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1 高速切削加工定義

數(shù)控高速切削加工是指在比常規(guī)切削速度高出很多的切削速度下進(jìn)行的切削加工, 因此, 有時(shí)也稱(chēng)為超高速切削 (UlLra—High speed Machining)。所以數(shù)控高速切削加工中的“高速”只是一個(gè)相對(duì)的概念, 對(duì)于不同的加工方法、 加工條件和工件材料, 數(shù)控高速切削加工時(shí)所采用的切削速度是不同的, 根據(jù)不同的切削條件, 應(yīng)具有不同的切削速度范圍, 而不能簡(jiǎn)單地用一個(gè)切削速度數(shù)值來(lái)定義。雖然很難給數(shù)控高速切削加工一個(gè)確切的定義, 但在實(shí)際使用中, 數(shù)控高速切削加工中的“高速”一般是指機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度。

2 高速加工時(shí)刀具路徑規(guī)劃特征及原則

高速加工除對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)、 功能部件、 進(jìn)給系統(tǒng)和刀具有很高的要求之外, 對(duì)加工路徑也必須進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃。 為了避免刀具位置和切削速度在加工中的突然變化, 從而能夠輸出光滑、 平順的刀具軌跡, 高速加工時(shí)刀具路徑規(guī)劃應(yīng)遵循如下原則: 路徑之間平滑連接與過(guò)渡; 加工時(shí)平緩切入與平緩切出; 粗加工時(shí)盡量保證所留余量均勻, 以減少精加工時(shí)切削負(fù)荷的變化; 盡可能減少刀具的換向次數(shù)與加工區(qū)域之間的跳轉(zhuǎn)次數(shù); 切削過(guò)程中盡可能保持恒定的切削負(fù)荷及金屬去除率; 確保刀具及機(jī)床主軸不過(guò)載, 刀具與工件及夾具之間無(wú)干涉碰撞。

3 影響高速切削平穩(wěn)性的因素

數(shù)控高速切削加工由于切削速度快,所以一定要保證切削的平穩(wěn)性,影響切削平穩(wěn)性的主要因素有:

3.1 切削用量

切削速度對(duì)切削溫度的影響是很大的。 數(shù)控高速切削加工中切削線速度很高, 刀具每個(gè)切削刃參與切削的時(shí)間大大縮短, 這樣可以使刀刃得到充分的冷卻, 同時(shí)熱量的大部分由切屑帶走, 刀具溫升不會(huì)很高。

刀具軸向、 徑向切削深度和進(jìn)給量對(duì)切削溫度也有一定的影響, 在高速加工中, 為了能使刀具合理散熱和降低刀具負(fù)荷, 不能采用傳統(tǒng)加工的低速—重載切削方式, 而應(yīng)該采取較小的刀具軸向切削深度與徑向切削深度, 且應(yīng)使切深變化盡量平緩。

3.2 進(jìn)給方式

使用球頭銑刀加工曲面時(shí), 在需要 Z軸垂直方向進(jìn)給的場(chǎng)合, 應(yīng)選用斜向進(jìn)給或螺旋進(jìn)給形式,這樣可以保持切削過(guò)程中刀刃的切削力連續(xù)恒定。

如在精加工型腔類(lèi)零件時(shí), 若采用沿側(cè)壁上升與下降的走刀路徑, 則刀具切削部位、 刀具軸向切深與徑向切深都將發(fā)生急劇變化, 且刀具以徑向載荷為主。若采用逐層等高下降切削的情況, 其刀具切削部位、 軸向切深與徑向切深均相對(duì)平穩(wěn), 從而保證了刀具負(fù)載的穩(wěn)定。

4 數(shù)控高速切削加工路徑規(guī)劃

4.1 順銑與逆銑

在銑削加工中, 根據(jù)刀具切削的線速度方向與工件運(yùn)動(dòng)方向的關(guān)系可以得到兩種不同的銑削方式: 順銑與逆銑。順銑是指刀具切削的線速度方向與工件運(yùn)動(dòng)方向相同; 逆銑則是指刀具切削的線速度方向與工件運(yùn)動(dòng)方向相反。

