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摘要：在传统区域清除策略中拐角位置加工时，存在加工时间长，硬质合金刀具磨损严重的问题。本文从Power Mill平台入手，研究了Delcam-Votex旋风铣专利在数控铣中的应用。研究表明：该应用节省了加工时间，减少了贵重合金刀具的磨损。
关键词：粗加工策略；切入角；Delcam；Votex；旋风铣
一、前言
数控技术是提高产品质量、减少劳动强度的必不可少的技术手段，对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用[[1]—[4]]。数控加工策略作为模具数控加工工艺中一个至关重要的角色，其应用不仅决定了模具表面的加工品质，而且，一个优化的加工策略可以使机床在加工时省去大量的切削时间，提高模具的加工效率。数控加工的核心目标是让加工工件获得最高的表面质量和最佳的装配质量，这意味着在切削过程中要保证切削对材料结构的损伤最小[5]。从切削技术上来说要达到高速切削，就必须要做到精加工前工件表面的余量充分均匀和余量尽量少。粗加工的特点是大铣削量、低进给率，以一定的深度进行分层铣削加工，用最快的速度完成零件的轮廓铣削加工，為半精加工和精加工做准备[6]。精加工是为保证加工件质量所做的加工，所以一般从提高粗加工策略的角度入手提高加工的精度和效率。经统计，机加工费用占模具生产总费用的65%，机加工效率提高20%，模具制造总成本降低15%左右[7]。
传统粗加工中区域清除策略的一个基本问题是仅在笔直路径可以对切削条件进行优化处理，模型中的任何拐角位置，都需要显著增加切削刀具的接触角。为保护刀具，通常需要在拐角处降低进给率[8]。为此，使用者要么选取在整个刀具路径中一直使用这个较低的进给率，以保持恒定进给率 ，这势必延长加工时间；要么选取在模型加工中使用变进给率和转速，而这又会增加刀具的磨损[9]。
综上所述，本文研究基于的Powermill是英国Delcam公司开发的，加工策略丰富的数控加工编程软件系统，以其强大的刀具路径编辑、任意形式的修改和重计算功能为广大用户提供优质的计算机辅助制造服务等特点而被广泛应用于大中型制造企业[10]。其常用粗加工策略如表1所示。本论文研究Delcam-Votex旋风铣专利在数控铣中的应用。目的是解决传统粗加工策略加工中无效路径和刀具磨损问题。
表1：PowerMILL常用粗加工策略
平行 环绕 插铣
图1 粗加工策略刀路图例
二、优化粗加工策略的应用研究
（一）粗加工策略研究
1、Vetox旋风铣刀路研究
PowerMILL提供了三种开粗加工的方式，其中用的最多的是偏置区域清除加工。根据粗加工的特点，对高速加工在切削用量上选择的原则是“浅切深，快进给”。对刀具的要求，根据模型形状和尺寸综合考虑，应尽可能选择大直径的刀具。开粗加工中特点是刀具路径沿偏置切削层面的轮廓线，用于复杂形状零件的粗加工。传统的偏置区域清除加工有一定的可用性但在长期使用中也存在一定的弊端。
与Vortex 旋风铣策略比较，传统的偏置区域清除策略沿用经典的零件轮廓加工方式，每条刀路走完一个轮廓的切削层，不能对轮廓内加工余量较大的区域进行彻底切除。基此，每条刀路的切削深度受到严格限制。Vortex 旋风铣策略的不同点在于，在大切削余量区域进行层进式循环往复走刀，达到对体积量的切削区域彻底切除的效果。正是因为可以做到对切削区域内大体积余量的彻底切除（因素之一），Vortex 旋风铣铣削策略可以使用较大的切削深度，达到使用多3倍于刀具直径的切削深度。在刀路轨迹方面方面，Vortex 旋风铣策略应对余量较大区域的反复切除，相对于传统偏置区域清除策略减少大量走空刀数量，极高的提高了切削效率；此策略优化路径的主要方式是通过抓取轮廓最有效的点分布，形成优化的摆线尺寸以及圆弧和直线间的最佳转换。
以下为传统偏置区域清除策略和Vortex 旋风铣铣削策略刀路情况对比：
图2 传统偏置区域清除策略刀路 图3 Vetox旋风铣策略刀路
从上图可以看出传统的偏置区域清除策略的刀路中，约有90%是最佳切削刀路，其中10%的刀路无论从进给方向上还是刀具的切削角度上讲，都不是最佳状态，尤其进给过程中存在急剧转角，而这些刀路中的转角路径占有总加工时间的90%。另可以看出Vetox旋风铣策略刀具路径没有急速停车和转弯，极大的减少了对机床主轴的冲击和极大减少了刀具的撞击和磨损。
2、Vetox旋风铣切入角的优越性
