数控加工刀具路径拟定

图2-3-1车削加工X 、Z 向安全间隙设计 2．3 数控加工刀具路径拟定
CNC 加工的刀具路径指，加工过程中，刀具刀位点相对于工件进给运动的轨迹和方向。

刀具路径一般包括：从起始点快速接近工件加工部位，然后以工进速度加工工件结构，完成加工任务后，快速离开工件，回到某一设定的终点。

可归纳为两种典型的运动：点到点的快速定位运动——空行程；工作进给速度的切削加工运动——切削行程。

确定刀具走刀路线的原则主要有以下几点：
⑴规划安全的刀具路径，保证刀具切削加工的正常进行。

⑵规划适当的刀具路径，保证加工零件满足加工质量要求。

⑶规划最短的刀具路径，减少走刀的时间，提高加工效益。

2．3．1规划安全的刀具路径
在数控加工拟定刀具路径时，把安全考虑放在
首要地位更切实际。

规划刀具路时，最值得注意的
安全问题就是刀具在快速的点定位过程中与障碍物
的碰撞。

为了节省时间，刀具加工前接近工件加工
部位，完成加工任务后，快速离开工件，常用快速
点定位路线。

快速点定位时，刀具以最快的设定速
度移动，一旦发生碰撞后果不堪设想。

1．快速的点定位路线起点、终点的安全设定
工艺编程时，对刀具快速接近工件加工部位路线的终点和刀具快速离开工件路线的起点的位置应精心设计，应保证刀具在该点与工件的轮廓应有足够的安全间隙，避免刀具与工件的碰撞。

在拟定刀具快速趋近工件的定位路径时，趋向点与工件实体表面的安全间隙大小应有谨慎的考虑。

如图2-3-1，刀具相对工件在Z 向或X 向的趋近点的安全间隙设置多少为宜呢？间隙量小可缩短加工时间，但间隙量太小对操作工来说却是不太安全和方便，容易带来潜在的撞刀危险。

对间隙量大小设定时，应考虑到Z0的加工面是否已经加工到位，若没有加工，还应考虑可能的最大的毛坯余量。

若程序控制是批量生产，还应考虑更换新工件后Z 向尺寸带来的新变化，以及操作员是否有足够的经验。

在铣削工艺编程，刀具从X 、Y 向快速趋于工件轮廓时的情况，与Z 向趋近相比较，同样应精心设计安全间隙，但情况又有所不同，因为刀具X 、Y 向刀位点在圆心，始终与刀具切削工件的点相差一个半径，刀具快速趋近的同时，又需建立半径补偿，因此设计刀具趋近工件点与工件的安全间隙时，除了要考虑毛坯余量的大小，又应考虑刀具半径值的大小。

起始切削的刀具中心点与工件的安全间隙大于刀具半径与毛坯切削余量之和是比较稳妥的安全的考虑。

取消刀具半径补偿最安全的地方是离开刚加工完的轮廓有足够安全间隙的地方，安全间隙同样应大于刀具半径与毛坯切削余量之和，如图2-3-2所示。

切削循环的起点，不仅是刀具快速接近工件加工部位路线的终点，又是刀具快速离开工件路线的起点，该点应与工件间有足够的安全间隙。

值得注意到的是：在接近工件区域或近障碍物区域，在无把握的情况下，应避免使用快速的移动路线，并确保刀具相对工件的安全运动。

2．避免点定位路径中有障碍物
程序员拟定刀具路径必须使刀具移动路线
中没有障碍物，计算机因为无法象操作工在手动
操作加工时能用眼睛检测到障碍物，预见到安全
的威胁，并及时操作使刀具运动改变，避开障碍
物。

一些常见的障碍物如：加工中心的机床工作
台和安装其上的卡盘、分度头，虎钳、夹具、工
件的非加工结构等。

数控车床的尾架顶尖、卡盘、其它的刀架、工件结构等。

对各种影响路线设计因素的考虑不周，将容易引起撞刀危险的情况。

G00的目的是把刀具从相对工件的一个位置点快速移动到另一个位置点，但不可忽视的是CNC 控制的两点间点定位路线不一定是直线，如图2-3-3所示，定位路线往往是先几轴等速移动，然后单轴驱近目标点的折线，忽视这一点将可能忽略了阻碍在实际移动折线路线中的障碍物。

