确定数控铣削加工工艺参数的优化方法

确定工艺参数是工艺制订过程中重要的内容。通常在数控加工工艺参数设置中，从产品的加工精度、表面质量及加工过程损耗的角度出发，切削深度和宽度、切削速度和进给速度以及进给量、加工余量等工艺参数是必须重点考虑的因素。从数控加工的自动化角度出发，进退刀的控制、切削液、刀具半径和长度补偿及拐角轮廓等因素也是数控加工工艺应考虑的因素。对于CAM自动编程而言，由于加工特征中有大量的三维曲面存在，因此针对曲面加工质量，在设定刀具轨迹时，根据不同加工刀具采用合理的加工步距和行距是数控加工工艺参数的重要内容。

1.与切削用量有关的工艺参数确定

合理选择切削用量是保证数控加工质量、提高加工效率的主要因素。一般情况下，选择切削用量的原则是：粗加工时，在数控机床性能允许的前提下，以提高生产率为主，兼顾经济性；在半精加工和精加工时，应以保证产品的加工精度和表面质量为前提，兼顾加工效率及经济性。在CAM自动编程中大量用到数控铣床和加工中心加工，数控铣床的切削用量包括切削速度、进给速度、背吃刀量和侧吃刀量，从刀具寿命出发，切削用量的选择方法是：先选取背吃刀量或侧吃刀量，其次确定进给速度，最后确定切削速度。

（1）背吃刀量或侧吃刀量的选择

1）背吃刀量（a_p）。背吃刀量为平行于铣刀轴线方向测量的切削层尺寸。端铣时，背吃刀量为切削层的深度，而圆周铣削时，背吃刀量为被加工表面的宽度。

2）侧吃刀量（a_e）。侧吃刀量为垂直于铣刀轴线方向测量的切削层尺寸。端铣时，侧吃刀量为被加工表面的宽度，而圆周铣削时，侧吃刀量为切削层的深度。在CAM数控编程中，曲面加工大量采用立铣刀进行加工，背吃刀量即为切削深度，侧吃刀量即为切削宽度，在自动编程中又称为切削行距，不同的走刀方式产生的切削行距也不同。

如果零件精度要求不高，在工艺系统刚度允许的情况下，最好一次切净加工余量，以提高加工效率；如果零件精度要求高，为保证精度和表面粗糙度，只好采用多次走刀。因此，背吃刀量或侧吃刀量的选取，主要由加工余量和对表面质量的要求决定。

1）工件表面粗糙度Ra值为12.5～25μm时，如果圆周铣削的加工余量小于5mm，端铣的加工余量小于6mm，粗铣时一次进给就可以达到要求。但在余量较大，工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可分两次进给完成。

2）在工件表面粗糙度Ra值为0.8～3.2μm时，可分粗铣、半精铣、精铣三步进行。半精铣时背吃刀量或侧吃刀量取1.5～2mm；精铣时，圆周铣削的侧吃刀量取0.3～0.5mm，端铣的背吃刀量取0.5～1mm。

在CAM数控编程中，切削宽度即切削行距与刀具直径成一定的比例关系。粗加工时，行距取大点有利于提高切削效率，使用环形铣刀时，要注意将刀尖上的圆角部分予以扣除；在使用球头铣刀加工曲面时，行距的确定要充分考虑加工所能达到的精度和表面粗糙度。

（2）与进给有关的参数确定

1）进给速度v_f。进给速度是单位时间内工件与刀具沿进给方向的相对位移。对于铣削加工来说，它与铣刀转速n、铣刀齿数z及每齿进给量f_z的关系为v_f=f_zzn。

每齿进给量f_z的选取，主要取决于机床的性能、工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。工件材料的强度和硬度越高，每齿进给量越小，反之则越大。硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速工具钢铣刀。工件表面粗糙度Ra值越小，每齿进给量就越小。每齿进给量的确定可参考相应的切削用量表。工件刚性差或刀具强度低时，v_f应取小值。

2）快速走刀速度（空刀进给速度）。为节省非切削加工时间，快速走刀速度一般取机床允许的最大进给速度，即G00速度。此进给速度一般由机床控制系统事先进行设定。

3）下刀速度（接近工件表面进给速度）。为使刀具安全可靠地接近工件，而不损坏机床、刀具和工件，下刀速度不能太高，要小于或等于切削进给速度。对软材料一般取200mm/min；对钢类或铸铁类材料一般取50mm/min。

4）行间连接速度（跨越进给速度）。行间连接速度是指刀具从一切削行运动到下一切削行的运动速度。该速度一般小于或等于切削进给速度。有些智能CAM系统能自动根据行间刀具的连接情况作相应的进给速度调整。

