平面型腔加工方法探讨

丁仁华

（常州机电职业技术学院机械工程系，江苏常州213164）

型腔是指具有封闭边界轮廓的平底或曲底凹坑，而且可能具有一个或多个不加工的岛屿（如图1），当型腔底面为平面时，即为二维型腔，或称为平面型腔。型腔类零件在模具、飞机零件加工中应用普遍，有人甚至认为，80%以上的机械加工，均可以归结为型腔加工[1]。

图1 型腔类零件示意图

型腔的加工，包括型腔区域的加工与轮廓加工，该轮廓包括边界与岛屿轮廓，根据型腔侧壁与地面间的过渡要求，一般采用立铣刀或环形刀进行加工。

型腔的切削加工，包括轴向进刀及型腔内部加工。对于平面型腔的加工，选用立铣刀，根据型腔区域的大小选择刀具的直径。一般来说，尽量选择直径较大的立铣刀进行加工。型腔区域的加工通常分为粗加工和精加工。

1 刀具轴向进刀方式的选择[2]

（1）起始点预钻孔，角落也可预钻削。因为这需要增加一种刀具，因此一般不推荐这种方法。再从切削的观点看，刀具通过预钻削孔时因切削力而产生振动。当使用预钻削孔时，常常会导致刀具损坏。使用预钻削孔，也会增加切屑的再切削机会。

（2）使用球头立铣刀或圆刀片刀具，通常采用啄铣，以保证全部轴向深度都能得以切削。使用这种方法的缺点是排屑困难，并且圆刀片会产生非常长的切屑。

（3）最佳的方法，是使用X/Y和Z方向的线性坡走切削，以达到全部轴向深度的切削。

（4）采用螺旋形式进行圆插补铣，也是一种不错的方法，因为它可产生光滑的切削作用，而只要求很小的开始空间。

2 刀具径向走刀轨迹的确定

刀具在轴向进刀后，然后就要分析刀具径向的走刀轨迹。径向加工时，对于刀具直径的选择，有如下问题：选择大直径刀具，可以获得较高的加工效率，但如果是形状复杂的二维型腔，将产生大量的欠切削区域，需进行后续处理；若采用小直径刀具，则会降低加工效率。因此可以2种刀具混合使用，达到加工效率与控制欠切削区域的统一。按型腔的形状可以分为4种类型：圆形型腔，方形型腔，不规则型腔及带岛屿型腔[3]。

（1）圆形型腔。圆形型腔，一般从圆心起刀，按螺旋形式轴向进刀，选用立铣刀或键槽铣刀。

加工时，刀具快速定位到R点，从R点转入切削进给，刀具按宽度（行距）H进刀，按圆弧走刀，H值的选取应小于刀具直径，一般H=（0.8～0.9）Ф，以免留下残留。依次进刀，直至圆形型腔尺寸（如图2所示）。

图2 圆形型腔加工

（2）方形型腔。方形型腔的内腔区域，应用最为广泛的走刀路线为环切和行切，其共同特点都是切净内腔区域的全部面积，不留死角，不伤轮廓，同时尽量减少重复走刀的搭接量。从加工效率（走刀路线长短）、代码质量等方面横量，行切与环切取决于型腔边界的具体形状与尺寸及岛屿的数量、形状尺寸与分布情况，还可以将行切与环切混合使用（如图3所示）。

（3）不规则型腔。对于不规则型腔，程序较规则形状要复杂，计算工作量可能会比较大。为简化编程，一般可先将其变为内轮廓进行加工，再将剩余部分变成无界平面进行铣削加工（如图4所示）。由于所剩部分已远离边界，可以用方格纸进行取近似值，只要不碰到边界即可。如图4中双点划线所示，为剩余轮廓腔，近似取值，加工较为容易。

图3 方形型腔走刀路线

图4 不规则型腔加工

图5 带岛屿型腔加工

（4）带岛屿型腔。带岛屿型腔粗加工的刀具轨迹，是从型腔边界向里及从岛屿轮廓向外偏置铣刀半径R并留出精加工余量而形成，它是计算内腔区域加工走刀路线的依据（如图5所示）。分析计算时，先按精加工型腔内轮廓及岛屿外轮廓加工（如图5中点划线所示）。至于剩余部分，变成无界平面进行铣削加工。若是多个岛屿或出现不规则岛屿，则计算工作量偏大，一般可以使用CAD、UG等软件处理。对于刀具的选择，则要求刀具半径足够小，特别是使用改变刀具半径补偿的方法进行粗、精加工时，保证刀具不能碰到型腔外轮廓及岛屿外轮廓。

3 结束语

对于一具体的型腔，采用不同的走刀方式，可以得到不同的轨迹的程度。通过比较，原则上可以得到较优的走刀方案，但更具有智能化的型腔加工方案（如基于模糊模式识别的方法）仍有待进一步研究。

[1]周 济，周艳红.数控加工技术[M].北京：国防工业出版社，2002.

[2]刘 江.模具型腔切削加工技术[J].模具制造，2003，(10)：49-50.

[3]孙德茂.数控机床铣削加工直接编程技术[M].北京：机械工业出版社，2004.