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切入法铣削(或称全面进给铣削或插进法铣削—译注)提供一种高生产率铣削深凹坑的方法，不需要高速加工。一台较陈旧的加工中心，可能速度较低，但只要机床 刚性好，它有可能通过使用一把长刀具，用一系列的重叠切入，粗切材料，达到高的金属切除率。这些切入是直线的Z轴运动切入工件，类似于钻削运动。某些铣刀 被设计成用于这种切削方法，效率很高，据CAD/CAM发展商Delcam介绍，某些型式的切入法用这类方法切削，效率更高。

Delcam解释它的关于切入法铣削的概念，作为该公司最近在法国巴黎举行的有关航空和航天加工会议的一部分。该公司说，用切入法铣削，很少人想到刀具路径。大多数用户倾向于以为直线、平行的排切入就足够了。

“光栅”型切入如下进行：初始孔加工(或用钻削)以后，第一次切入铣削与这孔重叠(每次切入必须与开口重叠，以便排屑)。然后，第二次切入与第一次重叠， 等等—用直线的排切入，运行凹坑的长度。在铣完这样的第一排以后，刀具登上去，铣第二排，与第一排重叠，等等。

这方法产生第一排的问题，Delcam说。用这方法加工的”槽”留下很小的空间排屑，因而切屑似乎压得太紧密。另外，沿这排重叠每次切入不外乎是先前的切入，因而材料不断堆高。

另外一个问题是，一系列的直排可能不是很好地适合凹坑的形状。对于航空工业中那些典型的、奇形怪状的零件，尤其是这样。如果切入的形状不能适合凹坑的形状，那么，“一个一个直立”的遗留材料可能留在凹坑边缘的周围。

该公司说，一种较好的方法是按圆弧形状接续切入。起点仍然是一个初始孔，第一次重叠切入用它。但是然后，第二次重叠切入可以用第一次切入和初始孔，等等— 以后的切入按照围绕初始孔的圆弧。然后，第二系列的切入可以按照围绕这切出来的区域的轨迹的大圆弧来切入，等等。

典型的、直线型切入的一个明显优点是编程容易。直线悱切入较容易产生软件。较复杂的形状如一系列的弧形，必须由编程员来绘制。按照这种形状进行铣削，确实生产率和效率更高，该公司说，但编程的确要多费些时间。

具备这个特点的CNC，运行同一个零件多次，通过每次的试图改进，能把该零件加工得更好、更快。

为了控制振动，这位机床制造商说，直线电动机与滚珠丝杠比较，选择哪个，不像电动机在哪儿加力那么重要。

一些CNC自夸具有这能力。在什么情况下机床才适合具有这性能？

沿着一种型式的弧的切入法铣削，可以为较慢的机床高效铣削凹坑，提供更好的方法

作者：Peter Zelinski
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刀具半径补偿是数控铣削加工中的常用功能，本文就数控铣削加工中刀具半径补偿的建立和取消、刀具半径补偿量的指定和计算方法、刀具半径补偿功能的应用等进行了介绍。


a)外轮廓加工
b)内轮廓加工
图1 刀具半径补偿
在数控铣床上进行工件轮廓的数控铣削加工时，由于存在刀具半径，使得刀具中心轨迹与工件轮廓(即编程轨迹)不重合。如果数控系统不具备刀具半径自动补偿功 能，则只能按刀心轨迹，即在编程时给出刀具的中心轨迹，如图1 所示的点划线轨迹进行编程。其计算相当复杂，尤其是当刀具磨损、重磨或换新刀而使刀具直径变化时，必须重新计算刀心轨迹，并修改程序。这样既复杂繁锁，又 不易保证加工精度。当数控系统具备刀具半径补偿功能时，数控程序只需按工件轮廓编写，加工时数控系统会自动计算刀心轨迹，使刀具偏离工件轮廓一个半径值， 即进行刀具半径补偿。
1 刀具半径补偿量的指定
数控系统的刀具半径补偿就是将计算刀具中心轨迹的过程交由数控系统执行，编程员假设刀具的半径为零，直接根据零件的轮廓形状进行编程。因此，这种编程方法 也称为对零件的编程，而实际的刀具半径则存放在一个可编程刀具半径偏置寄存器中。在加工过程中，数控系统根据零件程序和刀具半径自动计算刀具中心轨迹，完 成对零件的加工。当刀具半径发生变化时，不需要修改零件程序，只需修改放在刀具半径偏置寄存器中的刀具半径值或者选用存放在另一个刀具半径偏置寄存器中的 刀具半径所对应的刀具即可。

现代数控系统一般都设置有若干个可编程刀具半径偏置寄存器，并对其进行编号，专供刀具补偿之用，可将刀具补偿参数(刀具长度、刀具半径等)存入这些寄存器 中。在进行数控编程时，只需调用所需刀具半径补偿参数所对应的寄存器编号即可。实际加工时，数控系统将该编号对应的刀具半径偏置寄存器中存放的刀具半径取 出，对刀具中心轨迹进行补偿计算，生成实际的刀具中心运动轨迹。

在进行数控加工前，必须预先设置好刀具半径补偿量。刀具半径经补偿量的指定，通常由有关代码指定刀具补偿号，并在代码补偿号中输入刀具半径补偿量，刀具补偿号必须与刀具编号相对应。在加工中，如果没有更换刀具，则该刀具号的补偿量一直有效。