研究表明，数控铣刀在切削过程中切削刀刃和刀具路径最佳切削角度为46o，铣刀设计与制造即按照直线加工刀路的要求满足最佳切削的角度。在传统加工策略中，直线外轮廓的加工可以实现最佳切削效果。在变角度外轮廓即转角位置，为了避免刀具路径的急转，采用小圆弧过渡方式，这种方式造成在转角位置，刀具路径看起来是圆滑的，但突增了刀具的切削量，刀具切削载荷突然变大。为了减少对机床主轴的冲撞和刀具的磨损，传统切削策略的对应方式是减少转角处的进给。对于形状复杂的制件，编程者往往采取整体减少进给量或者采用变进给量的方式。无形中增加了加工时间，也不能彻底消除加工过程中对机床主轴的冲撞和刀具的磨损。突然增大的切削量使刀具的切削载荷突然变大，很大程度上造成刀具的震动即弹刀，体现在切削质量上的窝切。
Vetox旋风铣策略在根源上解决了这个问题，直线加工中Vetox旋风铣铣削策略可以保证刀刃与刀具路径保持最佳46o状态（因素之二）。在轮廓线的转角处，传统的切削策略产生的刀路是圆弧过渡，相对于此，Vetox旋风铣铣削策略变更为直线层进的方式，保持了刀具路径与切削轮廓的平行即刀具切削角度恒定保持在最佳46o状态，避免了恒定进给情况下的切削量突增、刀具载荷突增的问题。 图4传统粗加工直線路径 图5传统粗加工拐角切削
图6 Vetox旋风铣加工路径 图7 Vetox旋风铣拐角加工路径
图8 传统开粗策略加工 图9 Vetox旋风铣策略加工
负荷大，震动弹刀明显，加工质量低 负荷均衡，无震动弹刀，质量高
基于以上切削路径的路线优化和层切模式（因素一）、恒定的进给量、以及恒定保持优化的切削角度（因素二），Vetox旋风铣高速加工策略允许三倍刀具直径的甚至全刀刃的深切加工，大大提到了加工效率。
（二）Vetox旋风铣在模具加工中的应用研究
1、加工区域研究
任何一种模具都是由不同的曲面组成，在一定程度上曲面的复杂程度就决定了模具的复杂程度。在研究Vetox旋风铣策略加工路径以及总结了大量的加工工艺后，发现曲面的加工策略选择和与曲面的形状和复杂程度有着一定的关系。
图10：模具加工区域的划分
根据PowerMILL常用加工策略将模具主要分为平坦区域、平缓区域、陡峭和平缓区域以及陡峭区域四个部分。平坦区即模具表面处于绝对水平的曲面，与Z轴垂直；平缓区域即认为曲率变化不大的区域，简单量化为曲面中法线与Z轴夹角≦45o的区域；陡峭区域即曲面与Z轴平行或夹角不大的区域；陡峭和平缓区域，对于这部分的划分主要是出于陡峭区域与平缓区域交叉或重叠的区域。
图11 1.平坦区 2.平缓区域 3.平缓和陡峭区域 4.陡峭区域
5.浅槽 6.沟槽 7.清角和狭窄区域 8.孔
粗加工中，主要加工的是“平坦区域”和“陡峭和平缓区域”2个区域，平坦区域主要是存在于型芯和型腔的凹陷面。陡峭和平缓区域则是在模具型芯和型腔中大量存在的区域，大部分平缓区域或平坦都会和陡峭区域相交或重叠。相对于传统的区域清楚策略，Vetox旋风铣策略加工具有明显的粗加工效率和质量优势。
2、机床的选择与匹配
Vetox旋风铣要求机床具有NURBS（Non-Uniform Rational B-Splines）曲线插补功能，从而允许用一系列曲线运动而不是大量的短的直线来进行加工，因而加工速度就更加提高。由于每段NURBS曲线更长，机床控制器能向前看的更远，使得路径设计和进给速率设置能更加智能化，同时使用曲线路径比使用一些列的直线路径有更少的速度调整，减少刀具的微小多次变向以及减少对机床主轴的冲撞。
3、对于应用问题的其他研究
和其他高速加工的要求相比，Vetox旋风铣策略加工同样需要对刀具、刀柄、冷却提出严格要求。刀具材料硬度要高，高速主轴的膨胀引起刀具及加紧机构质心的偏离，影响刀具的动态平衡。Vetox旋风铣高速加工采用带涂层的硬质合金刀具，在高速高温的情况下，不用切削液，要使用油/汽混冷，这种方式可以用高压气体迅速吹走切削区产生的切屑，从而将切削热带走，同时经雾化的润滑油在刀具刃部和工件表层形成一层极薄的微观保护膜，可以保护刀具涂层、延长刀具使用寿命，提高加工质量。
三、结论
对于Vetox旋风铣高速加工策略的使用，明显减少了开粗过程中的弹刀、蹦刃、非人为因素断刀情况，新策略的使用对提高制品加工质量起到了至关重要的作用。新加工策略的使用，明显优化了刀具路径，减少了走刀过程中的急停，急转，以及频繁的进给变速，减少了对机床的冲撞，加强了对价值昂贵的高速加工机床的保护。
参考文献：
[1]潘宇，锚具大螺纹加工技术及专用数控旋风铣床关键技术的研究[D].广西工学院，2011.
