轴向切割中下刀和提刀技巧与禁忌

下刀是程序开始切削前的第一个Z轴动作，提刀则是程序结束前的最后一个Z轴动作，几乎所有的数控加工程序都不可避免地会遇到这个问题。下刀与提刀的编程技巧主要有以下几点：

1.下刀与提刀速度的选择技巧与禁忌

（1）下刀与提刀速度的选择技巧 下刀速度的选择要考虑与工件之间的关系。

1）在工件毛坯之外下刀时，可用快速定位指令G00直接下刀，如图3-13所示，图中刀具加工路径为：起刀点S→快速下刀至点s→快速定位至点1，启动刀具半径右补偿→进给切削轮廓至点2→快速定位至点e，取消刀具半径补偿→快速提刀至退刀点E，取消刀具长度偏置。

2）在工件毛坯之上直接下刀时，一般采取G00+G01的方式下刀，即G00下刀至工件表面3～5mm位置处，然后转G01切入工件，如图3-14所示。假设凸轮槽已经过图3-10所示的刀具轨迹粗铣，这里换一把略大一点的刀具精铣凸轮槽。加工路径为：起刀点S→快速定位至点1→快速下刀至点2→进给下刀至点a（槽底）→沿a-b-c-d-e顺时针方向精铣凸轮槽→进给提刀至点3→快速提刀至点4→快速返回至退刀点E，程序结束。

图3-13 G00直接下刀

图3-14 G00+G01的下刀与提刀

（2）下刀与提刀速度的选择禁忌

1）工件毛坯材料之上垂直下刀严禁用G00切入材料。

2）提刀速度的选择，一般情况下可以用G00直接提刀，但对于精加工且侧壁表面质量有所要求的场合，建议用G01提出工件表面后再转为G00的提刀速度，如图3-14的轨迹“e→3→4”段。

2.下刀与提刀路径的选择技巧与禁忌

下刀与提刀路径的选择需考虑刀具端面的切削性能以及工件加工面表面质量的要求等因素，具体讨论如下。

（1）立铣刀底部结构分析 如下所述：

立铣刀底部结构对下刀路径的选择有直接的影响。图3-15所示为圆柱立铣刀常见结构。其中图a端面有一个沉孔及中心孔，限制了其直接下刀不宜太深；而图b端面刃进行改进，端面至少有一条切削刃延伸至中心；图c所示为键槽铣刀，圆柱面上的圆周切削刃的螺旋角较小，端面的切削刃直接至中心，且强度较好，可直接下刀，但其仅有两条切削刃，切削表面质量稍差；图d、e所示为专为曲面数控加工设计的刀具，其端面切削刃至少有一条延伸至中心，因此其可用于直接下刀，但其主要用于曲面加工。

图3-15 立铣刀底部结构分析

a）、b）圆柱立铣刀 c）键槽铣刀 d）圆角立铣刀 e）球头铣刀

实际中，为适应数控加工端面下刀的需要，近年来，端面切削刃延伸至中心的改进型平底圆柱立铣刀应用广泛，三刃以上的立铣刀端面刃至少有一条延伸至中心，如图3-16所示。

立铣刀圆周切削刃长度l对下刀路径也是有一定影响的，螺旋角β相当于圆周切削刃的刃倾角，β越大，则圆周切削刃越锋利，同时端面切削刃前角增加，切削刃虽然锋利但强度有所下降。

机夹式立铣刀的结构由读者自行分析，这里不详细讨论。

（2）直接下刀方式 对于工件毛坯外下刀，一般可直接下刀至所需深度，如图3-13所示。

图3-16 平底圆柱立铣刀

在工件毛坯材料上下刀，直接下刀要考虑铣刀端面切削刃的结构和工件下刀处的状态。其使用技巧如下：

1）对于图3-15a所示的圆柱立铣刀，必须先钻中心孔。对于图3-14所示的精加工情形，可见其直接下刀也是没有问题的。

2）若不钻中心孔直接下刀，可考虑采用图3-15c所示的两刃键槽铣刀。

3）图3-16所示的三刃以上的平底圆柱铣刀，尽可能不要过多地用于直接下刀，因为其刀尖强度稍低，刀尖易破损。

4）对于强度与韧性较大的工件加工，尽可能避免过深地直接下刀。

图3-17所示为一个下刀的典型示例，可用于上机练习。图3-18为其加工轨迹示意图。

由图3-18可见，外廓加工的刀具轨迹为：起刀点S→快速定位至点1→快速下刀至点2→直线切削至点3，启动刀具半径右补偿→直线切线切入外轮廓至点4→逆时针加工至点5（与点4重合）→圆弧切线切出至点6→直线切削至点7，取消刀具半径补偿→快速提刀至点8→快速返回至退刀点E。“5”字图案加工的刀具轨迹为：起刀点S→快速定位至点10→快速下刀至点20（工件上表面5mm）→进给下刀至点30（深度3mm）→横向切削“5”字图案至点40→快速提刀至点50→快速返回至退刀点E。图中，外廓加工为工件毛坯外下刀，故直接下刀至深度5mm位置。“5”字图案为材料上直接下刀，因此，先快速下刀至工件上表面3～5mm处，然后转G01进给下刀至深度3mm位置。

