集成环切轨迹与变半径摆线轨迹的型腔加工轨迹生成方法技术领域
本发明涉及一种机械加工的CAD/CAM技术，具体为一种针对型腔加工的集成环切
轨迹与变半径摆线轨迹的型腔加工轨迹生成方法。
背景技术
随着高速铣削在型腔加工中的应用日益广泛，常规的环切走刀轨迹存在的问题越
来越明显。在环切刀轨的规划过程中，难以避免地会生成许多凹凸拐角与狭窄加工区域。在
加工这些危险区域时,往往会出现材料去除率的瞬时突变，从而导致刀具负载的突变，严重
影响刀具寿命并大大限制了加工效率的提升。为了更好地发挥高速铣削对复杂型腔加工的
适应能力，同时进一步提高刀具寿命，亟需既能够维持相对稳定的加工负载,同时又具有较
高加工效率的加工轨迹自动生成方法。
有关研究表明，摆线铣削方式能够很好地解决切削负载的突变问题。由于摆线的
轨迹是连续的，加工过程中刀具接触角和径向深度变化平缓且可控，且不会受到加工区域
形状改变的影响，能很好地保持材料去除率的稳定，因而适用于危险加工区域的高速铣削
加工。在提升进给速度而减少加工时间的同时，还能够延长刀具寿命。
然而，由于摆线走刀轨迹包含空切段，相对于传统的环切走刀路径，其加工路径的
总长度更长。对于危险加工区域以外的加工区域，采用传统的环切走刀即可维持材料去除
率的稳定，因而使用环切走刀轨迹可以获得比摆线走刀轨迹更高的加工效率。
目前，已有的计算机辅助制造软件，例如Siemens NX，采用一种恒半径的摆线走刀
路径，用于危险加工区域的加工。但是,恒半径的摆线走刀轨迹对复杂加工区域的适应性不
强，易形成重叠的摆线轨迹，造成刀轨冗余，影响加工效率。
变半径摆线走刀路径，相对于恒半径的摆线走刀路径，对所加工区域的几何形状
具有更好适应性，通过一次走刀即可完成复杂区域的摆线铣削加工，从而避免出现重叠导
轨；而且，可以通过自适应调节每个摆线周期的步长，维持最大径向切深Rdc的稳定。将变半
径摆线走刀路径与传统的环切走刀路径合理地集成，可以为复杂型腔的高速铣削加工提供
更高效率的加工方法。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提出集成环切轨迹与变半径摆线轨迹的型腔加工
轨迹自动生成方法。该方法针对复杂型腔加工，自动规划环切走刀路径与变半径摆线走刀
路径，并能够保持加工过程中材料去除率的稳定，从而为复杂型腔的高速加工提供更高效
率的加工方法。
为达到以上目的，本发明采用了如下技术方案。
集成环切轨迹与变半径摆线轨迹的型腔加工轨迹生成方法，其包括以下步骤:
步骤1：在CAM软件中读取型腔轮廓信息，以型腔外轮廓向内偏置、型腔内轮廓同时
向外偏置的方式，逐层构建型腔的环切走刀轨迹；
步骤2：预测沿该环切走刀轨迹加工时材料去除率的变化，自动识别并划分出型腔
的危险加工区域；
步骤3：采用变半径摆线走刀轨迹填充危险加工区域，替代环切走刀轨迹；
步骤4：调节摆线走刀的进给速度、径向切削深度等参数，保持摆线走刀与环切走
刀时材料去除率的基本一致。
进一步地，步骤2中所述材料去除率是指，刀具沿加工轨迹在具体位置上的瞬时材
料去除率MRR，即单位时间内所去除材料的体积。
进一步地，步骤2中所述危险加工区域是指，当刀具沿环切加工轨迹恒速进给时，
其瞬时材料去除率MRR发生明显可识别的变化时，刀具所扫掠过的型腔区域。
进一步地，步骤3中所述变半径摆线走刀轨迹具有如下特征：
1)所述摆线指的是长幅旋轮线，即一个动圆沿着一条定直线作无滑动的滚动时，
动圆外一定点的轨迹；动圆滚动一周，为一个摆线周期，滚动前后动圆圆心的距离为步距，
动圆外定点到圆心距离为摆线的半径；
2)变半径摆线刀轨每个周期的半径随加工区域宽度的变化而变化，为该加工区域
的最大内切圆的半径Rc减去刀具半径Rt；
3)变半径摆线刀轨的每个周期的步距S是可变的，能通过调节步距以维持加工过
程中最大径向切削深度Rdc的恒定。
进一步地，步骤3中所述变半径摆线走刀轨迹填充危险加工区域过程中，对于每个
危险加工区域均进行以下步骤：
步骤3-1：提取危险加工区域的中轴线；
步骤3-2：根据选定的最大径向切削深度，沿其中一条中轴线生成所述变半径摆线
走刀轨迹；
步骤3-3：重复步骤3-2，直至遍历完成危险加工区域所有的中轴线轨迹。
进一步地，步骤3-1所述危险加工区域的中轴线是指，由危险加工区域轮廓构成的
平面封闭域区内所有最大内切圆圆心的集合。
与现有技术相比，本发明的优点与效果在于：通过集成变半径摆线走刀路径与环
切走刀路径，避免了环切走刀轨迹中危险加工区域材料去除率突变的问题，加工过程中材
料去除率稳定且可控，特别适合高速铣削，能够充分发挥高速加工的优势，并能有效提高刀
具寿命，防止刀具断裂；同时，使用变半径摆线能很好的适应危险加工区域的形状，减少了
恒半径摆线刀轨冗余的问题。总的来说，本发明能够为复杂型腔的高速铣削加工提供更高
效率的加工方法。
附图说明
