基于CAXA的下刀軌跡優化在教學中的應用

沈峰

數控加工技術在我國工業發展中發揮著舉足輕重的作用。CAD/CAM技術使加工效率與質量得到了提升。CAXA制造工程師是一款實用性較強的國產數控加工編程軟件，為數控加工提供了從造型、設計到加工軌跡生成、仿真模擬等一體化的解決方案，拓展了數控技術的使用。在多年高工班的教學過程中，筆者發現許多學生在手工編程、利用CAXA實現自動編程加工型腔零件沒有形成良好的解決方案，特別是利用立銑刀下刀加工過程中會出現各種困難。伴隨著封閉的切削環境、切削力、摩擦力、排屑困難等各種加工因素的影響，經常出現崩刃、斷刀，工件尺寸變形等諸多問題。這些問題一旦出現，就會為零件的后續加工帶來影響，增加刀具更換、Z向對刀的時間，也影響了學生的心情與課堂的效率。如何解決型腔零件加工過程中立銑刀下刀的安全、高效，是數控加工過程中易忽視但又無法逾越的一道坎。現把筆者這幾年軟件應用和數控加工的體會與大家交流如下。

一、問題分析

1.學情分析

加工型腔零件時，可以選用鍵槽刀。它的刀頭端面中心有切削刃，可以直接下刀切削型腔或環槽，而立銑刀的端面有刀刃，中心無切削橫刃，但是鍵槽銑刀的剛性與強度不如立銑刀的結構，加工效率也不如立銑刀，所以實際加工一般選擇立銑刀來加工型腔零件。

中職與五年制高工班機械類專業學生基本為男生，對于操作的細節觀察與把握相對不足，對于加工工藝的分析能力與解決問題的能力相對欠缺一些。對于立銑刀加工型腔工件，工藝方法與切削參數設定不合理，極易造成刀具損壞，從而影響加工進程與加工精度。在出現刀具損壞后，學生還未能認識到問題所在，無法采取有效措施，多次經歷之后會使學習的積極性受挫，對數控加工課程產生厭學情緒，影響技能的進一步提高。

2.課程設置

現行的數控自動編程與手工編程教材很多，但能把理論與實踐相結合，勝任操作課程的教材不多，在重點與細節上相對缺乏指導性。而軟件課程與數控操作課程往往存在脫節的情況，CAM環節的課程內容缺乏實際的指導意義。例如下刀參數設置與方式選擇，如果沒有合理的切削參數，軟件生成的刀具軌跡將是非常不可靠，甚至是危險的。

二、解決策略

1.下刀加工前鉆削工藝孔，改善加工環境

在型腔加工之前利用麻花鉆，鉆削至型腔的底部。在保證麻花鉆Z向對刀精度時，鉆削至型腔的最深處。這樣可以大大改善型腔封閉的加工環境，避免立銑刀刀頭中間無橫刃帶來的沖擊與振動。該方法簡單有效，很好保護了刀刃，改善了切削環境，是初學者比較適宜的加工方式，易于掌握。要注意的是：接下來型腔的銑削下刀點要定位在工藝孔的中心，同時圓弧切入切出的起刀點與退刀點也要在鉆孔處。

2.垂直下刀，淺層高速切削，發揮切削用量三要素的最大效能

筆者發現，學生在出現幾次下刀失誤之后為了避免刀具折斷就會降低切削深度，選用小的進給量、低的切削速度。在數控高級工考試或者競賽中，仍然采用這種模式，甚至一緊張再降低切削參數。而一般數控銑床的主軸轉速可以達到6000r/min甚至更高，硬質合金刀具允許的切削速度約100～250m/min。這樣的參數選擇策略沒有發揮數控機床的最大效率，也影響了操作完成時間，導致很多考生未能完成零件加工，最終影響總成績。筆者認為，在兩個切削層之間，刀具從上一層沿Z軸垂直方向直接切入下一層，即刀具垂直下刀未嘗不可，但要掌握好深度。實驗顯示，深度增加一倍，切削抗力會顯著增加，所以盡量選用淺層下刀來降低對刀具的沖擊與切削抗力對刀刃的影響。一般可以在切削參數的每層下刀設置為1mm。同時根據切削用量選用原則，發揮切削用量三要素的最大乘積效應，降低銑削層高，增大進給量與切削速度。很多學生認為小切深、大進給、高切削速度會影響價格效率，遠不如大切深、小進給、低切削速度。這其實是一個誤區，沒有真正理解高速切削的優勢所在。近幾年的考工和競賽反饋，通過兩種形式的對比，小切深、大進給、高切削速度優勢比較明顯，使學生能夠適應環境與機床的變化，穩中求進。當然，手工編程可以通過設置層參數來編寫簡潔的宏程序，簡化淺層切削帶來的程序量。

3.傾斜插削

刀具從上一層沿斜向折線以漸進的方式切入下一層，直至斜插至每層切削高度，需要設置長度、角度和近視節距方式參數。長度：折線在XY面投影線的長度。一般切削的長度要大于刀具端面無切削刃的直徑。近似節距：刀具每折返一次，刀具下降的高度。角度：折線與進刀線的夾角。在加工過程中，刀具下刀到尖軌跡呈現“Z”形下刀軌跡，并伴有機床輕微振動。整個切削過程穩定而平緩，很好地保護了立銑刀的端部刀刃，提高了切削效率。

其實在手工編程中，使用相對編程或宏程序很好解決斜線下刀或者螺旋下刀，但這種方式對于中職學生來說，理解困難，不便于效仿。采用CAXA自動編程實現傾斜下刀比較容易，其中參數設置上需要留意。一般近似節距等于角度的正切乘以切削長度。例如：傾斜角度為5°，在xy平面下刀切削行程為10mm，那么每次下降高度即為10×tan（5°）=0.875mm。例如：傾斜角度為3°，在xy平面下刀切削行程為10mm，那么每次下降高度即為10×tan（3°）=0.524mm。一般角度越大，切削效率越大，切削長度越短；反之，角度越小，則切削效率越小，切削越長。一般角度在3°到10°為宜，可以小于30°。

4.使用螺旋下刀方式

型腔區域與槽加工時，一般采用鍵槽銑刀來下刀切削，立銑刀切削效率更高，因為中心無刀刃，所以直接下刀會對端部刀刃造成磨損甚至折斷。螺旋切削就很好地避免了這一問題。螺旋加工軌跡線在XY方向投影為圓形，高度方向為螺距的倍數。在加工過程中，立銑刀沿著螺旋線切削，伴隨著周向角度自變量的變化，直至切削到目標深度。特別是在切削難加工材料的型腔區域時，螺旋下刀以漸進斜插的方式進行加工，從而有效保護了端部刀刃，降低了切削抗力，提高了切削效率。參數設置時，半徑為螺旋線的半徑。近似節距為刀具每折返一次刀具下降的高度。需要注意的是，“F”的參數設置要小一些，實際螺旋下刀的速度比周向切削效果更快一些。

三、總結與思考

以上四種方法，涉及利用CAXA軟件的自動編程加工，是筆者在長期教學中總結出來的，結合型腔零件的切削環境，提出了加工策略，高效簡便，既避免了封閉環境下立銑刀下刀易崩刃甚至折斷的惡劣環境，又提高了切削效率，充分發揮出機床、刀具潛在的切削性能，保證了工件的精度與加工的連續性，幫助學生有效解決了立銑刀下刀切削問題。

[作者單位：紹興市技師學院（籌）]endprint