數控加工中進給率控制研究

許巖松 朱 健

（沈陽航空職業技術學院，遼寧 沈陽110034）

0 引言

在CNC加工中，CNC控制系統通過F地址來訪問進給率字，F地址后數字的大小決定了進給率的大小，但數字的多少取決于進給率模式和機床應用。進給率是與主軸功能關系最為密切的編程因素，通常在切除多余材料（毛坯）時，主軸功能控制著主軸轉速以及旋轉方向，而進給率則控制著刀具的進給速度。根據此特點，在CNC加工中，進給率可以分為每分鐘進給率（mm／min或in／min）與每轉進給率（mm／r或in／r）兩種類型。最常見的CNC機床，即加工中心和車床，均可使用任何一種進給模式進行編輯。但在實際應用中，加工中心多使用每分鐘進給率，而數控車床常使用每轉進給率。要選擇適合的最佳進給率，必須熟悉影響數控加工進給率設定的主要因素，這也是編程中的一個重要部分。進給率的選擇通常主要取決于主軸轉速（r／min）、刀具直徑（M）或刀尖圓弧半徑（T）、工件的表面要求、切削刀具幾何尺寸、切削力、工件安裝方式、刀具伸出的懸臂量、切削運動的長度、材料切除量（切削深度或寬度）、銑削方式（順銑或逆銑）、材料上槽的數量（只針對銑刀）、安全因素。

1 加速和減速

在典型的輪廓加工中，由于被加工工件上交點、切點和間隙等的存在，切削運動的方向頻繁改變。例如在編程加工工件上的直角拐角處，一個程序段中沿X軸的刀具運動，在下一程序段中得轉換到沿Y軸的運動，要實現這種轉換，控制器首先必須停止X軸的運動，然后再啟動Y軸運動。如果沒有加速，就不可能以最大進給率瞬時啟動，同樣如果沒有減速，也不可能停止進給，這樣就可能發生切削錯誤，尤其是在進給率非常大和角度極小的情況下。通常對一普通精度要求的工件，即使發生如此的情況，也不會影響產品的質量。但如果被加工工件的相應加工尺寸與精度要求非常嚴格，為避免出現上述問題，CNC系統就必須采取相應的措施。在FANUC控制器中提供了兩種指令G09（準確停）、G61（準確停模式）來嚴格控制切削刀具的進給率，以達到產品所要求的尺寸精度。

1.1 準確停指令

FANUC數控系統中指定G09為準確停指令，它是非模態指令，即在每個需要它的程序段中都要重復編寫。通過在程序中添加G09準確停指令，則它所在程序段里的運動完全完成后，另一主軸的運動才會啟動，以達到G09所在段的加工尺寸精度。

1.2 準確停模式指令

準確停指令G61與G09的區別在于G61為模態指令，它會一直有效，直到切削模式指令G64或同組的G62（自動拐角倍率）、G63（攻螺紋模式）出現才將之取消。G61縮短了編程時間，但不會縮短循環時間。G09只有在為了加工出某特定拐角而需要減速時才會發揮出其特點，而如果一個程序中所有的拐角都需要很高的精度時，重復使用G09會使程序變得冗長，降低編程效率，從而G61的優點就顯現出來了。通過使用G09或G61的設定，控制系統就能完成精度要求更高的加工質量與精度。

2 恒定進給率

在數控編程時，通常的步驟是根據零件圖計算輪廓每個變化點的坐標值。形成刀具軌跡中心線的刀具半徑通常被忽略，因為刀具半徑并不影響刀具的進給率。但在圓弧編程時，使用繪圖尺寸，而不是到刀具中心線的距離，等距的刀具路徑（使用刀具半徑偏置后）可能比圓弧編程中的繪圖尺寸大得多或小得多。因此，在圓弧程序中的進給率跟編程半徑相關，而跟刀具中心的實際半徑無關。當刀具半徑偏置有效，且圓弧的刀具路徑被刀具半徑偏置時，切削的實際圓弧半徑可能偏小或偏大。這決定于切削刀具運動的偏置值。有效切削半徑將減小所有內圓弧的尺寸，而增大所有外圓弧的尺寸。因此當表面加工質量要求很高或當刀具半徑非常大時，考慮增大或減小圓弧切削的進給率是非常必要的。

