隨著現(xiàn)代制造加工技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)控加工設(shè)備和其配套的CAM 系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。CAM 系統(tǒng)生成的加工刀具軌跡(即走刀方式)是控制設(shè)備加工運(yùn)作的核心,它直接影響加工工件的精度、表面粗糙度、總體加工時(shí)間、機(jī)床刀具的使用壽命等多個(gè)方面,最終決定生產(chǎn)效率。
本文通過(guò)對(duì)走刀方式的不同特點(diǎn),及影響其選擇的部分因素的分析,并且針對(duì)銑削過(guò)程中工藝方法及走刀方式的比較,為如何選擇合適的走刀方式提供了參考依據(jù)。
一、走刀方式
1、走刀方式的基本概念
數(shù)控加工中,走刀方式是指刀具完成工件切削時(shí)的軌跡規(guī)劃方式。在對(duì)同一個(gè)零件加工中,多種走刀方式都可以達(dá)到零件的尺寸及精度要求,但加工效率卻不相同。
2、走刀方式的分類
走刀方式可化分為4類:?jiǎn)蜗蜃叩?、往?fù)走刀、環(huán)切走刀和復(fù)合走刀。復(fù)合走刀是前三種的混合走刀。采用單向或往復(fù)走刀,從加工策略來(lái)說(shuō)都是行切走刀。因此根據(jù)加工策略的不同,走刀方式又可分為行切、環(huán)切和其他特殊方式。通常使用的是行切和環(huán)切。
行切方式加工,有利于發(fā)揮機(jī)床的最大進(jìn)給速度,同時(shí)其切削表面質(zhì)量也好于環(huán)切加工。然而,當(dāng)復(fù)雜的平面型腔帶有多個(gè)凸臺(tái)從而形成多個(gè)內(nèi)輪廓時(shí),常常會(huì)產(chǎn)生附加的抬刀動(dòng)作, 即在刀具軌跡某處,或者為避免刀具與凸臺(tái)發(fā)生干涉,或者為使刀具回至剩余未加工區(qū)域, 就要讓刀具抬起,使之距加工平面有一定高度,再平移至另外一刀具軌跡起始處,然后繼續(xù)切削動(dòng)作。
行切加工刀具軌跡主要由一系列與某一固定方向平行的直線段組成,計(jì)算簡(jiǎn)單。適用于簡(jiǎn)單型腔精加工或去除大余量的粗加工。如圖1—往復(fù)行切刀軌。
環(huán)切加工中刀具沿著邊界輪廓相似的路徑走刀,由一組封閉曲線組成,能保證刀具切削零件時(shí)保持相同的切削狀態(tài)。由于環(huán)切加工是通過(guò)連續(xù)偏置構(gòu)造當(dāng)前環(huán)形軌跡圖來(lái)計(jì)算下一條環(huán)形軌跡,計(jì)算復(fù)雜且耗時(shí)。適用于復(fù)雜型腔及曲面的加工。如圖2 —環(huán)切刀軌。
二、影響刀方式的因素
1、工件自身的形狀及幾何要素:工件自身的形狀及幾何要素包括加工域的幾何形狀、島嶼的大小和位置等方面。這是工件本身固有的特性,是屬于不可變化的因素,但卻是決定走刀方式的根本因素。
2、工藝路線:工藝路線是實(shí)現(xiàn)加工目的的直接過(guò)程,是走刀方式選擇的直接依據(jù)。工藝路線決定了加工域的先后順序,島嶼的合并及拆分,粗加工、半精加工、精加工的劃分等。實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的工藝路線有多種,這就決定了走刀方式的不同選擇。
3、工件材料:工件材料也是決定走刀方式的因素之一,工件材料是直接的加工對(duì)象,并不直接影響走刀方式,但會(huì)對(duì)刀具材料、大小、加工方式等選用產(chǎn)生影響,從而間接影響走刀方式。工件毛坯的形狀和大小等會(huì)造成工件各部分的加工余量分配是否均勻,同時(shí)對(duì)可選毛坯的工件,利用毛坯大小、形狀的不同,會(huì)改變裝夾方式、加工域的重新分配等影響加工策略,導(dǎo)致采取不同的走刀方式。
4、工件的裝夾及緊固方式:工件的裝夾及緊固方式也間接影響走刀方式,如壓板產(chǎn)生的新“島嶼”的影響,緊固力對(duì)切削用量影響而導(dǎo)致走刀方式的改變,振動(dòng)對(duì)走刀方式影響。
5、刀具的選用:刀具的選用包括刀具材料、刀具形狀、刀具長(zhǎng)度、刀具齒數(shù)等,這些參數(shù)決定了刀具與工件接觸的面積大小和頻率,因而決定了單位時(shí)間里切削材料的體積大小和機(jī)床負(fù)荷,其耐磨程度與刀具壽命則決定了切削時(shí)間的長(zhǎng)短。而其中對(duì)走刀方式產(chǎn)生直接影響的是刀具大?。粗睆剑S捎谶x取不同直徑的刀具,會(huì)影響殘留區(qū)域的大小,造成加工軌跡的變化,導(dǎo)致走刀方式的不同。