图3-17 “5”字三维图案及尺寸

图3-18 “5”字图案直接下刀刀轨

直接下刀是利用刀具端面的切削刃加工，所有切削刃同时加工，刀具易磨损与崩刃，特别是端面切削刃未过中心时不可能下刀太深，应用场合受到一定限制。

应用技巧与禁忌：

1）进给下刀切入材料的进给速度应小于横向切削的进给速度，一般取其1/2。

2）严禁快速下刀接近工件表面，快速移动与进给切削转换点一般取在工件表面上3～5mm位置处。

（3）斜坡下刀方式 斜坡下刀又称斜插下刀，是以刀具外圆柱面上的圆周切削刃加工为主，通过控制进给速度，可较好地调整切削条件，应用广泛。

图3-19所示为斜插下刀加工“5”字图案的示例，加工路径为：起刀点S→快速定位至点1→快速下刀至点2（工件上表面5mm）→进给下刀至点3（工件上表面）→斜坡下刀至点4（深度3mm）→横向切削“5”字图案至点5→进给提刀至点6（工件上表面3mm）→快速提刀至点7→快速返回至退刀点E。

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图3-19 “5”字图案斜坡下刀刀轨

图3-20 “5”字图案螺旋下刀刀轨

应用技巧与禁忌：

1）斜坡下刀要注意控制斜坡角度，一般取6°～8°，刀具直径大则坡角小。

2）斜坡下刀的进给速度应适当降低。

3）因为属材料上下刀，因此需先进给下刀接触工件，然后转为斜坡下刀，严禁快速下刀至工件表面。

（4）螺旋下刀方式 螺旋下刀可以认为是斜坡下刀的变种，是用螺旋插补指令实现的斜坡下刀方法。图3-20所示为螺旋下刀的应用示例，其加工路径为：起刀点S→快速定位至点1→快速下刀至点2（工件上表面5mm）→进给下刀至点3（工件表面）→螺旋下刀至点4（深度3mm）→横向切削“5”字图案至点5→进给提刀至点6（工件上表面3mm）→快速提刀至点7→快速返回退刀点E。

图3-10所示为螺旋下刀的另一个应用示例，槽深分4刀加工，先用螺旋下刀切削至每一层的深度，然后用圆弧插补切削一层，第4层切削至点3后还需继续用圆弧插补指令切削至点4，将螺旋插补留下的斜坡余料去除，完成凸轮槽的粗加工。

图3-21 斜坡与螺旋下刀应用延伸（1）

（5）斜坡下刀与螺旋下刀的延伸应用 斜坡或螺旋下刀这种基于圆周切削刃切削下刀的方式，应用非常广泛。

图3-21所示为一应用示例，图中两个圆弧槽采用螺旋往复下刀，刀具路径为：起刀点S₁→快速下刀至点1（工件表面上3mm）→进给下刀至点2（工件上表面）→螺旋往复下刀至点3（孔底）→圆弧插补铣削孔底面至点4→进给提刀至点5→快速提刀至退刀点E₁。中间的槽采用斜坡往复下刀，又称为“之”字形下刀，刀具路径为：起刀点S₂→快速下刀至点1（工件表面上3mm）→进给下刀至点2（工件上表面）→斜坡往复下刀至点3（孔底）→直线插补铣削孔底面至点4→进给提刀至点5→快速提刀至退刀点E₂。矩形槽采用等深度斜坡下刀，即走完一个封闭周长下降5mm，为保险起见，从工件上表面0.5mm处开始斜坡下刀，铣到槽底后，在深度不变的条件下铣削整个孔底深度至符合要求，具体刀具路径为：起刀点S₃→快速下刀至点1（工件表面上3mm）→进给下刀至点2（工件上表面0.5mm）→沿槽中心线单向斜坡下刀铣至点3（孔底）→深度不变铣削孔底一圈至点4（与3点重合）→进给提刀至点5→快速提刀至退刀点E₃。

图3-22所示为另一应用示例，分别为应用往复斜坡下刀和连续螺旋下刀方式实现型腔粗铣的下刀，精铣轮廓采用的是直接下刀。另外，图3-10所示为部分螺旋下刀应用示例，图3-11所示为连续螺旋下刀的应用示例。

