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高速數(shù)控切削加工中刀具路徑優(yōu)化2013

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　　高速切削除對機(jī)床結(jié)構(gòu)

、進(jìn)給系統(tǒng)、刀具及功能部件有很高的要求以外

，對刀具的加工路徑進(jìn)行很好的規(guī)劃是非常重要的

。如果路徑不合理，在加工過程中會引起切削負(fù)荷的突然改變

，從而給機(jī)床

、刀具和工件帶來沖擊

，破壞加工質(zhì)量

，損傷刀具。因此

，必須研究適合高速切削的刀具路徑

，將加工過程中切削負(fù)荷的突然改變降至最低，以輸出平順

、光滑的刀位軌跡

。

　　1 高速數(shù)控加工刀具路徑的特性

　　1.1 轉(zhuǎn)角處理

　　由于機(jī)床CNC系統(tǒng)的響應(yīng)特性、機(jī)床傳動的間隙和機(jī)床的硬件的動態(tài)特性等因素的影響

，刀具高速切削到轉(zhuǎn)角處可能越過工件的實(shí)際輪廓，使軌跡發(fā)生畸變

。為解決上述問題，一是在工件外輪廓轉(zhuǎn)角處

。采用圓滑過渡的刀具路徑

，即在工件轉(zhuǎn)角處，刀具繞著尖角旋轉(zhuǎn)到和工件下一段輪廓相切時(shí)

，才進(jìn)行下一段輪廓的切削

；二是在工件外輪廓尖角外，附加曲線刀具軌跡

，即刀具切削至工件的轉(zhuǎn)角處時(shí)

，先把工件的輪廓切出，然后在尖角輪廓外回轉(zhuǎn)一段曲線或圓弧后

，重新進(jìn)行切人；三是對工件模型進(jìn)行修改

，將其原來的直線轉(zhuǎn)角改為圓角。

　　1.2圓滑連接和移刀方式的控制

　　在傳統(tǒng)加工中

，由于刀具軌跡之間的連接一般是直接沿工件原進(jìn)給軌跡的法向移動

，有軌跡尖角，對高速進(jìn)給速度和加工效率有很大影響

，難以適合高速加-丁的要求

。由于高速加工采用的切削用量很小

，刀具的移刀運(yùn)動量會急劇增加，為使刀具軌跡之間的連接盡量圓滑

，可以采取如下措施：一是將移刀動作的連接由直線改為圓弧，對刀具的連接軌跡進(jìn)行修改

；二是減少或避免刀具軌跡的連接，把多段(環(huán))的刀具路徑改為光滑連續(xù)切削的回轉(zhuǎn)環(huán)切

；三是在不同的Z向高度上進(jìn)行連接移刀

。

　　1.3 避免機(jī)床和刀具過載的軌跡優(yōu)化

　　為避免機(jī)床過載，需要對加工軌跡拐角處的加

、減速動態(tài)特性進(jìn)行控制。即在加工拐角時(shí)提前減速

，待拐角加工完成后再進(jìn)行加速

，這項(xiàng)功能可以由CNC控制系統(tǒng)的前瞻控制功能或CAM軟件來實(shí)現(xiàn)。為避免刀具過載

，對于有島嶼或窄槽的型腔

，粗加工時(shí)應(yīng)避免刀具用全寬進(jìn)行切削，在保持切削材料徑向厚度不變時(shí)

，可以采用局部往復(fù)或回旋的刀具軌跡，使刀具的切削負(fù)載恒定

。

　　1.4 三軸加工中刀具路徑的優(yōu)化特性

　　在CAD建模時(shí)對圓角特征不應(yīng)省略，以免因?yàn)檩喞饨鞘沟毒咔邢髫?fù)載急劇變化

。在CAM加工時(shí)

，可選用較小半徑的刀具(刀具半徑最好小于圓倒角幾何尺寸的0.7)，使拐角處的刀具路徑變?yōu)楣饣?div id="jfovm50" class="index-wrap">、平順的圓弧

，以避免刀具的突然轉(zhuǎn)向

。同時(shí)在保證加工方向不變時(shí)，以圓滑的軌跡對走刀輪廓的內(nèi)外圈進(jìn)行連接

，以避免刀具的剛性轉(zhuǎn)折移刀。為使刀具在Z向工件表面起降平穩(wěn)

，需要對刀具的z向的切入切出軌跡

，按二次乃至三次曲線進(jìn)行優(yōu)化

，以避免剛性沖擊。此外

，為提高加工效率

，對刀具在z向的跳轉(zhuǎn)與連接也應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化

。

　　2 高速數(shù)控加工刀具路徑的優(yōu)化

　　2.1 高速數(shù)控粗加工刀具路徑的優(yōu)化

　　2.1.1 加工方式

　　在普通銑床上采用順銑時(shí)會造成“拉刀”現(xiàn)象

，統(tǒng)的反向間隙進(jìn)行了消除，傳動系統(tǒng)的精度高．剛性好

，能夠很好的避免“拉刀”現(xiàn)象的發(fā)生，使得順銑加工方式的優(yōu)點(diǎn)得到充分體現(xiàn)

