高速數控加工技術在模具制造中的應用

吳志挺

（深圳市沙井職業高級中學 廣東深圳 518000）

摘 要：高速數控加工是一種集高效、優質、低耗于一身的先進切削技術，編程是其中一項重要工作，也是一項創造性工作。本文分析了高速數控加工特點，論述了高速數控加工編程策略，并探討了采用球頭銑刀高速切削加工三維曲面工件時刀路軌跡生成的特別設定方法，對于高速加工編程具有一定的指導意義。

關鍵詞：高速數控 加工技術 模具制造 應用

引言

高速數控加工技術是21世紀的一種先進制造技術，是集材料科學、信息科學、控制理論和制造技術為一體的綜合高新技術，相對于傳統的切削加工，其切削速率、進給速率有了很大的進步，并且切削機理也不雷同。高速數控加工包含多方面的技術，對機床、刀具等都有特別的要求，但數控編程是影響高速機床發揮效益的最關鍵因素。然而隨著高速數控加工設備的應用范圍擴大，其對數控編程系統的要求也越來越高，依然延續原有的普通數控設備的編程思路，會導致刀具磨損加劇、表面粗糙度值上升等不良缺陷出現，鑒于此，本文從優化工藝過程、消除刀具非正常磨損的角度出發，具體闡述模具高速加工數控編程的優化策略。[1]

一、高速數控加工特點分析

在高速數控加工過程中，刀具的非正常破損是當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，與尖銳的轉角或刀具方向的忽然變化等有密切的關系，具體表現為：

（1）切削過程中切削負荷突變，切屑過程中空行程多，導致切削不能連續，頻繁產生沖擊。

（2）加工過程中切削方向突變，即刀具軌跡尖角多，切削速度不連續。

（3）切削過程中頻繁抬刀、進刀。

（4）在用球頭銑刀加工三維曲面工件時，隨著三維曲面的變化，刀具刃口的實際接觸點是在不斷變化的，直徑過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行，提高零件的加工質量，延長刀具壽命，縮短加工時間，高速數控加工具有不同于普通數控加工的特殊工藝要求，如保持恒定的切削載荷、每齒進給量應盡可能保持恒定，并保持穩定的進給運動，使進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、高速數控加工編程策略

利用計算機輔助制造（CAM）系統進行高速數控加工編程時，刀具路徑不僅要滿足尺寸和輪廓的高精度要求，同時還要考慮加工工藝的加工細節，選擇適當的加工策略和工藝參數來優化各種刀具路徑，以改善切削條件，減少加工時間，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足切削是等體積切削，即切削過程中切削力恒定，盡量減少空行程，盡量減少進給速度的損失，通用的刀具路徑。

為了滿足上述基本要求，設計的刀具路徑應是：

（1）進刀時采用螺旋或弧進刀，使刀具逐漸切入零件，以保證切削力不發生突變，延長刀具壽命。

（2）切削速度的連續和無突變，使切削連續平穩，否則，將產生沖擊。

（3）切削時使用順銑使切削過程穩定，不易過切，刀具磨損小，表面質量好。

（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）無切削方向突變，即刀具軌跡是無尖角的，普通加工軌跡的尖角處用圓弧或其他曲線來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，完成金屬的切除，這樣可保證高速加工中切削余量均勻，對加工穩定，尤其是刀具壽命的延長有利。傳統方法的刀具軌跡，刀具沿斜線方向時，X、Y方向的插補運動使加工余量不均勻，降低了刀具的耐

用度。

（7）走刀方向的優化在走刀方向的選擇上，以曲面平坦性為評價準則，確定不同的走刀方向選取方案；對于曲率變化大的曲面以最大曲率半徑方向為最優進給方向，對曲率變化小的面，以單條刀軌平均長度最長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，選擇合適的插補方法，保證加工面殘留高度的要求，采用過渡圓弧的方法處理加工干涉區，這樣在加工時就不需要減速，提高加工效率。[2]

三、三維曲面高速銑削時刀路軌跡生成的特別設定

在采用球頭銑刀對三維曲面工件進行高速切削加工時，刀具的實際加工直徑是隨軸向進給量或刃口接觸點而變化的。高速銑削機床的高轉速主軸和高進給速度，要求盡量采用小的進給量和小的切削深度，且隨著三維曲面的變化，刀具刃口的實際接觸點是在不斷變化的，直徑過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。

在設置刀路時要依據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接，下面以幾個實例來說明高速銑削的特別設定。

（1）在相鄰的兩行切刀路間附加圓滑刀路轉接。如圖1所示，在使用軟件所提供的刀路光順化設置后，相鄰行切刀路中的行間移刀中自動附加了圓滑的轉接（圖1中②處所示）；另外經過一定的設置，在圖1中①處又附加了圓滑的刀具切入及切出轉接。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象，使刀路平滑的轉接到下一行去了，此種轉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時，最有效的方法是附加圓滑刀具轉接。兩層間的刀路圓弧轉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題。

（3）利用擺線切削避免全刃徑切削。在曲面切槽加工中，當用螺旋下刀切入工件后，正確的方法是利用擺線切削擺動前進切開一道或兩道通槽，而不是直接直線走刀切削通槽，在通槽切削出來后，再使用直線走刀進行切削。這樣就有效的避免了全刃徑的前進切削，使得整個曲面切槽加工的每刀的切削負荷更加平均了。

（4）當遇到圓形或近視圓形的槽時，擺線切削路徑的空切削將會很多，這時可以采用如圖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，當刀具切入工件時使用螺旋下刀平滑的切入到工件中去，另外還應該為螺旋直徑設定一定的變化范圍，當下刀位置不夠螺旋直徑時，系統會自動的減小下刀時螺旋的直徑，只到能夠下刀為止（圖3中②處）。但螺旋的直徑也不能無限制的減小，要受到下限值的限制，當螺旋直徑太小時，就近視的為直線下刀了，此時要設定為采用斜坡下刀方式解決，而且最好使用一個斜坡就下到尺寸處，來回的斜坡加工會產生很劇烈的硬拐彎。

以上這些設定不是獨立存在的，往往是相互交叉。要有效的實現高速銑削，還應該綜合考慮，要做到合理使用。如圖1的方法在刀具行間距較大時可以使用，當精切時兩行間距太小時，即使附加圓弧轉接也會因圓弧直徑太小而近視為直線轉接，此時要使用到如圖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，中間往兩邊分開環剝銑削，以增加兩行的間距的方法。

結語

綜上所述，高速加工技術在模具制造中有強大的生命力和廣闊的應用前景，高速加工機床和數控技術日趨成熟。而高速加工技術的數控編程技術的發展顯得相對落后，成為了制約高速加工技術在制造業中廣泛應用的瓶頸。因此，技術研究者應對高速加工的數控編程技術進行廣泛而深入的研究，不斷完善優化模具高速加工數控編程，以尋找完全適合模具的高速加工的數控編程系統。

參考文獻

[1] 李學飛，郭微.高速切削加工的應用[J].機電產品開發與創新.2013，26（6）：144-145

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