方玉峰

摘要：在加工過程中，工藝員在編制數(shù)控加工程序時(shí)對(duì)刀具參數(shù)、銑削方式、刀具路徑等了解不透，造成模具曲面加工質(zhì)量不高，加工工時(shí)過長(zhǎng)和刀具使用壽命降低。當(dāng)參數(shù)和路徑選擇不當(dāng)時(shí)，模具會(huì)曲面過切甚至報(bào)廢。因此，如何對(duì)多準(zhǔn)則數(shù)控銑削刀具路徑進(jìn)行優(yōu)化有很重要的意義。文章詳細(xì)地介紹了數(shù)控銑削刀具路徑的優(yōu)化步驟，并以加工模具曲面時(shí)數(shù)控銑削刀具路徑的優(yōu)化為實(shí)例進(jìn)行了分析，對(duì)數(shù)控銑削刀具路徑的優(yōu)化研究具有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：數(shù)控銑削；刀具規(guī)劃；加工質(zhì)量；路徑優(yōu)化

1 數(shù)控銑削刀具路徑的優(yōu)化準(zhǔn)則

1.1 基于安全性的刀具路徑優(yōu)化

在數(shù)控加工過程中，刀具路徑是其重要參數(shù)，在加工過程中，必須將安全放在首位。在刀具路徑規(guī)劃時(shí)，其中最主要的問題就是考慮刀具在快速的點(diǎn)定位過程中是否會(huì)與障礙物發(fā)生碰撞。

1.1.1 快速點(diǎn)定位的刀具路徑優(yōu)化

在對(duì)刀具路徑規(guī)劃時(shí)，必須注意刀具的快速移動(dòng)路徑，尤其注意工件表面的接觸，必須保證刀具與工件具有一定的安全間隙。如圖1所示，刀具在Z方向上快速進(jìn)擊時(shí)，必須謹(jǐn)慎考慮是否會(huì)出現(xiàn)撞刀。在不同情況下，工件與刀具之間的安全間隙的大小也有不同的選擇。例如想要縮短加工時(shí)間，則可取較小值，但是該值過小則會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)。總之，對(duì)于間隙量大小的選定不只是一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)的選取，更是與加工工件材質(zhì)、操作人員的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)等都有密切的關(guān)系。

在銑削加工中，刀具從X，Y向靠近工件的情況與上述從Z向快速進(jìn)給至工件的情況有所不同，因?yàn)榈毒邚腦，Y向工件靠攏的過程中，刀位點(diǎn)沒有在工件邊緣，而是處在工件圓心，始終與刀尖相差一個(gè)刀具的半徑和工件的半徑之和的距離。因此在設(shè)計(jì)刀具與工件在X，Y方向的安全距離時(shí)，除了要考慮前面提到的相關(guān)內(nèi)容外，還需額外考慮到刀具半徑。必須使準(zhǔn)備切削點(diǎn)處刀尖到工件原點(diǎn)的距離大于工件半徑與刀具半徑之和；同時(shí)刀具切出點(diǎn)也必須滿足該條件。具體實(shí)例如圖2所示。

1.1.2 避免障礙物的刀具路徑優(yōu)化

在刀具快速移動(dòng)的過程中，必須保證沒有障礙物的存在。銑削加工中常見的障礙物有：機(jī)床工作臺(tái)及卡盤、分度頭，虎鉗、夾具、工件的非加工結(jié)構(gòu)等。這些障礙物的存在不僅對(duì)選取工件的預(yù)留安全間隙有極大的影響，易發(fā)生撞刀；同時(shí)還使得刀具路徑的規(guī)劃變得復(fù)雜繁瑣。與此同時(shí)，還應(yīng)真正理解撞刀的含義，它不僅僅指刀頭與障礙物的碰撞，還包括了刀具其他部分與障礙物的碰撞，如刀柄與夾具的碰撞。

數(shù)控編程代碼G00的意思便是快速點(diǎn)定位，即快速地將刀具從一個(gè)點(diǎn)移動(dòng)到另外一個(gè)點(diǎn)，但需要注意的是，CNC數(shù)控加工中的兩點(diǎn)間點(diǎn)的移動(dòng)不一定全是直線，如圖3所示。點(diǎn)定位路線便是由兩部分構(gòu)成。一是刀具沿幾軸等速移動(dòng)，然后是單軸驅(qū)近目標(biāo)點(diǎn)的折線，只有注意到點(diǎn)定位的實(shí)際意義及實(shí)際路線，才能真正避免出現(xiàn)碰撞。同時(shí)需要注意的是，不僅是G00，G28，029，G30，G81-G89，G73等代碼的路線也有可能出現(xiàn)同樣的問題。