对于刀具半径补偿量的确定，如果是标准刀具第一次使用，可以采用刀具厂家提供的有关参数来确定，如果是已使用过或重磨过的刀具，则应根据实测数据来确定。

a)刀具半径右补偿
b)刀具半径左补偿
图2 刀具半径补偿
2 刀具半径补偿的建立与撤消
数控铣削加工刀具半径补偿分为刀具半径左补偿和刀具半径右补偿，分别用G41 和G42定义。根据ISO 标准，沿刀具前进方向当刀具中心轨迹位于零件轮廓右边时，称为刀具半径右补偿，如图2a 所示。反之称为刀具半径左补偿，如图2b 所示。当不需要进行刀具半径补偿时，则用G40 取消刀具半径补偿。

1. 刀具半径补偿的建立
刀具半径补偿的建立就是在刀具从起刀点(起刀点位于零件轮廓之外，距离加工零件轮廓切入点较近)以进给速度接近工件时，刀具中心轨迹从与编程轨迹重合过渡 到与编程轨迹偏离一个刀具半径值的过程。刀具半径补偿偏置方向由G41(左补偿)或G42(右补偿)确定，如图3 所示。

图3 建立刀具半径补偿
在图3 中，建立刀具半径左补偿的有关指令如下：
N10 G90 G92 X-10. Y-10. Z0；定义程序原点，起刀点坐标为(-10，-10，0)。
N20 S900 M03；启动主轴。
N30 G17 G01 G41 X0 Y0 D01；建立刀具半径左补偿，刀具半径偏置寄存号D01。
N40 Y50. ；定义首段零件轮廓。
其中，D01 为调用D01 号刀具半径偏置寄存器中存放的刀具半径值。
建立刀具半径右补偿的有关指令如下：
N30 G17 G01 G42 X0 Y0 D01；建立刀具半径右补偿。
2. 刀具半径补偿的取消
与建立刀具半径补偿过程类似，在零件最后一段刀具半径补偿轨迹加工完成后，刀具撤离工件，回到退刀点，在这个过程中应取消刀具半径补偿，其指令用G40。 退刀点也应位于零件轮廓之外，距离加工零件轮廓退出点较近，可以与起刀点相同，也可以不相同。在图3中假如退刀点与起刀点相同的话，其刀具半径补偿取消过 程的命令如下：
N100 G01X0Y0；加工到工件原点。
N110 G01G40X-10Y-10；取消刀具半径补偿，退回到退刀点。
3. 注意事项
* G41、G42 为模态指令；
* G41(或G42)必须与G40 成对使用；
* 编入G41(或G42)、G40 程序段，用G01(G40 程序段亦可用G00，但一般用G01)功能及对应坐标参数；
* G41(或G42)与G40 之间的程序段不得出现任何转移加工，如镜像、子程序加工等。
3 刀具半径补偿量的变化
在刀具半径补偿代码中输入的刀具半径补偿量是一个标量数值，而数控系统内部认定的补偿量是一个补偿矢量，补偿矢量由数控系统自行计算。补偿矢量的大小与刀具补偿代码指定的补偿量相等，其方向在每个程序段中随刀具的移动不断变化。


图4 刀具补偿量的计算

a) 工件外侧加工
b) 工件内侧加工
图5 刀具半径补偿量与刀心轨迹
刀具半径补偿量的变化一般在换刀时出现。对连续的程序段，当刀具半径补偿量变化时，某一程序段终点的矢量(同时也是下一程序段起点的矢量)要用该程序段指定的刀具补偿量进行计算，如图4 所示。
4 刀具半径补偿量的正负与刀具的刀心轨迹
在数控程序的编制中，一般我们把刀具的半径补偿量在补偿代码中输入为正值(+)，如果把刀具半径补偿量设为负值(—)时，在走刀轨迹方向不变的情况下，则 相当于把数控程序中的补偿位置指令，G41、G42 互换，即加工工件外侧的刀具变为在内侧加工，如图5a、图5b 所示。在加工表面不变的情况下，刀具走刀轨迹方向将发生相应的变化。
5 刀具半径补偿的开始与Z 轴的切入操作
开始切削加工前，在离开工件的位置预先加上工刀具半径补偿(通常在XOY 平面或与XOY 平面平行的平面上)，之后进行Z 轴方向的切入。为保证程序运行后得到正确的工件轮廓而不产生过切，编程时必须注意加工程序的结构。

如图6 所示，在XOY 平面内(或平行于XOY 平面的平面内)使用刀具半径补偿功能(有Z轴移动)进行轮廓切削，设起点在(0，0，100)处，当刀具半径补偿从起点开始时，由于接近工件及切削工件时 要有Z 轴移动，按以下程序加时就会出现过切现象，并且系统不会报警停止。