[2]王兆坦，刘宪银，李保民等.提高数控旋风铣床加工精度的措施[J]. 金属加工，2008.11.
[3]刘华，陶建华，刘晓初等. 一种基于PowerMill 加工策略的模具数控编程方法研究[J]. 装备制造技术，2013.4.
[4]马玉河.旋风铣削理论及在双螺杆泵螺杆加工中的应用[D].南京林业大学，2011.
[5]何云峰，拉索锚具大螺距外螺纹加工专用双旋风铣机床的动态特性研究[D]. 广西工学院，2011.
[6]陈林平，变径旋风铣床控制方法研究[D].沈阳工业大学，2009.
[7]姚晓坡，大型数控丝杠旋风铣床关键技术研究[D].郑州大学，2013.
[8]王克锡，用油作介质线切割机的最新技术[J].金属加工（冷加工），2011年18期.
[9]周丽娟，赵向阳，孙涛.珩磨工艺及设备在偶件精密加工中的应用[J].现代车用动力，2011.03.
[10]张筠，球型面的磨削精密加工[J].工具技术，2013.06.
关键词：粗加工策略；切入角；Delcam；Votex；旋风铣
一、前言
数控技术是提高产品质量、减少劳动强度的必不可少的技术手段，对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用[[1]—[4]]。数控加工策略作为模具数控加工工艺中一个至关重要的角色，其应用不仅决定了模具表面的加工品质，而且，一个优化的加工策略可以使机床在加工时省去大量的切削时间，提高模具的加工效率。数控加工的核心目标是让加工工件获得最高的表面质量和最佳的装配质量，这意味着在切削过程中要保证切削对材料结构的损伤最小[5]。从切削技术上来说要达到高速切削，就必须要做到精加工前工件表面的余量充分均匀和余量尽量少。粗加工的特点是大铣削量、低进给率，以一定的深度进行分层铣削加工，用最快的速度完成零件的轮廓铣削加工，為半精加工和精加工做准备[6]。精加工是为保证加工件质量所做的加工，所以一般从提高粗加工策略的角度入手提高加工的精度和效率。经统计，机加工费用占模具生产总费用的65%，机加工效率提高20%，模具制造总成本降低15%左右[7]。
传统粗加工中区域清除策略的一个基本问题是仅在笔直路径可以对切削条件进行优化处理，模型中的任何拐角位置，都需要显著增加切削刀具的接触角。为保护刀具，通常需要在拐角处降低进给率[8]。为此，使用者要么选取在整个刀具路径中一直使用这个较低的进给率，以保持恒定进给率 ，这势必延长加工时间；要么选取在模型加工中使用变进给率和转速，而这又会增加刀具的磨损[9]。
综上所述，本文研究基于的Powermill是英国Delcam公司开发的，加工策略丰富的数控加工编程软件系统，以其强大的刀具路径编辑、任意形式的修改和重计算功能为广大用户提供优质的计算机辅助制造服务等特点而被广泛应用于大中型制造企业[10]。其常用粗加工策略如表1所示。本论文研究Delcam-Votex旋风铣专利在数控铣中的应用。目的是解决传统粗加工策略加工中无效路径和刀具磨损问题。
表1：PowerMILL常用粗加工策略
平行 环绕 插铣
图1 粗加工策略刀路图例
二、优化粗加工策略的应用研究
（一）粗加工策略研究
1、Vetox旋风铣刀路研究
PowerMILL提供了三种开粗加工的方式，其中用的最多的是偏置区域清除加工。根据粗加工的特点，对高速加工在切削用量上选择的原则是“浅切深，快进给”。对刀具的要求，根据模型形状和尺寸综合考虑，应尽可能选择大直径的刀具。开粗加工中特点是刀具路径沿偏置切削层面的轮廓线，用于复杂形状零件的粗加工。传统的偏置区域清除加工有一定的可用性但在长期使用中也存在一定的弊端。
