高速切削的刀具路径

张永强

以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的高速切削技术，最近十几年发展迅猛，在航空航天、模具制造及精密微细加工等领域得到了广泛应用。因此，高速加工技术的研究已成为国内外制造领域重要的研究项目之一。

确定刀具路径应满足的基本要求

高速切削不仅提高了对机床、夹具、刀具和刀柄的要求，同时也要求改进刀具路径策略，因为若路径不合理，在切削过程中就会引起切削负荷的突变，从而给零件、机床和刀具带来冲击，破坏加工质量，损伤刀具。在高速切削中由于切削速度和进给速度都很快，这种损害比在普通切削中要严重的多，因此，必须研究适合高速切削的路径，将切削过程中切削负荷的突变降至最低。可以说，高速切削机床只有有了合理的高速刀具轨迹才能真正获得较大效益。

为了消除切削过程中切削负荷的突变，刀具路径应满足以下基本要求：

切削是等体积切削，即切削过程中切削力恒定。
尽量减少空行程。
尽量减少进给速度的损失。

通用的刀具路径

为了满足上述基本要求，设计的刀具路径应是：

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。
切削速度的连续和无突变，使切削连续平稳，否则，将产生冲击。
切削时使用顺铣使切削过程稳定，不易过切，刀具磨损小，表面质量好。
采用小的轴向切深以保证小的切削力、少的切削热和排屑的顺畅。
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。这样有两点好处：一是现代高速机床的控制系统都有程序段前视和尖角自动减速功能，即在到达尖角前，将自动降低进给速度，这样虽然减小了冲击，且避免了过切，但却损失了进给速度。轨迹是无尖角的，自然也就避免了这种情况的发生；二是在尖角处切削负荷会突然加大，引起冲击。轨迹是无尖角的时候这种问题同样不存在

a常规切削的刀具轨迹 b高速切削的刀具轨迹

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或Y轴方向平动，完成金属的切除，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匀，降低了刀具的耐用度。

粗加工刀具路径

粗加工时常用的刀具路径有：

Z向等高线层切法，即将零件分成若干层，一层一层逐层往下切，在每层中将零件的所有区域加工完再进人下一层，在每一层均采用螺旋或圆弧进刀，同时采用无尖角刀具轨迹。这样有利于排屑，也避免了切削力发生突变。对薄壁件来说，更应采用这种刀具轨迹，因为这种刀具轨迹在切削过程中还能使薄壁保持较好的刚性。

等高线层切法
插铣刀具路径。对于深度很深的腔体的粗加工可采用插铣的方法来进行，因为腔体很深时，需要很长的刀具，这时刀具的刚性很差，按常规的切削路线切削刀具易变形，而且也易产生振动，影响加工质量和效率，采用插铣的轨迹正好可解决这一问题。

摆线刀具路径。另一种更新的粗加工刀具轨迹是摆线刀具轨迹，“摆线”是指当一个圆沿着一条曲线作纯滚动时，圆上某一固定点的轨迹。采用这种刀具轨迹使刀具在切削时距某条曲线(一般是零件的轮廓线及其平移线)保持一个恒定的半径，从而可使进给速度在加工过程中可保持不变，而且这时的径向吃刀量一般取刀具直径的5%左右，因此刀具的冷却条件良好，刀具的寿命较长。这对高速加工是非常有利的。

精加工刀具路径

精加工时常用的刀具路径有：

先在陡峭面用Z向等高线层切法加工，然后在非陡峭面采用表面轮廓轨迹法加工；
精加工方法一
先用表面轮廓轨迹法加工所有面，再在垂直方向上加工陡峭面。
精加工方法二
薄壁件的精加工采用Z向等高线层切法。

当然在加工过程中同样每一层都要尽量作到螺旋或园弧进刀，采用无尖角刀具轨迹。

其他的刀具路径

如加工的是单一型腔的薄壁件，应尽量采用图8所示的走刀路线，它比单纯的等高线逐层切法对保持薄壁的刚性更好，从而保证加工余量均匀，零件变形小。

薄壁件推荐走刀路线
对薄底零件应采用从离支撑最远的点开始切削，分层切削直到深度到位；每次深度铣到以后再向支撑处移动一个径向切深，重复上一步的过程，直至切削完成。相当于将薄壁件的等高线逐层切法转动90°。这样才能在切削时较好地保持零件刚性，避免振动。

结论

从以上的分析不难看出，刀具路径的优化对高速切削是非常必要的对不同形状的零件及不同的加工过程应采用不同的刀具轨迹，但螺旋或圆弧进刀、切削速度的连续和无突变以及无尖角刀具轨迹是在各种对具路线中都应尽量采用的，以保证切削过程的平稳、快速。