非但G00的路线，G28、G29、G30、G81—G89、G73
等的点定位路线也应该考 图2-3-2铣削加工X 、Y 向安全间隙设计
图2-3-3点定位路线并非直线
虑同样的问题。

还应注意到的是撞刀不仅仅是刀头与障碍物的碰撞，还可能是刀具其它部分如刀柄与它物的碰撞。

图2-3-4 G70精车切削循环错误起点图2-3-5 G70精车切削循环正如图2-3-4，在使用FANUC系统的G70精车切削循环时，为减少走刀路线长度，循环的起点选在精加工的轮廓起点，致使刀具在循环快回起点时撞上工件。

图2-3- 5为 G70精车切削循环正确起点选择。

安全的刀具路线规划，总要求程序员在认真理解机床加工运动规律、CNC控制规律、加工工艺方法后，以严谨的态度，对涉及刀具路线的各个细节予以关注，对涉及加工运动安全、质量、效率的各个因素予以关注，并正确进行工艺组织和路径描述，确保描述的刀具路线能够被正确的执行和安全有效。

2．3．2 规划保证加工质量的刀具路径
在数控加工中，加工路线的确定在保证加工安全性的前提下，应必须保证被加工零件的尺寸精度和表面质量，其次考虑数值计算简单，走刀路线尽量短，效率较高等。

图2-3-6半径补偿正确铣削轮廓图2-3-7半径补偿铣削轮廓发生过切
1．避免刀具对工件的过切
刀具对工件的过切虽然不象撞刀那样引起破坏刀具、工件、机床的严重后果，但往往引起工件的报废，程序员应仔细核对刀具路线，确保路线意图的正确，并符合CNC对进给运动控制规则。

刀具对工件的过切往往出现在刀具的半径补偿加工过程中，因为程序员的路线意图与CNC对运动控制结果的差别不是那么明显地被发现。

例如，用半径补偿铣削轮廓的正确意图应如图2-3-6所示。

下面列出某程序员设计的刀具路线导致了过切加工结果的案例。

某程序员的刀具路线意图是：①在Z向起始高度从X-50Y-50以G00快速进给到X0Y-20建立刀具半径补偿，并在 Y向留有足够的安全间隙。

②从Z向起始高度Z向进给到Z5的高度并建立长度补偿。

③从Z5工进到切削高度Z-5。

④轮廓切削到X0Y100完成第一轮廓边AB 边的切削。

用程序描述如表2-3-1右栏程序3。

表2-3-1：半径补偿铣削轮廓加工程序比较
案例分析：
程序员的刀具路线似乎是正确的，但CNC控制的结果却是在AB边的切削中产生了过切，如图2-3-7。

原因是CNC在处理建立刀具半径补偿程序段N40时，在有限的可预览程序段（N50、N60）内数无法预览到补偿平面内的进给插补移动程序段，没有足够的信息判断正确的半径偏置方向，从而无法计算刀具半径补偿后刀具中心所到达的符合意图的准确点位，因而造成CNC实际控制的刀具移动路线与程序员的真实意图不符合。

若案例中刀具路线改成：在建立刀具半径补偿前进行长度补偿，建立刀具半径补偿后直接轮廓切削，这样CNC的控制结果就能达到程序员的加工路线意图如图2-3-6，能正确半径补偿轮廓铣削的加工程序如表2-3-1左栏程序1。

或在Z向起始高度半径补偿后，用一小段Y向移动表明正确的切削方向，然后进行长度补偿，再下刀到Z向切削高度，这样也可避免过切的发生。

能正确半径补偿轮廓铣削的加工程序如表2-3-1中栏程序2。

2．设计合理定位路线，保证尺寸精度
机床进给运动的定位精度是影响工件加工结构定形尺寸定位尺寸的主要因素，对于采用全闭环伺服系统的机床基定位精度取决于其检测装置的测量精度，但对于大多数半闭环进给伺服系统的机床，丝杆副、齿轮副的传动间隙对定位精度的影响较大，对于尺寸精度要求高的工件加工时，进给路线的设计应考虑到如何避免传动间隙对加工尺寸精度的影响，并注意到传动间隙对定位精度的影响总是发生在某坐标轴向反方向运动的瞬间。

a孔加工零件b位置精度不高的定位路线c位置精度高的定位路线
图2-3-8有利于定位精度的点定位刀路设计
如图2-3-8(a)，在该零件上加工六个尺寸相同孔，位置精度要求较高，若用具有开环或半闭环进给伺服系统的机床，要特别要注意孔的点定位路线的设计，避免坐标轴的反向间隙影响位置精度。

