

為了滿(mǎn)足上述基本要求，設(shè)計(jì)的刀具路徑應(yīng)是：

（1）進(jìn)刀時(shí)采用螺旋或弧進(jìn)刀，使刀具逐漸切入零件，以保證切削力不發(fā)生突變，延長(zhǎng)刀具壽命。

（2）切削速度的連續(xù)和無(wú)突變，使切削連續(xù)平穩(wěn)，否則，將產(chǎn)生沖擊。

（3）切削時(shí)使用順銑使切削過(guò)程穩(wěn)定，不易過(guò)切，刀具磨損小，表面質(zhì)量好。

（4）采用小的軸向切深以保證小的切削力、少的切削熱和排屑的順暢。

（5）無(wú)切削方向突變，即刀具軌跡是無(wú)尖角的，普通加工軌跡的尖角處用圓弧或其他曲線來(lái)取代從而保證切削方向的變化是逐漸的而不是突變的。

（6）采用等高線軌跡，加工余量均勻的走刀路線可取得好的效果。采用等高線法的刀具軌跡，刀具沿X或Y軸方向平動(dòng)，完成金屬的切除，這樣可保證高速加工中切削余量均勻，對(duì)加工穩(wěn)定，尤其是刀具壽命的延長(zhǎng)有利。傳統(tǒng)方法的刀具軌跡，刀具沿斜線方向時(shí)，X、Y方向的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)使加工余量不均勻，降低了刀具的耐

用度。

（7）走刀方向的優(yōu)化在走刀方向的選擇上，以曲面平坦性為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，確定不同的走刀方向選取方案；對(duì)于曲率變化大的曲面以最大曲率半徑方向?yàn)樽顑?yōu)進(jìn)給方向，對(duì)曲率變化小的面，以單條刀軌平均長(zhǎng)度最長(zhǎng)為原則選擇走刀方向。

（8）刀位軌跡生成按照刀位路徑盡可能簡(jiǎn)化，盡量走直線，路徑盡量光滑的要求選擇加工策略，選擇合適的插補(bǔ)方法，保證加工面殘留高度的要求，采用過(guò)渡圓弧的方法處理加工干涉區(qū)，這樣在加工時(shí)就不需要減速，提高加工效率。[2]

三、三維曲面高速銑削時(shí)刀路軌跡生成的特別設(shè)定

在采用球頭銑刀對(duì)三維曲面工件進(jìn)行高速切削加工時(shí)，刀具的實(shí)際加工直徑是隨軸向進(jìn)給量或刃口接觸點(diǎn)而變化的。高速銑削機(jī)床的高轉(zhuǎn)速主軸和高進(jìn)給速度，要求盡量采用小的進(jìn)給量和小的切削深度，且隨著三維曲面的變化，刀具刃口的實(shí)際接觸點(diǎn)是在不斷變化的，直徑過(guò)大的球頭銑刀的加工直徑與名義直徑相差太大，切削速度不好匹配，不容易獲得較高的表面質(zhì)量。因此，為了保持刀具的最佳切削速度及切削性能并獲得最佳加工表面，最好的辦法是在刀具的剛性可以克服切削力的情況下采用直徑盡可能小的刀具。

在設(shè)置刀路時(shí)要依據(jù)以上所提到的一些原則，主要的解決方法是附加合理的圓弧轉(zhuǎn)接，下面以幾個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明高速銑削的特別設(shè)定。

（1）在相鄰的兩行切刀路間附加圓滑刀路轉(zhuǎn)接。如圖1所示，在使用軟件所提供的刀路光順化設(shè)置后，相鄰行切刀路中的行間移刀中自動(dòng)附加了圓滑的轉(zhuǎn)接（圖1中②處所示）；另外經(jīng)過(guò)一定的設(shè)置，在圖1中①處又附加了圓滑的刀具切入及切出轉(zhuǎn)接。這樣既保證了刀路軌跡的平滑又有效的避免了兩行切間的拐硬彎現(xiàn)象，使刀路平滑的轉(zhuǎn)接到下一行去了，此種轉(zhuǎn)接方法普遍的使用在各種曲面銑削方法中。

