四轴加工编程中最常用的刀轴选择

三坐标加工中心的基础上,对第四轴进行扩展而来,使其可以满足多面或轴面上的轨迹加工。

在数控机床里,对于坐标系的定义是源于右手笛卡尔直角坐标系,即:相交于原点的两条数轴,构成了平面放射坐标系;而相交于原点的三条不共面的数轴构成空间的放射坐标系。在笛卡尔坐标系中,过定点0,作三条互相垂直的数轴,它们都以0为原点且一般具有相同的长度单位。这三条轴分别叫作X轴、Y轴、Z轴,统称坐标轴。在数控机床上,XYZ 的正方向要符合右手规则,即以右手握住Z,当右手的四指从正向X以π/2角度转向正向y轴时,大拇指的指向就是Z轴的正向,这样的三条坐标轴就组成了一个空间直角坐标系,点0叫作坐标原点,X、Y、Z轴就是空间中的三个直线轴。多轴机床里除了三个直线轴,还定义了三个旋转轴,分别是绕着X、Y、Z轴旋转的A、B、C轴。A、B、C轴的方向确定也符合右手笛卡尔规则,即右手握住某一直线轴(例如:X轴),大拇指的指向与该直线轴正向相同,四指旋握的方向即为该直线轴对应的旋转轴(即A轴)的正方向。

在CNC加工中心里,四轴机床指的是配有X、Y、Z三个直线轴以及A或B或C三个旋转轴之一的加工中心,且三个直线轴与一个旋转轴可以进行插补运算及加工,即为联动。立式机床往往配备的第四轴为A轴(如下图所示),卧式机床则配备的第四轴为B轴(即Y轴所对应的旋转轴)。



1、四轴加工的特点

四轴加工中心最早应用于曲线曲面的加工,即叶片的加工。现如今,四轴加工中心可以适用于多面体零件、带回转角度的螺旋线(圆柱面油槽)、螺旋槽、圆柱面凸轮、摆线的加工等等,应用及其广泛。

从加工产品我们可以看出,四轴加工有以下特点:

(1)由于有旋转轴的加入,使得空间曲面的加工成为可能,大大提高了自由空间曲面的加工精度、质呈和效率;

(2)三轴加工机床无法加工到的或需要装夹过长的工件(如长轴类轴面加工)的加工,可以通过四轴旋转工作台完成;

(3)缩短装夹时间,减少加工工序,尽可能地通过一次定位进行多工序加工,减少定位误差;

(4)刀具得到很大改善,延长刀具寿命;

(5)有利于生产集中化。

2、四轴加工中心的工作模式

四轴加工中心一般有两种加工模式:定位加工和插补加工,分别对应多面体零件加工和回转体轮廓加工。现在,以带A轴为旋转轴的四轴加工中心为例,分别对两种加工模式进行说明。

（1）定位加工

在进行多面体零件加工时,需要将多面体的各个加工工作平面在围绕A轴旋转后能与A轴轴线平行,否则将造成无法加工,出现欠切或过切的现象。一般来说,通过安装在第四轴上的夹具将加工零件固定在旋转工作台上,校正基准面以确定工件坐标系A轴零点位置。在实际加工中先通过A轴的角度旋转得到加工工作平面的正确位置,然后利用相关指令(例如FANUC 统中的M10)锁定该位置,保证加工过程中加工面与A 零点位置固定,从而使得该加工面内所有元素的完整正确加工。对多面体下一个加工面加工时,只需先利用A轴打开指令(例如FANUC 统中的M11)将A 打开,再旋转A 角度至下一个加工平面与A 轴线和主轴轴线组成的相交平面平行或垂直,然后锁定即可加工。

此类加工中,A轴仅起到分度的作用,并没有参与插补加工,因此并不能体现四轴联动的运算。

（2）插补加工

回转零件的轴面轮廓加工或螺旋槽的加工,就是典型的利用四轴联动插补计算而成的插补加工。例如圆柱面上的回转槽、圆柱凸轮的加工主要是依靠A轴的旋转加X 的移动来实现的。此时,需要将A 角度展开,与X 做插补运算,以确保A与X 的联动,这个过程将用到圆柱插补命令(例如FANUC 的G071)。