图3-22 斜坡与螺旋下刀应用延伸（2）

a）往复斜坡下刀 b）连续螺旋下刀

（6）提刀 提刀的路径相对简单，基本均是直接提刀，仅提刀速度不同，前面已讨论。

3.下刀/提刀路径与刀具补偿（偏置）关系的讨论

刀具补偿与偏置是同一个概念的两种不同表述，在FANUC 0i的官方操作说明书中，关于刀具长度部分称偏置，刀具半径则用补偿，即刀具长度偏置与刀具半径补偿。

（1）下刀/提刀路径与刀具半径补偿的关系 讨论如下：

1）刀具半径补偿的作用。刀具半径补偿功能是使刀具轨迹按一定的偏置量偏离编程轨迹移动，在二维轮廓铣削中应用广泛。要可靠地实现刀具半径补偿功能，容易忽视的一个问题是：刀具半径补偿的建立与执行期间，偏置平面内不得出现两个或更多连续的非工作平面内移动的程序段（包括Z轴移动、辅助功能、暂停指令等），否则，可能出现过切或欠切现象。另外，刀具半径补偿的建立与取消指令必须在直线程序段中执行，且一般成对使用。

2）下刀/提刀刀具路径与刀具半径补偿的关系。图3-23所示为容易出错的一个编程轨迹，刀具路径为：起刀点S→直线移动至s点，启动刀具半径右补偿（G42）→快速下刀（G00）至点1→进给下刀（G01）至点2→横向切削经点3、4、5、6、7至点8→快速提刀（G00）至点e→快速返回至点E，取消刀具半径补偿。这个刀具路径初看起来似乎没有问题，但仔细分析可以发现，执行程序段（S→s段）启动刀具半径补偿，其后出现了两段连续的Z轴移动（s→1→2），CNC系统预读的这两个程序段无法确定第3段（2→3段）的补偿方向，导致程序段（S→s段）无法建立起刀具半径补偿，刀具移动至点2时，刀心仍然在点2上，只能在2→3段的直线移动段建立刀具半径右补偿，移动至点3后才启动完成刀具半径右补偿，当然在程序段2→3段会出现过切现象。

图3-23 下刀路径与刀具半径补偿的关系

a）三维刀具轨迹 b）平面视图及轨迹

刀具半径补偿的建立与取消一般成对使用，即加工结束前一般要取消刀具半径补偿功能，确保刀具回到起刀点的位置，这一点对于G92指令建立工件坐标系尤为重要。仍以图3-23为例，若程序段（e→E段）未使用指令G40，则刀具实际到达的位置并非图示与点S重合的位置，而是偏移一个偏置矢量（图中未示出）。

应用技巧与禁忌：

1）对于二维轮廓铣削并要实现刀具半径补偿功能时，尽量遵循先下刀、后半径补偿的原则，如图3-9b所示。

2）严禁刀具半径补偿启动后与执行期间出现两段连续的下刀轨迹。

3）刀具半径补偿的取消指令G40一般与启动补偿指令G41/G42成对使用，确保返回起刀点，这一点对G92指令建立工件坐标系尤为重要。提刀路径尽可能安排在刀具半径补偿取消动作之后。

（2）下刀/提刀刀具路径与刀具长度偏置的关系 讨论如下：

1）刀具长度偏置作用。刀具长度偏置是数控铣削加工，特别是多刀加工不可回避的问题。刀具长度偏置一般采用一个指令G43，通过正、负不同的长度偏置值实现刀具长度的正、负向偏置。刀具长度偏置的结果是实现刀具下刀与提刀高度的控制，控制不好可能出现撞刀现象或Z轴超程问题。

2）下刀/提刀刀具路径与刀具长度偏置的关系。图3-24a为图3-13考虑长度后的刀具路径示意图，参考程序如图3-24b所示。刀具长度偏置安排在程序段N30（S→1），执行完该程序段，可确保刀具刀位点距工件上表面5mm高度。当然，该程序为规范的写法，对于图3-24a所示的工件毛坯轮廓外下刀，可用G00直接下刀至切削深度，这时，只需将程序段改写为G43 H01即可。退刀时一般在提刀至退刀点E的程序段取消刀具长度偏置，如图中的程序段N120（e→E）。这一段如果不用G43指令取消刀具长度偏置，当E点距Z轴行程的上止点较近时，可能出现Z轴超程问题。

图3-24 下刀/提刀与刀具长度偏置的关系

a）刀具路径 b）参考程序

编程技巧与禁忌：

1）对于下刀动作为G00+G01的刀具路径，启动刀具长度偏置指令一般放在第一段的G00动作上，长度偏置指令为G43 H01 Z，Z轴坐标为G00指令下刀终点高度坐标。对于下刀动作仅为G00的刀具路径，用长度偏置指令为G43 H01.，首先完成长度偏置，然后用G00下刀即可。

2）即使单刀的数控铣床加工程序，长度偏置的程序段还是保留为好，可用于更换刀具的加工，当然，若没有长度偏置的程序段，则需改变工件坐标系的Z轴偏置值等。

3）若前面使用了刀具长度偏置指令，程序结束之前应取消刀具长度偏置，确保刀具返回起刀点，这是一种良好的编程习惯。G49指令一般安排在提刀至程序结束点的程序段，如图3-24中的e→E段。