图1是本发明的集成环切轨迹与变半径摆线轨迹的型腔加工轨迹生成方法的流程
图。
图2是环切走刀轨迹的示意图。
图3是单刀位点材料去除率的几何分析图。
图4是单刀位点材料去除率的几何分析俯视图。
图5是某零件使用环切走刀轨迹时的材料去除率变化图。
图6是变半径摆线刀轨单刀位的几何分析图。
图7是沿着中轴线生成变半径摆线刀轨的示意图。
图8是使用变半径摆线刀轨填充危险加工区域的示意图。
图9是某零件使用本发明走刀轨迹时的材料去除率变化图。
具体实施方式
下面将结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保
护不限于此。
图1是本发明的集成环切轨迹与变半径摆线轨迹的型腔加工轨迹生成方法的流程
图。如图所示，包括以下步骤：
(1)将型腔的模型输入CAM软件中，选取需要加工的区域，并设置相关加工参数，包
括，刀具半径、进给速度、轴向切深、材料去除率等。
根据给定的加工参数，计算出合适的环切走刀轨迹的偏置距离，对加工区域使用
外轮廓向内偏置、同时内轮廓向外偏置的方法逐层构建环切走刀轨迹，如图2所示，为生成
的环切走刀轨迹。
(2)在环切走刀轨迹的规划过程中，难以避免的会产生许多拐角和狭窄区域(如图
2)，被统称为危险加工区域。自动识别危险加工区域的方法如下：
首先计算出走刀过程中的材料去除率。如图3和图4所示，D为两相邻走刀轨迹之间
的行距，H为轴向切削深度，Vf为进给速度，Vfc为刀具上切削中点的进给速度，Rt为刀具半
径，α为刀具圆周与零件的切触角度，则环切走刀轨迹的材料去除率MRR可由以下公式估算：
MRR＝Rt·α·Vfc·H
其中Vfc可用Vf近似代替以简化计算。
由上述材料去除率的估算公式可知，在型腔加工过程中一般会按照恒定的轴向切
深和进给速度进行加工，当沿环切走刀轨迹加工时，MRR会随着刀具圆周与零件切触角度的
不同而改变。如图5所示，当材料去除率发生显著突变的时候(例如：超过A线20％以上)，可
以定义刀具进入了危险加工区域。并且，为了方便后续处理，把这些临近的分散的区域连成
一个或多个区域，并且区分出狭窄区域和拐角区域。
(3)随后，使用变半径摆线走刀轨迹填充这些危险加工区域。
(4)为了使变半径摆线走刀轨迹与环切走刀轨迹保持基本一致的材料去除率，可
以通过数值计算生成具有恒定的最大径向切削深度Rdc的摆线走刀轨迹，并通过设置摆线
走刀的进给速度Vf，以保持摆线走刀与环切走刀时材料去除率的基本一致。
变半径摆线走刀轨迹的生成方法有以下步骤：
(1)提取危险加工区域的轮廓信息，生成该轮廓对应的中轴线；
(2)沿其中一条中轴线生成变半径摆线走刀轨迹，通过调节步距S获得恒定的最大
径向切削深度Rdc，具体方法如下：
如图6所示，变半径摆线的数学模型可表示为，
如图6所示，Ocur为当前摆线周期的中心，Oc为一个刀位点，Onext为下一个摆线周期
的中心，S为步距即为该两摆线周期中心的曲线距离，θ为该刀位点对应的角度，为两
摆线周期中心的横坐标差和纵坐标差，Rtrocho为该刀位点的半径，即Ocur与Oc的距离，
Rtrocho_cur为当前摆线周期中心为圆心的最大内切圆半径，Rtrocho_next为下一个摆线周期中心
为圆心的最大内切圆半径。
如图7所示，为根据以上变半径摆线的数学模型沿着一段中轴线生成的变半径摆
线走刀轨迹，图中可看出不同周期的最大径向切削深度Rdc是会变化的。
为了使每周期的最大径向切削深度保持为设定值，步骤如下：
(1)根据最大径向切削深度的计算公式，通过迭代算法，计算出符合最大径向切削
深度的步距S，生成一个周期的摆线。获得新的摆线周期的中心。
(2)重复步骤(1),遍历危险加工区域中的一条中轴线，生成整条中轴线的变半径
摆线走刀轨迹。
(3)重复步骤(2)，直至遍历完成所有的中轴线轨迹，获得一个危险加工区域的摆
线走刀轨迹,
(4)重复步骤(1)(2)(3)，获得所有危险加工区域的摆线走刀轨迹，如图8所示,拐
角处和狭窄区域均被摆线覆盖。
整合环切走刀轨迹与摆线走刀轨迹，获得型腔的加工轨迹，图8所示为典型零件的
加工轨迹图。
由于环切走刀轨迹中所有的危险加工区域都被提取了出来，并且使用变半径摆线
替代了该部分的环切走刀轨迹，所以使用本发明走刀轨迹加工型腔时，能避免材料去除率
的突变，加工过程中能获得平稳的材料去除率，如图9所示。在具有平稳的材料去除率情况
下，切削力也是平稳的，不仅能适应更高的进给速度，特别适用于高速铣削，还能延长刀具
寿命，防止刀具断裂。同时，在环切走刀轨迹材料去除率较平稳的区域，不需要加入变半径
摆线轨迹，避免了全局都使用摆线走刀轨迹的轨迹长度过长的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精
神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。