数控车在加工沟槽时刀路的优化和分析

(常州刘国钧高等职业技术学校，江苏 常州 213025)

在数控车沟槽的加工中，使用切槽指令G75进行径向切削时，切削力大、排屑困难、尺寸难以保证，这些问题不及时处理就会对刀具和机床造成损伤。本文主要研究如何在CAXA数控车的基础上修改切槽刀路来改善这些问题[1-3]。

1 传统外圆沟槽的加工刀路分析

1.1 传统沟槽的粗加工原理

沟槽粗加工时使用编程指令G75，其刀路如图1所示。

G75的加工方式是径向切削完一个刀宽的长度，接着退出工件外面，轴向移动一个距离，再进行径向切削直到加工完毕，这是传统的槽加工方法，存在如下问题，首先是第一刀切削，刀具的两个切削刃和刀面都受力，如果槽的位置远离卡盘且切削量大，则刀具负荷过重，磨损加快，工件也会因此而晃动甚至飞出；其次是刀具为径向加工，切屑朝着刀具的加工方向排出，没有空间存放切屑，这会导致切屑缠住刀具和工件表面，损坏刀具和划伤工件表面；最后是G75的加工方式是单向的，刀具磨损不均[4-5]。

图1 沟槽粗加工刀路

1.2 传统沟槽的精加工原理

沟槽精加工时使用直线插补命令G01，其刀路如图2所示。

使用G01直线插补进行精加工，其加工刀路是先径向加工槽的一个侧面，接着轴向加工槽的底径，最后径向加工槽的另一侧面。这其中存在的问题是最后进行槽的另一侧面加工时，切槽刀是用刀具的侧面加工，该侧面没有主切削刃锋利，而且在切削过程中刀具和工件作相互运动，工件的受力方向由刀具的引角(设定为5°)决定，它会产生反作用力，反作用力可分解成水平和垂直的分力，对应数控车的轴向分力和径向分力，如图3所示，这会直接导致工件出现弹性形变，特别是在余量只有几百微米甚至是几十微米时，考虑到刀尖圆弧和机床间隙的情况下，刀具会在工件表面产生“滑移”现象，槽的侧面会出现锥度，如果工件材料韧性高，锥度会更明显，这对于一些精度要求比较高的零件无法保证产品质量。

图2 沟槽精加工刀路

图3 沟槽精加工的工件受力分析

1.3 沟槽的传统粗精加工缺陷

(1)沟槽传统粗加工加工缺陷：①第一刀切削力过大；②切削时排屑困难，不利于加工；③刀具切削方向是单向的，刀具磨损不均；④切削速度慢，加工效率低。

(2)沟槽传统精加工加工缺陷：①加工最后一个侧面时刀背切削，出现锥度；②槽的两个侧面加工方向不同，尺寸不容易加工到位。

2 优化后外圆沟槽加工刀路分析

打开CAXA数控车2013，进行外圆沟槽加工，里面加工方向有两种，一种是纵深，一种是横向，CAXA的沟槽加工方向如图4所示。

图4 CAXA的沟槽加工方向

纵深切削为之前G75的切削方式，CAXA的沟槽横向切削刀路如图5所示。

横向切削是先径向切入一个深度，这个深度不能过深，单边最多为1 mm；接着轴向加工槽；最后加工槽的侧面，然后退刀。

CAXA的这种加工方式也存在一些问题，主要表现在以下两个方面：①径向切入时的切削速度和轴向加工的切削速度不一致，但在CAXA里却是一致的，此问题必须得到解决；②CAXA里轴向加工的方向一直是单向的，这会使刀具磨损不均。

图5 CAXA的沟槽横向切削刀路

2.1 沟槽粗加工刀路优化

针对CAXA外圆沟槽加工存在的问题，粗加工刀路优化如图6所示。

图6 外圆沟槽粗加工刀路优化

切槽刀径向切入一个值(比如0.3)，f为0.03；轴向向卡盘方向加工，f为0.1；再切入一个值，f为0.03；轴向远离卡盘方向加工，f为0.1；直至加工结束。这样的加工方式不仅可以解决切削力大、排屑困难的问题，刀具磨损也较均匀，在此基础上还可以提高转速，使切削力变得更小。此外，也可以提高轴向切削速度。

2.2 沟槽精加工刀路优化

切槽的精加工刀路问题在CAXA里并没有改变，尺寸精度还是存在问题，我们对其进行优化，如图7所示。

图7 外圆沟槽精加工刀路优化

对精加工刀路进行分析，刀具首先径向切削槽的一个侧面，然后进行轴向切削加工槽的底径，接着斜方向退刀，径向退刀，轴向进刀，最后径向切削加工槽的另一侧面。这样的精加工方式将刀背切削变成了刀刃切削，减少了加工时反作用力的影响，保证了加工精度，平衡了刀具的磨损。

3 小结

数控车外圆沟槽的粗精加工刀路优化，解决了刀具切槽粗加工时切削力过大、排屑困难等问题，平衡了刀具磨损，而且还可以提高加工的切削速度，提升了加工效率；解决了刀具切槽精加工时无法保证尺寸精度的问题。需要注意的是在粗加工时，轴向切削对刀具的要求较高，刀具的刚性要好。