5）退刀进给速度（退刀速度）。为节省非切削加工时间，退刀进给速度一般取机床允许的最大进给速度，即G00速度。切削进给速度可由机床操作人员根据被加工工件表面的具体情况进行手工调整，以获得最佳切削状态。切削进给速度不能超过按逼近误差和插补周期计算所允许的进给速度。

（3）与切削速度有关的参数确定

1）切削速度v_c。切削速度是指刀具上单个切削刃上的线速度。其高低主要取决于被加工工件的精度和材料、刀具的材料和寿命等因素。铣削的切削速度与刀具寿命T、每齿进给量f_z、背吃刀量a_p、侧吃刀量a_e、铣刀齿数z成反比，而与铣刀直径成正比。当f_z、a_p、a_e和z增大时，切削刃载荷增加，工作齿数也增多，使切削热增加，刀具磨损加快，从而限制了切削速度的提高。同时，刀具寿命的提高使允许使用的切削速度降低。加大铣刀直径可改善散热条件，因而有利于提高切削速度。好的刀具供应商一般都会在其手册或者刀具说明中提供刀具切削线速度的推荐值。

2）主轴转速n。主轴转速是根据允许的切削速度v_c来确定的，即n=1000v_c/πd。理论上，v_c越大越好，这样可以提高生产率，而且可以避开生成积屑瘤的临界速度，获得较低的表面粗糙度值。但实际上由于机床、刀具等的限制，使用国内机床、刀具时，允许的切削速度常只能在100～200m/min范围内选取。

2.与自动化控制相关的工艺参数确定

在数控加工中，由于整个加工过程依程序指令自动完成，其控制方式与普通加工相比有了很大的区别，如加工时进退刀的控制、安全高度的控制、刀具半径与长度值的补偿、铣削方向的控制、冷却方式以及加工特征形状相关的控制，这些工艺参数的设置对工件加工的质量、加工的安全稳定性及加工效率有很大的影响。因此，在CAM编程过程中，合理设置这些工艺参数将使切削达到更佳状态。

（1）进退刀的控制 为使刀具平稳、有效地切入工件，并提高加工质量，在CAM编程中都对刀具的切入方式进行了控制。切削前的进刀方式有两种形式：一种是垂直方向进刀（常称为下刀）和退刀，另一种是水平方向进刀和退刀。

1）垂直方向进退刀方式。在数控加工中，数控编程软件通常有三种垂直进刀的方式：①直接垂直向下进刀；②斜线轨迹进刀；③螺旋式轨迹进刀。直接垂直进刀方式只能用具有垂直进给能力的键槽铣刀，对于其他类型的刀具，只有选择很小的切削深度时，才可使用。而斜线进刀及螺旋进刀，都是靠铣刀的侧刃由小到大斜向下铣削而实现向下进刀的，改善进刀时的切削状态，并可通过设置相应的进退刀参数保持较高的速度和较低的切削载荷。所以这两种进刀方式可以用于端部切削能力较弱的面铣刀的向下进给。

2）水平方向进退刀方式。为了改善铣刀开始接触工件和离开工件表面时的状况，一般的数控系统都设置了刀具接近工件和离开工件表面时的特殊运行轨迹，以避免刀具直接与工件表面相撞和保护已加工表面。比较常用的方式有两种，即“直线”（法向）与“圆弧”（切向），分别需要设定进刀线长度和进刀圆弧半径。精加工时应优先考虑设置圆弧进刀，这样对工件表面质量有较好的保证。

（2）刀具高度的设置 在CAM数控编程过程中，合理确定刀具在各种加工状况下的高度是确保加工安全稳定性的重要内容。在数控编程刀具高度位置设置中，主要有起始高度、安全高度及参考高度等。

起始高度是指刀具进退刀的初始高度。在程序开始时，刀具将先到这一高度；某一加工程序结束后，刀具也将退回到这一高度。起始高度的设置一般与换刀有关。

安全高度是为了避免刀具在加工过程中碰撞工件而设定的高度（Z值）。安全高度是在铣削过程中，刀具需要转移位置时将退到这一高度，再进行G00插补到下一进刀位置。因此，其具体数值的设定也是考虑工件的整体结构，即确保相对整个工件而言，设定的高度是安全的，一般情况下应高于零件的最大高度（即高于零件的最高表面）。

