1 引言

　　作為數(shù)控加工的一個重要的工藝參數(shù)，走刀方式的選擇往往依據(jù)工藝人員的經(jīng)驗。由于在影響走刀方式選擇的諸多因素(如曲面的幾何形狀、島嶼的大小和位置、刀具的大小等)中，有些是明確的，有些是含糊的，且它們的作用程度都不一樣，僅僅依靠經(jīng)驗將很難做出合理的選擇，這使得對走刀方式的選擇存在著許多難題。通過銑削過程中的切入角的變化對銑刀所受載荷的影響進(jìn)行了分析，解決了銑削加工的進(jìn)刀方式的選取。

2 層切法粗加工

　　數(shù)控加工過程一般分為粗加工、半精加工、精加工3個階段。粗加工作為數(shù)控加工第一階段，其目的在于迅速切除工件毛坯的大部分余量以提高生產(chǎn)效率，同時為后續(xù)加工創(chuàng)造條件。據(jù)統(tǒng)計，目前在注射成型模具的加工中，有50%左右的時間花費(fèi)在切除大余量的粗加工上。因此，從保證產(chǎn)品精度、提高加工效率、縮短交貨期等方面考慮，粗加工是一道非常重要的工序。制造業(yè)的不斷發(fā)展，粗加工的研究已被放到了日益重要的地位上。

　　目前的CAM軟件及相關(guān)文獻(xiàn)中，可將模具型腔的粗加工歸納為如下幾類方法：等距切削、層切法(也叫等高輪廓線法)、截面線法、八叉樹法和鉆孔方法等。各粗加工方法有其自身的特點(diǎn)，層切法由于使用端銑刀加工，基本走刀軌跡被限制在二維平面中，便于軌跡的優(yōu)化，程序量少，而且空刀現(xiàn)象極少，所以這種粗加工方法應(yīng)用較廣。因此，本文主要針對層切粗加工方法進(jìn)行研究。

　　層切法是在等高面上切除坯料，其實質(zhì)上是一種二維半的分層處理加工方法。在層切法加工過程中，走刀軌跡被限制在二維平面中，方便了刀具軌跡的優(yōu)化，空走刀現(xiàn)象大大減少，因此， 層切法是特別有效的粗加工方法。層切法加工如圖1所示。

　　圖1 層切加工舉例

　　當(dāng)以層切法進(jìn)行粗加工時，刀具自上而下逐層地切除余量，層與層之間的高度稱為粗加工的層高。在數(shù)控加工編程系統(tǒng)中，層高是由工藝人員根據(jù)毛坯材料、刀具材料確定的。每個二維切削層與曲面進(jìn)行求交得到一組交線，將求得交線進(jìn)行組合(首尾相接)，從而封閉得到在二維平面上的一個邊界輪廓，這個平面上的二維輪廓有一個外環(huán)和若干個內(nèi)環(huán)組成。下面介紹一下相關(guān)的概念，如圖2所示。

圖2 輪廓、島和加工單元

　　輪廓。一個區(qū)域可被加工，則組成該區(qū)域的曲線環(huán)稱為一個輪廓。

　　島。不可加工區(qū)域的曲線環(huán)，稱為島。

　　加工單元。一個輪廓及其包含的島(零個、一個或者多個)稱為一個加工單元。一個加工單元只有一個輪廓。在同一層中，可能有多個加工單元存在，但各加工單元之間互不相交。

　　在每一個層切平面上，根據(jù)加工單元中輪廓和島的信息就可以找出切削區(qū)間，按照走刀方式生成二維的刀具軌跡，進(jìn)行二維平面上的輪廓加工。

　　層切法粗加工方法的基本思想是：根據(jù)毛坯的大小和預(yù)先設(shè)定的工藝參數(shù)構(gòu)造一系列垂直于刀具旋轉(zhuǎn)軸的平面;將這些分層平面和零件曲面、毛坯體曲面求交;在各分層平面上將求得的交線段組合成封閉的二維環(huán);對這些二維環(huán)分別進(jìn)行等距、互交運(yùn)算，確定各層的無干涉加工區(qū)域;分別計算各層的刀具軌跡，將各層的刀具軌跡統(tǒng)一組織后即形成層切法粗加工的刀具軌跡。

　　層切法粗加工的基本過程是，在某一層加工結(jié)束之后，刀具被抬至安全平面，然后從安全平面快速落刀，從下一層的起始切削位置開始新一層的切削，如此反復(fù)，直至零件的加工曲面被全部加工結(jié)束。由其加工過程可以看出，層切法粗加工刀軌生成過程的關(guān)鍵問題是如何生成各層面合理的刀軌，其中包括進(jìn)刀方式的選取和層面刀具軌跡的規(guī)劃。

