CNC高速切削加工的刀具路径进行研究

1 高速切削加工定义

数控高速切削加工是指在比常规切削速度高出很多的切削速度下进行的切削加工, 因此, 有时也称为超高速切削 (UlLra—High speed Machining)。所以数控高速切削加工中的“高速”只是一个相对的概念, 对于不同的加工方法、 加工条件和工件材料, 数控高速切削加工时所采用的切削速度是不同的, 根据不同的切削条件, 应具有不同的切削速度范围, 而不能简单地用一个切削速度数值来定义。虽然很难给数控高速切削加工一个确切的定义, 但在实际使用中, 数控高速切削加工中的“高速”一般是指机床的主轴转速和进给速度。

2 高速加工时刀具路径规划特征及原则

高速加工除对机床结构、 功能部件、 进给系统和刀具有很高的要求之外, 对加工路径也必须进行详细的规划。 为了避免刀具位置和切削速度在加工中的突然变化, 从而能够输出光滑、 平顺的刀具轨迹, 高速加工时刀具路径规划应遵循如下原则: 路径之间平滑连接与过渡; 加工时平缓切入与平缓切出; 粗加工时尽量保证所留余量均匀, 以减少精加工时切削负荷的变化; 尽可能减少刀具的换向次数与加工区域之间的跳转次数; 切削过程中尽可能保持恒定的切削负荷及金属去除率; 确保刀具及机床主轴不过载, 刀具与工件及夹具之间无干涉碰撞。

3 影响高速切削平稳性的因素

数控高速切削加工由于切削速度快,所以一定要保证切削的平稳性,影响切削平稳性的主要因素有:

3.1 切削用量

切削速度对切削温度的影响是很大的。 数控高速切削加工中切削线速度很高, 刀具每个切削刃参与切削的时间大大缩短, 这样可以使刀刃得到充分的冷却, 同时热量的大部分由切屑带走, 刀具温升不会很高。

刀具轴向、 径向切削深度和进给量对切削温度也有一定的影响, 在高速加工中, 为了能使刀具合理散热和降低刀具负荷, 不能采用传统加工的低速—重载切削方式, 而应该采取较小的刀具轴向切削深度与径向切削深度, 且应使切深变化尽量平缓。

3.2 进给方式

使用球头铣刀加工曲面时, 在需要 Z轴垂直方向进给的场合, 应选用斜向进给或螺旋进给形式,这样可以保持切削过程中刀刃的切削力连续恒定。

如在精加工型腔类零件时, 若采用沿侧壁上升与下降的走刀路径, 则刀具切削部位、 刀具轴向切深与径向切深都将发生急剧变化, 且刀具以径向载荷为主。若采用逐层等高下降切削的情况, 其刀具切削部位、 轴向切深与径向切深均相对平稳, 从而保证了刀具负载的稳定。

4 数控高速切削加工路径规划

4.1 顺铣与逆铣

在铣削加工中, 根据刀具切削的线速度方向与工件运动方向的关系可以得到两种不同的铣削方式: 顺铣与逆铣。顺铣是指刀具切削的线速度方向与工件运动方向相同; 逆铣则是指刀具切削的线速度方向与工件运动方向相反。

在普通铣床上根据其进给传动系统的结构特点, 采用顺铣时会造成工作台受切削力的作用而沿进给方向窜动的现象, 通常称其为“拉刀”, 所以常采用逆铣切削方式。数控机床由于采用了高精度的传动系统, 消除了反向间隙, 而且传动系统的刚性好, 这样一来就可以有效地避免“拉刀”现象的发生, 从而使得顺铣切削方式的优点得到充分体现,也就是: 切刃从工件外部切入工件, 切削厚度由大变小, 这样就减少了工件与刀刃之间的挤刮, 有利于工件切削和减少刀具磨损; 可以避免过切现象的产生; 顺铣还有利于减少切削热; 降低刀具负载,获得较好的加工表面质量; 但对于表面硬化比较严重的铸件和锻件, 为了保护刀具, 则应采用逆铣。 在数控高速切削加工中, 一般都采用顺铣加工方式。

4.2 进、 退刀方式

在数控高速切削加工中, 为了使切削载荷平稳变化, 在刀具切入切出工件时应尽量保证刀具的渐入和渐出。在选择进刀方式时应考虑到方便排屑、切削的安全性和刀具的散热, 同时还要有利于观察切削状况。所以一般来说, 对于内部有足够刀具回旋空间的封闭腔体, 可采用螺旋下刀或者是往复式斜插下刀; 而对于凸台或者有开口的腔体则可以采用在工外部以水平圆弧进刀的方法。总之, 在数控高速切削加工中, 应尽量避免沿刀具的轴向垂直直刀。 在退刀时主要要使刀具平缓离开工件以防止在已加工表面产生刀痕, 影响加工表面质量。高速加工中通常有以下进、 退刀方式:

( 1) 垂直进、 退刀方式。对于刀具中心具有切削能力的刀具( 如键槽铣刀) 可以采用这种方法直接下切入刀。 该方法直接简便, 计算量小; 但刀具直接从无切削状态进入全刃切削, 其冲击力较大, 排屑及散热困难, 不适于加工硬度较高的材料, 且对刀具韧性要求较高。 而刀具中心无切削能力的铣刀则不能采用该方法切入。在 UG NX 3.0 中在自动进/ 退刀的“倾斜类型”选择项中选择“在直线上”、在“斜角”选择项中选择“0”。

( 2) 点钻式进刀。 这种方式是对垂直进刀的改进, 它采用了进刀量小多次下刀的方法, 铣刀垂直进刀一大步, 然后回退一小步, 有利于机加工的排屑, 带走垂直加工产生的大量的热。这种方法在一定程度上保护刀具和工件, 减少工件变形。但是要耗费较多的时间, 而且精度不容易保证。

( 3) 斜线进刀。 这种加工方式采用侧刃切削工件, 加工时需要设定两个度:x- y平面角度, 从垂直方向看时, 刀具轨迹与 x轴的夹角通常为零; 与工件的夹角, 即刀具切入加工面的角度。 这个角度设置的时候, 如果选取的太小, 则刀具每次切入深度较浅, 有利于保护刀具和工件。但是, 这也会导致切入斜线增长, 加工路线加长; 反之, 如果选取的角度太大, 又会产生不希望的端刃切削的情况。所以一定要适当选择切入角度。

( 4) 之形往复进刀。 这种方法是斜线进刀的改进, 把一步斜线进刀划为多步小斜线进刀, 虽然仍有刀具两侧刀刃受力不对称的问题,但要比斜线进刀要好, 所以同样要设定好“斜角”。

( 5) 水平轮廓切向进、 退刀。常用于两轴半加工即在 XY平面内刀具联动, 在 Z向作周期性进给的场合。 对于工件轮廓封闭且没有可供刀具直线切入切出的尖角, 采用与轮廓相切的圆弧在水平面内切入, 走刀完毕后再以切弧轨迹切出。该方法为二维加工编程中常用的刀具轨迹导入导出方法。

( 6) 螺旋进刀。 当刀具不能沿 Z向直接切入时,或由于空间狭小刀具无法正常起降时, 刀具可以螺旋线切入, 以保证刀具切削载荷的平稳变化。高速加工时应尽量采用轮廓的切向进、 退刀方式以保证刀路轨迹的平滑。在对曲面进行加工时,刀具可以是 Z向垂直进、退刀, 曲面切向的进、 退刀, 曲面正向与反向的进、 退刀和斜向或螺旋式进、退刀等方式, 在这些方式中, 曲面的切向进、 退刀或螺旋式进、 退刀更有利于高速加工。

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