数控铣削加工进刀方式研究

一、前言数控加工对加工工艺有着特殊的要求，数控加工中对工艺问题处理的好坏，将直接影响数控加工的质量和效率。国内的一些科研技术人员对数控加工的工艺进行了探讨1-3，但对于铣削的进刀方式的选择未见单独报道。而在各种型面的数控铣削中,合理地选择切削加工方向、进刀切入方式是很重要的，因为二者直接影响零件的加工精度和加工效率4。本文以数控加工中最常用的自动编程软件CAXA和MasterCAM为例（其它软件相类似，可做参考），通过分析数控铣削加工中各种进刀方式的特点和适用性，在自动编程中如何正确选择进刀方式以达到提高加工效率以及零件表面质量进行探讨。2. 轮廓加工中的进刀方式2.1法线进刀和切线进刀轮廓加工进刀方式一般有两种：法线进刀和切线进刀，如图1中（a）、（b）所示。法线进刀由于容易产生刀痕，因此一般只用于粗加工或者表面质量要求不高的工件。法线进刀的路线较切线进刀短，因而切削时间也就相应较短。在一些表面质量要求较高的轮廓加工中，通常采用加一进刀引线再圆弧切入的方式，如图2所示，使圆弧与加工的第一条轮廓线相切，能有效地避免因法线进刀而产生刀痕，而且在切削毛坯余量较大时离开工件轮廓一段距离后下刀再切入，很好地起到了保护立铣刀的作用。需要说明的是：在手工编写轮廓铣削程序时为了编程的方便，或者为了弥补刀具的磨损，常常采用刀补方式进行编程，即在编程时可以不考虑刀具的半径，直接按图样尺寸编程，再在加工时输入刀具的半径（或补偿量）至指定的地址进行加工，但要注意的是，如图3所示，切入圆弧的R值需大于所使用的刀具半径r，否则无法建立补偿而出现报警。至于进刀引线的长短则要根据实际情况计算，但要注意减少空刀的行程。2.2 非典型轮廓加工中的进刀方式对于一些非典型轮廓的加工，采用切线进退刀的同时，还应沿轮廓多走多一个重叠量L，可以有效避免因进刀点和退刀点在同一位置而产生的刀痕。重叠量L的大小只需12mm即可，如图4所示。3. 挖槽和型腔加工中的进刀方式对于封闭的型腔零件加工，下刀方式主要有垂直下刀、螺旋下刀和斜线下刀三种，下面就各下刀方式如何选择进行说明。3.1垂直下刀3.1.1小面积切削和零件表面粗糙度要求不高的情况使用键槽铣刀直接垂直下刀并进行切削。虽然键槽铣刀其端部刀刃通过铣刀中心，有垂直吃刀的能力，但由于键槽铣刀只有两刃切削，加工时的平稳性也就较差，因而表面粗糙度较低；同时在同等切削条件下，键槽铣刀较立铣刀的每刃切削量大，因而刀刃的磨损也就较大，在大面积切削中的效率较低。所以采用键槽铣刀直接垂直下刀并进行切削，通常只用于小面积切削和被加工零件表面粗糙度要求不高的情况下。3.1.2大面积切削和零件表面粗糙度要求较高的情况大面积的型腔一般采用加工时具有较高的平稳性和较长的使用寿命的立铣刀来加工，但由于立铣刀的底切削刃没有到刀的中心，所以立铣刀在垂直进刀时没有较大切深的能力，因此一般先采用键槽铣刀（或钻头）垂直进刀后，再换多刃立铣刀加工型腔。在利用CAM软件进行编程的时候，一般都会提供指定点下刀的选项，如图5所示的CAXA制造工程师里的“区域式粗加工”中的“接近点和返回点”选项，指的就是从指定点下刀或退刀；在Mastercam里的“挖槽（Pocket）”二维加工中虽然没有指定下刀点下刀的选项，但在选择一个指定点后，再选择加工区域，则系统会自动从选择的指定点下刀；而在曲面粗加工“挖槽粗加工”方式中，则在粗加工参数（Rough parameters）设置页有相应的选择项，如图6所示。对于其它方式的曲面粗加工，一般都可以在参数设置中找到相应的选项。