在普通銑床上根據(jù)其進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 采用順銑時(shí)會(huì)造成工作臺(tái)受切削力的作用而沿進(jìn)給方向竄動(dòng)的現(xiàn)象, 通常稱(chēng)其為“拉刀”, 所以常采用逆銑切削方式。數(shù)控機(jī)床由于采用了高精度的傳動(dòng)系統(tǒng), 消除了反向間隙, 而且傳動(dòng)系統(tǒng)的剛性好, 這樣一來(lái)就可以有效地避免“拉刀”現(xiàn)象的發(fā)生, 從而使得順銑切削方式的優(yōu)點(diǎn)得到充分體現(xiàn),也就是: 切刃從工件外部切入工件, 切削厚度由大變小, 這樣就減少了工件與刀刃之間的擠刮, 有利于工件切削和減少刀具磨損; 可以避免過(guò)切現(xiàn)象的產(chǎn)生; 順銑還有利于減少切削熱; 降低刀具負(fù)載,獲得較好的加工表面質(zhì)量; 但對(duì)于表面硬化比較嚴(yán)重的鑄件和鍛件, 為了保護(hù)刀具, 則應(yīng)采用逆銑。 在數(shù)控高速切削加工中, 一般都采用順銑加工方式。

4.2 進(jìn)、 退刀方式

在數(shù)控高速切削加工中, 為了使切削載荷平穩(wěn)變化, 在刀具切入切出工件時(shí)應(yīng)盡量保證刀具的漸入和漸出。在選擇進(jìn)刀方式時(shí)應(yīng)考慮到方便排屑、切削的安全性和刀具的散熱, 同時(shí)還要有利于觀察切削狀況。所以一般來(lái)說(shuō), 對(duì)于內(nèi)部有足夠刀具回旋空間的封閉腔體, 可采用螺旋下刀或者是往復(fù)式斜插下刀; 而對(duì)于凸臺(tái)或者有開(kāi)口的腔體則可以采用在工外部以水平圓弧進(jìn)刀的方法。總之, 在數(shù)控高速切削加工中, 應(yīng)盡量避免沿刀具的軸向垂直。 在退刀時(shí)主要要使刀具平緩離開(kāi)工件以防止在已加工表面產(chǎn)生刀痕, 影響加工表面質(zhì)量。高速加工中通常有以下進(jìn)、 退刀方式:

( 1) 垂直進(jìn)、 退刀方式。對(duì)于刀具中心具有切削能力的刀具( 如鍵槽銑刀) 可以采用這種方法直接下切入刀。 該方法直接簡(jiǎn)便, 計(jì)算量小; 但刀具直接從無(wú)切削狀態(tài)進(jìn)入全刃切削, 其沖擊力較大, 排屑及散熱困難, 不適于加工硬度較高的材料, 且對(duì)刀具韌性要求較高。 而刀具中心無(wú)切削能力的銑刀則不能采用該方法切入。在 UG NX 3.0 中在自動(dòng)進(jìn)/ 退刀的“傾斜類(lèi)型”選擇項(xiàng)中選擇“在直線上”、在“斜角”選擇項(xiàng)中選擇“0”。

( 2) 點(diǎn)鉆式進(jìn)刀。 這種方式是對(duì)垂直進(jìn)刀的改進(jìn), 它采用了進(jìn)刀量小多次下刀的方法, 銑刀垂直進(jìn)刀一大步, 然后回退一小步, 有利于機(jī)加工的排屑, 帶走垂直加工產(chǎn)生的大量的熱。這種方法在一定程度上保護(hù)刀具和工件, 減少工件變形。但是要耗費(fèi)較多的時(shí)間, 而且精度不容易保證。

( 3) 斜線進(jìn)刀。 這種加工方式采用側(cè)刃切削工件, 加工時(shí)需要設(shè)定兩個(gè)度:x- y平面角度, 從垂直方向看時(shí), 刀具軌跡與 x軸的夾角通常為零; 與工件的夾角, 即刀具切入加工面的角度。 這個(gè)角度設(shè)置的時(shí)候, 如果選取的太小, 則刀具每次切入深度較淺, 有利于保護(hù)刀具和工件。但是, 這也會(huì)導(dǎo)致切入斜線增長(zhǎng), 加工路線加長(zhǎng); 反之, 如果選取的角度太大, 又會(huì)產(chǎn)生不希望的端刃切削的情況。所以一定要適當(dāng)選擇切入角度。

( 4) 之形往復(fù)進(jìn)刀。 這種方法是斜線進(jìn)刀的改進(jìn), 把一步斜線進(jìn)刀劃為多步小斜線進(jìn)刀, 雖然仍有刀具兩側(cè)刀刃受力不對(duì)稱(chēng)的問(wèn)題,但要比斜線進(jìn)刀要好, 所以同樣要設(shè)定好“斜角”。

