基于CAXA的下刀轨迹优化在教学中的应用

沈峰

数控加工技术在我国工业发展中发挥着举足轻重的作用。CAD/CAM技术使加工效率与质量得到了提升。CAXA制造工程师是一款实用性较强的国产数控加工编程软件，为数控加工提供了从造型、设计到加工轨迹生成、仿真模拟等一体化的解决方案，拓展了数控技术的使用。在多年高工班的教学过程中，笔者发现许多学生在手工编程、利用CAXA实现自动编程加工型腔零件没有形成良好的解决方案，特别是利用立铣刀下刀加工过程中会出现各种困难。伴随着封闭的切削环境、切削力、摩擦力、排屑困难等各种加工因素的影响，经常出现崩刃、断刀，工件尺寸变形等诸多问题。这些问题一旦出现，就会为零件的后续加工带来影响，增加刀具更换、Z向对刀的时间，也影响了学生的心情与课堂的效率。如何解决型腔零件加工过程中立铣刀下刀的安全、高效，是数控加工过程中易忽视但又无法逾越的一道坎。现把笔者这几年软件应用和数控加工的体会与大家交流如下。

一、问题分析

1.学情分析

加工型腔零件时，可以选用键槽刀。它的刀头端面中心有切削刃，可以直接下刀切削型腔或环槽，而立铣刀的端面有刀刃，中心无切削横刃，但是键槽铣刀的刚性与强度不如立铣刀的结构，加工效率也不如立铣刀，所以实际加工一般选择立铣刀来加工型腔零件。

中职与五年制高工班机械类专业学生基本为男生，对于操作的细节观察与把握相对不足，对于加工工艺的分析能力与解决问题的能力相对欠缺一些。对于立铣刀加工型腔工件，工艺方法与切削参数设定不合理，极易造成刀具损坏，从而影响加工进程与加工精度。在出现刀具损坏后，学生还未能认识到问题所在，无法采取有效措施，多次经历之后会使学习的积极性受挫，对数控加工课程产生厌学情绪，影响技能的进一步提高。

2.课程设置

现行的数控自动编程与手工编程教材很多，但能把理论与实践相结合，胜任操作课程的教材不多，在重点与细节上相对缺乏指导性。而软件课程与数控操作课程往往存在脱节的情况，CAM环节的课程内容缺乏实际的指导意义。例如下刀参数设置与方式选择，如果没有合理的切削参数，软件生成的刀具轨迹将是非常不可靠，甚至是危险的。

二、解决策略

1.下刀加工前钻削工艺孔，改善加工环境

在型腔加工之前利用麻花钻，钻削至型腔的底部。在保证麻花钻Z向对刀精度时，钻削至型腔的最深处。这样可以大大改善型腔封闭的加工环境，避免立铣刀刀头中间无横刃带来的冲击与振动。该方法简单有效，很好保护了刀刃，改善了切削环境，是初学者比较适宜的加工方式，易于掌握。要注意的是：接下来型腔的铣削下刀点要定位在工艺孔的中心，同时圆弧切入切出的起刀点与退刀点也要在钻孔处。

2.垂直下刀，浅层高速切削，发挥切削用量三要素的最大效能

笔者发现，学生在出现几次下刀失误之后为了避免刀具折断就会降低切削深度，选用小的进给量、低的切削速度。在数控高级工考试或者竞赛中，仍然采用这种模式，甚至一紧张再降低切削参数。而一般数控铣床的主轴转速可以达到6000r/min甚至更高，硬質合金刀具允许的切削速度约100～250m/min。这样的参数选择策略没有发挥数控机床的最大效率，也影响了操作完成时间，导致很多考生未能完成零件加工，最终影响总成绩。笔者认为，在两个切削层之间，刀具从上一层沿Z轴垂直方向直接切入下一层，即刀具垂直下刀未尝不可，但要掌握好深度。实验显示，深度增加一倍，切削抗力会显著增加，所以尽量选用浅层下刀来降低对刀具的冲击与切削抗力对刀刃的影响。一般可以在切削参数的每层下刀设置为1mm。同时根据切削用量选用原则，发挥切削用量三要素的最大乘积效应，降低铣削层高，增大进给量与切削速度。很多学生认为小切深、大进给、高切削速度会影响价格效率，远不如大切深、小进给、低切削速度。这其实是一个误区，没有真正理解高速切削的优势所在。近几年的考工和竞赛反馈，通过两种形式的对比，小切深、大进给、高切削速度优势比较明显，使学生能够适应环境与机床的变化，稳中求进。当然，手工编程可以通过设置层参数来编写简洁的宏程序，简化浅层切削带来的程序量。

3.倾斜插削

刀具从上一层沿斜向折线以渐进的方式切入下一层，直至斜插至每层切削高度，需要设置长度、角度和近视节距方式参数。长度：折线在XY面投影线的长度。一般切削的长度要大于刀具端面无切削刃的直径。近似节距：刀具每折返一次，刀具下降的高度。角度：折线与进刀线的夹角。在加工过程中，刀具下刀到尖轨迹呈现“Z”形下刀轨迹，并伴有机床轻微振动。整个切削过程稳定而平缓，很好地保护了立铣刀的端部刀刃，提高了切削效率。

其实在手工编程中，使用相对编程或宏程序很好解决斜线下刀或者螺旋下刀，但这种方式对于中职学生来说，理解困难，不便于效仿。采用CAXA自动编程实现倾斜下刀比较容易，其中参数设置上需要留意。一般近似节距等于角度的正切乘以切削长度。例如：倾斜角度为5°，在xy平面下刀切削行程为10mm，那么每次下降高度即为10×tan（5°）=0.875mm。例如：倾斜角度为3°，在xy平面下刀切削行程为10mm，那么每次下降高度即为10×tan（3°）=0.524mm。一般角度越大，切削效率越大，切削长度越短；反之，角度越小，则切削效率越小，切削越长。一般角度在3°到10°为宜，可以小于30°。

4.使用螺旋下刀方式

型腔区域与槽加工时，一般采用键槽铣刀来下刀切削，立铣刀切削效率更高，因为中心无刀刃，所以直接下刀会对端部刀刃造成磨损甚至折断。螺旋切削就很好地避免了这一问题。螺旋加工轨迹线在XY方向投影为圆形，高度方向为螺距的倍数。在加工过程中，立铣刀沿着螺旋线切削，伴随着周向角度自变量的变化，直至切削到目标深度。特别是在切削难加工材料的型腔区域时，螺旋下刀以渐进斜插的方式进行加工，从而有效保护了端部刀刃，降低了切削抗力，提高了切削效率。参数设置时，半径为螺旋线的半径。近似节距为刀具每折返一次刀具下降的高度。需要注意的是，“F”的参数设置要小一些，实际螺旋下刀的速度比周向切削效果更快一些。

三、总结与思考

以上四种方法，涉及利用CAXA软件的自动编程加工，是笔者在长期教学中总结出来的，结合型腔零件的切削环境，提出了加工策略，高效简便，既避免了封闭环境下立铣刀下刀易崩刃甚至折断的恶劣环境，又提高了切削效率，充分发挥出机床、刀具潜在的切削性能，保证了工件的精度与加工的连续性，帮助学生有效解决了立铣刀下刀切削问题。

[作者单位：绍兴市技师学院（筹）]endprint