与Vortex 旋风铣策略比较，传统的偏置区域清除策略沿用经典的零件轮廓加工方式，每条刀路走完一个轮廓的切削层，不能对轮廓内加工余量较大的区域进行彻底切除。基此，每条刀路的切削深度受到严格限制。Vortex 旋风铣策略的不同点在于，在大切削余量区域进行层进式循环往复走刀，达到对体积量的切削区域彻底切除的效果。正是因为可以做到对切削区域内大体积余量的彻底切除（因素之一），Vortex 旋风铣铣削策略可以使用较大的切削深度，达到使用多3倍于刀具直径的切削深度。在刀路轨迹方面方面，Vortex 旋风铣策略应对余量较大区域的反复切除，相对于传统偏置区域清除策略减少大量走空刀数量，极高的提高了切削效率；此策略优化路径的主要方式是通过抓取轮廓最有效的点分布，形成优化的摆线尺寸以及圆弧和直线间的最佳转换。
以下为传统偏置区域清除策略和Vortex 旋风铣铣削策略刀路情况对比：
图2 传统偏置区域清除策略刀路 图3 Vetox旋风铣策略刀路
从上图可以看出传统的偏置区域清除策略的刀路中，约有90%是最佳切削刀路，其中10%的刀路无论从进给方向上还是刀具的切削角度上讲，都不是最佳状态，尤其进给过程中存在急剧转角，而这些刀路中的转角路径占有总加工时间的90%。另可以看出Vetox旋风铣策略刀具路径没有急速停车和转弯，极大的减少了对机床主轴的冲击和极大减少了刀具的撞击和磨损。
2、Vetox旋风铣切入角的优越性
研究表明，数控铣刀在切削过程中切削刀刃和刀具路径最佳切削角度为46o，铣刀设计与制造即按照直线加工刀路的要求满足最佳切削的角度。在传统加工策略中，直线外轮廓的加工可以实现最佳切削效果。在变角度外轮廓即转角位置，为了避免刀具路径的急转，采用小圆弧过渡方式，这种方式造成在转角位置，刀具路径看起来是圆滑的，但突增了刀具的切削量，刀具切削载荷突然变大。为了减少对机床主轴的冲撞和刀具的磨损，传统切削策略的对应方式是减少转角处的进给。对于形状复杂的制件，编程者往往采取整体减少进给量或者采用变进给量的方式。无形中增加了加工时间，也不能彻底消除加工过程中对机床主轴的冲撞和刀具的磨损。突然增大的切削量使刀具的切削载荷突然变大，很大程度上造成刀具的震动即弹刀，体现在切削质量上的窝切。
Vetox旋风铣策略在根源上解决了这个问题，直线加工中Vetox旋风铣铣削策略可以保证刀刃与刀具路径保持最佳46o状态（因素之二）。在轮廓线的转角处，传统的切削策略产生的刀路是圆弧过渡，相对于此，Vetox旋风铣铣削策略变更为直线层进的方式，保持了刀具路径与切削轮廓的平行即刀具切削角度恒定保持在最佳46o状态，避免了恒定进给情况下的切削量突增、刀具载荷突增的问题。 图4传统粗加工直線路径 图5传统粗加工拐角切削
图6 Vetox旋风铣加工路径 图7 Vetox旋风铣拐角加工路径
图8 传统开粗策略加工 图9 Vetox旋风铣策略加工
负荷大，震动弹刀明显，加工质量低 负荷均衡，无震动弹刀，质量高
基于以上切削路径的路线优化和层切模式（因素一）、恒定的进给量、以及恒定保持优化的切削角度（因素二），Vetox旋风铣高速加工策略允许三倍刀具直径的甚至全刀刃的深切加工，大大提到了加工效率。
（二）Vetox旋风铣在模具加工中的应用研究
1、加工区域研究
任何一种模具都是由不同的曲面组成，在一定程度上曲面的复杂程度就决定了模具的复杂程度。在研究Vetox旋风铣策略加工路径以及总结了大量的加工工艺后，发现曲面的加工策略选择和与曲面的形状和复杂程度有着一定的关系。