( 5) 水平輪廓切向進(jìn)、 退刀。常用于兩軸半加工即在 XY平面內(nèi)刀具聯(lián)動(dòng), 在 Z向作周期性進(jìn)給的場(chǎng)合。 對(duì)于工件輪廓封閉且沒(méi)有可供刀具直線切入切出的尖角, 采用與輪廓相切的圓弧在水平面內(nèi)切入, 走刀完畢后再以切弧軌跡切出。該方法為二維加工編程中常用的刀具軌跡導(dǎo)入導(dǎo)出方法。

( 6) 螺旋進(jìn)刀。 當(dāng)?shù)毒卟荒苎?/span> Z向直接切入時(shí),或由于空間狹小刀具無(wú)法正常起降時(shí), 刀具可以螺旋線切入, 以保證刀具切削載荷的平穩(wěn)變化。高速加工時(shí)應(yīng)盡量采用輪廓的切向進(jìn)、 退刀方式以保證刀路軌跡的平滑。在對(duì)曲面進(jìn)行加工時(shí),刀具可以是 Z向垂直進(jìn)、退刀, 曲面切向的進(jìn)、 退刀, 曲面正向與反向的進(jìn)、 退刀和斜向或螺旋式進(jìn)、退刀等方式, 在這些方式中, 曲面的切向進(jìn)、 退刀或螺旋式進(jìn)、 退刀更有利于高速加工。

4.3 移刀方式

在數(shù)控高速切削加工中也應(yīng)采用光滑的移刀方式, 移刀方式主要是指行切中的行間移刀、 環(huán)切中的環(huán)間移刀、 等高加工的 Z向?qū)娱g移刀和不同切削區(qū)域之間的區(qū)域移刀等。 普通的移刀方式大多不適合高速加工的要求, 如在行切移刀時(shí), 刀具多是直接垂直于原來(lái)行切方向的法向移刀以至使刀具路徑中存在尖角; 在環(huán)切的情況下, 環(huán)間移刀也是從原來(lái)軌跡的法向直接移刀, 也致使道路軌跡存在不平滑情況; 在等高線加工中的層間移刀時(shí), 也存在移刀尖角。 這些將導(dǎo)致高速加工機(jī)床頻繁的加減速, 它嚴(yán)重影響了加工的效率。 高速加工中, 采用的切削用量通常比較小(包括軸向切削用量和徑向切削用量), 移刀次數(shù)也就會(huì)急劇增加。因此必須使刀路軌跡中的移刀平滑, 同時(shí)要盡量減少移刀次數(shù),縮短進(jìn)、 退刀時(shí)間, 提高加工效率。

( 1) 行切連接移刀。 行切的方式對(duì)于大平面或相對(duì)平坦輪廓的切削較為高效便捷。

( 2) 環(huán)切連接移刀。 環(huán)切的移刀采用環(huán)間的圓弧切出與切入連接, 這種方法的弊端是在加工三維復(fù)雜零件時(shí), 由于移刀軌跡直接在兩個(gè)刀路軌跡之間生成圓弧, 在間距較大的情況下, 會(huì)產(chǎn)生過(guò)切。 因此該方法一般多用于兩軸半加工, 所有的加工都在一個(gè)平面內(nèi)。

( 3) 不同切削區(qū)域間移刀。在高速加工中, 經(jīng)常要在同一工件的不同區(qū)域進(jìn)行移刀, 為了盡量減少進(jìn)、 退刀次數(shù), 提高加工效率, 應(yīng)盡可能采用“深度優(yōu)先”; 在可能的情況下少采用甚至是不采用“層優(yōu)先”。

在數(shù)控高速切削加工中, 無(wú)論采用何種移刀方法, 均會(huì)造成輪廓連接處切削紋理乃至加工微觀尺寸的變化, 并影響到整體加工效率。在路徑生成中應(yīng)針對(duì)不同的加工區(qū)域特征, 通過(guò)切削路徑的合理安排和切削策略的設(shè)定, 選用適當(dāng)?shù)倪B接移刀方式并盡量減少移刀次數(shù)。