6、加工域選擇:在銑削過(guò)程中,當(dāng)復(fù)雜的平面型腔帶有多個(gè)凸臺(tái)從而形成多個(gè)內(nèi)輪廓時(shí),對(duì)于行切常常會(huì)產(chǎn)生附加的抬刀動(dòng)作;對(duì)于環(huán)切則會(huì)使加工軌跡加長(zhǎng)。這種附加抬刀動(dòng)作或加工軌跡加長(zhǎng),則會(huì)嚴(yán)重降低切削加工的效率。因此,如何最大限度地減少這種狀況的次數(shù)就是我們所關(guān)注的一個(gè)主要問(wèn)題。
把整個(gè)切削區(qū)域按加工需要分成若干子區(qū)域,分別加工各子區(qū)域,抬刀發(fā)生在各子區(qū)域之間,同時(shí)根據(jù)走刀方式對(duì)這些加工子區(qū)域合并或分割,甚至于忽略。這種不同的加工域選擇,既減少了抬刀次數(shù)又不會(huì)使加工軌跡的相對(duì)變長(zhǎng),同時(shí)可對(duì)新區(qū)域采用最合理的走刀方式,提高了加工效率。
三、走刀方式的合理選擇
1、基本選擇原則
選擇走刀方式時(shí)要考慮兩點(diǎn):一是加工時(shí)間的長(zhǎng)短,二是加工余量是否均勻。一般來(lái)說(shuō),環(huán)切方式是基于工件形狀的走刀方式,加工余量較均勻。而選用行切方式的加工余量較不均勻,若希望行切加工后留下較均勻的余量,通常需要增加圍繞邊界的環(huán)切刀軌。若忽略余量不均勻性要求,行切走刀的刀軌長(zhǎng)度通常是比較短的;若考慮余量的不均勻性而增加環(huán)切刀軌,當(dāng)加工區(qū)域邊界較長(zhǎng)(如多島嶼情況),則圍繞邊界的環(huán)切刀軌對(duì)總的加工時(shí)間影響比較明顯,行切刀軌一般會(huì)比環(huán)切刀軌長(zhǎng)。行切走刀刀位容易計(jì)算,占用內(nèi)存少,但抬刀次數(shù)較多。采用環(huán)形刀軌時(shí),則需要多次對(duì)環(huán)邊界進(jìn)行偏置并清除自交環(huán)。
2、根據(jù)外形特征選擇
工件外形特征決定了加工的走刀方式。根據(jù)加工客體的不同,可將工件簡(jiǎn)單的分成平面形腔類和自由曲面類。平面形腔類一般采用行切方式加工,由于該類工件多為毛坯整體掏銑加工成型,如盒體、基座等零件,加工余量較大,采用行切方式有利于發(fā)揮機(jī)床的最大進(jìn)給速度,提高加工效率,同時(shí)其切削表面質(zhì)量也好于環(huán)切加工。
自由曲面類一般采用環(huán)切加工,主要是由于曲面多為鑄件或由規(guī)則形狀加工成型,余量分布不均勻,同時(shí)曲面對(duì)型面精度要求較高;其次是環(huán)切加工與行切方式相比具有良好的曲面加工特性,更能逼近曲面的真實(shí)形狀。
3、根據(jù)加工策略選擇
零件的加工常分為粗加工、半精加工、精加工三個(gè)加工階段,有時(shí)還有光整加工階段,合理劃分加工階段是保證加工精度所必須的。傳統(tǒng)加工方式因機(jī)床功能相對(duì)單一,所以工藝路線中可較明顯地看出各個(gè)階段的界線,但數(shù)控銑削加工方式下這個(gè)界線相對(duì)模糊,而且可能會(huì)有揉合的情況(如粗加工階段有精加工的內(nèi)容,精加工階段也可能有粗加工的痕跡),從保證加工質(zhì)量考慮,數(shù)控加工時(shí)加工階段的劃分也是需要的,但為了減少裝夾時(shí)間和簡(jiǎn)化走刀動(dòng)作等,如何確定各階段的加工內(nèi)容,考慮的問(wèn)題可能與傳統(tǒng)加工工藝有些不同。
粗加工的主要目標(biāo)是追求單位時(shí)間內(nèi)的材料去除率,并為半精加工準(zhǔn)備工件的幾何輪廓。 故多采用行切方式或復(fù)合方式進(jìn)行層切。半精加工的主要目標(biāo)是使工件輪廓形狀平整,表面精加工余量均勻。故多采用環(huán)切方式。精加工的主要目標(biāo)是獲得幾何尺寸、形狀精度及表面質(zhì)量符合要求的工件。應(yīng)根據(jù)工件的幾何特征對(duì)內(nèi)部采用行切方式,對(duì)邊緣及接合處采用環(huán)切方式。
4、根據(jù)編程策略選擇
編程時(shí)確定走刀方式的原則主要有:應(yīng)能保證零件的加工精度和表面粗糙度的要求;應(yīng)盡量縮短加工路線,減少刀具空程移動(dòng)時(shí)間;應(yīng)使數(shù)值計(jì)算簡(jiǎn)單,程序段數(shù)量少,以減少編程工作量。一般而言,對(duì)于平面形腔類采用行切方式劃分加工域,以減少抬刀次數(shù);自由曲面類環(huán)切方式逼近形狀。毛坯形狀的選用大小會(huì)影響編程的選擇,可通過(guò)加大毛坯外形,將不易裝夾的外形加工轉(zhuǎn)化為易裝夾的行切方式形腔加工;或?qū)⒂铆h(huán)切加工的自由曲面改用行切方式去大余量,以提高加工效率。