基于CAXA的粗精加工策略及路径优化研究

赵纪国 胡小静

【摘 要】数控加工技术是以计算机集成制造、数控机床为基础，用数字信息控制零件和刀具位移的机械加工方法，是产品自动化加工的现代制造工艺技术。其中，加工过程中的粗精加工策略是决定产品尺寸、形状、位置精度的重要因素。文章主要研究和分析了CAXA制造工程师粗精加工的策略选择及路径优化的关键问题，探讨了如何优质、高效地提高产品的加工精度。

【关键词】加工策略;路径优化;加工精度

【中图分类号】TG659 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）05-0059-02

0 引言

数控加工技术经过多年的发展，已经相当成熟。随着加工工艺的不断完善，对零件精度的要求也越来越高。掌握CAM粗精加工策略及路径优化工艺能有效缩短加工周期、快速划分加工工序、减少多余的刀具路径、实现对各种复杂零件的自动化加工。CAXA制造工程师是一款国产优秀的CAD/CAM软件，在技术研究方面的知识涵盖相当广泛，但在粗精加工策略选择及路径优化问题上都是一笔带过，相关的参考资料较少。本文基于CAXA制造工程师，以提高加工精度为目标，从加工策略选择、优化刀具路径入手，详细地介绍了在粗精加工过程中，如何通过合理设置加工参数、优化刀具路径来提高产品质量。本文以第七届数控技能竞赛数控铣床竞赛典型题目为例进行研究和分析。

1 CAXA加工策略选择

1.1 粗精加工选择

粗加工是以快速切除毛坯余量为目的，使毛坯的几何外形接近成品，为精加工做好准备。粗加工的特点是在能够充分提高加工效率、不影响加工质量的情况下，尽可能地选用较高的切削用量，并且采用合理的加工工艺，使刀具的磨损降到最低。由于粗加工时选用较大的进给量和背吃刀量，刀具要承受较大的切削力，因此在选用刀具时要考虑刀具的强度、硬度等因素。

精加工阶段要完成各主要表面的最终加工，是用高精度的刀具加工高精度的零件。在粗加工中产生的变形及误差在精加工时能得到修正，使零件的加工尺寸精度和加工表面质量等达到图纸规定的要求。所以，应根据零件图标注的尺寸公差确定零件尺寸最终应达到的精度等级，并根据相关几何要素选择加工方案，并确定相应的粗精加工策略。

1.2 加工余量的选择

加工余量的控制是使零件能达到规定精度要求所必须把控的一关。一般情况下，在粗加工的过程中为了提高加工效率，通常采用快速的进给和尽可能大的切削深度，只留下少量的精加工余量即可。比如，需半精加工的零件，可以在粗铣之后留0.5～1.0 mm的精加工余量。

若留过大的精加工余量，精加工时刀具切削负荷过大，将造成表面粗糙度不达标的现象，使粗糙度达不到要求。若留过小的精加工余量，由于受机床传动系统的定位误差和重复定位误差的影响，很容易造成过切或欠切现象，过切直接影响几何精度，而欠切则会产生严重的滞留刀痕，即不能清除上道工序在加工表面上的残留和滞留刀痕等。若精加工余量设定合理，但粗加工的切削用量选择过大，加工过程中刀具与切屑之间的压力和摩擦过大并产生大量的热，致使加工完成后零件中的残余应力过大，将会产生新的变形，影响加工精度。若各工序余量均在合理的控制范围内，加工完成后，零件的粗糙度、尺寸精度、位置精度都能达到图纸要求。

由此可见，在制定加工策略时，应合理安排各工序加工余量。

数控铣能达到的精度等级为IT12～IT7，零件主视图如图1所示，以基本尺寸为98 mm的外形为例，要得到IT8级的公差，加工方法选择粗加工—半精加工—精加工。

加工余量的选择，将粗加工的加工余量留1.4 mm左右，半精加工的余量应留0.5 mm，在精加工中，应适当地提高切削速度，从而减少吃刀深度。每一道工序结束后都应对相关尺寸进行测量，检验其是否在工序公差的范围内，并及时做出相应的调整。只有余量控制得当，才能进一步探究其路径优化问题。