4.4 走刀(切削)方式

高速加工中應(yīng)能提供各種不同的加工方法以滿(mǎn)足不同形狀和類(lèi)別的零件加工要求, 同時(shí)加工方法也應(yīng)具有智能、 簡(jiǎn)便、 快捷、 準(zhǔn)確等特點(diǎn), 走刀方法要豐富。 高速加工中的走刀方式應(yīng)滿(mǎn)足以下一些基本原則: 避免刀具軌跡中走刀方向的突然變化,以免因局部過(guò)切而造成刀具或設(shè)備的損壞; 走刀速度要平穩(wěn), 避免突然加速或減速; 避免多余空刀; 應(yīng)采用光滑的轉(zhuǎn)彎走刀, 采用光滑的轉(zhuǎn)彎走刀與進(jìn)行光滑的移刀一樣, 對(duì)保證高速加工的平穩(wěn)與效率同樣重要。高速加工的走刀方式主要有如下幾種:

( 1) 平行軌跡加工( Raster) 。 該類(lèi)刀具軌跡又稱(chēng)為掃描行切“Zigzag”類(lèi)軌跡( 圖 1) 。該類(lèi)加工策略?xún)?yōu)點(diǎn)為切削效率高, 計(jì)算量小。缺點(diǎn)是對(duì)于平行刀具軌跡的陡斜面, 將得到 Z向間隔很大的刀具軌跡, 加工質(zhì)量不高, 對(duì)此可以通過(guò)調(diào)整刀具軌跡擺放角度或采用補(bǔ)充垂直路徑的方法加以修正。

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( 2) 環(huán)行銑削( 圖 2) 。這種切削方式是同時(shí)對(duì)多張曲面進(jìn)行加工的計(jì)算方法, 其走刀路線是以外輪廓的形狀由外向內(nèi)(或由內(nèi)向外)進(jìn)行走刀,

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( 3) 擺線式加工( 圖 3) 。這是一種專(zhuān)門(mén)針對(duì)高速加工的刀位軌跡策略, 所謂“擺線”即為圓上一固定點(diǎn)隨著圓沿曲線滾動(dòng)時(shí)生成的軌跡, 由于切削過(guò)程中總是沿一條具有固定曲率的曲線運(yùn)動(dòng), 使得刀具運(yùn)動(dòng)總能保持一致的進(jìn)給率, 所以對(duì)高速銑比較適合。

( 4) 放射軌跡加工 ( 圖 4) 。放射狀加工( Radial) 策略通常用于對(duì)稱(chēng)且加工紋理有特殊要求的場(chǎng)合, 它在靠近中心的位置刀具軌跡密集重疊, 故對(duì)于刀具軌跡延伸至中心的模型, 其加工效率不高, 其總體加工時(shí)間比采用平行加工策略約多出 20%～30%, 故只用于如球面、 環(huán)形圓弧面區(qū)域等對(duì)于刀具加工紋路有特殊要求的加工區(qū)域。

( 5) 螺旋軌跡 ( 圖 5) 。螺旋類(lèi)刀具軌跡( Rpiral) 的優(yōu)點(diǎn)是可以避免刀具的起降與行間移刀, 對(duì)于特定類(lèi)型工件, 只需要一次切入切出即可完成對(duì)工件模型表面的包絡(luò)。 該類(lèi)加工策略可以用于切削圓形回轉(zhuǎn)特征, 由于避免了刀具在工件中心的重疊, 故其切削效率高于放射軌跡。但由于螺旋曲線其行距固定, 如投影至加工斜度較大的工件表面時(shí)將產(chǎn)生類(lèi)似欲平行詭計(jì)切削陡斜面的情況, 刀具軌跡間 Z向值變化較大從而導(dǎo)致該區(qū)域加工質(zhì)量不高, 故通常適用于較平坦的區(qū)域。

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( 6) Z向等高分層加工( 圖 6) 。生成 Z向等高分層軌跡的方法是用等距離的一組水平面對(duì)工件進(jìn)行切片, 從而得到工件加工曲面的等高線, 以此作為刀具與加工曲面的接觸點(diǎn), 補(bǔ)償后的得到刀具軌跡。對(duì)于該類(lèi)加工策略, 由于刀具軌跡為 Z向定距下降, 容易存在對(duì)水平或接近水平的淺灘平面行距過(guò)大的問(wèn)題。對(duì)于陡斜面, 刀具路徑可能過(guò)于密集, 而水平或淺灘平面將因行距過(guò)大而得到較大的殘留高度。

( 7) 陡斜面與淺平面(Steep 與 Shallow)補(bǔ)充加工( 圖 7) 。加工之前首先分析計(jì)算曲面斜度, 將曲面斜度大于某一設(shè)定值的曲面定為陡斜面, 反之為淺平面。該方法可以測(cè)定并補(bǔ)充加工由平行加工及 Z向等距加工后的殘留高度過(guò)大的曲面區(qū)域。在圖 7中, 曲面斜度設(shè)為 30°, 所以曲面角度小于 30°的才進(jìn)行補(bǔ)充加工。