1.2 數(shù)控銑削工件刀具路徑的優(yōu)化

1.2.1 基于尺寸精度刀具路徑的優(yōu)化

工件加工的尺寸精度、形位公差等的確保主要依靠于機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的定位精度，對(duì)于閉環(huán)伺服系統(tǒng)的機(jī)床，其定位精度取決于檢測(cè)裝置的測(cè)量精度，但不得不說的是，大多數(shù)機(jī)床采用的是半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)，它們的尺寸精度等與數(shù)控機(jī)床的絲桿副、齒輪副的傳動(dòng)間隙的制造精度有極大的關(guān)系。因此在加工精度較高的工件時(shí)，必須在設(shè)計(jì)刀具路徑的時(shí)候考慮到傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)加工的影響，這樣才能設(shè)計(jì)出較好的定位路線。

如圖4所示，在不同要求下對(duì)于6個(gè)尺寸相同的孔的加工，其刀具路徑也有不同的設(shè)計(jì)方法。（a）中明顯可見對(duì)孔的位置精度要求較高，此時(shí)在設(shè)計(jì)路線時(shí)一定要注意孔的點(diǎn)定位路線的設(shè)計(jì)，避免坐標(biāo)軸的反向間隙影響位置精度，下面就對(duì)該例進(jìn)行分析。若按（b）所示的路線加工，則由于4，5，6孔與1，2，3孔的Y軸定位方向相反，Y軸傳動(dòng)系統(tǒng)的反向間隙影響1，2，3孔的位置精度。若按（c）所示的路線加工，將6個(gè)孔的定位方向都選成Y軸方向，這樣就可避免反向間隙的引入，因此提高了孔的位置精度。

1.2.2 基于工藝系統(tǒng)剛度刀具路徑優(yōu)化

為保證工件的完美加工，刀具路線的設(shè)計(jì)必須考慮到刀具切削力的影響，切削力不僅決定了零件加工的能耗，更是決定了零件加工過程中的工藝系統(tǒng)剛度。因此應(yīng)盡量選取使得工件加工順利進(jìn)行但切削力最小的刀具路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)。

例如對(duì)于薄壁類零件，它的加工難點(diǎn)在于如何防止工件加工變形。隨著銑削加工的順利進(jìn)行，零件厚度逐漸變薄，零件剛性降低，加工變形增大，容易發(fā)生切削振顫，影響零件的加工質(zhì)量和加工效率。

1.2.3 基于表面質(zhì)量刀具路徑的優(yōu)化

工件表面質(zhì)量的影響因素主要是刀具運(yùn)動(dòng)后留下的軌跡，具體來說就是刀在加工過零件后，會(huì)留有未加工到材料，這樣的材料離理論工件面的高度稱為殘留高度，極大地影響了工件的表面質(zhì)量。

如圖5所示，球頭銑刀在加工空間曲面和變斜角輪廓時(shí)，刀具路徑間距的大小選取，是影響切削殘留的重要因素。同時(shí)，切削行距越小，殘余高度越小，有利于提高表面質(zhì)量，但加工效率會(huì)降低。因此在編制有利于保證工件表面質(zhì)量的刀具路線時(shí)，一定要注意殘留高度的控制和保證精加工時(shí)的工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1.2.4 螺紋加工刀具路徑的優(yōu)化

根據(jù)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)特性可知，CNC在控制機(jī)床加工螺紋時(shí)，必須控制主軸旋轉(zhuǎn)與刀具進(jìn)給保持同步運(yùn)行關(guān)系。也就是說，只有當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速和刀具進(jìn)給速度達(dá)到某一特定的值之后，數(shù)控機(jī)床才可以開始螺紋加工。因此在擬定螺紋加工路線時(shí)，必須設(shè)置足夠長(zhǎng)的安全間隙，來保證在工件的螺紋加工過程中，有足夠長(zhǎng)的距離來保證主軸轉(zhuǎn)速和刀具進(jìn)給速度達(dá)到同步關(guān)系。具體如圖6所示，只有合理設(shè)計(jì)螺紋加工始點(diǎn)和終點(diǎn)，才可以使加工更加完善。

1.3 數(shù)控銑削刀具路徑長(zhǎng)度的優(yōu)化

刀具相對(duì)工件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，主要是是點(diǎn)到點(diǎn)的定位運(yùn)動(dòng)，包括快速、非切削的空行程狀態(tài)，此外還有刀具相對(duì)于工件的切削加工運(yùn)動(dòng)。對(duì)于刀具路徑的優(yōu)化最主要的目的就是在于刀具路徑的最短化，當(dāng)然前提是滿足路線的安全性和工件的質(zhì)量要求。

1.3.1 點(diǎn)定位刀具路徑的優(yōu)化

刀具切削工件前，要從某初始點(diǎn)開始快速運(yùn)動(dòng)接近工件；刀具完成切削任務(wù)后，又離開工件回到適當(dāng)?shù)慕Y(jié)束點(diǎn)位置，該點(diǎn)通常是換刀點(diǎn)或機(jī)床參考點(diǎn)。因此，要縮短刀具接近工件的路線和切削后的回歸路線，換刀點(diǎn)、對(duì)刀點(diǎn)、機(jī)床參考點(diǎn)的設(shè)置，要盡量靠近工件的加工部位，但要保證換刀及其他操作的方便和安全。