。在高速數(shù)控粗加下中．一般部采用順銑加工方式

，

　　2.1.2 刀具的切入

、切出方式

　　高速數(shù)控粗加工刀具的切入

、切出方式主要采用水平圓弧、垂直圓弧和延伸原有的刀具路徑

，此外還可以采用加框

、直線連接

、斜向等方式

。選擇刀具的切人方式時(shí)

，應(yīng)考慮便于排屑

、安全和有利于觀察切削狀況。加工敞口或有凸臺的型腔工件時(shí)

，刀具町從工件外圍以水平圓弧切入

。加工封閉型腔時(shí)．如封閉型腔有足夠的刀具回旋空間，切入方式可采用螺旋進(jìn)刀或者往復(fù)斜線進(jìn)刀的方式．應(yīng)避免沿刀具軸向直線下切．如封閉型腔刀具回旋空間狹小時(shí)

，因無法使用螺旋進(jìn)月

，可以采用斜線下切進(jìn)刀

，或者采用由多次往復(fù)斜線下切進(jìn)刀組成的之字形進(jìn)刀方式

。刀具的切出方式的選擇，主要是考慮刀具的平緩脫離

，以免加工表面產(chǎn)生凹痕

；

2.1.3 刀具換向

　　在高速加工中，因切削速度很高．突然減速急停工突然加速會破壞獲表面加工紋理的一致性

，不僅影響加工零件的質(zhì)量

，還會對機(jī)床壽命產(chǎn)生影響。特別是在二維型面的加工中

，采用常規(guī)急劇轉(zhuǎn)折的切削或單向切削會使邊角變得不光滑，所以在高速CAM編程巾．應(yīng)采用圓滑的刀具路徑以減少加工中刀具的突然換向

。在CAM系統(tǒng)中

，一般具有角部處理的參數(shù)選項(xiàng)，以保證生成的刀具路徑小會出現(xiàn)急據(jù)轉(zhuǎn)彎的現(xiàn)象

。如果條件允許，最好在丁件毛坯的外面進(jìn)行換向

，換向后再進(jìn)行切人

。外形的尖角形狀在CAM系統(tǒng)角部處理的參數(shù)控制下，可以引導(dǎo)刀具將工件毛坯導(dǎo)出

，然后從工件毛坯外側(cè)換向后再次進(jìn)行導(dǎo)入

。這種外旋引導(dǎo)方式僅是對加工方向進(jìn)行了改變．可以保證工件外形的準(zhǔn)確，

　　2.1.4 Z向分層切削

　　加工的切削深度由Z向加工層間距決定

。在高速切削中

，因?yàn)閆向加工層間距很小

，可以采用Z向等高分層加工，但當(dāng)工件有平坦區(qū)域時(shí)

，采用上述方法

，有可能因分層不當(dāng)使z向余量在該區(qū)域較大．所以其分層深度應(yīng)根據(jù)工件的形狀進(jìn)行凋整，因此在高速粗加工時(shí)

，可先用z向等高分層加工法確定工件的最大加工層問高度

，然后對工件的平坦區(qū)域進(jìn)行判斷

，測定其z向高度

，將所測的高度加人至分層高度中。

　　2.1.5 順直的刀具軌跡

　　刀具路徑的生成是沿被加工工件的輪廓偏置而得到的

，如果丁件輪廓的尖銳拐角較多．則使生成的刀具路徑的尖銳拐角從里到外也同樣的多(見圖1)

。將導(dǎo)致機(jī)床頻繁的進(jìn)行加減速，使機(jī)床的高速功能難以發(fā)揮

。因此

，可將刀具軌跡的行距適斗減小(見圖2)

，對離工件輪廓較遠(yuǎn)的刀具路徑進(jìn)行順直

，以保持工件的高速切削狀態(tài)。

　　2.1.6 回轉(zhuǎn)軌跡加工

　　工件的輪廓如有內(nèi)角轉(zhuǎn)折

、窄槽或島嶼型腔

，如按傳統(tǒng)方式進(jìn)行加工，將會出現(xiàn)吃刀寬度增加

、切削包角增大．使刀具的切削負(fù)載急劇變大

。因此，可用直徑較小的刀具采用回旋的走刀軌跡進(jìn)行加工

，使刀具切削包角和切削負(fù)載減小

，保證刀具切削負(fù)載穩(wěn)定。

　　2.1.7 判定殘留材料與殘留加工

　　工件如需多次加工

，每次加工都應(yīng)將前次加工后的模型和理想模型進(jìn)行比較．以決定后續(xù)加工的區(qū)域

。判斷二維加丁殘留區(qū)域時(shí)，可以將上次加工防域與本次加工區(qū)域進(jìn)行比較．并進(jìn)行集合運(yùn)算．將2次加工之間的殘留區(qū)域過濾出來