a)正确补偿轨迹
b)存在过切现象的补偿轨迹
图6 刀具半径补偿轨迹
O 0001
N1 G90 G54 S1000 M03 ；
N2 G00 Z100 ；
N3 X0 Y0 ；
N4 G01 G41 X20 Y10 D01 F100 ；
N5 Z2 ；
N6 Z-10 ；
N7 Y50 ；
N8 X50 ；
N9 Y20 ；
N10 X10 ；
N11 G00 Z100 ；
N12 G40 X0 Y0 ；
N13 M05 ；
N14 M30 ；
根据刀具半径补偿功能编程规则，在XOY 平面内(或平行于XOY 平面的平面内)建立刀具半径补偿后，不能连续出现两段Z 轴的移动指令，否则会出现补偿位置不正确。当半径补偿从N4 程序段开始建立的时候，数控系统只能预读其后的两个程序段，而N5、N6 两段程序段都是Z 轴移动指令，没有XOY 平面内的坐标移动，系统无法判断下一步补偿的矢量方向，这时系统并不报警，补偿照样进行，但是N4 程序段执行后刀心轨迹目标点发生了变化，不再是图中的P 点，而是如图6b 所示的P1 点，这样就产生了过切(图中阴影部分)。为避免这种过切，可以在建立半径补偿之前，选择一个不会发生干涉的安全位置，使Z 轴以快速运动接近工件后，再以进给速度进给到切削深度。将上述程序改为：

图7 刀具直径改变化，加工程序不变

P1——粗加工刀心轨迹 P2——精加工刀心轨迹
图8 利用刀具半径补偿进行粗精加工
N1 G90 G54 S1000 M03；
N2 G00 Z100；
N3 X0 Y0；
N4 Z5；
N5 G01 Z-10 F100；
N6 G41 X20 Y10 D01；
N7 Y50；
N8 X50；
N9 Y20；
N10 X10；
N11 Z100；
N12 G40 X0 Y0 M05；
N13 M30。
采用这个程序段进行加工，就可以避免过切的产生。
6 刀具半径补偿功能的应用

1. 刀具因磨损、重磨、换新而引起刀具直径改变后，不必修改程序，只需在刀具参数设置中输入变化后刀具直径。如图7 所示，1 为未磨损刀具，2 为磨损后刀具，两者直径不同，只需将刀具参数表中的刀具半径r1 改为r2，即可适用同一程序。
2. 用同一程序、同一尺寸的刀具，利用刀具半径补偿，可进行粗、精加工。如图8 所示，刀具半径为r，精加工余量为D。粗加工时，输入刀具直径D=2(r+D)，则加工出虚线轮廓。精加工时，用同一程序、同一刀具，但输入刀具直径D= 2r，则加工出实线轮廓。
3. 在现代数控系统中，有的已具备三维刀具半径补偿功能。对于四、五坐标联动数控加工，还不具备刀具补偿功能，必须在刀位计算时考虑刀具半径。




作者：覃岭
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插削
利用插刀在竖直方向上相对工件作往复直线运动加工沟槽和型孔的切削加工。插削的工作方式与刨削类似，但插刀装夹在插床滑枕下部的刀杆上，可以伸入工件的孔 中作竖向往复运动，向下是工作行程，向上是回程。安装在插床工作台上的工件在插刀每次回程后作间歇的进给运动。插刀的材料主要用高速钢，在插削钢和铸铁时 的切削速度一般为15～25m/min。为了避免回程中插刀后刀面与工件发生剧烈摩擦而损伤已加工表面和降低刀具寿命，可采用活动式插刀杆。插削的效率和 精度都不高，故在批量生产中常用铣削或拉削代替插削。但插刀制造简单，生产准备时间短，故插削适于在单件或小批生产中加工内孔键槽或花键孔，也能加工方孔 和多边形孔。对于不通孔或有　碍台肩的内孔键槽，插削几乎是唯一的加工方法。

图3 普通插床
插床
利用插刀的竖直往复运动插削键槽和型孔的机床。插床一般用于插削单件、小批生产的工件，有普通插床、键槽插床、龙门插床和移动式插床等几种。普通插床的滑 枕带著刀架作上下往复的主运动，装有工件的圆工作台可利用上、下滑座作纵向、横向和回转进给运动。键槽插床的工作台与床身联成一体，工件安装在工作台上。 从床身穿过工件孔向上伸出的刀杆，带著插刀一边作上下往复的主运动，一边作断续进给运动。它的特点是工件安装不象普通插床那样受到立柱的限制，故适于加工 大型零件(如螺旋桨)孔中的键槽。
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对淬硬钢进行高速铣削是一种先进加工技术，属于有效的硬铣技术之一。长期以来，人们一直采用铣削一磨削或者铣削—电火花加工(EDM)的方法实现对模具的 加工。虽然电火花加工具有与工件硬度无关的工艺特点，但较低的材料去除率使它的应用范围受到限制。随着现代加工技术的发展及超硬刀具材料的出现，以铣代 磨、以铣削代替EDM进行高效经济的模具加工已成为可能，并在生产中取得了显著的经济效益。
采用硬铣技术加工模具，不但使加工周期大为缩短，而且加工质量得到了可靠保证。在主轴高速旋转下进行硬铣削可获得无铣痕的表面，其表面粗糙度可达Ra0.6µm。
1 硬铣削的加工特点
硬铣削与电火花加工相比有以下特点：