加工曲面、球面时，为了减少刀具的磨损，增加其使用寿命，可以在粗加工中增大行距并扩大光顺余量。用半精加工作为中间工序，使零件的余量小而均匀。只有这样，加工的零件曲面才能在各个方面达到图纸的要求。

2 刀具路径优化

2.1 轮廓线的优选法

轮廓线的优选法是路径优化需要把控的重要因素之一。等距实体边界是我们选取轮廓线的主要途径之一。在使用CAXA粗加工策略时，需要设置轮廓线和岛屿线等参数，其中轮廓线又叫“外部线条”，是指刀具移动加工范围的外边缘界线。轮廓线的选取决定了刀具在下刀过程中是否会直接切入毛坯（俗称扎刀）或产生过长的刀具路径。

在选取轮廓线时，轮廓线与实体边界距离应大于刀具直径，否则将无法生成有效刀具路径。轮廓线与实体边界距离应介于刀具直径与2倍刀具直径之间，根据毛坯尺寸，选择下刀方式是螺旋或斜线，防止出现扎刀现象。若加工时选取的轮廓线大于2倍刀具直径，那么空运行刀具轨迹就会明显增多，加工时间随之增加;若轮廓线选取小于刀具直径，则无法生成刀具路径，会出现扎刀现象，而且刀具切入毛坯时因受力不均，切削振动幅度增大，容易造成刀具崩刃或断刀。

此外，要选择合理的刀具轨迹，轮廓线的选取在刀具直径与2倍刀具直径之间，为防止扎刀造成刀具崩刃或断刀，刀具下切过程中选择螺旋方式，刀具受力比较均匀且没有过多的空切路径，缩短了加工时间，刀具的安全运行也得到了保证。

2.2 以精代粗

精加工虽然是完成各主要表面的最终加工，但在一些特定的情况下，可以把精加工策略当做粗加工策略使用。图1所示零件粗加工外轮廓，若选用粗加工策略，需选定轮廓线与岛屿线，一旦选定，刀具路径就无法改变，轨迹中有很多空刀，大都在拐角和模型的邊缘。若以精加工路径策略代替粗加工路径，精加工围绕所选轮廓做等高线式地往下切削，没有粗加工出现的多余空刀，优化了刀具路径，使刀具轨迹更加清晰。

通过机床加工实验证明，若选用相同的切削用量，粗加工工序的加工时间为17 min，精加工工序的加工时间为12 min。由此可见，在一定情况下，“以精代粗”可有效优化刀具路径，减少加工时间，提高工作效率，特别是当图纸中外形轮廓的大小与毛坯的尺寸之差小于刀具直径时，这种方式更加便捷高效。但在此次加工完成后，依旧要进行精加工，以保证精度要求。

2.3 合理减少抬刀次数

在粗加工时，应尽量选择区域间不抬刀或光滑连接参数，否则会造成在加工的过程中频繁抬刀，刀具频繁地垂直切入工件，容易造成断刀，加工后也不符合精度要求且加工时间也会增加。而选择区域间不抬刀或光滑连接参数，从下刀开始加工到抬刀结束，加工仅一次抬刀，大幅度地减少了加工时间，刀具和工件受力分布均匀，没有滞留刀痕，也延长了刀具的使用寿命。在精加工时，应尽量选择区域间不抬刀，层间走刀尽量选择螺旋式，否则容易造成层间有接刀痕，影响零件精度，同时也增加了加工时间。

3 结论

零件的加工质量主要从加工精度（形状尺寸位置精度）和加工表面质量（Ra）两个方面来考虑。本文从合理应用粗精加工策略和优化刀具加工路径出发，能够保证产品加工精度的同时提高加工效率，对数控加工技术的发展具有重要意义。

参 考 文 献

[1]王先逵.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，2013.

[2]杨江河.现代数控铣削技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3]张云杰，郝利剑.张静云.CAXA制造工程师2015技能课训[M].北京：电子工业出版社，2016（11）.

[4]安承业.机械制造工艺基础[M].天津：天津大学出版社，1999.

[5]张超英.数控编程技术[M].北京：化学工业出版社，2004.

[6]朱龙根.机械系统设计[M].北京：机械工业出版社，2002.

[责任编辑：钟声贤]