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铣削方式:螺旋和圆周插补

发布日期:2026-11-06

铣削方式:螺旋和圆周插补

一、两者的关系与基本概念

圆周插补(圆弧插补)和螺旋插补在应用中密切相关。圆插补/螺旋插补铣实质上可以看成是斜坡铣的一种变形,即把原来垂直轴线方向上的直线走刀路线变成沿圆周走刀。

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类型
运动组成
本质
圆周插补(G02/G03)
两轴联动在指定平面内做圆弧运动
平面内的圆弧轨迹
螺旋插补(G02/G03 + 第三轴)
在 G17/G18/G19 平面中的圆弧运动 + 垂直于该平面的直线运动
三维螺旋线轨迹

螺旋插补的刀具轨迹是一条螺旋线,由三种运动合成:平面内圆周运动 + 垂直方向直线进给 。


二、圆周插补(圆弧插补 G02/G03)

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1. 基本指令格式

XY平面:G17 G02/G03 X_Y_ I_J_(或R_)F_

ZX平面:G18 G02/G03 X_Z_ I_K_(或R_)F_

YZ平面:G19 G02/G03 Y_Z_ J_K_(或R_)F_
G02= 顺时针(CW)圆弧插补;G03= 逆时针(CCW)圆弧插补 。

2. 圆弧方向的判断方法

从所指定坐标平面垂直轴的正方向往负方向观察,顺时针为 G02,逆时针为 G03 。例如判断 ZX 平面内圆弧方向时,应从 Y 轴正向往负向观察 。

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3. 圆心的两种指定方法

方法
说明
I、J、K 方式
圆弧起点到圆心的矢量在相应坐标轴上的分量,始终为增量值,与G90/G91无关
R 方式
用带符号的圆弧半径:≤180°用正值,>180°用负值

整圆加工的特殊规定:
整圆(360°)只能用 I、J、K 表示,用 R 方式无法执行
若一行中同时出现 I、J 和 R,R 优先有效,I、J 无效
省略 X、Y、Z 终点坐标时,表示起点终点重合,即切削整圆

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三、螺旋插补

1. 指令格式

立式数控铣床(XY平面):
G17 G02/G03 X_ Y_ I_ J_(或R_)Z_ F_;
指令中的Z 轴是圆弧插补轴之外的移动轴,其他部分与圆弧指令相同 。

2. 进给速度的分配

指令中的F 值是沿圆弧(切向)的进给速度
直线轴的进给速度由下式导出:
图片
沿Z向进给量与指令值关系:f₃ = f·tanλ,旋转一周Z向移动一个导程

3. 使用注意

刀具半径补偿只用于圆弧移动
刀具长度补偿不能用于螺旋插补程序段
一个含螺旋插补的程序段最多只能实现一整圈(360°)的插补运动
做整圈时,圆弧半径或圆心位置只能用 I、J、K 两个来指定,不能用 R

4. 西门子系统格式

西门子系统螺旋插补指令为G02/G03 + TURN:
G02/G03 X_Y_Z_I_J_TURN=_;
TURN 值代表螺旋线中整圆的个数,当螺旋线正好是整圈(N)时,TURN 应等于 N−1。

5. 螺旋铣削的三种切入方式

以螺纹铣削为例,螺旋铣削有三种切入方式:

切入方式
特点
圆弧切入法
刀具切入、切出平衡,不留痕迹、不产生振动,即使加工硬材料也如此;程序编制稍复杂,推荐用于精密螺纹
径向直接进刀
两切削刃同时切削、受力均匀,能保证螺纹精度,编程简便,一般一次加工而成
(第三种)
基于圆弧与径向的变体

斜坡切入和切出

如下所示,逐渐地斜坡切入可以提供更长的刀具寿命,同时,在刀具切入切出是保持刀具的持续运动,可以消除工件上的停顿刀痕

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四、主要应用领域

1. 铣孔(以铣代镗)

利用数控系统的螺旋线轨迹特点,采用立铣刀螺旋线轨迹铣削加工圆孔,切削效率高、通用性强,简称螺旋铣削加工孔 。
优势:
可以减少孔加工刀具的规格和数量,用铣刀代替粗镗刀和半精镗刀
因刀具轨迹连续,可提高轮廓侧面的加工质量(不存在分层时的接刀痕迹)
只要求很小的开始空间,可用一把铣刀加工多个不同尺寸的孔
典型流程:
快速定位到孔中心
快速定位在 R 点
螺旋线切削至孔底
精加工可沿圆弧铣削一周回孔中心(保证孔壁质量)
从孔底快速退回到 R 点
快速退回到初始平面

2. 铣螺纹

螺纹铣削是通过机床三轴联动的螺旋插补实现的:在二轴作圆弧铣削的同时,第三轴作直线进给运动,移动距离正好是螺纹的螺距。
加工流程(以螺纹钻铣刀为例):定位 → 钻削至孔深 → 提升到螺纹深度 →圆弧切入螺纹起始点→ 绕螺纹轴线作 XY 插补并同时作 +Z 运动(每绕360°上升一个螺距)→ 圆弧退刀 → 快速退至安全平面。
插补圆半径的计算:
内螺纹:R = M/2 − A(M为螺纹直径,A为刀尖到中心距离)
外螺纹:R = M/2 + A

3. 铣槽加工的螺旋下刀

铣槽属于粗加工,常规工艺是先预钻一孔再下刀。采用螺旋下刀则无需预钻孔,从而简化工艺、减少刀具数量和换刀次数 。

4. 型腔铣削中的螺旋下刀

螺旋插补指令可用于型腔铣削中的螺旋下刀、内孔或外圆的圆柱面粗铣削加工。对于不通孔铣削,其垂直进刀方式可以是轴线直接进刀、螺旋进刀和斜插进刀 。

采用螺旋下刀时,立式铣刀端面中部不具切削能力,必须钻预孔或采用螺旋下刀、斜插下刀 。

5. 坡走与圆弧插补铣

螺旋插补铣所获得的切深,根据刀具直径和最大坡走角确定。选择合适刀片尺寸和小螺距铣刀可获得最大材料去除率,并应确保所有可编程半径比刀具半径大15%。

五、螺旋铣削的走刀速度计算(外圆/内孔插补)

当铣刀将直线走刀路线变成圆周走刀路线后,铣刀中心的水平轨迹与铣刀外圆形成的轨迹产生差距,这与插补孔/插补外圆的方式、铣刀直径、圆柱直径有关。外圆插补和内孔插补时,铣刀中心的编程水平走刀速度需按公式单独计算,其基本原理是:铣刀外圆上与工件大径点的水平走刀速度,与直线走刀所计算的走刀速度相同。
同时,采用外圆/内孔插补时,实际切削宽度 aₑ 与原来的切削宽度也会有变化,需按相应公式计算 。

六、螺旋插补与圆周插补应用对比

应用
圆周插补
螺旋插补
轮廓加工
圆弧轮廓、整圆铣削
—
孔加工
精加工沿圆弧铣削一周
螺旋线切削至孔底
螺纹
—
三轴联动的螺旋线
下刀方式
—
螺旋下刀(免预钻孔)
型腔
底面圆弧修整
螺旋下刀开口

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