模具高速数控加工中三维曲面建模的研究

李森

摘 要：高速数控加工是当前的一种先进的现代模具加工技术，能够大大提高模具生产的效率和质量。分析了高速数控加工的特点，介绍了模具高速数控加工的编程策略，并对模具高速数控加工中三维曲面建模展开了研究。

关键词：模具；高速数控加工；三维曲面建模；高速铣削

中图分类号：TG659 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.09.054

随着我国工业化进程的不断加快，模具制造行业也取得了迅猛的发展。在现代模具生产加工中，曲面所占的比例越来越大，对加工质量及数控加工工艺提出了更高的要求。高速数控加工作为模具制造中的一项先进技术，以其生产效率高、加工质量有保障、加工工序简洁等优点越来越受人们重视，对其展开研究具有十分重要的意义。

1 高速数控加工特点分析

高速数控加工具有以下几个特点：①切削过程中切削负荷突变，空行程多，导致切削不能连续，频繁产生冲击；②加工过程中切削方向突变，即刀具轨迹尖角多，切削速度不连续；③切削过程中频繁抬刀、进刀；④在用球头铣刀加工三维曲面工件时，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。

2 高速数控加工编程策略

利用计算机辅助制造（CAM）系统进行高速数控加工编程时，刀具路径不仅要满足尺寸和轮廓的高精度要求，同时还要考虑加工工艺的加工细节，选择适当的加工策略和工艺参数来优化各种刀具路径，以改善切削条件，缩短加工时间，减少刀具磨损，避免刀刃破损或刀柄折断等。

高速加工的刀具轨迹必须满足切削时等体积切削要求，即切削过程中切削力恒定，尽量减少空行程，减少进给速度损失。

为了满足上述基本要求，设计的刀具路径应是：①进刀时采用螺旋或弧进刀，使刀具逐渐切入零件，以保证切削力不发生突变，延长刀具寿命。②切削速度连续、无突变，使切削连续平稳，否则，将产生冲击。③切削时顺铣，使切削过程稳定，不易过切，以确保刀具磨损小，表面质量好。④采用小的轴向切深，以保证小的切削力、少的切削热和顺畅的排屑。⑤无切削方向突变，即刀具轨迹是无尖角的，普通加工轨迹的尖角处用圆弧或其他曲线来取代，从而保证切削方向的变化是逐渐的而不是突变的。⑥采用等高线轨迹，加工余量均匀的走刀路线可取得好的效果。采用等高线法的刀具轨迹，刀具沿X轴或Y轴方向平动，完成金属的切削。这样可保证高速加工中切削余量均匀，对加工稳定，尤其是刀具寿命的延长有利。传统方法的刀具轨迹，刀具沿斜线方向时，X，Y方向的插补运动使加工余量不均勻，降低了刀具的耐用度。⑦在走刀方向的选择上，以曲面平坦性为评价准则，确定不同的走刀方向选取方案。对于曲率变化大的曲面，以最大曲率半径方向为最优进给方向；对于曲率变化小的曲面，以单条刀轨平均长度最长为原则选择走刀方向。⑧刀位轨迹生成按照刀位路径尽可能简化，尽量走直线，依照路径尽量光滑的要求选择加工策略和合适的插补方法，保证满足加工面残留高度的要求，并采用过渡圆弧的方法处理加工干涉区，这样在加工时就不需要减速，提高加工效率。

3 高速铣削时刀路轨迹生成的特别设定

在采用球头铣刀对三维曲面工件进行高速切削加工时，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和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。

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。

3.1 在相邻的两行切刀路间附加圆滑刀路转接

如图1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（如图1中②处所示）。另外，经过一定的设置，在图1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，又有效地避免了两行切间的拐硬弯现象，使刀路平滑地转接到下一行去。此种转接方法普遍使用在各种曲面铣削中。

3.2 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2中②处所示，两层间的刀路圆弧转接既有效满足了刀路平滑的要求，又符合螺旋下刀降低切削阻力的问题。另外，如图2中①处所示，附加的圆弧使切入、切出工件沿着切线方向切入、切出，这样也起到了均匀切削负荷的作用。

3.3 利用摆线切削避免全刃径切削

如图3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1道或2道通槽，而不是直接直线走刀切削通槽，在通槽切削出来后，再使用直线走刀切削。这样就有效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均衡，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。

3.4 选择螺线切削路径

当遇到圆形或近视圆形的槽时，摆线切削路径的空切削会很多。这时可以选择螺线切削路径，有效避免全刃径的切削。

3.5 使用有效的螺旋下刀切入工件

如图3中①处所示，当刀具切入工件时，使用螺旋下刀平滑地切入到工件中去。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，系统会自动减小下刀时螺旋的直径，直到能够下刀为止（图3中②处）。但螺旋的直径也不能无限制地减小，要受到下限值的限制。当螺旋直径太小时，就近视为直线下刀了。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。

以上这些设定不是独立存在的，往往是相互交叉的。要有效实现高速铣削，还应该综合考虑，做到合理使用。图1所示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3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2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，这样也可以平滑地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，有多处锐角存在时，就应该采用全部摆线铣削的功能。

4 结束语

综上所述，高速数控加工是模具加工中的一项重要技术，能够极大地提高模具加工效率和质量。在模具加工中，相关技术人员要做好高速数控加工的编程工作，采用有效的方法对三维曲面工件进行建模，从而确保模具生产的质量，提高模具生产水平。本文对模具高速数控加工进行了介绍，以期为相关模具加工提供一定的参考价值。

参考文献

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[2]杨海峰，陈强，刘军.浅谈模具型面高速切削数控加工方式及存在问题[J].民营科技，2016（05）.

〔编辑：刘晓芳〕