高速数控加工刀具路径的优化

　　【编者按】在高速数控加工中，刀具路径是影响切削效率和加工质量的关键因素之一，刀具路径是否合理至关重要。本文阐述了高速数控加工刀具路径特性，并结合高速数控加工工艺，对高速数控加工刀具路径的优化技术进行了分析。

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　　 前言
　　高速切削除对机床结构、进给系统、刀具及功能部件有很高的要求以外，对刀具的加工路径进行很好的规划是非常重要的。如果路径不合理，在加工过程中会引起切削负荷的突然改变，从而给机床、刀具和工件带来冲击，破坏加工质量，损伤刀具。因此，必须研究适合高速切削的刀具路径，将加工过程中切削负荷的突然改变降至最低，以输出平顺、光滑的刀位轨迹。
　　1 高速数控加工刀具路径的特性
　　1.1 转角处理
　　由于机床CNC系统的响应特性、机床传动的间隙和机床的硬件的动态特性等因素的影响，刀具高速切削到转角处可能越过工件的实际轮廓，使轨迹发生畸变。为解决上述问题，一是在工件外轮廓转角处。采用圆滑过渡的刀具路径，即在工件转角处，刀具绕着尖角旋转到和工件下一段轮廓相切时，才进行下一段轮廓的切削；二是在工件外轮廓尖角外，附加曲线刀具轨迹，即刀具切削至工件的转角处时，先把工件的轮廓切出，然后在尖角轮廓外回转一段曲线或圆弧后，重新进行切人；三是对工件模型进行修改，将其原来的直线转角改为圆角。
　　1.2圆滑连接和移刀方式的控制
　　在传统加工中，由于刀具轨迹之间的连接一般是直接沿工件原进给轨迹的法向移动，有轨迹尖角，对高速进给速度和加工效率有很大影响，难以适合高速加-丁的要求。由于高速加工采用的切削用量很小，刀具的移刀运动量会急剧增加，为使刀具轨迹之间的连接尽量圆滑，可以采取如下措施：一是将移刀动作的连接由直线改为圆弧，对刀具的连接轨迹进行修改；二是减少或避免刀具轨迹的连接，把多段(环)的刀具路径改为光滑连续切削的回转环切；三是在不同的Z向高度上进行连接移刀。
　　1.3 避免机床和刀具过载的轨迹优化
　　为避免机床过载，需要对加工轨迹拐角处的加、减速动态特性进行控制。即在加工拐角时提前减速，待拐角加工完成后再进行加速，这项功能可以由CNC控制系统的前瞻控制功能或CAM软件来实现。为避免刀具过载，对于有岛屿或窄槽的型腔，粗加工时应避免刀具用全宽进行切削，在保持切削材料径向厚度不变时，可以采用局部往复或回旋的刀具轨迹，使刀具的切削负载恒定。
　　1.4 三轴加工中刀具路径的优化特性
　　在CAD建模时对圆角特征不应省略，以免因为轮廓尖角使刀具切削负载急剧变化。在CAM加工时，可选用较小半径的刀具(刀具半径最好小于圆倒角几何尺寸的0.7)，使拐角处的刀具路径变为光滑、平顺的圆弧，以避免刀具的突然转向。同时在保证加工方向不变时，以圆滑的轨迹对走刀轮廓的内外圈进行连接，以避免刀具的刚性转折移刀。为使刀具在Z向工件表面起降平稳，需要对刀具的z向的切入切出轨迹，按二次乃至三次曲线进行优化，以避免刚性冲击。此外，为提高加工效率，对刀具在z向的跳转与连接也应进行优化。