3、四轴加工中心的编程方法,编程要点

在三坐标铣削加工和普通的两坐标车削加工中作为加工程序的NC代码的主体是众多的坐标点,数控系统NC主要是通过计算控制这些坐标点来控制刀具参考点的运动,从而加工出需要的零件形状。四轴加工的程序也是如此,在编程的过程中,只需要通过对零件模型进行计算,在零件上得到点位数据即可。在多轴加工中,不仅需要计算出点位坐标数据,更需要得到坐标点是哪个的矢量方向数据,这个矢量方向在加工中通常用来表达刀具的刀轴方向。四轴加工中,刀具刀轴方向始终与加工面垂直或平行，故而可以使用手动编程和自动编程两种方式来编制程序，对于简单图形手工编程就可以，使程序简单明了。

现成的 用12的球头刀

圆柱上面 有个半球

编写：

主程序

O123

90G80G49G40

G0G90G54X40Y0S1600M3

G43H1Z100M8

Z10

G1Z0F300

M98P110L15

G90G1Z20F500

G1X40Y0

M98P210

G91G28Z0

M5

G91G28Y0

M30

子程序 一 先加工 圆柱 30个深度

O110

G91Z-2F500

G90G41G1X28D1

G2X28I-28

G01X40Y0

M99

子程序二 加工半球

O210

#24=28

#26=-20

#1=20

#2=0

#18=20

N29G1Z#26

X#24

G2X#24Y0I-#24

#2=#2+01

#1=SQRT[#18#18-#2#2]

#24=#1+8

#26=-20+#2

IF[#26LE0]GOTO29

G1Z20

G01X0Y40

M99

一、非圆曲面类的宏程序的编程技巧

1、非圆曲面可以分为两类；

（1）、方程曲面，是可以用方程描述其零件轮廓的曲面的。如抛物线、椭圆、双曲线、渐开线、摆线等。

这种曲线可以用先求节点，再用线段或圆弧逼近的方式。以足够的轮廓精度加工出零件。选取的节点数目越多，轮廓的精度越高。然而节点的增多，用普通手工编程则计算量就会增加的非常大，数控程序也非常大，程序复杂也容易出错。不易调试。即使用计算机辅助编程，其数据传输量也非常大。而且调整尺寸补偿也很不方便。这时就显出宏程序的优势了，常常只须二、三十句就可以编好程序。而且理论上还可以根据机床系统的运算速度无限地缩小节点的间距，提高逼近精度。

（2）、列表曲面，其轮廓外形由实验方法得来。如飞机机翼、汽车的外形由风洞实验得来。是用一系列空间离散点表示曲线或曲面。这些离散点没有严格一定的连接规律。而在加工中则要求曲线能平滑的通过各坐标点，并规定了加工精度。加工列表曲线的方法很多，可以采用计算机辅助编程，利用离散点形成曲面模型，再生成加工轨迹和加工程序。对于一些老机床或无法传送数据的机床，我们也可以将轮廓曲线按曲率变化分成几段，每段分别求出插值方程。采用宏程序加密逼近曲线的方法。

2、非圆曲面类的宏程序的编程的要点有：

建立数学模型和循环体

（1）、数学模型是产生刀具轨迹节点的一组运算赋值语句。它可以计算出曲面上每一点的坐标。它主要从描述其零件轮廓的曲面的方程转化而来。

（2）、循环体是由一组或几组循环指令和对应的加法器组成。它的作用是将一组节点顺序连接成刀具轨迹，再依次加工成曲面。

PowerMILL在汽车模具层切加工中的应用

张林浩

东风模具冲压技术有限公司模具分公司（湖北武汉430056）

摘自 - 《模具制造3月刊》

摘要基于公司的生产实际，结合CAM软件在我公司应用的特点，论述了PowerMILL软件在编程加工方面的优势，并将其成功地应用到汽车模具的层切加工中。同时，通过借助 PowerMILL进行数控编程，引进了高效的可转位刀具。提高了大型数控铣床加工效率，缩短模具生产周期，降低制造成本。

关键词：PowerMILL；汽车模具；层切加工；可转位刀具

1 引言

我公司是以生产汽车覆盖件模具为主的模具公司，随着公司的市场开拓，乘用车外覆盖件模具已成 为我公司生产重点。通过与国外先进的外覆盖件模具生产厂家对比发现，我们在主体作业效率和模具的 制造成本方面还有一定差距。因此，这两方面是我们今后努力的方向。