( 8) 曲面流線( Flow- line) 加工( 圖 8) 。刀具軌跡沿某曲面的曲面坐標(biāo)系的 U向或 V向的曲面流線方向生成, 可以得到沿曲面伸展的特定的加工軌跡。

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( 9) 二次開(kāi)粗加工。在粗加工中, 為了提高加工效率, 通常采用直徑比較大的刀具, 這就造成了在有些部位有很多殘余材料沒(méi)有去除或在有些部位刀具根本無(wú)法進(jìn)入, 所以給半精加工和精加工帶來(lái)了很大困難。因此, 在粗加工以后可以根據(jù)實(shí)際情況安排一步二次開(kāi)粗加工工序。 所謂的二次開(kāi)粗就是由 CAM軟件根據(jù)粗加工結(jié)果來(lái)自動(dòng)判斷哪些部位的殘余材料太多、 哪些部位是前一把刀具沒(méi)有加工到的。在二次開(kāi)粗中只對(duì)這些部位進(jìn)行切削,而工件上的其它部位將不會(huì)進(jìn)行加工。UG CAM提供的二次開(kāi)粗加工方式主要有以下兩種:

第一種, 使用 3D 法。在圖 9 中由于底面與側(cè)面的圓倒角為 R5, 而粗加工采用了 R10 的刀具, 所以在圓倒角上有很多殘余材料, 利用二次開(kāi)粗中的“使用 3D 法” 加工方式就得到了如圖的刀具路徑, 它只對(duì)圓倒角上的殘余材料進(jìn)行切削。

第二種, 參考刀具法。在圖 10 中, 由于兩凸臺(tái)間距為 8mm, 而在粗加工中選用了直徑 20mm的刀具, 所以刀具無(wú)法進(jìn)入兩凸臺(tái)間進(jìn)行切削, 此時(shí)就可以采用二次開(kāi)粗中的“參考刀具”法, 選用直徑小于 8mm的刀具就可以得到圖中的刀具軌跡。

4.5 拐角處理

在數(shù)控高速切削加工中, 刀具軌跡拐角的處理是十分重要的, 因?yàn)榧词骨邢魃疃群軠\, 進(jìn)給速度和走刀軌跡的劇烈變化也是造成刀具破損的重要原因之一。 為避免這種情況, 應(yīng)調(diào)整進(jìn)給速度, 從而調(diào)整每一個(gè)刀刃的切削量( 圖 11) , 在圖中的拐角處, UG NX3.0 采用了分步減速的方法。同時(shí)要避免刀具軌跡的劇烈變化( 圖 12) , 圖中的圓角如果用等半徑的刀具直接加工, 如圖 4- 12 ( a) 所示, 則進(jìn)給方向發(fā)生突變勢(shì)必會(huì)使機(jī)床負(fù)荷猛然增加, 所以, 加工這種類(lèi)型的圓倒角是使用較小半徑的刀具, 一般情況下刀具半徑為圓倒角幾何尺寸的 70%或更小, 這樣可使拐角處的切削刀具進(jìn)給方向變化平滑, 避免刀具的突然轉(zhuǎn)向, 見(jiàn)圖 4- 12b) 。使用小直徑刀具加工和直接切入拐角相比,機(jī)床負(fù)荷可以降低 3 倍左右。

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控高速切削加工的刀具路徑規(guī)劃是數(shù)控編程的核心環(huán)節(jié), 優(yōu)化的刀具路徑不僅可以提高加工效率, 還可以大大提高工件表面質(zhì)量、 減小刀具磨損。總體來(lái)說(shuō), 在進(jìn)行刀具路徑規(guī)劃時(shí)要優(yōu)先使用順銑切削方式; 在切入和切出工件時(shí), 使用圓弧切入和切出方法來(lái)切入或離開(kāi)工件; 進(jìn)刀方式要盡量使用螺旋進(jìn)給方式, 應(yīng)盡量避免垂直下刀, 因?yàn)檫@樣可以有效地保護(hù)刀具, 延長(zhǎng)刀具使用壽命; 要盡可能保證刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的光滑與平穩(wěn), 程序中走刀路徑不能拐硬彎, 也要盡可能地減少任何切削方向的突然變化, 從而盡量減少切削速度的降低。

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