　　2 高速数控加工刀具路径的优化
　　2.1 高速数控粗加工刀具路径的优化
　　2.1.1 加工方式
　　在普通铣床上采用顺铣时会造成“拉刀”现象，统的反向间隙进行了消除，传动系统的精度高．刚性好，能够很好的避免“拉刀”现象的发生，使得顺铣加工方式的优点得到充分体现。在高速数控粗加下中．一般部采用顺铣加工方式，
　　2.1.2 刀具的切入、切出方式
　　高速数控粗加工刀具的切入、切出方式主要采用水平圆弧、垂直圆弧和延伸原有的刀具路径，此外还可以采用加框、直线连接、斜向等方式。选择刀具的切人方式时，应考虑便于排屑、安全和有利于观察切削状况。加工敞口或有凸台的型腔工件时，刀具町从工件外围以水平圆弧切入。加工封闭型腔时．如封闭型腔有足够的刀具回旋空间，切入方式可采用螺旋进刀或者往复斜线进刀的方式．应避免沿刀具轴向直线下切．如封闭型腔刀具回旋空间狭小时，因无法使用螺旋进月，可以采用斜线下切进刀，或者采用由多次往复斜线下切进刀组成的之字形进刀方式。刀具的切出方式的选择，主要是考虑刀具的平缓脱离，以免加工表面产生凹痕，
　　2.1.3 刀具换向
　　在高速加工中，因切削速度很高．突然减速急停工突然加速会破坏获表面加工纹理的一致性，不仅影响加工零件的质量，还会对机床寿命产生影响。特别是在二维型面的加工中，采用常规急剧转折的切削或单向切削会使边角变得不光滑，所以在高速CAM编程巾．应采用圆滑的刀具路径以减少加工中刀具的突然换向。在CAM系统中，一般具有角部处理的参数选项，以保证生成的刀具路径小会出现急据转弯的现象。如果条件允许，最好在丁件毛坯的外面进行换向，换向后再进行切人。外形的尖角形状在CAM系统角部处理的参数控制下，可以引导刀具将工件毛坯导出，然后从工件毛坯外侧换向后再次进行导入。这种外旋引导方式仅是对加工方向进行了改变．可以保证工件外形的准确，
　　2.1.4 Z向分层切削
　　加工的切削深度由Z向加工层间距决定。在高速切削中，因为Z向加工层间距很小，可以采用Z向等高分层加工，但当工件有平坦区域时，采用上述方法，有可能因分层不当使z向余量在该区域较大．所以其分层深度应根据工件的形状进行凋整，因此在高速粗加工时，可先用z向等高分层加工法确定工件的最大加工层问高度，然后对工件的平坦区域进行判断，测定其z向高度，将所测的高度加人至分层高度中。
　　2.1.5 顺直的刀具轨迹
　　刀具路径的生成是沿被加工工件的轮廓偏置而得到的，如果丁件轮廓的尖锐拐角较多．则使生成的刀具路径的尖锐拐角从里到外也同样的多(见图1)。将导致机床频繁的进行加减速，使机床的高速功能难以发挥。因此，可将刀具轨迹的行距适斗减小(见图2)，对离工件轮廓较远的刀具路径进行顺直，以保持工件的高速切削状态。