模具制造成本的大致组成为：切削加工65%、模 具材料20%、热处理5%和装配调整10%[1]。由此可知切削加工占成本的绝大多数，这部分加工效率的提高，不仅使总体成本下降，还可以缩短交货期，快速回收资金。

层切加工（即等高加工）是众多CAM软件普遍采用的一种粗加工方式，对于汽车模具而言，由于其有 自由曲面形状，采用层切法可以保持恒定的切削载荷，避免载荷突变损坏刀具[2]。基于此，我公司适时引进高速加工的理念，针对生产实际中机床的现状而制订一种高效率粗加工策略。其主要方法是通过采用小切深、高进给、低转速（3,000转/min以下）在轻型数控机床上达到高速切削的效果。

通过应用层切加工可以使切削效率提高、切削力降低。同时大部分的切削热被铁屑带走，减少了工件 的热变形、提高刀具的耐用度、机床振动小，工作平稳，有利于使工件获得高的加工精度。

2 CAM软件在我公司模具层切加工的特点

21 UG层切的特点

一直以来，我公司一直将UG软件作为主流的编 程软件。随着在生产实际中的广泛应用，发现UG在 粗加工层切加工中存在安全问题，严重影响了实物质量，制约着模具的生产制造周期。

随着汽车业的发展，对汽车外形的要求越来越高， 这样就使得产品数模数据量增加。模具加工数据的容 量也相应地增加，致使加工数据越来越大。例如在 Z499项目中，仅门外板的修边模数据就达到670M。大 的数据量增加UG计算时间，同时也增加了程序的不稳 定性，在用UG进行层切程序的编制时，刀具路经会产 生陡然下降，造成刀具瞬间吃刀量增大，会产生刀具的损坏，严重地会对机床产生影响。基于以上，考虑到直径63mm层切刀与直径30mm球刀的构造上的特点， 编程员的临时对策是在UG中的层切程序采用30mm 球刀层切，以此来增加程序的安全性。

但是即便是30mm球刀层切，风险虽然降低，但仍然存在。问题一旦发生，不仅损坏昂贵的球刀刀 片，同时也造成上千元的刀杆报废。

22 PowerMILL编程的特点

作为编程人员，刀具路径安全无碰撞是我们追求 的首要目标。经过多方的考察对比，决定选用 PowerMILL作为我公司型面粗加工的主要软件。 Delcam的PowerMILL系统是一款独立的CAM软 件，其显著的特点是具有完善的碰撞和过切检查功能。应用PowerMILL编程，能够全程自动防过切，编程 员可非常方便地为刀具加上刀柄、刀杆，并迅速、自动 地进行刀柄、刀杆干涉检查，提示最小安全刀杆长度， 保证加工安全性[3]。螺旋式刀具路径的应用可以最大 限度的减少刀具的空程移动，从而减少加工时间。

PowerMILL高速加工具有其独有的加工策略，运用于常规的加工中也能够最大限度地优化刀具轨迹、 提高加工效率，体现出极大的效益。刀路的圆弧连接 切入切出方式，赛车道、摆线、螺旋等高加工，能光顺 刀具轨迹、减少拐点，使切削过程中进给速度更加均 匀、刀具负荷更加恒定，提高切削效率同时降低刀具 磨损。

下面就PowerMLL中"最小刀长技术"和"刀具路 径的光顺处理技术"做详细论述。

（1）最小刀长技术的应用。

"最小刀长技术"应用的前提是必须建立刀具库， PowerMILL有非常友好的用户界面，通过将刀具、刀柄 等的夹持等参数输入，可以在程序计算过程中就可进 行对应刀具长度的检测，使编程员在考虑刀具长度时 更趋合理。

刀具长度是加工中非常关键的参数，如果在编程 阶段不考虑刀长，在加工深腔陡壁的时候， *** 作者会 因为没有刀长的参考指示，而会盲目的选择刀具。这 种情况下，如果 *** 作者选择的刀具过长，就会影响加 工效率，反之，就会发生刀套与工件碰撞的恶劣事 件。因此，最小刀长的选取至关重要。通过在 PowerMILL程序的碰撞检查功能，会提示编程员所需 要的最小刀长，如图1所示，这样编程员将这一信息通 过数控程序单传递给 *** 作者，从而使 *** 作者选择加工 刀具参数的时候有据可依，加工更合理。