3.2 螺旋下刀螺旋下刀方式是现代数控加工应用较为广泛的下刀方式，特别是模具制造行业中应用最为常见，刀片式合金模具铣刀可以进行高速切削，但和高速钢多刃立铣刀一样在垂直进刀时没有较大切深的能力，但可以通过螺旋下刀的方式（图7所示），通过刀片的侧刃和底刃的切削，避开刀具中心无切削刃部分与工件的干涉，使刀具沿螺旋朝深度方向渐进从而达到进刀的目的，这样可以在切削的平稳性与切削效率之间取得一个较好的平衡点。a） b）图 7 螺旋下刀方式在CAXA中，螺旋下刀方式设置选项主要有4项：半径、螺距、第一及第一层以后螺旋进刀高度，如图8所示。螺旋半径的大小一般情况下应大于刀具直径的50%，但螺旋半径过大，进刀的切削路程就越长，下刀耗费的时间也就越长，一般不超过刀具直径的大小；螺距的数值要根据刀具的吃深能力而定，一般在0.51之间；第二层进刀高度一般等于第一层下刀高度减去慢速下刀的距离即可。在Mastercam中，则对螺旋下刀方式作了更人性化和更细致的设定（如图9所示），如给定一个螺旋半径大小的范围，系统可以根据工件的形状自动去判断和选择最为合适的半径去下刀；X、Y方向安全距离可以更好的避免下刀时造成的干涉现象的发生；还有在螺旋下刀时是采用Z向还是水平方向的进刀速率，以及螺旋下刀失败时是改为垂直进刀还是中断程式等等。和CAXA相比，Mastercam里不是用螺距而是用螺旋升角来设置刀具运动一周后沿Z轴切深的距离。螺旋升角选取得太小，螺旋圈数增多，切削路程加长；升角太大，又会产生过大的端刃切削，一般取310之间为宜。但螺旋下刀也有其固有的弱点，比如切削路线较长、在比较狭窄的型腔加工中往往因为切削范围过小无法实现螺旋下刀等，所以有时需采用较大的下刀进给或钻下刀孔等方法来弥补，所以选择螺旋下刀方式时要注意灵活应用。在手工编写螺纹下刀程式比较繁琐，在华中21M或22M系统中可利用G02/G03螺旋进给指令（详见21M世纪星铣削数控装置编程说明书第24页）来实现，但一般在手工编程过程中不常用。3.3 斜线下刀斜线下刀时刀具快速下至加工表面上方一个距离后，改为以一个与工件表面成一角度的方向，以斜线的方式切入工件来达到Z向进刀的目的，如图10所示。斜线下刀方式作为螺旋下刀方式的一种补充，通常用于因范围的限制而无法实现螺旋下刀时的长条形的型腔加工。斜线下刀主要的参数有：斜线下刀的起始高度切入斜线的长度、切入和反向切入角度。起始高度一般设在加工面上方0.51mm已足够；切入斜线的长度要视型腔空间大小及铣削深度来确定，一般是斜线愈长，进刀的切削路程就越长；切入角度选取得太小，斜线数增多，切削路程加长；角度太大，又会产生不好的端刃切削的情况，一般选520度之间为宜。通常进刀切入角度和反向进刀切入角度取相同的值。在CAXA中，将斜线下刀方式分解成2种类型：Z字型和倾斜线，如图11所示。一般一次切深较大的情况下选用Z字型的方式；因为倾斜线下刀方式是通过下刀距离和角度自动计算出走刀斜线的长度，所以使用时要特别注意角度值的设置。与CAXA斜线下刀方式设置的简洁实用相比，Mastercam对斜线下刀方式设置选项突出了人性化的特点（如图12所示），比如限定斜线的长度范围、设置X、Y方向安全距离避免与加工轮廓的干涉、还有在斜线下刀时是采用Z向还是水平方向的进刀速率，以及斜线下刀失败时是改为垂直进刀还是中断程式、X、Y向角度可自动计算等等。4. 结论由上综述，正确理解数控铣削加工中各种进刀方式的特点和适用范围，同时在编程中设置合理的切削参数，可达到提高加工效率以及零件表面质量，如避免接刀痕、过切等现象的发生以及保护刀具等都有重要的意义。其它常用自动编