参考高度是指在加工过程中，当刀具需要在两点间移动而不切削时，且移动点之间不存在高度上的干涉，此时刀具所需抬到的高度即为参考高度，如图1-25所示。如果移动线路之间有凸出的部位，则必须将刀具移到安全高度，再进行下到缓刀距离位置。在CAM数控编程中，当分区域选择加工曲面并分区加工时，应注意中间没有选择的部分是否过高，与刀具移动路线发生干涉。在粗加工时，对较大面积且切削量较大的加工通常使用抬刀，以便在加工时可以暂停，对刀具进行检查。在精加工时，常使用不抬刀以加快加工速度，特别是像角落部分的清根加工，抬刀将造成加工时间大幅延长，并形成再次下刀时的刀痕，影响加工质量。图1-25中所指的进给下刀位置指的是加工时刀具以G00快速下刀至距工件表面一定距离，然后以一定的进给速度切入工件。进给下刀距离的设定有助于机床在进给速度方面的缓冲，并确保下刀准确与稳定。但是该值不能太大，因为下刀插入速度往往比较慢，太长的慢速下刀距离将影响加工效率。

图1-25 切削过程下退刀高度示意图(www.xing528.com)

（3）刀具位置点及其补偿 在数控编程中，刀具轨迹的生成是以刀具中心为标准，刀具中心点轨迹即为刀位点轨迹。刀具在实际加工过程中与工件相接触的点称为刀触点。对于各种数控加工刀具来说，刀位点与刀触点的位置关系是不同的，如普通的立铣刀在加工工件轮廓时，由于刀具有一定的半径，因此在实际加工过程中，刀具中心的运动轨迹必定偏离刀具实际接触轮廓点一个刀具半径值。在三维曲面的数控加工中，球头铣刀与环形铣刀的刀位点与刀触点的关系就更为复杂。

此外，在零件加工时，有时还需要考虑加工余量和刀具磨损等因素的影响。因此，刀具中心的刀具轨迹并不是零件的实际轮廓，在手工编程进行二维轮廓切削时，必须加上刀具半径补偿值，如图1-26所示。此值可以在机床上设定，也可在手工编程时用G41、G42进行左、右补偿。使用自动编程软件进行编程时，其刀位计算时将刀位点与刀触点的位置关系自动转换，所以无需在程序中添加。

图1-27 铣削方向

a）顺铣 b）逆铣

图1-26 刀具半径补偿

a）外轮廓加工 b）内轮廓加工

根据加工情况，有时不仅需要对刀具半径进行补偿，还要对刀具长度进行补偿。如铣刀用过一段时间以后，由于磨损，长度也会变短，这时就需要进行长度补偿。在多把刀具交替使用的数控机床上，一般用一把标准刀具的刀头作为控制点，该刀具称为零长度刀具。如果加工时更换刀具，则需要进行长度补偿，所采用的指令为G43（正补偿）、G44（负补偿）和G49（补偿取消）。在加工中心上使用刀具长度补偿时，一般是将刀具长度数据输入到机床的刀具数据表中，当机床调用刀具时，自动进行长度补偿。

（4）铣削方向的设定 在铣削加工中，若切削层厚度由大变小，称为顺铣；反之则称为逆铣，如图1-27所示。逆铣时，切削由薄变厚，刀齿从已加工表面切入，铣刀刀齿接触工件后不能马上切入金属层，而是在工件表面滑动一小段距离，在待加工表面易形成硬化层，降低了刀具寿命，影响工件表面质量。顺铣时刀齿开始和工件接触时切削厚度最大，且从表面硬质层开始切入，刀齿受到很大的冲击载荷，铣刀变钝较快，但刀齿切入过程中没有滑移现象。采用顺铣方式时，零件的表面精度和加工精度较高，并且可以减少机床的“颤振”，所以在铣削加工零件轮廓时应尽量采用顺铣加工方式。粗加工表面较为粗糙的毛坯时，为减少切削的冲击性，可采用逆铣。

在CAM数控编程中，还有不少与刀具轨迹形成相关的工艺参数的设置。这些参数的设置与各种形状特征的加工密切相关，极大地影响加工形状的形成、加工质量的保证和加工效率的提高。如加工时拐角的处理，加工轮廓时刀具与轮廓线位置的处理，多个区域加工顺序的处理等，这些工艺参数的设置在不同的加工方式和加工形状特征时会有所不同，因此在本书中，针对不同的加工形状特征，Cimatron中各种不同的切削方式下工艺参数的设置，将在后续各章中进行详细介绍。

3.加工曲面时与加工精度有关的工艺参数确定

加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状及相互位置）与理想几何参数符合的程度，符合程度越高，精度越高，反之，两者之间的差异即为加工误差。通常所说的加工精度主要是指尺寸精度、形状精度及相互位置精度。另外，对于平面和曲面类加工形状特征而言，表面形状精度是评价加工质量的一个重要因素。数控加工的主要特点之一就是具有较高的加工精度。在数控加工中，造成加工误差的因素主要是由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统所产生的工艺系统的几何误差、定位误差，工艺系统受力变形引起的加工误差，工艺系统受热变形引起的加工误差，工件内应力重新分布引起的变形，以及原理误差、调整误差、测量误差等。一般来说，当前述的切削方式和切削用量设定后，数控加工的精度就能得到较好的保证。另外，在CAM数控编程中，曲面加工表面的精度是加工中的一项重要指标。加工表面精度除了受前述的切削用量参数的影响外，刀轨计算误差和表面残留高度也是影响加工表面质量的主要因素。

