Delcam Votex 旋風銑技術在數控銑加工中的應用研究

王陽 殷小清

摘要：在傳統區域清除策略中拐角位置加工時，存在加工時間長，硬質合金刀具磨損嚴重的問題。本文從Power Mill平臺入手，研究了Delcam-Votex旋風銑專利在數控銑中的應用。研究表明：該應用節省了加工時間，減少了貴重合金刀具的磨損。

關鍵詞：粗加工策略；切入角；Delcam；Votex；旋風銑

一、前言

數控技術是提高產品質量、減少勞動強度的必不可少的技術手段，對國計民生的一些重要行業（IT、汽車、輕工、醫療等）的發展起著越來越重要的作用[[1]—[4]]。數控加工策略作為模具數控加工工藝中一個至關重要的角色，其應用不僅決定了模具表面的加工品質，而且，一個優化的加工策略可以使機床在加工時省去大量的切削時間，提高模具的加工效率。數控加工的核心目標是讓加工工件獲得最高的表面質量和最佳的裝配質量，這意味著在切削過程中要保證切削對材料結構的損傷最小[5]。從切削技術上來說要達到高速切削，就必須要做到精加工前工件表面的余量充分均勻和余量盡量少。粗加工的特點是大銑削量、低進給率，以一定的深度進行分層銑削加工，用最快的速度完成零件的輪廓銑削加工，為半精加工和精加工做準備[6]。精加工是為保證加工件質量所做的加工，所以一般從提高粗加工策略的角度入手提高加工的精度和效率。經統計，機加工費用占模具生產總費用的65%，機加工效率提高20%，模具制造總成本降低15%左右[7]。

傳統粗加工中區域清除策略的一個基本問題是僅在筆直路徑可以對切削條件進行優化處理，模型中的任何拐角位置，都需要顯著增加切削刀具的接觸角。為保護刀具，通常需要在拐角處降低進給率[8]。為此，使用者要么選取在整個刀具路徑中一直使用這個較低的進給率，以保持恒定進給率 ，這勢必延長加工時間；要么選取在模型加工中使用變進給率和轉速，而這又會增加刀具的磨損[9]。

綜上所述，本文研究基于的Powermill是英國Delcam公司開發的，加工策略豐富的數控加工編程軟件系統，以其強大的刀具路徑編輯、任意形式的修改和重計算功能為廣大用戶提供優質的計算機輔助制造服務等特點而被廣泛應用于大中型制造企業[10]。其常用粗加工策略如表1所示。本論文研究Delcam-Votex旋風銑專利在數控銑中的應用。目的是解決傳統粗加工策略加工中無效路徑和刀具磨損問題。

表1：PowerMILL常用粗加工策略

平行 環繞 插銑

圖1 粗加工策略刀路圖例

二、優化粗加工策略的應用研究

（一）粗加工策略研究

1、Vetox旋風銑刀路研究

PowerMILL提供了三種開粗加工的方式，其中用的最多的是偏置區域清除加工。根據粗加工的特點，對高速加工在切削用量上選擇的原則是“淺切深，快進給”。對刀具的要求，根據模型形狀和尺寸綜合考慮，應盡可能選擇大直徑的刀具。開粗加工中特點是刀具路徑沿偏置切削層面的輪廓線，用于復雜形狀零件的粗加工。傳統的偏置區域清除加工有一定的可用性但在長期使用中也存在一定的弊端。

與Vortex 旋風銑策略比較，傳統的偏置區域清除策略沿用經典的零件輪廓加工方式，每條刀路走完一個輪廓的切削層，不能對輪廓內加工余量較大的區域進行徹底切除?；?，每條刀路的切削深度受到嚴格限制。Vortex 旋風銑策略的不同點在于，在大切削余量區域進行層進式循環往復走刀，達到對體積量的切削區域徹底切除的效果。正是因為可以做到對切削區域內大體積余量的徹底切除（因素之一），Vortex 旋風銑銑削策略可以使用較大的切削深度，達到使用多3倍于刀具直徑的切削深度。在刀路軌跡方面方面，Vortex 旋風銑策略應對余量較大區域的反復切除，相對于傳統偏置區域清除策略減少大量走空刀數量，極高的提高了切削效率；此策略優化路徑的主要方式是通過抓取輪廓最有效的點分布，形成優化的擺線尺寸以及圓弧和直線間的最佳轉換。

以下為傳統偏置區域清除策略和Vortex 旋風銑銑削策略刀路情況對比：

圖2 傳統偏置區域清除策略刀路 圖3 Vetox旋風銑策略刀路

從上圖可以看出傳統的偏置區域清除策略的刀路中，約有90%是最佳切削刀路，其中10%的刀路無論從進給方向上還是刀具的切削角度上講，都不是最佳狀態，尤其進給過程中存在急劇轉角，而這些刀路中的轉角路徑占有總加工時間的90%。另可以看出Vetox旋風銑策略刀具路徑沒有急速停車和轉彎，極大的減少了對機床主軸的沖擊和極大減少了刀具的撞擊和磨損。