　　2.1.6 回转轨迹加工
　　工件的轮廓如有内角转折、窄槽或岛屿型腔，如按传统方式进行加工，将会出现吃刀宽度增加、切削包角增大．使刀具的切削负载急剧变大。因此，可用直径较小的刀具采用回旋的走刀轨迹进行加工，使刀具切削包角和切削负载减小，保证刀具切削负载稳定。
　　2.1.7 判定残留材料与残留加工
　　工件如需多次加工，每次加工都应将前次加工后的模型和理想模型进行比较．以决定后续加工的区域。判断二维加丁残留区域时，可以将上次加工防域与本次加工区域进行比较．并进行集合运算．将2次加工之间的残留区域过滤出来，在CAM编程时指定其偏置余量就可以了，判断三维加工残留区域时．要将粗加工后的实体与精加丁余量向外偏置呲后的理想实体进行比较，采用和布尔减运算近似的方法来确定二者的差别，以得到所需要去除的残留材料残留加工是指将加工得到的有残留余量的实体，作为生成下次粗加工刀具路径的新毛坯，根据新毛坯，使用各种各样的走刀方式进行粗加工其切削簧略是在粗加丁中始终让刀具切到材料，以减少空走刀。
　　2.2 高速数控精加工刀具路径的优化
　　2.2.1 笔式加工
　　笔式加工属于粗加工以后的半精加工，由于粗加工采用的刀具直径较大，在工件凹槽及内角处留下的加工余量比其他位置更大，为保持切削载苛恒定，使精加工余肇均匀．在高速精加工之前，应将这些部位多余的材料去除，笔式加工用的策略是，首先将先前大直径刀具加工霸留下的州槽和拐角批到，然后让刀具自动沿着这些拐角走刀，允许采用的刀具越来越小，一直到刀具的和三释和三维拐角凹槽的半径相一致，以将拐角处的多余余量去降
　　2.2.2 余量加工
　　余量加工主要是在精加工前．将所有加工表面的多余余量切除，为界定余量加工范围，在加工确器判断工件的残崩材料。为减少离散的步长，使加工纹理合理及提高加工过程的效率，对被加工区域与笔式加工方向和连接方工要采取合理的方式。余量加工与笔式加工的不同之处是，余量加工的是大尺寸刀具加工之后的整个区域．笔式加工只是针对拐角处的加工。
　　2.2.3 精加工
　　(1)平行轨迹加工(Rasler)，这种类型的刀具轨迹又被称为扫描行切或“zigzage”类轨迹、采甩平行轨迹加丁的优点是计算基小．切削效率高：不足之处是在平行于二刀具轨迹的陡斜面，得到的刀具轨迹其z向问隔很大，使r件局部的陡斜面比较粗糙，由于精度不高对此可以采用补充垂占路径或对刀冗轨迹摆放角度进行调整的方法来修正。
　　(2)放射轨迹加．放射轨迹加工一般用于对称且加丁纹理有特殊要求的情况，放射状加工在靠近中心的位置处．其刀具轨迹密集重叠，同此
　　在刀具轨迹延伸至中心的模型中，加工效率不高，其总加工时间与采用平行加工策略相比较，要多H{约20％~30％左右，所以放射轨迹加工一般只用于对，刀具加工纹路有特殊要求的加工区域，如球商及环形圆弧面区域等。
　　(3)螺旋轨迹加工(Rpiral)。螺旋轨迹加工的优点是避免了刀具的行间移刀与起降．对于一些特定类型的工件，螺旋轨迹加丁只需要一次切人和切出就可以完成对工件模型表面的包络。在工件的中心能够避免刀具重叠，故其加工效率比放射轨迹要高。
　　(4)z向等高分层加工。用z向等高分层加工时．因为刀具轨迹在z向进行定距下降，在对水平或接近水平的平坦区域加工时，容易存在行距过大的问题，使残留高度较大，而对于陡斜面的加工，其刀具路径有可能过于密集(见图3)。
　　(5)螺旋与z向等高分层组合优化。由于螺旋轨迹加工和Z向等高分层加工只能加工斜度特定的斜面，但丁件表面的斜率是不一样的，为了简化数控编程。可以对上述两种方法进行组合优化。在生成刀具轨迹时，以工件的残余高度作为计算切削行距的依据，也就是根据被加工丁件表面的斜度和曲率，对刀具路径之间的距离进行相应的调整(见图4)。这种轨迹生成算法兼顾了加工精度和效率。

　　3 结束语
　　在高速切削中，刀具路径决定刀具相对于工件的运动，是影响切削效率和加工质量的关键因素之一。优化的刀具路径能够保证切削过程的平稳与快速。它将直接决定工件高速加工的可能性和加工的质量与效率。故进行刀具路径的优化在高速加工中是非常必要的。

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