，在CAM編程時(shí)指定其偏置余量就可以了

，判斷三維加工殘留區(qū)域時(shí)．要將粗加工后的實(shí)體與精加丁余量向外偏置呲后的理想實(shí)體進(jìn)行比較，采用和布爾減運(yùn)算近似的方法來確定二者的差別

，以得到所需要去除的殘留材料殘留加工是指將加工得到的有殘留余量的實(shí)體

，作為生成下次粗加工刀具路徑的新毛坯，根據(jù)新毛坯

，使用各種各樣的走刀方式進(jìn)行粗加工其切削簧略是在粗加丁中始終讓刀具切到材料

，以減少空走刀。

　　2.2 高速數(shù)控精加工刀具路徑的優(yōu)化

　　2.2.1 筆式加工

　　筆式加工屬于粗加工以后的半精加工

，由于粗加工采用的刀具直徑較大

，在工件凹槽及內(nèi)角處留下的加工余量比其他位置更大，為保持切削載苛恒定

，使精加工余肇均勻．在高速精加工之前

，應(yīng)將這些部位多余的材料去除，筆式加工用的策略是

，首先將先前大直徑刀具加工霸留下的州槽和拐角批到

，然后讓刀具自動沿著這些拐角走刀，允許采用的刀具越來越小

，一直到刀具的和三釋和三維拐角凹槽的半徑相一致

，以將拐角處的多余余量去降

　　2.2.2 余量加工

　　余量加工主要是在精加工前．將所有加工表面的多余余量切除，為界定余量加工范圍

，在加工確器判斷工件的殘崩材料

。為減少離散的步長，使加工紋理合理及提高加工過程的效率

，對被加工區(qū)域與筆式加工方向和連接方工要采取合理的方式。余量加工與筆式加工的不同之處是

，余量加工的是大尺寸刀具加工之后的整個(gè)區(qū)域．筆式加工只是針對拐角處的加工

。

2.2.3 精加工

　　(1)平行軌跡加工(Rasler)，這種類型的刀具軌跡又被稱為掃描行切或“zigzage”類軌跡

、采甩平行軌跡加丁的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算基?div id="d48novz" class="flower left">

。邢餍矢撸翰蛔阒幨窃谄叫杏诙毒哕壽E的陡斜面，得到的刀具軌跡其z向問隔很大

，使r件局部的陡斜面比較粗糙

，由于精度不高對此可以采用補(bǔ)充垂占路徑或?qū)Φ度哕壽E擺放角度進(jìn)行調(diào)整的方法來修正。

　　(2)放射軌跡加．放射軌跡加工一般用于對稱且加丁紋理有特殊要求的情況

，放射狀加工在靠近中心的位置處．其刀具軌跡密集重疊，同此

　　在刀具軌跡延伸至中心的模型中

，加工效率不高

，其總加工時(shí)間與采用平行加工策略相比較，要多H{約20％~30％左右

，所以放射軌跡加工一般只用于對，刀具加工紋路有特殊要求的加工區(qū)域

，如球商及環(huán)形圓弧面區(qū)域等

。

　　(3)螺旋軌跡加工(Rpiral)。螺旋軌跡加工的優(yōu)點(diǎn)是避免了刀具的行間移刀與起降．對于一些特定類型的工件

，螺旋軌跡加丁只需要一次切人和切出就可以完成對工件模型表面的包絡(luò)

。在工件的中心能夠避免刀具重疊，故其加工效率比放射軌跡要高

。

　　(4)z向等高分層加工。用z向等高分層加工時(shí)．因?yàn)榈毒哕壽E在z向進(jìn)行定距下降

，在對水平或接近水平的平坦區(qū)域加工時(shí)

，容易存在行距過大的問題，使殘留高度較大

，而對于陡斜面的加工

，其刀具路徑有可能過于密集(見圖3)

。

　　(5)螺旋與z向等高分層組合優(yōu)化

。由于螺旋軌跡加工和Z向等高分層加工只能加工斜度特定的斜面

，但丁件表面的斜率是不一樣的，為了簡化數(shù)控編程

。可以對上述兩種方法進(jìn)行組合優(yōu)化

。在生成刀具軌跡時(shí)，以工件的殘余高度作為計(jì)算切削行距的依據(jù)

，也就是根據(jù)被加工丁件表面的斜度和曲率

，對刀具路徑之間的距離進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整(見圖4)。這種軌跡生成算法兼顧了加工精度和效率

。

　　在高速切削中

，刀具路徑?jīng)Q定刀具相對于工件的運(yùn)動

，是影響切削效率和加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。優(yōu)化的刀具路徑能夠保證切削過程的平穩(wěn)與快速

。它將直接決定工件高速加工的可能性和加工的質(zhì)量與效率

。故進(jìn)行刀具路徑的優(yōu)化在高速加工中是非常必要的。

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