（1）刀轨计算误差 由于曲面轮廓是通过由直线和圆弧组成的刀轨线段集合近似地取代刀具的理想运动轨迹（称为插补运动）。因此，实际曲面轮廓与逼近的刀具轨迹必然存在误差，如图1-28所示。

图1-28 曲面轮廓与刀具逼近的刀具轨迹误差

目前，有多种方法通过直线和圆弧来逼近曲线和曲面，逼近误差的大小主要取决于步长的大小及形式。步长（步距）是指每两个刀位点之间的距离，决定刀位点数据的多少。曲线轨迹步长的确定方法有直接定义步长法，即在编程时直接给出步长值，根据零件加工精度确定；或间接定义步长法，即通过定义逼近误差间接定义步长。逼近误差e_r是指实际切削轨迹偏离理论轨迹的最大允许误差。在CAM数控编程中，通常有三种方法定义逼近误差：①指定外逼近误差值，以留在零件表面上的剩余材料作为误差值，一般在表面精度要求较高时采用，可选为0.0015～0.01mm，如图1-29a所示；②指定内逼近误差值，表示可被接受的表面过切量，如图1-29b所示；③同时指定内、外逼近误差，如图1-29c所示。

图1-29 逼近误差的定义

（2）表面残留高度 在数控加工中，两条相邻刀轨间残留的未加工区域的高度，称为残留高度。它是形成工件加工表面的表面粗糙度的主要因素，同时决定了后续的抛光工作量，是评价加工质量的一个重要指标。在利用CAD/CAM软件进行数控编程时，对残留高度的控制是刀轨行距计算的主要依据。在控制残留高度的前提下，以最大的行间距生成数控刀轨，是高效率数控加工所追求的目标。

使用平头铣刀进行斜面的加工或者曲面的等高加工时，会在两层间留下残留高度；用球头铣刀进行曲面或平面的加工时也会留下残留高度；用平头铣刀进行斜面或曲面的投影切削加工时还会留下残留高度，这种残余相当于球头铣刀作平面切削。

以球头铣刀加工平面和曲面为例（图1-30），切削行距d即两条刀具轨迹（指刀具与加工表面的切触点轨迹）之间的线间距，与残留高度（Scallop Height）h、刀具有效切削半径R和曲面沿行距方向的法曲率半径ρ密切相关。其数学表达式为

图1-30 球头铣刀加工产生残留高度示意图

a）曲面加工 b）平面加工

要保持残留高度值不变，则两切削行的步距就应该根据曲面在步距方向的法曲率半径来确定。通常情况下，加工曲面的曲率是确定的，在CAM编程计算中，会对曲面上每个点的曲率自动进行计算，因此，针对一种特定的切削方式或走刀方式，要得到良好的表面加工精度和较高的加工效率，就必须在CAM系统中对行距或残留高度进行正确的设置。在粗加工、半精加工或形状比较平坦零件的精加工的刀具运动轨迹的生成时，可通过直接定义行距来实现，其算法简单、计算速度快，有利于控制加工效率并达到一定的表面精度；当加工工件要求的表面质量较高时，通常用残留高度h来定义行距，这样比较容易保证工件最终的表面质量。在绝大多数CAM系统中，无论是截平面法还是环切法或是等参数线法，其切削行距一般都是等距的，为保证表面精度，往往根据允许的最大残留高度来确定切削行距。对于曲率变化较大的曲面，切削行数量大大增加，程序长，加工效率较低。近年来，提出的等残留高度刀具轨迹生成法，通过控制相邻轨迹间距离使轨迹间的残留高度不变，从而在已知一条刀具轨迹的前提下计算下一条刀具轨迹，使加工后零件表面的残留高度均匀，提高加工效率并获得较好的表面质量。在实际加工过程中，粗加工时，行距可选大些，精加工时选小些。有时为减小残留高度，可对曲面曲率造成的行距大小进行计算和识别，并在相对距离较大的原两行之间进行几次补充加工，实际效果更好些。图1-31所示为等残留高度法加工与等参数法加工的比较，相对于同样的表面粗糙度，等残留高度法的刀具轨迹数明显少于等参数法。

图1-31 等残留高度法与等参数法的比较

a）等参数法所得轨迹 b）等残留高度法所得轨迹