（2）刀具路径的光顺处理。

赛车道加工方式是PowerMILL在数控化编程中又一显著的功能。由于可使刀具路径实现圆弧化连 接——在进退刀时采用圆弧切入切出，在刀具路径中 使用圆角光顺处理。这样就使得刀具受力均匀过度避免像直线进退刀那样，切削力突然增大，影响刀具和机床的使用寿命。同时，平滑的刀具路径增加了机床运动的平衡性。避免了由于刀具的突然换向，对工件和机床带来的冲击。为机床创造了良好的切削条件，使工件的加工质量提供了保证。

图1 经过PowerMILL碰撞检查过的信息提示

我公司在2011年7月份加工的Z860项目中的一 套模具是由日产方面完成的数控程序编程，通过现场 观摩加工实况，并调取其刀具路径查看，不难发现其显著特点就是在粗加工程序中采用圆弧进退刀的方式，如图2所示。图3为PowerMILL中编制的圆弧过渡的刀具路径。

图2 日产编制的粗加工程序刀具轨迹

图3 PowerMILL中圆弧过渡的刀具路径

圆弧进退刀的刀具路径在模具型面加工中，即钢 模加工中尤为重要。由于编程策略的不同，在型面加 工中，通常会因为加工区域的特点而采用不同的走刀方式。这就是通常所说的"分区"。此时，不同区域的刀具路径的搭接显得尤为重要。如果不加处理，只是机械的让两个相邻区域刀具路径重叠，在生产现场会 由于刀具直接在工件表面下刀加工，而产生驻刀痕， 影响模具表面的加工质量，增加钳工修整的工作量。

这一点在外板件模具的型面加工中是尽量避免出现的，因为会影响制件的表面质量。为此，在UG中通过 做工艺补充面，即通常所说的"接刀"，人为将两个加 工区域件做出相切的圆弧片体，这样就会使得编程员 的工作量大大增加，如果要是编制侧围或者是门外板等模具，会严重影响编程作业效率，更有甚者，工艺补 充面的制作会用去一天的时间。

PowerMILL具有在刀具路径中实现圆弧连接的功 能，仅仅通过设置连接功能的参数，无需做工艺补充 面即可便可得到"接刀"的效果。使编程员从繁重的 工艺补充面的制作中解脱出来，使编程效率提升，同 时也改善了加工质量。图4为PowerMILL中圆弧切入 切出的刀具路径（该加工刀路是在我公司H79项目令 号为D11-RCMN-010左右竖板的修边翻边模中编程 实现的）。图5为生产现场应用PowerMILL进行层切 加工。

图4 圆弧切入切出局部刀具路径

图5 生产现场应用PowerMILL进行层切加工

23 UG与PowerMILL在层切加工效率的对比

在相同的加工参数设定下，UG的编程策略同样 存在加工效率的问题。以下为我公司D09-JMC-033/ 037右侧围外板后部加工时间对比。图6为UG加工刀具路径，图7为PowerMILL加工路径。

图6 UG加工刀具路径

图7 PowerMILL加工路径

高质量的刀具路径应避免空进给轨迹的产生，尽量减少抬刀、进退刀的次数[4]。由于基于PowerMILL 的安全无过切技术，所以编程人员可以放心地应用 "短连接"功能，减少抬刀和空行程，刀具路径圆弧平 滑连接，延长刀具的使用寿命，同时提高加工质量。

图8为相同加工参数设置下加工时间对比。

3 应用直径63mm可转位层切刀加工的必要性

乘用车外覆盖件外形平坦。相应地其凸模的外 形具有起伏小，型面平坦，圆角大的特点，非常适合用 大直径的层切刀具加工。对于门外板、顶盖类的模具 凹模也同样适用于大直径的层切刀具加工。通过应 用大直径可转位刀具可以显著地提高工作效率。降 低制造成本。

31 可转位刀具的优越性

可转位刀具是一种将硬质合金或其他超硬材料 压制成形的刀片机械夹固在刀杆或刀体上，等其一面 刀刃用钝后可通过刀片转位重新获得新刀刃的刀具。 应用可转位刀具，可以有以下优势[5]：

（1）减少换刀时间，刀片用钝或损坏后仅需转换 一下刃口或更换一个刀片，即可投入生产，而不是像 整体式刀具那样需要 *** 作者更换新刀具并重新对刀。这样就减少生产辅助时间，提高生产效率。

