王陽(yáng) 殷小清

摘要：在傳統(tǒng)區(qū)域清除策略中拐角位置加工時(shí)，存在加工時(shí)間長(zhǎng)，硬質(zhì)合金刀具磨損嚴(yán)重的問(wèn)題。本文從Power Mill平臺(tái)入手，研究了Delcam-Votex旋風(fēng)銑專(zhuān)利在數(shù)控銑中的應(yīng)用。研究表明：該應(yīng)用節(jié)省了加工時(shí)間，減少了貴重合金刀具的磨損。

關(guān)鍵詞：粗加工策略；切入角；Delcam；Votex；旋風(fēng)銑

一、前言

數(shù)控技術(shù)是提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少勞動(dòng)強(qiáng)度的必不可少的技術(shù)手段，對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車(chē)、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用[[1]—[4]]。數(shù)控加工策略作為模具數(shù)控加工工藝中一個(gè)至關(guān)重要的角色，其應(yīng)用不僅決定了模具表面的加工品質(zhì)，而且，一個(gè)優(yōu)化的加工策略可以使機(jī)床在加工時(shí)省去大量的切削時(shí)間，提高模具的加工效率。數(shù)控加工的核心目標(biāo)是讓加工工件獲得最高的表面質(zhì)量和最佳的裝配質(zhì)量，這意味著在切削過(guò)程中要保證切削對(duì)材料結(jié)構(gòu)的損傷最小[5]。從切削技術(shù)上來(lái)說(shuō)要達(dá)到高速切削，就必須要做到精加工前工件表面的余量充分均勻和余量盡量少。粗加工的特點(diǎn)是大銑削量、低進(jìn)給率，以一定的深度進(jìn)行分層銑削加工，用最快的速度完成零件的輪廓銑削加工，為半精加工和精加工做準(zhǔn)備[6]。精加工是為保證加工件質(zhì)量所做的加工，所以一般從提高粗加工策略的角度入手提高加工的精度和效率。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，機(jī)加工費(fèi)用占模具生產(chǎn)總費(fèi)用的65%，機(jī)加工效率提高20%，模具制造總成本降低15%左右[7]。

傳統(tǒng)粗加工中區(qū)域清除策略的一個(gè)基本問(wèn)題是僅在筆直路徑可以對(duì)切削條件進(jìn)行優(yōu)化處理，模型中的任何拐角位置，都需要顯著增加切削刀具的接觸角。為保護(hù)刀具，通常需要在拐角處降低進(jìn)給率[8]。為此，使用者要么選取在整個(gè)刀具路徑中一直使用這個(gè)較低的進(jìn)給率，以保持恒定進(jìn)給率 ，這勢(shì)必延長(zhǎng)加工時(shí)間；要么選取在模型加工中使用變進(jìn)給率和轉(zhuǎn)速，而這又會(huì)增加刀具的磨損[9]。

綜上所述，本文研究基于的Powermill是英國(guó)Delcam公司開(kāi)發(fā)的，加工策略豐富的數(shù)控加工編程軟件系統(tǒng)，以其強(qiáng)大的刀具路徑編輯、任意形式的修改和重計(jì)算功能為廣大用戶提供優(yōu)質(zhì)的計(jì)算機(jī)輔助制造服務(wù)等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于大中型制造企業(yè)[10]。其常用粗加工策略如表1所示。本論文研究Delcam-Votex旋風(fēng)銑專(zhuān)利在數(shù)控銑中的應(yīng)用。目的是解決傳統(tǒng)粗加工策略加工中無(wú)效路徑和刀具磨損問(wèn)題。