補償后的圓弧運動進給率通常取決于當前編程的直線運動進給率，已知計算直線進給率的標準公式：

式中，F1為直線進給率；n為主軸轉速（r／min）；Ft為每齒進給量；Z為切削刃的數量。

根據直線進給率公式，圓弧的加工面（外圓弧或內圓弧）將影響圓弧進給率的調整，外圓弧的直線進給率應該增加，而內圓弧則應該減小。經推導，得出以下公式：（1）對外圓弧，通常將進給率向上調整到一個較大的值：Fn＝F1（R＋r）／R，其中Fn為外圓弧進給率，F1為直線進給率，R為工件外徑，r為刀具半徑。（2）對內圓弧，通常將進給率向下調整到一個較小的值：Fn＝F1（R－r）／R，其中Fn為內圓弧進給率，F1為直線進給率，R為工件外徑，r為刀具半徑。上述修改提高了圓弧處的尺寸精度及表面質量，從而更好地滿足了對于工件加工質量的要求。

3 最大進給率

CNC機床的最大可編程進給率不是由控制器的生產廠家決定，而是由機床生產廠家決定的，例如，特定機床的最大進給率可能只有10 000mm／min，但是CNC系統可以提供比它高數倍的進給率。這對所有的控制器都是適用的，主要是每個機床廠家生產的機床機械結構體的結構、設計強度及安全等因素決定了其進給的最大速度不能超過一個定值。同時在主要以每轉進給為編程方法的CNC車床上，還有其他一些考慮因素。CNC車床的編程主軸轉速（r／min）和最大快進速率，常常會限制每轉最大切削進給率。如果沒有認識到這一點，就很容易把每轉進給量寫得過高，該問題在單頭螺紋加工中最為常見，因為單頭螺紋加工的切削進給率可以非常高。CNC機床不能使用超出最大設計范圍的進給率進行加工。當同一程序中使用了異常大的進給率和很快的主軸轉速時，最好計算一下有效進給率是否超出了給定機床的最大許可進給率。最大許可進給率可以根據以下公式進行計算：

式中，Fmax為最大每轉進給率；Rmax為X和Z軸中較小的最大進給率；n為主軸轉速。

通過上述公式可以計算出加工中的最大許可進給率，對加工中的安全、質量等有一個基本的度量，做到安全生產。

4 進給率倍率功能

盡管進給率功能可以使用F地址指定，程序中也可以使用兩種特殊的輔助功能M來設置進給率倍率的“開”和“關”。操作面板上沒有進給率倍率旋鈕，如果CNC操作人員決定臨時增大或減少程序中的進給率，該旋鈕是非常便利的。但在加工操作中，由于切削進給率必須為編程進給率，所以進給率倍率旋鈕只能設定為100%，而不能是其他的任何設置。M48功能使得CNC操作人員可以隨心所欲地使用進給率倍率開關，M49指令則使得進給率按照程序所編寫的執行，而不管控制面板上進給率倍率旋鈕的設置如何。這兩種功能在不使用循環的攻螺紋和螺紋加工應用中最為常見，這些場合要求進給率與編程值完全一致。

5 結語

總之，分析加工生產中常見的切削進給率問題，控制數控加工中的進給率，能顯著提高產品加工質量及精度。

［1］FANUC Series oi－MD OPERATOR’S MANUAL［Z］，2009.

［2］李帶娣.基于銑削力預測模型的加工進給率優化研究［D］.大連：大連理工大學，2007.

［3］鄭焱，畢慶貞，王宇晗.五軸聯動數控加工進給率規劃方法［J］.組合機床與自動化加工技術，2011（7）：1－4，8.

［4］于洋，魏生民，劉平，等.數控加工中線性進給率控制研究［J］.計算機測量與控制，2010（11）：2520－2523，2541.

［5］韓慶瑤，萬書亭，郭鐵橋，等.數控加工的進給率和刀具位置速度研究［C］／／國際機械工程學會聯合會第一屆國際機械工程學術會議論文集，2000.