1. 高效率 硬铣加工节省了EDM电极设计制造所占用的大量时间且具有较高的材料去除率，加工质量显著提高，大大缩短或消除了工具钳工的配研修磨时间，使模具加工效率大为提高。
2. 高质量 硬铣削加工模具时，直接将淬硬工具钢一次安装加工成形，有效地避免了零件多次安装造成的装夹误差，提高了零件的几何位置精度。采用高速铣削可获得无铣痕的加工表面，使零件表面质量大大提高。
3. 冷却润滑要求低 通常硬铣削可采用干铣或使用少量冷却润滑液，无需EDM专用工作液循环过滤系统，同时冷却润滑液的处理过程也比EDM方便得多。
4. 投资少硬铣加工既可以在专用的CNC机床或加工中心上进行，也可以在用高速主轴进行改装的普通机床上进行。后者不仅具有普通机床的加工能力，而且还可进行 硬铣削，减少了设备投资，增加了机床柔性。目前，国外一些厂商已相继开发出一些专用的高速主轴，如IBAG Zurich公司开发的0.125～60kW的大锥度夹紧主轴，其转速可达12×103～80×103r/min，并配有冷却液供应系统。


图1 各种工具材料的高温硬度

1.KT9 2.LN10 3.CR1 4.NIT 5.硬质合金 6.金属陶瓷
图2 不同切削条件下工具材料的选择
2 硬铣刀具与切削用量选择

1. 硬铣刀具材料的选择
目前，用于硬铣削的刀具材料主要有聚晶立方氮化硼(CBN)、陶瓷、新型硬质合金和涂层硬质合金等。
1. CBN 刀具材料 CBN的晶体结构为面心立方，具有很高的硬度、极强的耐磨性和良好的导热性，且与铁族元素之间有很大的惰性，在1300℃也不会发生显著的化学作用。同 时，对酸碱亦有良好的稳定性。研究表明，用CBN复合片刀具切削硬度HRC35～67的淬火钢尤为成功。因此，CBN刀具在硬铣加工中具有特殊的地位。
2. 陶瓷 陶瓷材料具有良好的耐磨性和热化学稳定性，其硬度、韧性低于CBN，可用于加工硬度HRC<50的零件。
3. 新型硬质合金和涂层硬质合金 这两种材料成本较低，适合切削硬度在HRC40～50之间的工件。
各种工具材料的高温硬度比较如图1所示。
在进给量为0.15mm/r，切削深度0.5mm以下时，按照切削加工条件推荐铣削淬硬钢的刀具材料如图2所示。
近年来，工具制造厂商陆续推出了最新产品。如日本黛杰JBN铣刀高速(切削速度v≥100m/min)切削HRC60以上的高硬度材料时，其刀具耐用度达 60min以上，并形成系列产品。瑞典Seco铣刀也形成完整系列，以满足各种铣削加工要求。

2. 铣刀直径选择
试验研究表明，有效加工淬硬钢需要用小直径铣刀。无论用球头铣刀还是圆柱铣刀加工三维曲面，刀具直径越小，其纵向干涉越小。因此，选择刀具直径时，对于具 有外凸形纵向轮廓曲面的工件，应根据其工件结构、铣刀强度、刚度及加工效率综合考虑；对于内凹形纵向轮廓面的工件，铣刀最大半径应小于或等于纵向内凹轮廓 处的最小曲率半径。

3. 切削用量选择
工件材料的切削加工性、刀具材料都对切削用量选择产生直接影响。工件材料越硬、强度越高，切削速度应越低。硬铣削的切削速度范围90～200m/min为 宜。根据工件硬度和刀具材料推荐的切削速度值如图2所示。切削深度一般取0.1～0.4mm，进给量取0.1～0.2mm/r为宜，使用JBN300加工 不同材质的淬硬钢时，在冷却润滑连续切削条件下，其推荐切削用量见表1。
表1 JBN300加工淬硬钢的切削用量被加工材料及硬度 切削速度v
m/min 进给量f
mm/r 切削深度d
mm
结构钢渗碳淬火
HRC55～65 100～120 0.05～0.30 0.1～0.5
结构钢渗碳淬火
HRC45～55 150～200 0.05～0.30 0.1～0.5
工具钢淬火
HRC55～65 100～120 0.05～0.20 0.1～0.5

精铣时，为了获得更高的精度和表面质量，可选用较高的切削速度和较小的进给量。

3 硬铣削对机床的要求

1. 高转速 由于采用小直径铣刀和高切速，机床必须具有高速主轴。
2. 高刚性 为了获得良好的加工质量，机床必须具有足够高的刚度，以防止切削时刀具颤振对加工质量的不利影响。
3. 良好的刀具夹紧装置 用以保证刀具与主轴的最优同轴度。

比卧式加工中心更为经济的立式加工中心的普及应用，为复杂型面的硬铣加工提供了机床保证。
表2 连杆锻模高速铣削工艺参数工序 切削速度v
m/min 进给量f
mm/r 切削深度d
mm 铣刀
直径
mm 刃口圆弧半径
mm
粗铣 Ⅰ 160 0.177 0.3 6 0.8
Ⅱ 151 0.150 0.3 4 0.5
Ⅲ 151 0.125 0.3 4 0.5
精铣 Ⅰ 151 0.10 0.2 3 -
Ⅱ 151 0.05 0.075 3 -
4 硬铣削在模具加工中的应用
硬铣削作为高效加工模具的新方法，在模具制造中得到了广泛应用。例如，国外某公司制作连杆锻模，用电火花加工型腔需12～15h，电极制作2h。改用硬铣 削后，采用Torus立铣刀对硬度HRC60的淬硬工具钢进行加工，其相关工艺参数如表2所示。整个锻模加工只需3h20min，工效提高4～5倍，加工 表面粗糙度达Ra0.5～0.6µm，质量完全符合要求。