表1：PowerMILL常用粗加工策略

平行 環(huán)繞 插銑

圖1 粗加工策略刀路圖例

二、優(yōu)化粗加工策略的應(yīng)用研究

（一）粗加工策略研究

1、Vetox旋風(fēng)銑刀路研究

PowerMILL提供了三種開(kāi)粗加工的方式，其中用的最多的是偏置區(qū)域清除加工。根據(jù)粗加工的特點(diǎn)，對(duì)高速加工在切削用量上選擇的原則是“淺切深，快進(jìn)給”。對(duì)刀具的要求，根據(jù)模型形狀和尺寸綜合考慮，應(yīng)盡可能選擇大直徑的刀具。開(kāi)粗加工中特點(diǎn)是刀具路徑沿偏置切削層面的輪廓線，用于復(fù)雜形狀零件的粗加工。傳統(tǒng)的偏置區(qū)域清除加工有一定的可用性但在長(zhǎng)期使用中也存在一定的弊端。

與Vortex 旋風(fēng)銑策略比較，傳統(tǒng)的偏置區(qū)域清除策略沿用經(jīng)典的零件輪廓加工方式，每條刀路走完一個(gè)輪廓的切削層，不能對(duì)輪廓內(nèi)加工余量較大的區(qū)域進(jìn)行徹底切除?；耍織l刀路的切削深度受到嚴(yán)格限制。Vortex 旋風(fēng)銑策略的不同點(diǎn)在于，在大切削余量區(qū)域進(jìn)行層進(jìn)式循環(huán)往復(fù)走刀，達(dá)到對(duì)體積量的切削區(qū)域徹底切除的效果。正是因?yàn)榭梢宰龅綄?duì)切削區(qū)域內(nèi)大體積余量的徹底切除（因素之一），Vortex 旋風(fēng)銑銑削策略可以使用較大的切削深度，達(dá)到使用多3倍于刀具直徑的切削深度。在刀路軌跡方面方面，Vortex 旋風(fēng)銑策略應(yīng)對(duì)余量較大區(qū)域的反復(fù)切除，相對(duì)于傳統(tǒng)偏置區(qū)域清除策略減少大量走空刀數(shù)量，極高的提高了切削效率；此策略優(yōu)化路徑的主要方式是通過(guò)抓取輪廓最有效的點(diǎn)分布，形成優(yōu)化的擺線尺寸以及圓弧和直線間的最佳轉(zhuǎn)換。

以下為傳統(tǒng)偏置區(qū)域清除策略和Vortex 旋風(fēng)銑銑削策略刀路情況對(duì)比：

圖2 傳統(tǒng)偏置區(qū)域清除策略刀路 圖3 Vetox旋風(fēng)銑策略刀路

從上圖可以看出傳統(tǒng)的偏置區(qū)域清除策略的刀路中，約有90%是最佳切削刀路，其中10%的刀路無(wú)論從進(jìn)給方向上還是刀具的切削角度上講，都不是最佳狀態(tài)，尤其進(jìn)給過(guò)程中存在急劇轉(zhuǎn)角，而這些刀路中的轉(zhuǎn)角路徑占有總加工時(shí)間的90%。另可以看出Vetox旋風(fēng)銑策略刀具路徑?jīng)]有急速停車(chē)和轉(zhuǎn)彎，極大的減少了對(duì)機(jī)床主軸的沖擊和極大減少了刀具的撞擊和磨損。

2、Vetox旋風(fēng)銑切入角的優(yōu)越性

研究表明，數(shù)控銑刀在切削過(guò)程中切削刀刃和刀具路徑最佳切削角度為46o，銑刀設(shè)計(jì)與制造即按照直線加工刀路的要求滿足最佳切削的角度。在傳統(tǒng)加工策略中，直線外輪廓的加工可以實(shí)現(xiàn)最佳切削效果。在變角度外輪廓即轉(zhuǎn)角位置，為了避免刀具路徑的急轉(zhuǎn)，采用小圓弧過(guò)渡方式，這種方式造成在轉(zhuǎn)角位置，刀具路徑看起來(lái)是圓滑的，但突增了刀具的切削量，刀具切削載荷突然變大。為了減少對(duì)機(jī)床主軸的沖撞和刀具的磨損，傳統(tǒng)切削策略的對(duì)應(yīng)方式是減少轉(zhuǎn)角處的進(jìn)給。對(duì)于形狀復(fù)雜的制件，編程者往往采取整體減少進(jìn)給量或者采用變進(jìn)給量的方式。無(wú)形中增加了加工時(shí)間，也不能徹底消除加工過(guò)程中對(duì)機(jī)床主軸的沖撞和刀具的磨損。突然增大的切削量使刀具的切削載荷突然變大，很大程度上造成刀具的震動(dòng)即彈刀，體現(xiàn)在切削質(zhì)量上的窩切。