若同—刀具可同時(shí)對(duì)一次裝夾工件的多個(gè)結(jié)構(gòu)，或一次裝夾的多個(gè)工件加工，則應(yīng)設(shè)計(jì)好刀具從一個(gè)結(jié)構(gòu)到另一個(gè)結(jié)構(gòu)，或從一個(gè)工件到另一個(gè)工件的點(diǎn)定位路線，使各結(jié)構(gòu)加工連貫進(jìn)行，銜接自然合理，減少重復(fù)定位次數(shù)，并使定位路線總長(zhǎng)最短。如圖7所示，主要在于利用同一把刀具連續(xù)加工不同平面的孔，使得加工連續(xù)、順利進(jìn)行，極大地提高了加工效率。

1.3.2 進(jìn)給切削刀具路徑的優(yōu)化

對(duì)于精加工之前的粗加工及半精加工，刀具路徑長(zhǎng)度越短，則加工時(shí)間越少，能量消耗也越少，同時(shí)也可以得到較高的加工效率。

如圖8所示，對(duì)于矩形型腔區(qū)域的粗加工，當(dāng)設(shè)置為平行銑削時(shí)如圖8a，刀具的移動(dòng)距離較短，切削效率較高，但加工表面質(zhì)量很差；當(dāng)設(shè)置為環(huán)形銑削時(shí)如圖8b，加工后能夠保證較高的精度，但刀具移動(dòng)距離較長(zhǎng)，并且切削效率較低。因此在實(shí)際加工過程中，要綜合選取合適的加工路徑。

2 控銑削刀具路徑的優(yōu)化實(shí)例分析

在用CAM軟件編程加工曲面時(shí)，以UG軟件為例，由于沒有科學(xué)合理的選擇影響加工便面質(zhì)量的2個(gè)因素，切削行距αeo和步長(zhǎng)L，使得零件表面加工質(zhì)量粗糙而達(dá)不到使用要求。從h=R²-（α∞²/2）可以看出，影響殘余波峰高度^的主要參數(shù)為行距αeo，h越大殘余波峰越高，加工表面越粗糙，h、α_eo與加工精度之間成正比關(guān)系。但是步距也不能太小，行距α_eo越小，雖然加工精度越高，但是程序量也就越大，隨之加工時(shí)間也就越長(zhǎng)，影響了加工效率。所以在選擇時(shí)要綜合考慮。選擇合適的行距α_eo，還取決于刀具半徑和曲面曲率的變化，一般情況下刀具半徑和行距α_eo之間成正比，刀具半徑越大可以選擇較大的行距α_eo。也可在曲面曲率越大時(shí)選擇較大的行距，但這不是絕對(duì)的，因?yàn)榍媲实淖兓瘯?huì)加工時(shí)間。

以圖9-11實(shí)際加工的模具為例，探討加工模具曲面時(shí)，數(shù)控銑削刀具路徑的優(yōu)化。

如圖9所示為平行銑削方式，圖10為同心圓銑削方式，圖11為徑向銑削方式。在相同的切削深度α_eo和行距α_eo下，圖11徑向銑削獲得加工精度最高，圖10同心圓銑削相對(duì)較差，圖9平行銑削在2種方式之間，但是圖11徑向銑削曲面曲率變化最大，所需求加工時(shí)間也最長(zhǎng)，圖10同心圓銑削在同一步長(zhǎng)L上曲面曲率基本無變化，所以加工時(shí)機(jī)床不減速，加工時(shí)間也最短。綜合考慮，在減少行距α_eo的基礎(chǔ)上，采用圖10的同心圓銑削，在得到較高精度的情況下提高了加工效率。當(dāng)然這中銑削方式比較使用于圖示模具。當(dāng)然同時(shí)也要對(duì)與不同的曲面采用不同的銑削方式。

同時(shí)對(duì)于曲面曲率變化太大的模具，采用分區(qū)域加工的方式更為合適，比如在加工30″閥門金屬模具的星型法蘭時(shí)，就采用了分區(qū)域加工的方式。

圖12中選擇所有面整體加工，加工中區(qū)域c步距太大，加工后面非常粗糙，不滿足模具的使用要求。而把區(qū)域分割成A，B，C3個(gè)區(qū)域后再進(jìn)行分區(qū)加工，這樣得到的表面就比較光滑，減少鉗工的打磨，從而模具精度也高。

3 結(jié)語

在模具實(shí)際加工的過程中，要從行距、步長(zhǎng)、分區(qū)加工、行間、層間、切入切出點(diǎn)確定等方面研究刀具路徑優(yōu)化，要得到一個(gè)優(yōu)化的道具路徑需要綜合考慮，以便保證模具的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，加工三維曲面工件時(shí)，所用加工方法很多，為了得到滿足要求的加工精度和高的生產(chǎn)效率，要綜合分析確定多準(zhǔn)則數(shù)控銑削刀具的優(yōu)化路徑，不同的曲面采用最科學(xué)的行距、切入、切出、銑削方式、刀具等。