数控加工中进给率控制研究

许岩松 朱 健

（沈阳航空职业技术学院，辽宁 沈阳110034）

0 引言

在CNC加工中，CNC控制系统通过F地址来访问进给率字，F地址后数字的大小决定了进给率的大小，但数字的多少取决于进给率模式和机床应用。进给率是与主轴功能关系最为密切的编程因素，通常在切除多余材料（毛坯）时，主轴功能控制着主轴转速以及旋转方向，而进给率则控制着刀具的进给速度。根据此特点，在CNC加工中，进给率可以分为每分钟进给率（mm／min或in／min）与每转进给率（mm／r或in／r）两种类型。最常见的CNC机床，即加工中心和车床，均可使用任何一种进给模式进行编辑。但在实际应用中，加工中心多使用每分钟进给率，而数控车床常使用每转进给率。要选择适合的最佳进给率，必须熟悉影响数控加工进给率设定的主要因素，这也是编程中的一个重要部分。进给率的选择通常主要取决于主轴转速（r／min）、刀具直径（M）或刀尖圆弧半径（T）、工件的表面要求、切削刀具几何尺寸、切削力、工件安装方式、刀具伸出的悬臂量、切削运动的长度、材料切除量（切削深度或宽度）、铣削方式（顺铣或逆铣）、材料上槽的数量（只针对铣刀）、安全因素。

1 加速和减速

在典型的轮廓加工中，由于被加工工件上交点、切点和间隙等的存在，切削运动的方向频繁改变。例如在编程加工工件上的直角拐角处，一个程序段中沿X轴的刀具运动，在下一程序段中得转换到沿Y轴的运动，要实现这种转换，控制器首先必须停止X轴的运动，然后再启动Y轴运动。如果没有加速，就不可能以最大进给率瞬时启动，同样如果没有减速，也不可能停止进给，这样就可能发生切削错误，尤其是在进给率非常大和角度极小的情况下。通常对一普通精度要求的工件，即使发生如此的情况，也不会影响产品的质量。但如果被加工工件的相应加工尺寸与精度要求非常严格，为避免出现上述问题，CNC系统就必须采取相应的措施。在FANUC控制器中提供了两种指令G09（准确停）、G61（准确停模式）来严格控制切削刀具的进给率，以达到产品所要求的尺寸精度。

1.1 准确停指令

FANUC数控系统中指定G09为准确停指令，它是非模态指令，即在每个需要它的程序段中都要重复编写。通过在程序中添加G09准确停指令，则它所在程序段里的运动完全完成后，另一主轴的运动才会启动，以达到G09所在段的加工尺寸精度。

1.2 准确停模式指令

准确停指令G61与G09的区别在于G61为模态指令，它会一直有效，直到切削模式指令G64或同组的G62（自动拐角倍率）、G63（攻螺纹模式）出现才将之取消。G61缩短了编程时间，但不会缩短循环时间。G09只有在为了加工出某特定拐角而需要减速时才会发挥出其特点，而如果一个程序中所有的拐角都需要很高的精度时，重复使用G09会使程序变得冗长，降低编程效率，从而G61的优点就显现出来了。通过使用G09或G61的设定，控制系统就能完成精度要求更高的加工质量与精度。

2 恒定进给率

在数控编程时，通常的步骤是根据零件图计算轮廓每个变化点的坐标值。形成刀具轨迹中心线的刀具半径通常被忽略，因为刀具半径并不影响刀具的进给率。但在圆弧编程时，使用绘图尺寸，而不是到刀具中心线的距离，等距的刀具路径（使用刀具半径偏置后）可能比圆弧编程中的绘图尺寸大得多或小得多。因此，在圆弧程序中的进给率跟编程半径相关，而跟刀具中心的实际半径无关。当刀具半径偏置有效，且圆弧的刀具路径被刀具半径偏置时，切削的实际圆弧半径可能偏小或偏大。这决定于切削刀具运动的偏置值。有效切削半径将减小所有内圆弧的尺寸，而增大所有外圆弧的尺寸。因此当表面加工质量要求很高或当刀具半径非常大时，考虑增大或减小圆弧切削的进给率是非常必要的。

补偿后的圆弧运动进给率通常取决于当前编程的直线运动进给率，已知计算直线进给率的标准公式：

式中，F1为直线进给率；n为主轴转速（r／min）；Ft为每齿进给量；Z为切削刃的数量。

根据直线进给率公式，圆弧的加工面（外圆弧或内圆弧）将影响圆弧进给率的调整，外圆弧的直线进给率应该增加，而内圆弧则应该减小。经推导，得出以下公式：（1）对外圆弧，通常将进给率向上调整到一个较大的值：Fn＝F1（R＋r）／R，其中Fn为外圆弧进给率，F1为直线进给率，R为工件外径，r为刀具半径。（2）对内圆弧，通常将进给率向下调整到一个较小的值：Fn＝F1（R－r）／R，其中Fn为内圆弧进给率，F1为直线进给率，R为工件外径，r为刀具半径。上述修改提高了圆弧处的尺寸精度及表面质量，从而更好地满足了对于工件加工质量的要求。

3 最大进给率

CNC机床的最大可编程进给率不是由控制器的生产厂家决定，而是由机床生产厂家决定的，例如，特定机床的最大进给率可能只有10 000mm／min，但是CNC系统可以提供比它高数倍的进给率。这对所有的控制器都是适用的，主要是每个机床厂家生产的机床机械结构体的结构、设计强度及安全等因素决定了其进给的最大速度不能超过一个定值。同时在主要以每转进给为编程方法的CNC车床上，还有其他一些考虑因素。CNC车床的编程主轴转速（r／min）和最大快进速率，常常会限制每转最大切削进给率。如果没有认识到这一点，就很容易把每转进给量写得过高，该问题在单头螺纹加工中最为常见，因为单头螺纹加工的切削进给率可以非常高。CNC机床不能使用超出最大设计范围的进给率进行加工。当同一程序中使用了异常大的进给率和很快的主轴转速时，最好计算一下有效进给率是否超出了给定机床的最大许可进给率。最大许可进给率可以根据以下公式进行计算：

式中，Fmax为最大每转进给率；Rmax为X和Z轴中较小的最大进给率；n为主轴转速。

通过上述公式可以计算出加工中的最大许可进给率，对加工中的安全、质量等有一个基本的度量，做到安全生产。

4 进给率倍率功能

尽管进给率功能可以使用F地址指定，程序中也可以使用两种特殊的辅助功能M来设置进给率倍率的“开”和“关”。操作面板上没有进给率倍率旋钮，如果CNC操作人员决定临时增大或减少程序中的进给率，该旋钮是非常便利的。但在加工操作中，由于切削进给率必须为编程进给率，所以进给率倍率旋钮只能设定为100%，而不能是其他的任何设置。M48功能使得CNC操作人员可以随心所欲地使用进给率倍率开关，M49指令则使得进给率按照程序所编写的执行，而不管控制面板上进给率倍率旋钮的设置如何。这两种功能在不使用循环的攻螺纹和螺纹加工应用中最为常见，这些场合要求进给率与编程值完全一致。

5 结语

总之，分析加工生产中常见的切削进给率问题，控制数控加工中的进给率，能显著提高产品加工质量及精度。

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