作者：潍纺高等专科学校 杨祖孝
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1 引言

高 速铣削技术是最近几年新出现的一种加工方法，因其可以有效地对高硬度材料进行加工等优秀特点，经过不断的发展，现在已经广泛的应用到航空、轿车、锻模等制 造领域。在高速铣削时机床主轴转速高达8000～30000rpm，进给速度在3～6m/min左右，加工中能否使机床及刀具保持恒定的切削负荷非常重 要。虽然现在某些数控机床可以部分实现在加工中的切削负荷的自适应，但刀具轨迹的不合理编排也会产生对机床及刀具较大的惯性冲击，这种冲击对机床的主轴也 是非常不利的，会影响主轴等零件的寿命。因此对高速铣削的编程要非常仔细，它要求CAM软件能提供新的刀具切入方式，使刀具在不同的切削形式下与被切削材 料保持相对恒定的接触状态，另外还应选择合适的刀具进给和切削深度等参数，这些工艺方案必须符合高速切削的实际要求。

2 高速铣削编程时需要注意的几个原则

高进给，高转速，低切削量是基本原则；
垂直进刀要尽量使用螺旋进给，应避免垂直下刀，因为这样会降低切削速度，同时会在零件表面上留
下很多刀痕；
要尽一切可能保证刀具运动轨迹的光滑与平稳，程序中走刀不能拐硬弯，要尽可能地减少任何切削方向的突然变化，从而尽量减少切削速度的降低；
要尽量减少全刀宽切削，保持金属切除率的稳定性；
最好使用顺铣，且在切入和切出工件时，使用圆弧切入和切出方法来切入或离开工件；
如果数控系统支持，最好采用NURBS输出，以减小程序量，提高数控系统的处理速度。

出于安全考虑，在输出程序前需进行仔细的碰撞和过切检查。

3 高速铣削时生成轨迹时的特别设定

基于高速铣削技术的飞速发展，目前绝大多数CAM软件都提供了对高速铣削的支持，下面就以各软件普遍具有的功能进行说明。

在用球头铣刀加工三维曲面工件时，刀具的实际加工直径是随轴向进给量或刃口接触点而变化的。高速铣削机床的高转速主轴和高进给速度，要求尽量采用小的进给量和小的切削深度，且随着三维曲面
的 变化，刀具刃口的实际接触点是在不断变化的，直径过大的球头铣刀的加工直径与名义直径相差太大，切削速度不好匹配，不容易获得较高的表面质量。因此，为了 保持刀具的最佳切削速度及切削性能并获得最佳加工表面，最好的办法是在刀具的刚性可以克服切削力的情况下采用直径尽可能小的刀具。

选定刀具后就是刀路的合理设置了，在设置刀路时要依据以上所提到的一些原则，主要的解决方法是附加合理的圆弧转接，下面以几个实例来说明高速铣削的特别设定。

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图1


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图2


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图3


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图4
在相邻的两行切刀路间附加圆滑刀路转接

如 图一所示，在使用软件所提供的刀路光顺化设置后，相邻行切刀路中的行间移刀中自动附加了圆滑的转接（图一中②处所示），另外经过一定的设置，在图一中①处 又附加了圆滑的刀具切入及切出转接。这样既保证了刀路轨迹的平滑又有效的避免了两行切间的拐硬弯现象，使刀路平滑的转接到下一行去了，此种转接方法普遍的 使用在各种曲面铣削方法中。

在相邻的两层切削刀路间附加圆滑刀路转接

在曲面等高切削等涉及到相邻两层切削刀路间的 移刀情况出现时，最有效的方法是附加圆滑刀具转接。如图二中②处所示，两层间的刀路圆弧转接既有效的解决了刀路平滑的要求，又符合螺旋下刀减少切削阻力的 问题。另外如图二中①处所示，附加的圆弧使切入、切出工件时是沿着切线方向切入切出的，这样也起到了均匀切削负荷作用。

利用摆线切削避免全刃径切削
如 图三中①处所示，在曲面切槽加工中，当用螺旋下刀切入工件后，正确的方法是利用摆线切削摆动前进切开一道或两道通槽，而不是直接直线走刀切削通槽，在通槽 切削出来后，再使用直线走刀进行切削。这样就有效的避免了全刃径的前进切削，使得整个曲面切槽加工的每刀的切削负荷更加平均了。另外如图三中②处所示，在 转弯处也增加了摆线接近和附加圆弧转角，使得刀路更加平滑化了。

当遇到圆形或近视圆形的槽时，摆线切削路径的空切削将会很多，这时可以采用如图四所示的螺线切削路径，螺线路径也有效的避免了全刃径的切削。

使用有效的螺旋下刀切入工件

如 图五中①处所示，当刀具切入工件时使用螺旋下刀平滑的切入到工件中去，另外还应该为螺旋直径设定一定的变化范围，当下刀位置不够螺旋直径时，系统会自动的 减小下刀时螺旋的直径，只道能够下刀为止（图五中②处）。但螺旋的直径也不能无限制的减小，要受到下限值的限制，当螺旋直径太
小时，就近视的为直线下刀了，此时要设定为采用斜坡下刀方式解决，而且最好使用一个斜坡就下到尺寸处，来回的斜坡加工会产生很剧烈的硬拐弯。


