基于Mastercam的數(shù)控銑加工編程技巧

摘 要：數(shù)控銑加工在模具制造行業(yè)的應(yīng)用非常廣泛，各種較復(fù)雜的平面輪廓和立體曲面的零件都采用數(shù)控銑床進(jìn)行加工，為了提高工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，必須要采用合理的數(shù)控加工工藝及編程刀路。作者通過(guò)一充電器凸模的加工來(lái)進(jìn)行數(shù)控加工工藝分析，以及尋求編程的好方法和技巧。

關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床；加工工藝；編程技巧；螺旋下刀

1 概述

現(xiàn)代的數(shù)控銑設(shè)備為精密復(fù)雜零件的加工提供了基本條件，但要讓數(shù)控銑床發(fā)揮出它的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到預(yù)期的加工效果，提高產(chǎn)品質(zhì)量及加工效率，除正確合理的加工工藝之外，還跟高質(zhì)量的數(shù)控編程有關(guān)，否則，機(jī)床的精度再高也無(wú)法保證產(chǎn)品要求的精度及生產(chǎn)效率的提高，無(wú)法提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

數(shù)控加工程序又稱為NC程序，不僅包括零件的工藝過(guò)程，而且還包括加工方法、走刀路徑、切削用量、下刀方式等工藝信息。對(duì)于簡(jiǎn)單的模具零件，通常采用手工編程的方法，對(duì)于復(fù)雜的模具零件，往往需要借助于CAM軟件編制加工程序，如Mastercam、UG、Cimatron等等。無(wú)論是手工編程或計(jì)算機(jī)輔助編程，在編制加工程序時(shí)，選擇合理的工藝參數(shù)及走刀方式，是編制高質(zhì)量NC程序的前提。否則，將導(dǎo)致生產(chǎn)效率的降低，成本上升，零件不合格，甚至報(bào)廢。

2 數(shù)控加工實(shí)例及出現(xiàn)的問(wèn)題

本人長(zhǎng)時(shí)間在學(xué)校從事數(shù)控加工的實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)工作，其中有一實(shí)訓(xùn)任務(wù)是對(duì)充電器凸模曲面（見圖1）在法蘭克FANUC 0i-Mate數(shù)控銑床上，用Mastercam軟件進(jìn)行編程和加工，要求在三個(gè)小時(shí)內(nèi)完成，并達(dá)到零件規(guī)定要求。檢查中發(fā)現(xiàn)主要存在以下幾個(gè)加工上的問(wèn)題：一是粗加工方法選用不恰當(dāng)，加工耗時(shí)；二是在粗加工中機(jī)床振動(dòng)，異響，刀具磨損快；三是粗加工后零件各處的留余量不均勻，造成精加工時(shí)加工不穩(wěn)定；四是加工完成后零件兩邊陡面有較明顯的長(zhǎng)條刀痕，影響外觀。

3 解決方案

圖1的充電器凸模曲面結(jié)構(gòu)在實(shí)際的模具加工中經(jīng)常會(huì)遇到，因此必須要掌握這種零件的實(shí)用加工方法和技巧。下面以應(yīng)用最廣泛的Mastercam軟件為工具，來(lái)詳細(xì)說(shuō)明數(shù)控銑加工工藝及編程的方法和技巧。

3.1 零件工藝分析

3.1.1 零件概述

在模具加工中，實(shí)體或曲面模型文件一般由設(shè)計(jì)人員給出，交給下面的編程人員。充電器凸模四周凸，中間凹，經(jīng)用CAM軟件分析，有分型面，有成形曲面、圓角曲面、陡峭面，還有型芯曲面與分型面之間的交線等等。里面型腔最小的圓角半徑為R2，分型面深度為19.178mm，要求表面粗糙度達(dá)到Ra3.2μm，毛坯材料為鋁合金，六面已光整，尺寸為120mm×80mm×30mm。

3.1.2 加工難點(diǎn)

由零件的結(jié)構(gòu)圖可以看出，充電器凸模曲面內(nèi)有一型腔，曲面連接處為R2圓角，決定了我們最后進(jìn)行光刀時(shí)只能用不大于R2的球刀。型腔上寬下窄，用較大刀具進(jìn)行一次開粗后在較深處必然會(huì)有較多的殘料，決定了我們還要進(jìn)行二次開粗，否則會(huì)造成后面光刀的吃力，質(zhì)量不易控制。還有模型曲面既有淺面又有陡面，常規(guī)加工方法易造成兩邊陡面留下長(zhǎng)條的刀痕。所以零件的加工難點(diǎn)是怎樣又快又好地進(jìn)行開粗，既要保證加工效率又要保護(hù)刀具壽命，以及怎樣兼顧淺曲面和陡斜面的精加工，保證表面質(zhì)量。

3.2 解決方案

3.2.1 粗加工工藝及編程技巧

問(wèn)題的出現(xiàn)主要在粗加工階段，常規(guī)方法采用外形輪廓及挖槽加工的方法進(jìn)行開粗（見圖2），由于空刀較多造成較耗時(shí)，并且留余量極不均勻（見圖3），造成后面光刀的困難和不穩(wěn)定。還有如果在深加工時(shí)刀具直接下刀會(huì)造成機(jī)床的振動(dòng)和異響，所以造成刀具的較快磨損。

根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)，決定采用曲面加工中的挖槽粗加工方法進(jìn)行開粗。為提高加工效率，采用直徑為D16R0.8的圓鼻刀對(duì)毛坯進(jìn)行挖槽開粗，考慮到刀具的切削負(fù)荷，每刀切削間距取10mm；采用分層切削，每層切削深度為1.5mm，設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min，進(jìn)給速度為1000mm/min，留余量為0.4mm。由于挖槽時(shí)刀具直接在毛坯內(nèi)下刀，應(yīng)采用螺旋式下刀或斜線式下刀，避免直接踩刀（即垂直落刀）。在進(jìn)行工藝參數(shù)的選擇和輸入時(shí)要特別注意以下幾點(diǎn)：