3 數(shù)控加工的走刀方式選擇

　　3.1 層切粗加工中的走刀方式

　　數(shù)控加工中，走刀方式是指刀具完成工件切削時的軌跡規(guī)劃方式。

　　隨著CAD/CAM技術(shù)的迅速發(fā)展，目前很多CAM軟件，如MasterCAM、UGⅡ、PowerMill等，都提供了很多走刀方式供數(shù)控編程人員選擇。因為存在著多種刀位軌跡的生成方法，對于某一特定的加工區(qū)域，不同的走刀方式所生成的刀位軌跡不同，所以采用不同的走刀方式來加工某一個工件，其加工時間相差很懸殊，即加工方式對刀位軌跡長度的影響十分明顯。因此，走刀方式是粗加工的一個重要工藝參數(shù)，是影響加工時間的最主要的因素之一。為了縮短粗加工時間，選擇合適的走刀方式來切削某一特定加工區(qū)域是相當(dāng)重要的。這就對編程人員提出了很高的要求，他們必須選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)控加工的走刀方式。

　　按照數(shù)控加工的需要，數(shù)控粗加工走刀方式可以分為：行切法、環(huán)切法和空間填充法。其中，空間填充法的算法較為復(fù)雜，有待進(jìn)一步改進(jìn)，較少使用;而行切法和環(huán)切法的算法已經(jīng)比較成熟，故其應(yīng)用比較廣泛。

　　行切法又分為單向走刀(zig)和雙向走刀(zig—zag，又稱為己字形走刀，如圖3a所示)兩種走刀方式。采用行切方式進(jìn)行加工時，如果對加工表面沒有特別要求，建議采用zig—zag方式，這樣的刀軌最短。如果對加工表面有特殊要求，可以采用zig方式，其代價是加長了刀軌。zig—zag和zig方式不同走刀方向的刀軌長度相差5%～10%?！　“凑盏毒呗窂狡玫乃惴ú煌?，環(huán)切法也細(xì)分為很多種走刀方式，以適合各種情況的加工。例如，在MasterCAM系統(tǒng)中，對于模具型腔的粗加工，環(huán)切法可分為以下幾種：

　　平行螺旋(Parallel Spiral)走刀。如圖3b，刀具路徑按模具型腔的外輪廓以恒定的間距向內(nèi)依次偏置。

　　帶清角加工的平行螺旋(Parallel Spiral,Clean Corners)走刀。如圖3c所示，這種方式與平行螺旋走刀類似，只是在刀具路徑的拐角處增加了清除區(qū)域。

　　等重疊螺旋(Constant Overlap Spiral)走刀。如圖3d所示，這種走刀方式不同于平行螺旋走刀之處在于：平行螺旋走刀是按型腔的外輪廓依次增加偏置量進(jìn)行偏置的;而等重疊螺旋走刀每次的偏置都是按照上次偏置后的毛坯輪廓進(jìn)行的，這樣做的好處就是可以清除更多的加工余料。

　　圖3 模具型腔加工常用的走刀方式

　　3.2 走刀方式的選擇原則

　　選擇走刀方式時要考慮兩點(diǎn)：一是加工時間的長短;二是加工余量是否均勻。一般來說，環(huán)切方式是基于工件形狀的走刀方式，加工余量較均勻。而選用行切方式的加工余量較不均勻，若希望行切加工后留下較均勻的余量，通常需要增加圍繞邊界的環(huán)切刀軌。若忽略余量不均勻性要求，行切走刀的刀軌長度通常是比較短的;若考慮余量的不均勻性而增加環(huán)切刀軌，當(dāng)加工區(qū)域所有邊界較長(如多島嶼情況)，則圍繞邊界的環(huán)切刀軌對總的加工時間影響比較明顯，行切刀軌一般會比環(huán)切刀軌長。行切走刀刀位容易計算，占用內(nèi)存少，但抬刀次數(shù)較多。采用環(huán)形刀軌時，則需要多次對環(huán)邊界進(jìn)行偏置并清除自交環(huán)。

4 數(shù)控粗加工的進(jìn)刀方式

　　4.1 數(shù)控加工的幾種進(jìn)刀方式

　　刀具切入工件的方式，不僅影響加工質(zhì)量，同時也直接關(guān)系到加工的安全。刀具以高進(jìn)給速度切入工件將會縮短刀具壽命。通過較平緩地增加切削載荷，并保持連續(xù)的切削載荷，可以達(dá)到保護(hù)刀具的目的。