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图5
以 上这些设定不是独立存在的，往往是相互交叉的，要有效的实现高速铣削，还应该综合的考虑，要做到合理使用。如图一的方法在刀具行间距较大时可以使用，当精 切时两行间距太小时，即使附加圆弧转接也会因圆弧直径太小而近视为直线转接，此时要使用到如图五中③处所示的行间摆线横越，或是变更铣削方法，使用从中间 摆线铣进，中间往两边分开环剥铣削，以增加两行的间距的方法。如图二所示的方法在多岛曲面铣削时会遇到附加圆弧空间距离不够的情况，此时就要变更方法，使 用随动铣削，在相对较平坦的一边曲面上附加跟随曲面变化的沿层间下降的曲线或直线，这样也可以平滑的过渡到下一铣削层中去。在使用摆线开槽，直线铣进的曲 面切槽中，当槽轮廓不规则，具有多处锐角存在时，就应该采用全部摆线铣削的功能。


4 高速铣削程序后置输出前的优化


除了合理设置刀具路径外，在高速铣削后置输出为高速铣用程序前还应该对刀路及切削参数进行一定
的优化处理。具体包括进给率平顺化、转弯的减加速、碰撞过切检测、材料切除率均匀化检测等优化措施。
在刀具路径设置时给出了基础的切削进给速度，曲面加工时产生的刀具路径很多，每一步骤的刀路都有相应的切削速度，一般设定为当进给率的变化小于10%时，将几个相邻的不同进给率合并成一个，这样机床切削过程中要相对平稳一些。

当转弯前后的两条刀路间的夹角为锐角时，要设定在转弯处的切削进给率，CAM系统会在转弯前后的一定距离内将切削路径分为几段，并且对各段赋于不同的切削进给率，使之达到在转弯前由正常切削进给率降到转角所设定的切削进给率，转过弯后又逐渐加速到正常切削进给率的效果。

高 速铣削进给非常的快，所以碰撞检查非常重要，要逐个解决系统提示的可能的碰撞。又由于高速铣削附加的刀具路径太多，如果在设置加工平面、检测平面、切削边 界、加工方法等各项时未协调好，就很容易出现过切现象，所以也应进行精心的过切检测，在输出程序前仔细的排除掉系统检测到的过切刀路。

为了使刀具具有较恒定的切削负荷，在后置前还要进行材料切除率的优化设定，当某一刀路切除率高时就会适当的降低切削进给率，反之适当的增加切削进给率，空切时加大到机床的最大进给率，这样可以有效的均匀切削负荷。

5 结语

高速铣削技术解决了许多加工难题，有效的提高了加工效率和工件的表面和内在质量，它将越来越得到快速的发展。有效的高速切削，除了对机床和切削刀具具有很高要求外，还对CAM软件、切削方法以及操作者的技术熟练程度等有很高的要求。
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1．复杂型面的主要加工方法

复 杂型面在工具和模具制造中的出现是大批量市郊率生产的产物。在汽车工业中使用的锻模和冲模在数控机床出现以前主要以手工方式制造。至70年代以后，数控机 床在工具和模具制造中得到了广泛的应用，复杂型面的基本轮廓通常用铣削加工，最初使周围数控机床为三轴联动。进入80年代后，五轴联动的铣床在复杂型面加 工中得到了广泛的应用，铣削后的工件轮廓已经十分接近工件的最终形状，但最后一道精整工序仍为手工操作。80年代末期，高速切削技术逐步发展成熟，它在工 业生产中的应用从机床、刀具及其他相关技术方面都得到了不断的完善。由于高速切削能够成倍地提高进给速度，所以在不降低生产效率的情况下使减少进刀间距成 为可能，从而为提高工件的形状精度和降低表而粗糙度提供了前提条件。目前，高速铣削加工过的工件多数已不再需要最后一道手工加工的工序，而直接可以投入使 用。

新型刀具材料如氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金属陶瓷、硬质合金特别是超硬镀膜的不断发展，使硬面铣削成为可能。模具的型面可以在淬火后铣削成形，从而可避免在铣削后再淬火而引起变形。这样既简化了加工过程，又可以提高工件精度。

另 外，随着精密锻造在模具制造中的应用，锻打后的模具毛坯已经具有其基本形状，所剩的加工余量与整块毛坯铣削时相比已经微不足道，在这种情况下，除铣削外， 还可以通过高效磨削进行加工。与硬面铣削相比，高效磨削不但可以提高工件的形状精度，而且可以改善工件的表面粗糙度。高效磨削的方法很多，通常采用的有球 面砂轮高速磨削和小直径带轮的砂带磨削。