2、Vetox旋風銑切入角的優越性

研究表明，數控銑刀在切削過程中切削刀刃和刀具路徑最佳切削角度為46o，銑刀設計與制造即按照直線加工刀路的要求滿足最佳切削的角度。在傳統加工策略中，直線外輪廓的加工可以實現最佳切削效果。在變角度外輪廓即轉角位置，為了避免刀具路徑的急轉，采用小圓弧過渡方式，這種方式造成在轉角位置，刀具路徑看起來是圓滑的，但突增了刀具的切削量，刀具切削載荷突然變大。為了減少對機床主軸的沖撞和刀具的磨損，傳統切削策略的對應方式是減少轉角處的進給。對于形狀復雜的制件，編程者往往采取整體減少進給量或者采用變進給量的方式。無形中增加了加工時間，也不能徹底消除加工過程中對機床主軸的沖撞和刀具的磨損。突然增大的切削量使刀具的切削載荷突然變大，很大程度上造成刀具的震動即彈刀，體現在切削質量上的窩切。

Vetox旋風銑策略在根源上解決了這個問題，直線加工中Vetox旋風銑銑削策略可以保證刀刃與刀具路徑保持最佳46o狀態（因素之二）。在輪廓線的轉角處，傳統的切削策略產生的刀路是圓弧過渡，相對于此，Vetox旋風銑銑削策略變更為直線層進的方式，保持了刀具路徑與切削輪廓的平行即刀具切削角度恒定保持在最佳46o狀態，避免了恒定進給情況下的切削量突增、刀具載荷突增的問題。

圖4傳統粗加工直線路徑 圖5傳統粗加工拐角切削

圖6 Vetox旋風銑加工路徑 圖7 Vetox旋風銑拐角加工路徑

圖8 傳統開粗策略加工 圖9 Vetox旋風銑策略加工

負荷大，震動彈刀明顯，加工質量低 負荷均衡，無震動彈刀，質量高

基于以上切削路徑的路線優化和層切模式（因素一）、恒定的進給量、以及恒定保持優化的切削角度（因素二），Vetox旋風銑高速加工策略允許三倍刀具直徑的甚至全刀刃的深切加工，大大提到了加工效率。

（二）Vetox旋風銑在模具加工中的應用研究

1、加工區域研究

任何一種模具都是由不同的曲面組成，在一定程度上曲面的復雜程度就決定了模具的復雜程度。在研究Vetox旋風銑策略加工路徑以及總結了大量的加工工藝后，發現曲面的加工策略選擇和與曲面的形狀和復雜程度有著一定的關系。

圖10：模具加工區域的劃分

根據PowerMILL常用加工策略將模具主要分為平坦區域、平緩區域、陡峭和平緩區域以及陡峭區域四個部分。平坦區即模具表面處于絕對水平的曲面，與Z軸垂直；平緩區域即認為曲率變化不大的區域，簡單量化為曲面中法線與Z軸夾角≦45o的區域；陡峭區域即曲面與Z軸平行或夾角不大的區域；陡峭和平緩區域，對于這部分的劃分主要是出于陡峭區域與平緩區域交叉或重疊的區域。

圖11 1.平坦區 2.平緩區域 3.平緩和陡峭區域 4.陡峭區域

5.淺槽 6.溝槽 7.清角和狹窄區域 8.孔

粗加工中，主要加工的是“平坦區域”和“陡峭和平緩區域”2個區域，平坦區域主要是存在于型芯和型腔的凹陷面。陡峭和平緩區域則是在模具型芯和型腔中大量存在的區域，大部分平緩區域或平坦都會和陡峭區域相交或重疊。相對于傳統的區域清楚策略，Vetox旋風銑策略加工具有明顯的粗加工效率和質量優勢。

2、機床的選擇與匹配

Vetox旋風銑要求機床具有NURBS（Non-Uniform Rational B-Splines）曲線插補功能，從而允許用一系列曲線運動而不是大量的短的直線來進行加工，因而加工速度就更加提高。由于每段NURBS曲線更長，機床控制器能向前看的更遠，使得路徑設計和進給速率設置能更加智能化，同時使用曲線路徑比使用一些列的直線路徑有更少的速度調整，減少刀具的微小多次變向以及減少對機床主軸的沖撞。

3、對于應用問題的其他研究

和其他高速加工的要求相比，Vetox旋風銑策略加工同樣需要對刀具、刀柄、冷卻提出嚴格要求。刀具材料硬度要高，高速主軸的膨脹引起刀具及加緊機構質心的偏離，影響刀具的動態平衡。Vetox旋風銑高速加工采用帶涂層的硬質合金刀具，在高速高溫的情況下，不用切削液，要使用油/汽混冷，這種方式可以用高壓氣體迅速吹走切削區產生的切屑，從而將切削熱帶走，同時經霧化的潤滑油在刀具刃部和工件表層形成一層極薄的微觀保護膜，可以保護刀具涂層、延長刀具使用壽命，提高加工質量。

三、結論

對于Vetox旋風銑高速加工策略的使用，明顯減少了開粗過程中的彈刀、蹦刃、非人為因素斷刀情況，新策略的使用對提高制品加工質量起到了至關重要的作用。新加工策略的使用，明顯優化了刀具路徑，減少了走刀過程中的急停，急轉，以及頻繁的進給變速，減少了對機床的沖撞，加強了對價值昂貴的高速加工機床的保護。

參考文獻：

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[2]王兆坦，劉憲銀，李保民等.提高數控旋風銑床加工精度的措施[J]. 金屬加工，2008.11.

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