若设计如图2-3- 8(b)所示路线加工时，由于4、5、6孔与1、2、3孔Y轴向定位方向相反，Y轴传动系统的反向间隙影响1、2、3孔的位置精度。

按图2-3-8 (c)所示路线，1、2、3、4、5、6孔定位方向一致，可避免反向间隙的引入，提高孔加工的位置精度。

3、设计加工中有利于保持工艺系统刚度的刀具路线
刀具路线的设计，应考虑到刀具切削力对工艺系统刚度的影响，尽量采用选择保证装夹刚度和工件加工变形小的路线，使加工平稳、震动小，提高切削的质量。

如图2-3-9，对零件切削区域A车削加工时，可以有端面粗切和外圆粗切两种切削路线的安排。

注意到区域A的径向尺寸大于轴向尺寸，若用端面分层粗切路线效率要高，但还应注意切削路线的选用是否会影响装夹的刚度。

对如图2-3-9a的工件，切削区域A，可用端面粗切路线，但对如图2-3-9b装夹的工件，由于装夹时悬伸量大，径向装夹刚度不好，宜采用外圆分层粗切路线。

薄壁零件加工的难点在于工件加工变形。

随着零件壁厚的降低, 零件的刚性减低, 加工变形增大, 容易发生切削振颤，影响零件的加工质量和加工效率。

刀具路径设计时应考虑如何保证零件整体刚性，使切削过程处在刚性较佳的状态。

如图2-3-10所示，对于侧壁的铣削加工，在切削用量允许范围内，采用径向切深较大、轴向切深小，逐层往下切的分层铣削加工路线。

这种刀路的设计思想在于在切削过程中, 尽可能的应用零件的未加工部分作为正在铣削部分的支撑，充分利用零件整体刚性。

又如，拟定如图2-3-11轮廓工件的线切割的切削路线时，常常先在坯件上的适当位置
钻一个工艺穿丝孔，线电极从穿丝孔穿丝，轮廓切割完后，又返回穿丝孔取下电极，如图2-3-11a ，这样安排切割路线，对操作虽然麻烦了些，但切割轮廓时能尽量保持了工件的整体刚度，以提高加工质量。

如图2-3-11b 从工件外引入切割的路线安排，切割时坯件割裂，工件整体刚度不好，影响加工质量。

4、设计保证工件表面质量的刀具路线
设计保证工件表面质量的精加工路线的要求，可归结为两点：一是，减少刀具相对工件运动轨迹形成的残留；二是，精加工路线有利于维持工艺系统的稳定性，避免物理因素对精加工的干扰。

如图2-3-12，球头刀加工空间曲面和变斜角轮廓时，刀路间距设计，是影响切削残留的重要因素，由于球头刀具在走刀时，每两行刀位之间，加工表面不可能重叠，总存在没有被加工去除的部分，每两行刀位之间的距离越大，没有被加工去除残余高度越大，表面质量越差。

切削行距越小，残余高度越小，有利于提高表面质量，但加工效率越低。

如图9-7-2（第九章9.7节），加工如图工件内腔的走刀路线，如用行切方式（图9-7-2a ），相邻两行走刀路线的起点和终点间留下凹凸不平的残留，残留高度与行距有关。

如图9-7-2b 环切走刀路线，加工余量均匀稳定，有利于精加工时工艺系统的稳定性，从而得到高的表面质量，图9-7-2c 先用行切法粗加工，后环切一周半精加工，最后沿轮廓半径补偿精加工，这样的走刀路线设计，有利提高粗加工效率，并保证精加工时工艺系统的稳定性。