2．复杂型面数控加工的技术关键

1. 五轴多功能加工中心

工 具和模具中常见的三维自由曲面通常在五轴联运的加工中心上进行切削。由于工件的材料大多为合金钢或工具钢，机床的结构和数控系统必须考虑加工过程中生产率 和工件精度的要求，并以此为依据进行适当的布局和优化。为了保证机床在切削各种模具材料时不发生太大的变形，在确定机床布局时，机床刚度应放在首位。较大 的五轴加工中心，多半采用龙门式结构，一些中小尺寸的五轴加工中心有时也采用立柱式结构。进入90年代以来，复杂型面在生产中几乎全部以高速切削的方式进 行加工。目的是为了提高生产效率，降低产品的成本，同时提高工件的形状精度和降低表面粗糙度。为了满足高速切削的需要，机床的主轴几乎无一例外地采用电主 轴。主轴转速根据所用刀具直径的不同进行无级变速，转速范围从每分钟几千转至几万转。滑台的驱动系统在高速切削时也不同于常规加工中心，常用的系统有高速 丝杠螺母副驱动和直线电机驱动，最大的进给速度可以达到100m／min以上。

在加工复杂型面时，机床的数控系统也必须满足一些特殊 要求。比如，复杂型面的数控加工程序一般在CAD／CAM软件上生成，一个型面的程序往往需数兆字节（Byte）的储存空间，用软盘传递数控程序已经没有 可能。所以数控系统必须有与其他计算机系统联网的功能，以便直接从CAD／CAM上接收数控程序。

此外，数控系统还必须采用先进的控 制技术，首先要求有前瞻（Look Ahead）的功能。也就是说，在机床加工某一轨迹前，数据系统对要加工的曲面进行预先分析，根据曲面各点的曲率以及各相邻点的衔接关系，适当调整机床的 进给速度，以便在保证工件精度的前提下达到最高的生产率。为了减少加工过程中的动态误差，新型的数据系统伺服误差的校正不再采用以往的串联式比例微分积分 （PID）调节器，而是采用按位置和速度等状态参数进行补偿的状态调节器，采用这种调节器可以彻底消除驱动滞后误差，补偿由于间隙或摩擦引起的非线性误 差，甚至可以抵消机床的某些振动，从而达到提高工件形状精度和降低表面粗糙度的要求。

2. 刀具系统

刀具系统在加 工复杂型面时对生产效率和加工质量起决定性作用。在选用刀具系统时，必须首先从被加工年零件几何形状出发，合理采用刀具的种类。如图1所示的工件，各个部 位的几何形状差异很大。如果只采用球头铣刀进行加工，则必须选用直径很小的球头铣刀，这样就很难提高加工效率。另外，某些部位的圆弧半径很小，即使用很小 的球头铣刀也无法加工。因此，考虑到生产效率和工件形状两方面的要求，在加工复杂型面的五轴联动加工中心上必须配备其他类型的铣刀，如端铣刀和三面刃铣刀 等。

点击此处查看全部新闻图片图2是一些选用铣刀类型。只要尺寸允许，不管是哪种形状的刀具，切削刃宜采用机夹可转位铣刀片。这样的 刀具由于刀片和刀体可以进行多种组合，且刀片和刀体可以在不同公司进行生产，所以可形成大规模专业化生产，既有利于提高刀具的质量，又有利于降低刀具的生 产成本。

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目前市场上的可转位刀片，大多采用CVD镀膜的硬质合金刀片。为了达到更高伪抗磨 损性，可转位刀片均采用多层镀膜。比知用Al2O3可以提高刀片的化学稳定性。用TiN和TiCN则可增强刀片的耐磨性。为了增强刀片的锋利的程度，镀膜 除了可用低温CVD方法生成外，还可以用PVD方法产生。有些加工对刀片的要求十分严格，刀片既要有锋利的切削刃，以降低精加工表面的粗糙度，又要有极高 的耐磨性，以保证工件的形状精度。这种性情况下，必须采用多种镀膜的组合。有的刀片为了确保使用过程上万无一失，镀膜层数可多达100层。3. 工艺过程的优化

刀具的寿命与进给量、切削速度和切削深度密切相关。最佳切削用量常常是一个很小的范围，要根据具体的刀具与工件材料情况进行确定。

此 外，切削策略如：走刀路径的规划，刀具轴线曲面法矢（曲面在该点的法向方向）或沿曲面切矢（曲面在该点的切线方向）的不同方式等，也是加工复杂型面的一个 关键性因素。它不仅影响被加工工件的表面粗糙度，也影响到工件的形状和尺寸精度。图3是加工一个柱形曲面时采用的不同切削策略。在圆周方向进行切削，刀具 轨迹要进行两轴联动插补。在用沿母线方向进行切削时，刀具只需作单轴的插补。另外，不同的切削方法，刀具的磨损差别很大，顺铣时的刀具磨损明显低于逆铣， 往复铣削时的磨损远远大于单向铣削。

点击此处查看全部新闻图片为了提高加工过程的稳定性，优化切削策略时，必须保证切削的连续性，同时尽可能减少走刀运动和空行程，以便缩短切削时间。粗铣钢件时，必须保证连续顺铣，尽量降低刀刃在切削过程中切削量波动的峰值。

加工图4所示的工件时，假如采用图5a所示的行切轨迹分区加工；刀具的运动很不合理，切削条件很不理想，加工时间需要33min，工件表面粗糙度为6～9μm。倘若改用图5b所示的圈切轨迹分区进行加工，加工时间约需27min,工件的粗糙度也可降至2～4μm。

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高 速切削是当今世界制造业中一项快速发展的高新技术。在现代工业发达国家，高速切削作为一种新的切削加工理念，被愈来愈多的机械工程师所认可。而高速切削所 带来的高切削效率和高切削精度，也是为了不断满足制造业不断发展的需要。汽车工业所追求的零件生产效率和模具制造业所追求的精密模具硬质材料的切削，都促 使高速切削技术蓬勃发展。