Vetox旋風(fēng)銑策略在根源上解決了這個(gè)問(wèn)題，直線加工中Vetox旋風(fēng)銑銑削策略可以保證刀刃與刀具路徑保持最佳46o狀態(tài)（因素之二）。在輪廓線的轉(zhuǎn)角處，傳統(tǒng)的切削策略產(chǎn)生的刀路是圓弧過(guò)渡，相對(duì)于此，Vetox旋風(fēng)銑銑削策略變更為直線層進(jìn)的方式，保持了刀具路徑與切削輪廓的平行即刀具切削角度恒定保持在最佳46o狀態(tài)，避免了恒定進(jìn)給情況下的切削量突增、刀具載荷突增的問(wèn)題。

圖4傳統(tǒng)粗加工直線路徑 圖5傳統(tǒng)粗加工拐角切削

圖6 Vetox旋風(fēng)銑加工路徑 圖7 Vetox旋風(fēng)銑拐角加工路徑

圖8 傳統(tǒng)開(kāi)粗策略加工 圖9 Vetox旋風(fēng)銑策略加工

負(fù)荷大，震動(dòng)彈刀明顯，加工質(zhì)量低 負(fù)荷均衡，無(wú)震動(dòng)彈刀，質(zhì)量高

基于以上切削路徑的路線優(yōu)化和層切模式（因素一）、恒定的進(jìn)給量、以及恒定保持優(yōu)化的切削角度（因素二），Vetox旋風(fēng)銑高速加工策略允許三倍刀具直徑的甚至全刀刃的深切加工，大大提到了加工效率。

（二）Vetox旋風(fēng)銑在模具加工中的應(yīng)用研究

1、加工區(qū)域研究

任何一種模具都是由不同的曲面組成，在一定程度上曲面的復(fù)雜程度就決定了模具的復(fù)雜程度。在研究Vetox旋風(fēng)銑策略加工路徑以及總結(jié)了大量的加工工藝后，發(fā)現(xiàn)曲面的加工策略選擇和與曲面的形狀和復(fù)雜程度有著一定的關(guān)系。

圖10：模具加工區(qū)域的劃分

根據(jù)PowerMILL常用加工策略將模具主要分為平坦區(qū)域、平緩區(qū)域、陡峭和平緩區(qū)域以及陡峭區(qū)域四個(gè)部分。平坦區(qū)即模具表面處于絕對(duì)水平的曲面，與Z軸垂直；平緩區(qū)域即認(rèn)為曲率變化不大的區(qū)域，簡(jiǎn)單量化為曲面中法線與Z軸夾角≦45o的區(qū)域；陡峭區(qū)域即曲面與Z軸平行或夾角不大的區(qū)域；陡峭和平緩區(qū)域，對(duì)于這部分的劃分主要是出于陡峭區(qū)域與平緩區(qū)域交叉或重疊的區(qū)域。

圖11 1.平坦區(qū) 2.平緩區(qū)域 3.平緩和陡峭區(qū)域 4.陡峭區(qū)域

5.淺槽 6.溝槽 7.清角和狹窄區(qū)域 8.孔

粗加工中，主要加工的是“平坦區(qū)域”和“陡峭和平緩區(qū)域”2個(gè)區(qū)域，平坦區(qū)域主要是存在于型芯和型腔的凹陷面。陡峭和平緩區(qū)域則是在模具型芯和型腔中大量存在的區(qū)域，大部分平緩區(qū)域或平坦都會(huì)和陡峭區(qū)域相交或重疊。相對(duì)于傳統(tǒng)的區(qū)域清楚策略，Vetox旋風(fēng)銑策略加工具有明顯的粗加工效率和質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)。

