平面型腔加工方法探討

丁仁華

（常州機電職業(yè)技術學院機械工程系，江蘇常州213164）

型腔是指具有封閉邊界輪廓的平底或曲底凹坑，而且可能具有一個或多個不加工的島嶼（如圖1），當型腔底面為平面時，即為二維型腔，或稱為平面型腔。型腔類零件在模具、飛機零件加工中應用普遍，有人甚至認為，80%以上的機械加工，均可以歸結為型腔加工[1]。

圖1 型腔類零件示意圖

型腔的加工，包括型腔區(qū)域的加工與輪廓加工，該輪廓包括邊界與島嶼輪廓，根據型腔側壁與地面間的過渡要求，一般采用立銑刀或環(huán)形刀進行加工。

型腔的切削加工，包括軸向進刀及型腔內部加工。對于平面型腔的加工，選用立銑刀，根據型腔區(qū)域的大小選擇刀具的直徑。一般來說，盡量選擇直徑較大的立銑刀進行加工。型腔區(qū)域的加工通常分為粗加工和精加工。

1 刀具軸向進刀方式的選擇[2]

（1）起始點預鉆孔，角落也可預鉆削。因為這需要增加一種刀具，因此一般不推薦這種方法。再從切削的觀點看，刀具通過預鉆削孔時因切削力而產生振動。當使用預鉆削孔時，常常會導致刀具損壞。使用預鉆削孔，也會增加切屑的再切削機會。

（2）使用球頭立銑刀或圓刀片刀具，通常采用啄銑，以保證全部軸向深度都能得以切削。使用這種方法的缺點是排屑困難，并且圓刀片會產生非常長的切屑。

（3）最佳的方法，是使用X/Y和Z方向的線性坡走切削，以達到全部軸向深度的切削。

（4）采用螺旋形式進行圓插補銑，也是一種不錯的方法，因為它可產生光滑的切削作用，而只要求很小的開始空間。

2 刀具徑向走刀軌跡的確定

刀具在軸向進刀后，然后就要分析刀具徑向的走刀軌跡。徑向加工時，對于刀具直徑的選擇，有如下問題：選擇大直徑刀具，可以獲得較高的加工效率，但如果是形狀復雜的二維型腔，將產生大量的欠切削區(qū)域，需進行后續(xù)處理；若采用小直徑刀具，則會降低加工效率。因此可以2種刀具混合使用，達到加工效率與控制欠切削區(qū)域的統(tǒng)一。按型腔的形狀可以分為4種類型：圓形型腔，方形型腔，不規(guī)則型腔及帶島嶼型腔[3]。

（1）圓形型腔。圓形型腔，一般從圓心起刀，按螺旋形式軸向進刀，選用立銑刀或鍵槽銑刀。

加工時，刀具快速定位到R點，從R點轉入切削進給，刀具按寬度（行距）H進刀，按圓弧走刀，H值的選取應小于刀具直徑，一般H=（0.8～0.9）Ф，以免留下殘留。依次進刀，直至圓形型腔尺寸（如圖2所示）。

圖2 圓形型腔加工

（2）方形型腔。方形型腔的內腔區(qū)域，應用最為廣泛的走刀路線為環(huán)切和行切，其共同特點都是切凈內腔區(qū)域的全部面積，不留死角，不傷輪廓，同時盡量減少重復走刀的搭接量。從加工效率（走刀路線長短）、代碼質量等方面橫量，行切與環(huán)切取決于型腔邊界的具體形狀與尺寸及島嶼的數量、形狀尺寸與分布情況，還可以將行切與環(huán)切混合使用（如圖3所示）。

（3）不規(guī)則型腔。對于不規(guī)則型腔，程序較規(guī)則形狀要復雜，計算工作量可能會比較大。為簡化編程，一般可先將其變?yōu)閮容喞M行加工，再將剩余部分變成無界平面進行銑削加工（如圖4所示）。由于所剩部分已遠離邊界，可以用方格紙進行取近似值，只要不碰到邊界即可。如圖4中雙點劃線所示，為剩余輪廓腔，近似取值，加工較為容易。

圖3 方形型腔走刀路線

圖4 不規(guī)則型腔加工

圖5 帶島嶼型腔加工

（4）帶島嶼型腔。帶島嶼型腔粗加工的刀具軌跡，是從型腔邊界向里及從島嶼輪廓向外偏置銑刀半徑R并留出精加工余量而形成，它是計算內腔區(qū)域加工走刀路線的依據（如圖5所示）。分析計算時，先按精加工型腔內輪廓及島嶼外輪廓加工（如圖5中點劃線所示）。至于剩余部分，變成無界平面進行銑削加工。若是多個島嶼或出現不規(guī)則島嶼，則計算工作量偏大，一般可以使用CAD、UG等軟件處理。對于刀具的選擇，則要求刀具半徑足夠小，特別是使用改變刀具半徑補償的方法進行粗、精加工時，保證刀具不能碰到型腔外輪廓及島嶼外輪廓。

3 結束語

對于一具體的型腔，采用不同的走刀方式，可以得到不同的軌跡的程度。通過比較，原則上可以得到較優(yōu)的走刀方案，但更具有智能化的型腔加工方案（如基于模糊模式識別的方法）仍有待進一步研究。

[1]周 濟，周艷紅.數控加工技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.

[2]劉 江.模具型腔切削加工技術[J].模具制造，2003，(10)：49-50.

[3]孫德茂.數控機床銑削加工直接編程技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.