数控铣削加工的4.5种特点

确定加工路线的主要内容是指确定粗加工及空行程的走刀路线，而精加工切削过程的走刀路线都是沿工件轮廓进行的，不同的是采用何种进、退刀，顺、逆铣等加工方式。在数控加工中，刀具刀位点相对于工件运动的轨迹称为加工路线。在铣削轮廓表面时一般采用立铣刀侧面刃口进行切削。由数控加工原理可知，编程时，加工路线的确定原则归纳起来主要有以下几点：

1）保证被加工工件的精度和表面粗糙度，且要求效率较高。

2）正确选取坐标系，在保证精度和粗糙度的情况下，尽量使基点坐标值简单。

3）应尽量使加工路线最短，从而减少空刀时间，并减少程序段，节约存储空间。

要在编程中实现最短的进给路线，除了依靠大量的实践经验外，还应善于分析，必要时可辅以一些简单的计算。现将实践中的部分设计方法和思路介绍如下：

1.最短的路线

最短路线包括空行程最短路线和切削最短路线。空行程最短路线包括加工起刀点的位置选择和换刀点的位置选择。两者的确定原则是在保证不撞到零件和夹具的情况下，尽量靠近零件的工艺基准，并离零件最近。

在安排最短切削进给路线时，主要考虑以下几方面：①路线不要重复。②复杂的路线，分区域，并选好区域间的中间点，方便编程。③要考虑被加工工件的刚性及加工的工艺性等要求，保证加工精度和表面粗糙度。

如对于位置精度要求较高的孔系加工，特别要注意孔的加工顺序，安排不当时就有可能带入坐标轴的反向间隙，从而直接影响位置精度，如图4-35所示。其中，图4-35a为工件图，在该工件上镗六个尺寸相同的定位孔，一般情况下会安排两种加工路线，如图4-35b、c所示。当按图4-35b所示路线加工时，路线最短，但是由于孔5、6与孔1、2、3、4的孔定位方向相反，Y轴反向间隙会使定位误差值增加，而影响孔5、6与其他孔的孔间距位置精度。当按图4-35c所示路线加工完孔1、2、3、4后，抬刀往上多移动一段距离到P点，然后用G04作一暂停，最后再折回来加工孔5、6，这样孔6、5与加工孔1、2、3、4的方向一致，可避免反向间隙的引入，从而提高孔5、6与其他孔的位置精度。

图4-35 镗孔加工路线示意图

2.铣削的提刀位置

刀具在Z向的加工路线常用的有三种方式：垂直下刀、斜线下刀和螺旋下刀。在确定Z向的加工路线时要注意高度参数，高度参数包括Clearance（安全高度）、Retract（参考高度）、Feed plane（下刀位置）、Top of stock（工件顶面）和Depth（切削深度）等。在某些系统编程时还会表示为起始平面、返回平面、进刀平面、切削平面、退刀平面和安全平面，其说法不一，但基本意义相同，其定义如图4-36所示。

（1）起始平面（安全高度）

起始平面是程序开始时刀具在Z平面的初始位置，在次高度上刀具可以在任何位置平移而不会与工件或夹具发生碰撞。一般定义在被加工表面的最高点之上100～200mm左右。此平面应该高于返回平面，其对应的高度称为安全高度。在返回平面上刀具一般以G00的速度运行。

（2）返回平面（参考高度）

返回平面是指在程序结束时，刀具刀尖处所在的Z平面。一般在被加工表面的最高点之上50～100mm左右的某个位置上。在某些编程中一般与起始平面重合，在返回平面上刀具以G00的速度运行，返回平面应高于下刀位置。

（3）进刀平面（进给下刀位置）

在铣削加工中，刀具先以G00的速度快速运行到零件开始切削位置处，然后转换为切削进给速度进行加工，此速度转折点的位置为进刀平面，一般定义在被加工表面的最高点之上5～10mm的某个位置上。

图4-36 （CAM的刀具高度对话框）Z向提刀位置

（4）切削平面（切削深度）

在铣削加工中，刀具下刀至零件切削深度然后转为切削加工的平面，一般是指编程时Z值的深度，但因加工分层铣削时下刀深度不尽相同，所以其切削平面也不是唯一的。

（5）退刀平面

在数控铣削加工结束后，刀具以切削进给速度离开工件表面一段距离（5～10mm）后，转换为以快速G00返回到安全平面和被加工零件的开始切削位置，此转折位置为退刀平面，一般情况下可以等同于进刀平面。