（
a ）有利于保持工件整体刚度的路线 （
b ）不利于保持工件整体刚度的路线
图2-3-11工件的线切割切削路线安排
图2-3-13精铣削外整圆路线 图2-3-14精铣削内整圆路线
除了注意残留量的控制和保证精加工时的工艺系统稳定性，最终轮廓精加工，宜一次走
刀连续加工出来，注意精加工进、退刀路线设计，以减少接刀痕迹。

如图2-3-13所示，用圆弧插补方式精铣削外整圆时，宜安排刀具从切向引入圆周铣削
加工，当整圆加工完毕后，又沿切线方向退出。

铣削内圆弧时，也要遵守从切向切入的原则，安排切入、切出过渡圆弧，如图2-3-14所示。

5、合理设计螺纹加工升、降速段路线，符合CNC同步运行控制特点
由于数控机床主运动机构与进给运动机构之间，没有机械方面的直接联系，CNC在控制
等距螺纹或变距螺纹加工时，必须控制主轴旋转与刀具进给保持一定的协调关系，即同步运
行关系。

这就意味着当主轴处于特定转速时，进给运动的速度必须达到相应的定值才能正确
加工螺纹。

如当主轴500r/min时，加工螺距为2mm的螺纹，进给速度必须达到2×
500=1000(mm/min)的速度时加工的螺纹才是正确的。

因此数控机床的螺纹加工时，无论是车
削螺纹还是攻内螺纹，在拟定螺纹加工路线时，须设置足够长的进给运动的升速段和降速段（如图2-3-15a、b），保证要工件的螺纹段加工时，主运动与进给运动处于正确的同步关系，这样可避免因车刀升降而影响螺距的稳定。

2．3．3规划高效率的刀具路径
刀具相对工件的进给运动，实际上可总结为两种典型的运动，
即：点到点的定位运动，为快速、非切削的空行程状态；刀具以
工进速度切削工件的切削加工运动。

规划提高效率的刀具路径，
最实际的就是寻求最短刀具路线，缩短路线前提是保证路线的安
全性和满足质量要求。

1．拟定尽量短的点定位路线
图2-3-16追求短的点定位路线刀具切削工件前，要从某初始点开始快速运动接近工件，刀
具初始点，通常是换刀点或对刀点；刀具完成切削任务后，又离开工件回到适当的归宿点位置，通常是换刀点或机床参考点。

因此，要缩短刀具接近工件的路线和切削后的回归路线，
换刀点、对刀点、机床参考点的设置，要尽量靠近工件的加工部位，但要保证换（转）刀及
其它操作的方便和安全。

若同一刀具可对同次装夹工件的多个结构，或同次装夹的多个工件加工，应设计好刀具
从一个结构到另一个结构，从一个工件到另一个工件的点定位路线，使各结构加工连贯进行，衔接自然合理，减少重复定位次数，并使定位路线总长最短。

如图2-3-16可以用同一把钻
头把不在同一高度的相同孔一次加工完的点定位路线安排。

2．拟定尽量短的进给切削路线
在安排粗加工或半精加工的切削进给路线时，切削进给路线短，可有效地提高生产效率，降低刀具损耗等。

刀具以工进给速度切削的起点和终点，距离工件越近则进给切削路线越短，但刀具与工件碰撞的危险性增大。

对工件某切削区域的粗加工，可以有几种不同切削进给路线选择，如，平行轮廓的“环切”路线，平行坐标轴的“行切”走刀路线等。

究竟何种切削路线最短，要具体问题具体分析。

如图2-3-17a，工件为余量均匀的锻造毛坯，粗加工时，平行轮廓的“环切”路线最短。

对如图2-3-17b的毛坯为圆棒料的大余量切削区域，平行坐标轴的“行切”路线长度总和为最短。

总之，影响走刀路线拟定因素，包括被加工工件加工内容要求，机床、装夹夹具、刀具的工艺系统现状特点，计算机自动控制的特点等因素。

路径规划时，重视这些因素，全局、宏观地考虑这些因素对加工的影响，力求避开不利因素，利用有利条件，并使之适合于加工条件，规划合理的走刀路线。

合理的走刀路线，是指安全的、能保证零件加工精度、表面粗糙度要求，走刀路线短的高效率路线。

以保证安全、质量、提高效率为原则拟定走刀路线才是全面和客观的。