型腔模具零件的MasterCAM高速銑削參數設置關鍵技術

袁永富，肖善華，周文超

(宜賓職業技術學院，四川宜賓 644003)

MasterCAM是現代制造業中最經濟、最有效率的CAD/CAM軟件，連續十一年銷量在同類軟件中名列第一。MasterCAM不但具有強大穩定的造型功能，可設計出復雜的曲線、曲面零件，而且提供了豐富的多軸加工模塊和高速銑削加工模塊。文中研究復雜曲面在MasterCAM X6軟件中的高速銑削刀具路徑，為高速銑削零件打下基礎。

1 高速銑削機理及應用

1.1 高速銑削機制

德國物理學家Carl JSALOMOM最早提出了高速切削(High Speed Cutting)的理論:在常規切削速度范圍內，切削溫度隨著切削速度的提高而升高，但切削速度提高到臨界切削速度之后，切削溫度不但不會升高反而會降低，且該切削速度v與工件材料的種類有關。對于每一種工件材料都存在—個速度范圍，在該速度范圍內，由于切削溫度過高，刀具材料無法承受，切削加工不可能進行。如果越過這個速度范圍，高速切削將成為可能，從而大幅度提高生產效率。高速銑削理論曲線見圖1，不同材料高速銑削試驗曲線見圖2。一般認為高速銑削加工是指采用超硬材料的刀具，通過極大地提高切削速度和進給速度，來提高材料切除率、加工精度和加工表面質量的現代加工技術。

圖1 高速銑削Salomom曲線

圖2 不同材料高速銑削試驗曲線

1.2 高速銑削應用領域

高速銑削具有高生產效率、減少切削力、提高加工精度和表面質量、降低生產成本、可加工淬硬材料等許多優點，已在汽車和摩托車制造業、模具業、軸承業、航空航天業、機床業、工程機械、石墨電極等行業中廣泛應用。應用實踐表明:產品質量明顯提高，成本大幅度降低，獲得了市場競爭優勢，取得了重大的經濟效益，對提高切削加工技術的水平、推動機械制造技術的進步也具有深遠的意義。對于復雜型面模具，模具精加工費用往往占到模具總費用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工費用大大減少，從而可降低模具生產成本。見圖3:傳統的模具制造過程為:準備毛坯→精銑→半精銑→熱處理→電火花加工→精銑→手工修磨;高速銑削模具的過程為:準備毛坯→高速粗銑削→高速半精銑削→高速精銑削→手工修磨。由以上兩種模具加工對比圖(圖4)看出:高速銑削的工序較少，最后只需要少量的手工修磨，同時減少制造電極的時間，效率更高，單件模具的成本大大降低，能大大提高模具產品的市場占有率。

圖3 傳統模具加工過程和模具高速銑削加工過程

圖4 模具加工對比圖

2 MasterCAM X6高速銑削模塊

2.1 MasterCAM X6高速銑削的特點

MasterCAM HSM能夠保持切削刀具路徑和進刀退刀時的平滑過渡，能夠順利得到平滑的、優化的高速加工刀具路徑。這種高速加工方法大大提高了產品的表面質量、減少刀具的磨損。其優點表現在:(1)減少空刀切削造成的時間浪費;(2)平滑連續的無過切刀路;(3)刀柄刀桿碰撞保護;(4)顯著減少大型復雜零件的刀路計算時間;(5)支持陡壁淺平面加工;(6)支持3+2軸加工;(7)殘料粗精加工。

2.2 MasterCAM X6高速銑削模塊分類

MasterCAM X6的高速曲面銑削模塊十分豐富，對凹凸曲面包含14種加工方法，要正確生成高速切削加工軌跡，需要根據零件的特點，進行軌跡的優化和設置。針對模具曲面的高速粗加工方法主要有:中心除料粗加工、區域除料粗加工、殘料除料粗加工、模型區域除料粗加工、模型殘料除料粗加工，如圖5—9所示。模具曲面高速精加工方法主要有:等高外形精加工、重疊區域精加工、放射狀精加工、交線精加工、平等精加工、螺旋精加工、混合精加工，如圖10—12所示。MasterCAM HSM對零件尖角部分通過刀具的平滑過渡來實現，從而保證了高效的進給率，減少了加工時間。另外，MasterCAM HSM還采用了備用余量的模式以避免空切，這種模式的余量可以通過前道工序算出，也可以通過參數進行設置，從而保證由粗到精加工的高效率。