　　在數(shù)控銑削機(jī)床上加工一個封閉的型腔零件，常見的導(dǎo)入方式有如下幾種：

　　(1)垂直進(jìn)刀。這種導(dǎo)入方式首先需要用鉆頭在工件上鉆一個孔，然后再垂直進(jìn)刀。垂直導(dǎo)入方式直接明了，不需要太多的計算。雖然先在工件上鉆一個孔可以避免產(chǎn)生極大的沖擊力，但這種導(dǎo)入方式不容易排屑，產(chǎn)生大量的切削熱不容易散發(fā)，使得刀具和工件的變形量加大。

　　(2)步進(jìn)進(jìn)刀。步進(jìn)進(jìn)刀是對垂直進(jìn)刀方式的改進(jìn)，就是少量多次進(jìn)刀，也就是說垂直進(jìn)刀一大步，然后回退一小步，接著再進(jìn)一大步。這種方法有利于機(jī)加工的排屑，帶走垂直加工時產(chǎn)生的大量的熱，因此可以在一定程度上保護(hù)刀具和工件，減少工件變形，但是要耗費(fèi)較多的加工時間，而且精度不容易保證。

　　(3)斜線進(jìn)刀。這種方式是令刀具與工件保持一定斜角進(jìn)刀，直接銑削到一定的深度，然后在平面內(nèi)進(jìn)行來回銑削。因為采取側(cè)刃加工，加工時需要設(shè)定刀具切入加工面的角度。這個角度如果選取得太小，加工路線加長，反之，如果選取得太大，又會產(chǎn)生端刃切削的情況。此外，由于斜線進(jìn)刀的速度變化不連續(xù)，因此不適合高速加工。

　　(4)折線進(jìn)刀。這種方式是刀具以折線下降的方式進(jìn)刀，到達(dá)一定深度后，水平銑削平面。折線進(jìn)刀是斜線進(jìn)刀的改進(jìn)方式。同樣也存在速度變化不連續(xù)，不適合高速加工的問題。

　　(5)螺旋進(jìn)刀。這種進(jìn)刀方式從工件上面開始，螺旋向下切入。由于采用連續(xù)加工的方式，可以比較容易地保證加工精度。而且，由于沒有速度突變，可以用較高的速度進(jìn)行加工。型腔高速加工要求進(jìn)刀方式能使得刀具在不同的切削形式下與被切削材料保持相對恒定的接觸狀態(tài)，同時要求設(shè)置合適的刀具進(jìn)給、切削深度等參數(shù)，這樣才能符合高速加工的要求，因此，可以看出螺旋進(jìn)刀最適合型腔高速加工的需要。圖4為螺旋進(jìn)刀的示意圖。

　　圖4 螺旋進(jìn)刀方式的示意圖

　　4.2 進(jìn)刀方式的選擇原則

　　從圖5中可以看出，隨著切入角度的減小，無論是刀具的最大等效應(yīng)力值SMX，還是最大應(yīng)變量DMX的值都是呈減小的趨勢的，在切入角28°～60°，SMX和DMX達(dá)到了最小。所以在數(shù)控加工特別是高速加工螺旋進(jìn)刀也是很好的選擇，它避免了刀具與工件的剛性碰撞和干涉，刀軌的光順性提高，且易于實現(xiàn)對切入角的算法優(yōu)化。

圖5 不同切削角度刀具的應(yīng)力應(yīng)變變化趨勢圖

　　(1)有一定切入角度的進(jìn)刀方式對刀具載荷的影響比一次垂直進(jìn)刀方式對刀具載荷的影響要小。但如果銑刀采用“步進(jìn)式”進(jìn)刀方式可使銑削載荷減少很多。

　　(2)在高速銑削中如果進(jìn)刀的方向和刀齒的旋向一致時，最宜采用Z字形進(jìn)刀和斜向進(jìn)刀。

　　(3)螺旋切向進(jìn)刀對銑刀軸向載荷的減少最大，所以在加工薄壁零件等對軸向載荷敏感的零件，還是以螺旋切向進(jìn)刀為好。

5 結(jié)束語

　　以上分別介紹了三軸數(shù)控銑削加工的走刀方式和進(jìn)刀方式，只有深入了解數(shù)控銑削與普通銑削加工工藝的不同，分別掌握數(shù)控銑削的各種走刀工藝和進(jìn)刀工藝，才能使數(shù)控銑削加工技術(shù)在生產(chǎn)當(dāng)中得以更深入地應(yīng)用，滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需要。