插铣法加工的应用及编程方案
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【摘 要】随着数控加工行业竞争日益激烈，高效率，低成本是各个企业最求的目标。特别是零件结构特殊，加工环境恶劣，传统的加工方法已经无法满足加工要求时，寻求先进的新型加工方法势在必行，插铣法就是一种新兴的高效率、低成本的加工方法。
【关键词】插铣法;高效加工
一、概述
1.1插铣法简介
插铣法又称Z轴铣削法，是实现高切除率金属切削最有效的加工方法之一，插铣法的加工效率远远高于常规的端面铣削法和侧面铣削法，采用插铣法，可以使加工时间缩短一半以上。采用插铣法也可以减小零件的加工变形。由于插铣加工的主切削力是轴向切削力，而径向切削力很小，加工过程中对机床的主轴间隙要求不高，对于老旧机床可以充分利用，而且在同样金属去除量的前提下，对主轴的磨损量远远小于传统的端面铣削和侧面铣削。
1.2插铣法相对于传统加工方法的优点
插铣法大降低了深槽加工对刀具刚性的要求，深槽加工如果采用传统的侧刃铣加工方法，主切削力是沿径向方向，刀具的长径比大，刀具径向刚性大大降低，加工过程中径向切削力使刀具让刀、颤动严重，刀具寿命低，加工参数低，加工效率自然也就低下。要想提高零件的加工效率，就要提高刀具材质的刚性，随着刀具长度的增加，刀杆部分受到的弯曲力矩越来越大，对刀杆材料的要求也越来越高。当刀具的长径比超过5时，就没有材料可以承受了。这样，只能以极低的加工参数生产，不仅加工效率低下，而且刀具成本大大增加。而插铣是沿着刀具的轴向切入被加工材料，类似于钻削的一种加工方法。加工过程中，刀杆的受力方向，由传统侧刃铣的径向，变为的轴向。而刀具承受轴向载荷的能力要远远大于承受径向载荷的能力。插铣加工最大化的利用了刀具轴向刚性强的这一特性，刀杆承受的载荷，也从拉应力、剪应力的复合，变成了以剪应力为主的简单状态，降低了对刀具刚性要求的同时，大大提高了加工状态的稳定性。
1.3插铣法的应用范围
插铣法，适合加工小槽型大深度的结构件，在铝合金类结构件的加工应用铰多。铝合金插铣加工刀具主要采用的小直径（直径≤12mm）的整体硬质合金刀具，小刃长（1倍径左右），大的有效切削深度，具有大长径比刀具，做插铣加工。这种结构的刀具，价格非常昂贵，大部分的刀体材料，不能参与加工过程，材料的利用率不高，限制了插铣加工方法的推广。机夹可转位刀具的出现后，国外刀具的设计理念有了非常大的转变，在使用和推广机夹可转位刀具的过程中，发现这种大长径比，小刃长刀具，更加适合设计成为机夹可转位刀具。随着机夹可转位刀具应用范围的不断扩大，机夹可转位的插铣刀的应用范围，也由铝合金加工，发展到了钢，钛合金等多种材料。由加工特殊深槽型结构件，发展到普通开放槽式粗加工等多個加工领域都得到了广泛的应用。
1.4插铣法的前景展望
插铣法属于新兴的一种加工方法，目前在数控编程软件及刀具开发明显滞后，以CATIA V5编程软件为例，仅在R17以后的版本，提供了简单＂Plunge milling＂编程策略。相信随着插铣法应用越来越广泛，软件及刀具开发方面，也会越来越完善。
二、插铣加工示例
2.1插铣法在加工零件转角的应用
数控铣加工零件转角时，由于在转角处刀具与切削材料接触的包络角急剧增大，切削力也成倍增加。即便采取较大的转角减速，在转角出也容易出现颤刀，过切等现象，严重的会出现断刀，零件尺寸超差、报废。为了改善这一状况，在加工前将转角的大部分余量插铣去除，然后在进行轮廓加工，尤其在高速加工中，进行转角余量插铣加工后，再进行轮廓精加工时，不必进行转角减速，提高了加工效率的同时，也减轻了机床主轴的磨损程度。