2、機(jī)床的選擇與匹配

Vetox旋風(fēng)銑要求機(jī)床具有NURBS（Non-Uniform Rational B-Splines）曲線插補(bǔ)功能，從而允許用一系列曲線運(yùn)動(dòng)而不是大量的短的直線來(lái)進(jìn)行加工，因而加工速度就更加提高。由于每段NURBS曲線更長(zhǎng)，機(jī)床控制器能向前看的更遠(yuǎn)，使得路徑設(shè)計(jì)和進(jìn)給速率設(shè)置能更加智能化，同時(shí)使用曲線路徑比使用一些列的直線路徑有更少的速度調(diào)整，減少刀具的微小多次變向以及減少對(duì)機(jī)床主軸的沖撞。

3、對(duì)于應(yīng)用問(wèn)題的其他研究

和其他高速加工的要求相比，Vetox旋風(fēng)銑策略加工同樣需要對(duì)刀具、刀柄、冷卻提出嚴(yán)格要求。刀具材料硬度要高，高速主軸的膨脹引起刀具及加緊機(jī)構(gòu)質(zhì)心的偏離，影響刀具的動(dòng)態(tài)平衡。Vetox旋風(fēng)銑高速加工采用帶涂層的硬質(zhì)合金刀具，在高速高溫的情況下，不用切削液，要使用油/汽混冷，這種方式可以用高壓氣體迅速吹走切削區(qū)產(chǎn)生的切屑，從而將切削熱帶走，同時(shí)經(jīng)霧化的潤(rùn)滑油在刀具刃部和工件表層形成一層極薄的微觀保護(hù)膜，可以保護(hù)刀具涂層、延長(zhǎng)刀具使用壽命，提高加工質(zhì)量。

三、結(jié)論

對(duì)于Vetox旋風(fēng)銑高速加工策略的使用，明顯減少了開(kāi)粗過(guò)程中的彈刀、蹦刃、非人為因素?cái)嗟肚闆r，新策略的使用對(duì)提高制品加工質(zhì)量起到了至關(guān)重要的作用。新加工策略的使用，明顯優(yōu)化了刀具路徑，減少了走刀過(guò)程中的急停，急轉(zhuǎn)，以及頻繁的進(jìn)給變速，減少了對(duì)機(jī)床的沖撞，加強(qiáng)了對(duì)價(jià)值昂貴的高速加工機(jī)床的保護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘宇，錨具大螺紋加工技術(shù)及專(zhuān)用數(shù)控旋風(fēng)銑床關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].廣西工學(xué)院，2011.

[2]王兆坦，劉憲銀，李保民等.提高數(shù)控旋風(fēng)銑床加工精度的措施[J]. 金屬加工，2008.11.

[3]劉華，陶建華，劉曉初等. 一種基于PowerMill 加工策略的模具數(shù)控編程方法研究[J]. 裝備制造技術(shù)，2013.4.

[4]馬玉河.旋風(fēng)銑削理論及在雙螺桿泵螺桿加工中的應(yīng)用[D].南京林業(yè)大學(xué)，2011.

[5]何云峰，拉索錨具大螺距外螺紋加工專(zhuān)用雙旋風(fēng)銑機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性研究[D]. 廣西工學(xué)院，2011.

[6]陳林平，變徑旋風(fēng)銑床控制方法研究[D].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2009.

[7]姚曉坡，大型數(shù)控絲杠旋風(fēng)銑床關(guān)鍵技術(shù)研究[D].鄭州大學(xué)，2013.

[8]王克錫，用油作介質(zhì)線切割機(jī)的最新技術(shù)[J].金屬加工（冷加工），2011年18期.

[9]周麗娟，趙向陽(yáng)，孫濤.珩磨工藝及設(shè)備在偶件精密加工中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代車(chē)用動(dòng)力，2011.03.

[10]張?bào)?，球型面的磨削精密加工[J].工具技術(shù)，2013.06.