（6）安全平面

安全平面是指当一个曲面切削好后，刀具沿着刀轴方向返回运行一段距离后，刀尖所在的Z平面，安全平面一般定义在高出被加工零件最高点2～5mm的某个位置上。

3.进刀/退刀方式的确定

对于铣削加工而言，刀具切入工件的方式不仅会影响到被加工工件的加工质量，还直接关系到加工的安全。对于二维轮廓加工，一般要求从侧向进刀或沿切线方向进刀，尽量避免垂直进刀，避免将刀具埋入工件。退刀方式也应从侧向或切向退刀。刀具从安全平面下降到切削高度时应离开工件毛坯一个距离（一般要求为3～5mm），不能直接贴着加工零件即理论轮廓处直接下刀，以免发生危险、损坏刀具和划伤工件。下刀运动过程不能用快速运动指令G00，一般选用直线插补运动指令G01。

（1）铣削平面工件的进给路线

铣削平面工件时一般采用立铣刀侧刃进行切削，而且在铣削加工过程中，一般要求刀具不允许在工件表面上停顿，以免留下刀痕，为减少接刀痕迹和保证工件表面质量，在编写刀具的切入和切出程序时均需要精心设计。如图4-37所示，在数控铣削加工中，铣削内、外表面轮廓时，铣刀一般应沿工件轮廓曲线的延长线切向切入和切出零件表面，而不应沿法线直接切入工件，以避免因弹性变形而在加工表面产生刀痕，从而保证工件轮廓光滑。

在高速加工中，一定要采取圆弧切入、切出连接方式，以及拐角处圆弧过渡，避免突然改变刀具进给方向，损坏刀具。加工模具型腔时采用倾斜下刀方式（常用倾斜角为20°～30°），最好采用螺旋式下刀以降低刀具载荷，如图4-38所示。

图4-37 铣刀切入/切出方式

图4-38 圆弧、螺旋方式进退刀

（2）铣削内轮廓表面的进给路线(www.xing528.com)

铣削内轮廓表面时，铣刀的切入点和切出点无法外延，这时应尽量采用圆弧过渡到圆弧或圆弧过渡到直线的方法。在无法实现上述外延方法时可安排一切入点，使铣刀沿工件轮廓的切线方向切入和切出，并将其切入、切出点选在工件轮廓两几何元素的交点处。图4-39为无交点内轮廓加工铣刀的切入和切出效果。

图4-39 内轮廓加工的切入/切出点

所谓凹槽是指以封闭曲线为边界的平底凹槽，这种凹槽一律用平底立铣刀加工，刀具圆角半径应同内槽圆角相对应。图4-40所示为加工凹槽最常用的三种加工路线，行切法、环切法和综合法。图4-40a、b所示分别为用行切法和环切法加工内槽的进给路线示意图。两种路线图的共同点是都能切净内腔中的全部面积，不留死角，不伤轮廓，同时能尽量减少重复进给的搭接量。不同点是行切法的进给路线比环切法短，但行切法将在每两次进给的起点与终点间留下残留面积，达不到所要求的表面粗糙度；用环切法获得的表面粗糙度要好于行切法，但环切法需要逐次向外扩展轮廓线，刀位点计算稍微复杂一些，而且还受内轮廓最小圆角对刀具的影响。结合行切法、环切法的优点，一般采用图4-40c所示的进给路线，即先用行切法去除中间部分余量，最后用环切法铣削最后一刀，这样既能使总的进给路线较短又能获得较好的表面粗糙度。

图4-40 加工凹槽的进给路线

行切法是常用方法，使用时注意以下几点：①当实际切削次数约为偶数刀时，应对步距进行调整，以方便程序编写。②当实际切削次数约为奇数刀时，可加1成偶数刀，再对步距进行调整，或直接将剩下的一刀放在行切后的补刀中，此时不需调整步距。③由于行刀最后一刀总是进刀动作，故行切后一般需补刀。

环切加工是利用已有精加工刀补程序，通过修改刀具半径补偿值的方式，控制刀具从内向外或从外向内，一层一层去除工件余量，直至完成零件加工。编写环切加工程序，需解决三个问题：环切刀具半径补偿值的计算、环切刀补程序工步起点（下刀点）的确定、如何在程序中修改刀具半径补偿值。