插铣的方式切忌满径加工，因为刀具中心点的切削速度为零，因此一般整体硬质合金刀具（横刃过中心）插铣的加工量理论上不能不超过刀具直径的1/2，最佳的切削量在刀具直径的1/3左右，机夹可转位刀具（无横刃过中心），其插铣的切削宽度不超过刀片宽度的2/3。
2.2插铣法编程示例
以实际加工件为例，演示插铣法在插铣转角的应用及编程方法，编程软件为CATIA V5为例，转角的插铣处理使用Point To Point功能实现。选择Goto Position方式，添加需要处理的转角。在该选项中需要选择零件面、导动位置、检查位置以及设定各个方面的偏置量。导动位置及检查位置既是转角的两个边界面。一般情况下，可以在零件面及加工边界上各留0.5mm余量（对于机床、刀具、工件整体工艺系统刚性较好时，可以不留余量）。同时需要指明被处理的转角处于两个边界的那一个象限（该点不是实际加工位置，仅表明该转角在导动位置线与检查位置线所相交的象限内处于那一个象限，实际位置受偏置量与边界控制）。选择完需要处理的转角后，仅是指明了一个位置，还不能实现转角的插铣处理，为了实现该功能，需要设定进退刀的宏指令。在点到点方式中，进退刀宏指令只有三个方式，Add Axial motion（轴向运动模式，沿轴向运动一段距离）;Add Axial motion up to a plane（轴向到平面，沿轴向运动到一个指定的平面）;Add distance along a line motion（直线运动，沿指定的直线运动一段距离）。将这三种方式进行组合，即可以得到理想的转角插铣处理的运动方式。
进刀宏指令的组合设置是：轴向运动-直线运动-轴向平面-轴向运动-直线运动-轴向平面…轴向运动（或轴向平面），每一个组合为一次插铣过程，但是需要注意的是，进刀宏指令的动作过程与设定过程是相反的，实际运动时是由后向前动作。而实际的速度设定是：加工速度-快速-退刀速度-加工速度-快速-退刀速度…快速。直线运动的方向在进刀过程中与进刀方向是相反的。
退刀宏指令的组合设置是：轴向运动-直线运动-轴向平面-轴向运动-直线运动-轴向平面…-轴向运动-轴向运动（或轴向平面），同样每一个组合为一次插铣过程，但是需要注意的是，进刀宏指令的设定过程与实际运动过程是相同的。而实际的速度设定是：退刀速度-快速-加工速度-退刀速度-快速-加工速度…退刀速度-快速。直线运动的方向在退刀过程中与退刀方向是相同。
直线运动的长度既是每次插铣过程中的切削宽度，由于在进行转角处理的过程中，每次加工的余量都不是均匀的，因此较好的处理方式是采用阶梯递进的方法。例如进刀时7mm-5mm-3mm的方式，出刀时反之，即可以减少排刀的次数，同时可以保持每次加工的余量尽可能的均匀。
采用插铣的方式加工完的零件侧壁表面残留较高（如果设定的残留较小，则需要排刀布距很小，效率较低），为了得到较好的表面质量，需要在插铣后进行轮廓加工，因此，插铣法加工主要用粗加工及半精加工。
为了保证在转角处的加工余量均匀，可以设定转角圆弧（考虑零件的转R的加工公差）;但是转角的R也不能太大，加工轨迹需要将插铣的位置包含在内。插铣刀加工后，轮廓加工余量均匀，所以，这种轮廓加工可以不启用转角减速功能或减速率设置较高，使加工更顺畅，加工状态更稳定。
三、小结
插铣法加工，是区别于传统加工的一种新型加工方式。由于刀具、编程软件及加工习惯等因素的制约，目前普及程度还有很大的提升空间。随着软、硬件配套的普及与完善，这种高效的加工方法应用范围会越来越广，也会在各加工领域，发挥越来越大的中坚作用。