一、高速铣床在制造业中的典型应用

用小切削量、高切削速度代替传统的大切削量、低切削速度，提高加工效率和加工精度

在传统的大切削量、低切削速度的切削加工形式中，切削冲击大，并产生大量的切削热，使刀具和工件产生一定程度上受压变形和热变形，降低了生产率和加工精度。

在 高速铣削加工中，采用小切削量、高切削速度的切削形式，改变了刀刃部位的机理，促使切削性能的改善和切削力的降低，大量的切削热量被高速离去的切屑带走， 即使在无任何冷却条件的情况下，工件和刀具的热变形和受压变形还是很小的，在高切削效率下，又能得到高切削精度。用此方法可加工薄壁轻型构件成电极，在加 工工件很长而刚性较差的情况下，也能取得满意的加工效果。

对硬质材料表面加工代替电火花加工

在刀具能满足切削条件的情况下，在一定范围内可以对硬表面进行铣削加工，尤其是对硬度在HRC46～60之间的表面，铣削可以部分取代电火花加工，如加工锻模或拉伸模等。在同样的加工时间内，它所达到的表面粗糙度比电火花加工还好。

二、高速铣床在模具制造中的应用

我 厂是一家专业橡胶模具制造厂，为了提高产品的制造能力和市场竞争力，1997年初引进两台五轴五联动高速铣床DIGIT—218。该机床主轴电机功率 6kW，最高主轴转速为28000r/min，最高进给速度为10m/min，最大进给加速度为5m/s2。经过两年来的不断摸索和总结，初步掌握了高速 铣削的加工特点和基本的应用技术。

高精度铝质模具型腔的加工

高精度铝质模具型腔的加工，是众多模具制造厂家的一大 难题。由于铝材料的熔点较低，在传统的铣削加工时，大量的切削热使部分铝屑熔化，使铝屑粘附在刀具上，使得加工后型腔表面质量达不到设计要求。要获得较高 表面质量型腔，后道工序需要大量的手工操作，如铲刮、抛光等，但型腔的加工精度无法控制。如我厂为奥地利客户加工的铝质橡胶扶手带模具，模具型腔长达 1500mm，尺寸精度误差±0.05mm，表面粗糙度Ra0.8&mirco;m，原制造工艺为粗刨—半精刨—精刨—手工铲刮—手工抛光，制造 周期60h，仍无法满足客户的要求。

采用高速铣床加工时，半精加工切削参数：主轴转速18000r/min，切深2mm，进给速度5m/min；精加工切削参数：主轴转速20000r/min，切深0.2mm，进给速度8m/min，加工周期6h，模具质量能满足客户的要求。

轮 胎模具型芯的加工在轮胎模具的加工过程中，需要加工一种型芯，外形类似于一只汽车轮胎，上面刻满了各种轮胎花纹。传统加工方法加工时，需经历十几道工序， 全部用手工完成，一般的轮胎花纹加工，需14天左右，而对复杂的轮胎花纹，需加工20天以上，质量仍无法达到设计要求。现采用高速铣床加工，工件材料为可 加工塑料，加工参数为：主轴转速18000r/min，切深2mm，进给速度10m/min，加工时间24h，型芯质量能满足加工工艺的要求，并使我厂轮 胎模具加工水平和质量达到国内先进水平。

标准梯形块的加工

在我厂的一种产品中，需要一种高标准的梯形块，两个梯形 侧面是其他零件安装的基准面。过去曾采用过多种方法，如线切割加工、数控铣床加工、工具磨床加工等，均无法达到设计要求。现采用高速铣床加工，工件材料为 45钢(调质)，硬度为HB290，加工参数为主轴转速12000r/min，刀具为12mm立铣刀，切深0.5mm，进给速度3m/min，加工时间 2h，质量完全达到设计要求。 三、存在问题

合理加工参数的选择

高速切削作为一种新的切削方式，尚没有完整的加工参数表可供选择，也没有许多加工实例可供参考。因此，如何选择合理的加工参数，达到最佳切削效果，是高速切削应用中的一个首要问题。

合适的刀具选择

刀 具作为高速切削的切削工具，是高速切削推广应用中的一个关键问题。传统铣削中，切削速度不可能超200m/min，因此，国内市场上要寻找一把切削速度超 过500m/min的铣刀是很困难的，更不要说切削速度超过1000m/min的铣刀了。如何开发出能满足高速切削要求刀具，是国内众多刀具生产商面临的 一个新挑战。 大多数CAM软件，没有考虑到高速切削问题

由于高速切削是一种新的加工理念，所以，在众多的CAM软件中，都没有考虑 到高速切削问题，例如，高速切削加工复杂轮廓时，要求保持一种有规律的匀速，不允许有明显的滞后现象，否则将会烧坏刀具，而一般CAM软件处理轮廓的NC 程序，在曲率变化大的部分，为了保证插补精度，会有明显的滞后现象产生。

高速切削作为一种新的机械加工技术，正在被众多的企业所采用，随着诸如刀具、加工参数选择、CAM软件等问题的逐步解决，高速切削必将对传统制造业产生深刻的影响。
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