（2）在相鄰的兩層切削刀路間附加圓滑刀路轉(zhuǎn)接。在曲面等高切削等涉及到相鄰兩層切削刀路間的移刀情況出現(xiàn)時(shí)，最有效的方法是附加圓滑刀具轉(zhuǎn)接。兩層間的刀路圓弧轉(zhuǎn)接既有效的解決了刀路平滑的要求，又符合螺旋下刀減少切削阻力的問(wèn)題。

（3）利用擺線切削避免全刃徑切削。在曲面切槽加工中，當(dāng)用螺旋下刀切入工件后，正確的方法是利用擺線切削擺動(dòng)前進(jìn)切開(kāi)一道或兩道通槽，而不是直接直線走刀切削通槽，在通槽切削出來(lái)后，再使用直線走刀進(jìn)行切削。這樣就有效的避免了全刃徑的前進(jìn)切削，使得整個(gè)曲面切槽加工的每刀的切削負(fù)荷更加平均了。

（4）當(dāng)遇到圓形或近視圓形的槽時(shí)，擺線切削路徑的空切削將會(huì)很多，這時(shí)可以采用如圖2所示的螺線切削路徑，螺線路徑也有效的避免了全刃徑的切削。

（5）使用有效的螺旋下刀切入工件。如圖3中①處所示，當(dāng)?shù)毒咔腥牍ぜr(shí)使用螺旋下刀平滑的切入到工件中去，另外還應(yīng)該為螺旋直徑設(shè)定一定的變化范圍，當(dāng)下刀位置不夠螺旋直徑時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的減小下刀時(shí)螺旋的直徑，只到能夠下刀為止（圖3中②處）。但螺旋的直徑也不能無(wú)限制的減小，要受到下限值的限制，當(dāng)螺旋直徑太小時(shí)，就近視的為直線下刀了，此時(shí)要設(shè)定為采用斜坡下刀方式解決，而且最好使用一個(gè)斜坡就下到尺寸處，來(lái)回的斜坡加工會(huì)產(chǎn)生很劇烈的硬拐彎。

以上這些設(shè)定不是獨(dú)立存在的，往往是相互交叉。要有效的實(shí)現(xiàn)高速銑削，還應(yīng)該綜合考慮，要做到合理使用。如圖1的方法在刀具行間距較大時(shí)可以使用，當(dāng)精切時(shí)兩行間距太小時(shí)，即使附加圓弧轉(zhuǎn)接也會(huì)因圓弧直徑太小而近視為直線轉(zhuǎn)接，此時(shí)要使用到如圖3中③處所示的行間擺線橫越，或是變更銑削方法，使用從中間擺線銑進(jìn)，中間往兩邊分開(kāi)環(huán)剝銑削，以增加兩行的間距的方法。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高速加工技術(shù)在模具制造中有強(qiáng)大的生命力和廣闊的應(yīng)用前景，高速加工機(jī)床和數(shù)控技術(shù)日趨成熟。而高速加工技術(shù)的數(shù)控編程技術(shù)的發(fā)展顯得相對(duì)落后，成為了制約高速加工技術(shù)在制造業(yè)中廣泛應(yīng)用的瓶頸。因此，技術(shù)研究者應(yīng)對(duì)高速加工的數(shù)控編程技術(shù)進(jìn)行廣泛而深入的研究，不斷完善優(yōu)化模具高速加工數(shù)控編程，以尋找完全適合模具的高速加工的數(shù)控編程系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李學(xué)飛，郭微.高速切削加工的應(yīng)用[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新.2013，26（6）：144-145

[2] 仲興國(guó).高速數(shù)控加工機(jī)床的編程策略[J].黑龍江科技信息.2016（11）：73-73