（2）降低了对刀具库存的要求，减少刀具数量。

由于刀片是标准件，可以分类放入盒中便于管理。

（3）可转位刀具由于刀片并不是焊接在刀体上， 这样就避免了焊接应力对刀片的影响，使得刀片保持 了原有的切削性能，刀具几何参数一致，断屑稳定。 可以有条件地提高切削速度和增大走刀量，以提高生 产效率。

另外，相对于整体合金刀具而言，其刀具成本上 也具有一定的优势。

32 可转位刀具在我公司应用对比

汽车外覆盖件模具拉延模的凸模，通常沿周为 陡峭侧壁我公司现有的30mm球刀刀长有限，层切加工完后，需要用50mm平底刀做轮廓加工，增加了 换刀辅助时间。

63mm层切刀刀杆长度150~300mm，足以满足我公司现生产凸模的层切，并且可以同时把轮廓的层切粗加工完成，减少通常轮廓粗加工刀具的损耗，整个粗加工过程不换刀，减少辅助时间，提高工作效 率。表1为两者示意图对比。

不同的刀片形状有不同的刀尖强度，一般刀尖 角越大，刀尖强度越大，反之亦然。圆刀片（R 型）刀 尖角最大，在机床刚性、功率允许的条件下，大余量、 粗加工应选用刀尖角较大的刀片。层切刀片采用最 佳圆弧形刀尖角，主切削刃短、切削力小，主轴转速 要求低，加工效率高。因此可适用我公司的多数机床使用。

例如：我公司的加工流程开粗加工一般在济南二 机机床上加工，由于该机床最高转速可达到6,000转/ min，30mm球刀和63mm层切刀的两种开粗程序均 可在其加工。在N800 项目拉伸模的层切应用中， 30mm球刀层切程序在FP4000设备上切削速度慢， 声音大，并且有颤振现象。经程序在PowerMILL中更改为用63mm层切刀进行层切加工后，走刀顺畅，平 缓，切削均匀，且没有噪声。

4 经济效益分析

综上所述，以往由于UG 安全问题考虑，采用30mm球刀层切，引入PowerMILL软件后，可放心的应用63mm可转位层切刀，提高生产效率，使制造成本大大降低。

我公司层切加工用刀具的具体参数如表2所示。

以09-JMC-024_028凸模数控加工工时为例：

仅凸模可节省刀具成本：271 小时/8 小时×251 元-8小时/16小时×130元=78526元。

节约数控工时费用：（371-18）小时×200元/小时 =3,820元。由此，此套模具可节约加工成本：78526+ 3820=460526元。

目前，PowerMILL在我公司已经用于拉伸模具型 面的层切粗加工编程。按照我公司的模具年生产当 量，如果在全工序型面粗加工中推广应用，其经济效益可想而知。

5 结束语

大直径可转位层切刀具在模具型面粗加工中具有显著的优势。在降低制造成本的同时，提高了生产 效率。通过应用PowerMILL编制的数控程序，其在模 具制造中的作用会得到更有效的发挥。

自引入PowerMILL软件进行层切加工以来，先后在我公司Z812，北汽福田PU201,江铃N800 车身， D310双排，东风日产P32L，日产D118项目，东风本田 2EE项目，神龙T88等项目的模具数控编程中应用，取 得非常好的经济效果。在缩短模具生产周期的同时 也降低了模具的制造成本。现在，随着PowerMILL在 我公司模具加工中越来越广泛地应用，其为公司创造 的效益将会越来越显著。

参考文献

[1] 章宗城 提高模具加工精度和效率[J] 现代制造，2010， （46）:42~43

[2] 王卫兵 高速加工数控编程技术[M] 北京：机械工业出版 社，2008

[3] 翟万略 全程无过切的智能高速CAM软件-谈高速加工软 件PowerMILL[J] 制造技术与机床，2004（, 2）

[4] 朱克忆 PowerMILL多轴数控加工编程实用教程[M] 北 京：机械工业出版社，2010

[5] 王惠忠 推广可转位刀具促进企业技术进步[J] 齐厂科技， 1992（ 2）

看你的机床有无任意一点启动功能，有的话直接把光标停到你要启动的程序段就可以，如果想直走这一段就打开单步单段运行，自动，启动就行了。完了复位，OK

一般KND的系统都有此功能。

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