圖5 中心除料粗加工

圖6 區域除料粗加工

圖7 殘料除料粗加工

圖8 模型區域除料粗加工

圖9 模型殘料除料粗加工

圖10 等高外形精加工

圖11 重疊區域精加工

圖12 放射狀精加工

3 MasterCAM X6高速銑削編程關鍵參數及設置

3.1 MasterCAM X6高速銑削粗加工參數設置

完成圖13所示的模具零件高速銑削粗加工參數設置，在MasterCAM X6軟件中單擊“刀具路徑”→“曲面粗加工”→“粗加工挖槽加工”→單擊所需的全部加工曲面后，彈出圖14所示的選擇曲面邊界線的對話框，選擇頂平面的邊界線，在圖15所示的刀具路徑參數中設置:刀具直徑φ10 mm的球頭銑刀，主軸方向順時針，主軸轉速10 000 r/min，進給速度600 mm/min，下刀速度300 mm/min，提刀速度800 mm/min。單擊如圖16所示的粗加工參數，設置其安全高度為50 mm，下刀位置為增量5 mm，工件表面為絕對坐標0 mm，預留量0.3 mm，刀具位置為中心。單擊如圖17所示的挖槽參數選項，選擇其切削方式為高速切削;單擊“高速切削”按鈕，設置高速粗加工切削參數的粗切步進量為可變的，兩切削間的移位為相切的切線，兩相切斜線的角度為90°。高速切削選項為整個區域，回旋半徑和回旋間距都為5.0 mm。單擊“確定”，生成高速銑削粗加工軌跡，見圖18。

圖13 模具型腔零件

圖14 曲面加工邊界線設置

圖15 刀具路徑參數

圖16 曲面加工參數設置

圖17 曲面挖槽高速銑削設置

圖18 高速銑削粗加工軌跡

3.2 MasterCAM X6高速銑削精加工參數設置

在MasterCAM X6軟件中單擊“刀具路徑”→“高速曲面加工”→“等高外形”，單擊并選擇所需的全部精加工曲面后，選擇曲面邊界線的對話框，選擇頂平面的邊界線，在圖19所示的刀具路徑參數中設置:刀具直徑φ8 mm的球頭銑刀，主軸方向順時針，主軸轉速12 000 r/min，進給速度400 mm/min，下刀速度200 mm/min，提刀速度600 mm/min。在其切削參數中設置:銑削方式為順銑，深度分層切削厚度為1.0 mm，圓角最大半徑為1.0 mm。單擊如圖19所示的過渡方式參數，選擇其過渡方式為切線斜插，如圖20所示。設置陡峭/淺平面參數，如圖21所示。單擊圖19所示的共同參數選項，選擇提刀高度為絕對坐標方式，安全高度為50 mm，并設置其引導方式，如圖22所示。單擊“確定”，生成高速銑削等高外形精加工軌跡，見圖23。

圖19 高速銑削等高外形參數

圖20 曲面加工邊界線設置

圖21 陡峭/淺平面參數

圖22 高速銑削等高外形參數

圖23 高速銑削精加工軌跡

4 MasterCAM X6高速銑削模擬仿真實體切削

單擊“操作管理器”中的材料參數設置，見圖24，根據模具零件的結構特點，選擇形狀為矩形，顯示選項中選擇線架加工或實體，同時選中適度化，使模具零件在整個界面的正中央。編程原點設在工件的X和Y方向的中心，Z設在工件的上平面，在坐標點位置輸入X值為0.0，輸入Y值為0.0，輸入Z值為0.0。單擊“邊界盒”，并選擇“實體”，系統自動獲取零件尺寸，完成全部設置如圖24所示。設置高速銑削安全區域，見圖25。

圖24 高速銑削材料參數

圖25 安全切削區域

選擇高速銑削安全區域為矩形，其切削尺寸為305 mm×235 mm×125 mm，并勾選顯示安全區域和安全區域屏幕適度化，保證銑削安全。所有設置完全后，進行模擬仿真，單擊“驗證已選擇的操作”，選中“碰撞停止”和“換刀停止”選項，然后單擊“驗證”，系統自動開始加工，高速銑削實體驗證結果如圖26所示。

圖26 實體模擬仿真結果

5 模具型腔零件的高速銑削機床選擇

圖27 高速銑削機床UCP600

高速銑削加工需要有高速銑削機床的支撐，選擇瑞士米克朗公司生產的UCP600高速銑削機床進行加工，見圖27，其控制系統為Heidenhain(海德漢)iTNC 530，坐標軸行程為:X軸600 mm，Y軸500 mm，Z軸500 mm，A軸－100°～+122°，C軸360°全回轉。主軸最高轉速42 000 r/min。進給最大速度(X、Y)為15 m/min，快速移動最大速度為22 m/min。將MasterCAM X6軟件高速銑削生成的G代碼傳輸至機床，完成相關設置后，加工出模具型腔零件。經檢驗，該零件的質量完全合格，高速銑削的參數設置比較合理。

6 結束語

研究高速銑削的機制，應用功能強大的Mastercam X6軟件進行粗、精加工高速銑削刀具路徑的規劃和參數的設置，為復雜模具曲面零件的高速銑削提供技術支持。

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