图10：模具加工区域的划分
根据PowerMILL常用加工策略将模具主要分为平坦区域、平缓区域、陡峭和平缓区域以及陡峭区域四个部分。平坦区即模具表面处于绝对水平的曲面，与Z轴垂直；平缓区域即认为曲率变化不大的区域，简单量化为曲面中法线与Z轴夹角≦45o的区域；陡峭区域即曲面与Z轴平行或夹角不大的区域；陡峭和平缓区域，对于这部分的划分主要是出于陡峭区域与平缓区域交叉或重叠的区域。
图11 1.平坦区 2.平缓区域 3.平缓和陡峭区域 4.陡峭区域
5.浅槽 6.沟槽 7.清角和狭窄区域 8.孔
粗加工中，主要加工的是“平坦区域”和“陡峭和平缓区域”2个区域，平坦区域主要是存在于型芯和型腔的凹陷面。陡峭和平缓区域则是在模具型芯和型腔中大量存在的区域，大部分平缓区域或平坦都会和陡峭区域相交或重叠。相对于传统的区域清楚策略，Vetox旋风铣策略加工具有明显的粗加工效率和质量优势。
2、机床的选择与匹配
Vetox旋风铣要求机床具有NURBS（Non-Uniform Rational B-Splines）曲线插补功能，从而允许用一系列曲线运动而不是大量的短的直线来进行加工，因而加工速度就更加提高。由于每段NURBS曲线更长，机床控制器能向前看的更远，使得路径设计和进给速率设置能更加智能化，同时使用曲线路径比使用一些列的直线路径有更少的速度调整，减少刀具的微小多次变向以及减少对机床主轴的冲撞。
3、对于应用问题的其他研究
和其他高速加工的要求相比，Vetox旋风铣策略加工同样需要对刀具、刀柄、冷却提出严格要求。刀具材料硬度要高，高速主轴的膨胀引起刀具及加紧机构质心的偏离，影响刀具的动态平衡。Vetox旋风铣高速加工采用带涂层的硬质合金刀具，在高速高温的情况下，不用切削液，要使用油/汽混冷，这种方式可以用高压气体迅速吹走切削区产生的切屑，从而将切削热带走，同时经雾化的润滑油在刀具刃部和工件表层形成一层极薄的微观保护膜，可以保护刀具涂层、延长刀具使用寿命，提高加工质量。
三、结论
对于Vetox旋风铣高速加工策略的使用，明显减少了开粗过程中的弹刀、蹦刃、非人为因素断刀情况，新策略的使用对提高制品加工质量起到了至关重要的作用。新加工策略的使用，明显优化了刀具路径，减少了走刀过程中的急停，急转，以及频繁的进给变速，减少了对机床的冲撞，加强了对价值昂贵的高速加工机床的保护。
参考文献：
[1]潘宇，锚具大螺纹加工技术及专用数控旋风铣床关键技术的研究[D].广西工学院，2011.
[2]王兆坦，刘宪银，李保民等.提高数控旋风铣床加工精度的措施[J]. 金属加工，2008.11.
[3]刘华，陶建华，刘晓初等. 一种基于PowerMill 加工策略的模具数控编程方法研究[J]. 装备制造技术，2013.4.
[4]马玉河.旋风铣削理论及在双螺杆泵螺杆加工中的应用[D].南京林业大学，2011.
[5]何云峰，拉索锚具大螺距外螺纹加工专用双旋风铣机床的动态特性研究[D]. 广西工学院，2011.
[6]陈林平，变径旋风铣床控制方法研究[D].沈阳工业大学，2009.
[7]姚晓坡，大型数控丝杠旋风铣床关键技术研究[D].郑州大学，2013.
[8]王克锡，用油作介质线切割机的最新技术[J].金属加工（冷加工），2011年18期.
[9]周丽娟，赵向阳，孙涛.珩磨工艺及设备在偶件精密加工中的应用[J].现代车用动力，2011.03.
[10]张筠，球型面的磨削精密加工[J].工具技术，2013.06.