信息时代数控铣削的刀具路径优化技术

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1、信息时代数控铣削的刀具路径优化技术摘要：在加工过程中，工艺员在编制数控加工程序时对刀具参数、铣削方式、刀具路径等了解不透，造成模具曲面加工质量不高，加工工时过长和刀具使用寿命降低。当参数和路径选择不当时，模具会曲面过切甚至报废。因此，如何对多准则数控铣削刀具路径进行优化有很重要的意义。文章详细地介绍了数控洗削刀具路径的优化步骤，并以加工模具曲面时数控铳削刀具路径的优化为实例进行了分析，对数控铣削刀具路径的优化研究具有一定的指导意义和参考价值。关键词：数控铣削；刀具规划；加工质量；路径优化1数控铣削刀具路径的优化准则1.1基于

2、安全性的刀具路径优化在数控加工过程中，刀具路径是其重要参数，在加工过程中，必须将安全放在首位。在刀具路径规划时，其中最主要的问题就是考虑刀具在快速的点定位过程中是否会与障碍物发生碰撞。1.1.1快速点定位的刀具路径优化在对刀具路径规划时，必须注意刀具的快速移动路径，尤其注意工件表面的接触，必须保证刀具与工件具有一定的安全间隙。如图1所示，刀具在Z方向上快速进击时，必须谨慎考虑是否会出现撞刀。在不同情况下，工件与刀具之间的安全间隙的大小也有不同的选择。例如想要缩短加工时间，则可取较小值，但是该值过小则会产生危险。总之，对于间隙

3、量大小的选定不只是一个简单的数据的选取，更是与加工工件材质、操作人员的技术经验等都有密切的关系。在铣削加工中，刀具从X，Y向靠近工件的情况与上述从Z向快速进给至工件的情况有所不同，因为刀具从X，Y向工件靠拢的过程中，刀位点没有在工件边缘，而是处在工件圆心，始终与刀尖相差一个刀具的半径和工件的半径之和的距离。因此在设计刀具与工件在X，Y方向的安全距离时，除了要考虑前面提到的相关内容外，还需额外考虑到刀具半径。必须使准备切削点处刀尖到工件原点的距离大于工件半径与刀具半径之和；同时刀具切出点也必须满足该条件。具体实例如图2所示。1

4、.1.2避免障碍物的刀具路径优化在刀具快速移动的过程中，必须保证没有障碍物的存在。铣削加工中常见的障碍物有：机床工作台及卡盘、分度头，虎钳、夹具、工件的非加工结构等。这些障碍物的存在不仅对选取工件的预留安全间隙有极大的影响，易发生撞刀；同时还使得刀具路径的规划变得复杂繁琐。与此同时，还应真正理解撞刀的含义，它不仅仅指刀头与障碍物的碰撞，还包括了刀具其他部分与障碍物的碰撞，如刀柄与夹具的碰撞。数控编程代码G00的意思便是快速点定位，即快速地将刀具从一个点移动到另外一个点，但需要注意的是，CNC数控加工中的两点间点的移动不一定全

5、是直线，如图3所示。点定位路线便是由两部分构成。一是刀具沿几轴等速移动，然后是单轴驱近目标点的折线，只有注意到点定位的实际意义及实际路线，才能真正避免出现碰撞。同时需要注意的是，不仅是GOO,G28,029,G30,G81-G89,G73等代码的路线也有可能出现同样的问题。1.2数控铣削工件刀具路径的优化1.2.1基于尺寸精度刀具路径的优化工件加工的尺寸精度、形位公差等的确保主要依靠于机床的进给运动的定位精度，对于闭环伺服系统的机床，其定位精度取决于检测装置的测量精度，但不得不说的是，大多数机床采用的是半闭环进给伺服系统，它

6、们的尺寸精度等与数控机床的丝杆副、齿轮副的传动间隙的制造精度有极大的关系。因此在加L精度较高的工件时，必须在设计刀具路径的时候考虑到传动系统对加工的影响，这样才能设计出较好的定位路线。如图4所示，在不同要求下对于6个尺寸相同的孔的加工，其刀具路径也有不同的设计方法。（a）中明显可见对孔的位置精度要求较高，此时在设计路线时一定要注意孔的点定位路线的设计，避免坐标轴的反向间隙影响位置精度，下面就对该例进行分析。若按（b）所示的路线加工，则由于4,5,6孔与1，2,3孔的Y轴定位方向相反，Y轴传动系统的反向间隙影响1，2,3孔的位

7、置精度。若按（c）所示的路线加工，将6个孔的定位方向都选成Y轴方向，这样就可避免反向间隙的引入，因此提高了孔的位置精度。1.2.2基于工艺系统刚度刀具路径优化为保证工件的完美加工，刀具路线的设计必须考虑到刀具切削力的影响，切削力不仅决定了零件加工的能耗，更是决定了零件加工过程中的工艺系统刚度。因此应尽量选取使得工件加工顺利进行但切削力最小的刀具路径进行设计。例如对于薄壁类零件，它的加工难点在于如何防止工件加工变形。随着铣削加工的顺利进行，零件厚度逐渐变薄，零件刚性降低，加工变形增大，容易发生切削振颤，影响零件的加工质量和加工

8、效率。1.2.3基于表面质量刀具路径的优化工件表面质量的影响因素主要是刀具运动后留下的轨迹，具体来说就是刀在加工过零件后，会留有未加工到材料，这样的材料离理论工件面的高度称为残留高度，极大地影响了工件的表面质量。如图5所示，球头铣刀在加工空间曲面和变斜角轮廓时，刀具路径间距的大小选取，是影