一般而言，当选择轮廓上凸出的角作为切削起点时，刀补程序的下刀点应在该角的角平分线上（45°方向），当选取圆弧与直线的相切点或某水平/垂直线上的点作为切削起点时，刀补程序的下刀点与切削起点的连线应与直线部分垂直。在一般的刀补程序中，为缩短空刀距离，下刀点与切削起点的距离比刀具半径略大一点，下刀时刀具与工件不发生干涉即可。但在环切刀补程序中，下刀点与切削起点的距离应大于在上一步骤中确定的最大刀具半径补偿值，以避免产生刀具干涉。

行切和环切是最为典型的两种数控走刀路线。在手工编程时行切法多用于比较规则的矩形平面、台阶面和矩形下陷凹槽的加工，对非矩形区域的行切则一般采用自动编程实现。环切法主要用于轮廓的半、精加工及粗加工，用于粗加工时，其效率比行切法低，但可方便地利用修改刀补功能来实现。

（3）其他铣削方法

此外在CAM工艺路线设计中还有一些常用的铣削方法，如图4-41所示。

（4）铣削曲面的加工路线

对于边界敞开的曲面加工，可采用图4-42所示的三种加工路线，如发动机大叶片，当采用图4-42a所示方案加工时，符合这类零件数据给出的情况，便于加工后检验，叶形的准确度高，但此程序段较多。当采用图4-42b所示的加工方案时，每次沿直线加工，到位点计算简单，程序少，加工过程符合直纹面的形成，可准确保证母线的直线度。当采用图4-42c所示方案加工时，综合a、b两种加工方案的优点，刀位点计算较简单，程序较少，而且加工叶形的准确度较高，同时便于加工后检验。

由于曲面零件的边界是敞开的，没有其他表面限制，所以曲面边界可以延伸，球头刀应由边界外开始加工。当边界不敞开时，确定加工路线要另行处理。

图4-41 常用铣削加工路线

图4-42 曲面加工走刀路线

（5）刀具参数、安装方位、走刀进给方向对行距的影响

球头刀加工时，零件形状与安装方位及走刀进给方向的变化对走刀行距的影响较小。

平底刀加工时，行距对零件形状、安装方位及走刀进给方向的变化非常敏感。

环形刀加工时，其影响规律介于平底刀与球头刀之间。

鼓形刀加工时，行距对零件形状、安装方位及走刀进给方向的变化也很敏感，但与平底刀和环形刀加工时的规律相反。

（6）孔加工进给路线的确定

加工孔时，一般要求较高的孔间距定位精度，即将刀具在XY平面内快速定位运动至对准孔中心线的位置，所以编程时一般按空行程最短安排进给路线，然后刀具在轴向进给进行加工。

（7）孔间距尺寸公差的转换

在零件图上一般都会给孔位尺寸，但有时孔距尺寸的公差或对基准尺寸距离的公差是非对称性公差，此时为了加工精度应将其转换为对称性公差。如图4-43所示某零件图上两孔间距尺寸L＝90mm，上偏差为＋0.055mm，下偏差为－0.027mm，应转换成L_r＝90.041mm±0.014mm，编程时按基本尺寸90.041mm进行。

图4-43 孔间距尺寸公差

（8）孔加工工艺的设计

1）加工精度为IT9级的孔，工艺材料为淬火钢以外的各种金属，可采用如下方案：当孔径小于10mm时，可采用钻-铰方案；当孔径小于30mm时，可采用钻-扩方案；当孔径大于30mm时，可采用钻-镗方案。

2）加工精度为IT8级的孔，工件材料为淬火钢以外的各种金属，可采用如下方案：当孔径小于20mm时，可采用钻-铰方案；当孔径大于20mm时，可采用钻-扩-铰方案；当孔径在20～80mm之间，也可以采用最终工序为精镗或拉削的方案，而淬火钢可采用磨削加工。

3）加工精度为IT7级的孔，当孔径小于12mm时，可采用钻-粗铰-精铰方案；当孔径在16～60mm之间，可采用钻-扩-粗铰-精铰方案或钻-扩-拉方案；若毛坯上已铸出或锻出孔，可采用粗镗-半精镗-精镗方案或粗镗-半精镗-磨孔方案。最终工序为铰孔的方案适用于未淬火钢或铸铁，对非铁金属铰出的孔表面粗糙度值较大，常用精细镗孔替代铰孔；最终工序为拉孔的方案适用于加工除硬度低、韧性大的非铁金属、淬火钢、未淬火钢及铸铁。

4）加工精度为IT6级的孔，最终工序采用手铰、精细镗、研磨或珩磨等均能达到，视具体情况选择。韧性较大的非铁金属不宜采用珩磨，可采用研磨或精细镗。研磨对大小直径孔均适用，用珩磨只适用于大直径孔加工。