（1）挖槽粗加工特別要注意切削深度的確定！切削深度用于控制加工深度方向的加工區(qū)域，有最高點(diǎn)坐標(biāo)和最低點(diǎn)坐標(biāo)（最低點(diǎn)坐標(biāo)通常取分型面的Z坐標(biāo)值），通常用絕對(duì)坐標(biāo)值，不用相對(duì)坐標(biāo)值，否則易造成過(guò)切。為避免第1層走空刀，最高點(diǎn)坐標(biāo)常用負(fù)值，如-0.2～-0.3mm，不少人沒留意這一點(diǎn)，認(rèn)為最高點(diǎn)就是工件的頂面坐標(biāo)Z0，但經(jīng)后處理出現(xiàn)的NC程序會(huì)包含很多行空刀程序段，浪費(fèi)了時(shí)間，降低了效率。本例的切削深度用絕對(duì)坐標(biāo)，最高點(diǎn)坐標(biāo)和最低點(diǎn)坐標(biāo)分別是Z-0.3和Z-19.178。

（2）挖槽時(shí)應(yīng)采用螺旋式落刀或斜線式下刀，下刀角度盡可能小點(diǎn)，銅料、鋁料3～5°，鋼料2～3°最好，這點(diǎn)很關(guān)鍵，刀具跟工件沒有太大的沖擊，加工起來(lái)較平穩(wěn)，沒什么大的噪音，對(duì)保護(hù)刀具和機(jī)床都有利。

（3）在螺旋下刀參數(shù)欄中，在if all entry attempts fail（假如執(zhí)行螺旋下刀嘗試失敗時(shí)）選項(xiàng)中請(qǐng)選擇skip（跳過(guò)）。學(xué)生實(shí)訓(xùn)時(shí)不少人都沒注意這個(gè)，都用默認(rèn)方式Plunge（垂直下刀），這帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)?shù)毒咩姷焦ぜ撞炕颡M窄處不能螺旋下刀時(shí)，就會(huì)直插下來(lái)，這時(shí)我們就會(huì)聽到機(jī)床發(fā)出尖銳的插刀聲音，機(jī)床振動(dòng)，容易磨損刀具，對(duì)機(jī)床也不好。因?yàn)槠降椎吨行臎]有刀刃，直接踩刀會(huì)損壞刀刃。同樣是在螺旋下刀參數(shù)欄，一般選上follow boundary（沿邊界），這個(gè)功能用的人不多，但作用卻很大，它可以令刀具下到工件的深處，且環(huán)繞式下刀，而不是直插！

（4）用挖槽粗加工方式來(lái)加工分型面。不要認(rèn)為挖槽只能用來(lái)開粗，我們只需要將切削深度的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)坐標(biāo)都設(shè)置為分型面的Z坐標(biāo)值（Z-19.178），那么銑刀就只能在這個(gè)深度上切削，變成了平面銑削。這是挖槽粗加工方式的一個(gè)妙用！

（5）有的同學(xué)在一次開粗完成后就直接用球刀進(jìn)行精加工，這是沒有考慮到型腔底部還有較多余量，用CAM軟件分析型腔底部大約還有6mm深的余量，若直接進(jìn)行半精加工會(huì)加大刀具切削負(fù)荷，故應(yīng)選擇直徑為D10mm或D8mm的平底刀進(jìn)行二次開粗（殘料）加工?？紤]到刀具的切削負(fù)荷，每刀切削間距取6mm；采用分層切削，每層切削深度為0.8mm，設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min，進(jìn)給速度為1000mm/min，留余量為0.4mm。

可以看出，毛坯經(jīng)二次開粗之后，上次留下的大塊殘料被清除，總體余量趨向均勻，給后面的精加工打下了基礎(chǔ)。

3.2.2 精加工工藝及編程技巧

粗加工完成后進(jìn)行精加工，常規(guī)方法是采用平行銑削加工方式對(duì)曲面部分進(jìn)行光刀。這種方法沒錯(cuò)，但不少人在加工角度的選擇上出現(xiàn)問(wèn)題，如果走0°或90°都會(huì)造成兩邊陡面有較明顯的長(zhǎng)條刀痕，影響外觀。如圖4所示。

還有如果兩次平行加工的角度一樣，容易造成上一次加工的切削紋理不能被精加工的走刀消除，從而留下影響外觀的切削痕跡。

要解決這個(gè)問(wèn)題，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)該采用平行銑削分別在45°和-45°方向半精加工和精加工，使X、Y方向同時(shí)加工，較大程度上避免了陡峭面出現(xiàn)長(zhǎng)條刀痕的情況。

對(duì)于該模型曲面平行加工開頭和結(jié)束的小范圍曲面（-45°對(duì)角面）出現(xiàn)的弧狀切削痕跡，影響了產(chǎn)品外觀。這是Mastercam軟件曲面加工功能的一個(gè)小缺陷，不少人對(duì)這點(diǎn)束手無(wú)策，其實(shí)我們還可以再次利用平行加工方式，選中需要加工的切入或收刀位置的小曲面，然后畫出一個(gè)限制加工范圍的小四方框，設(shè)置走刀角度為45°，即跟上次錯(cuò)開90°，其它加工參數(shù)跟上次平行銑削精加工一樣，生成的刀路見圖5所示。這種方法適合消除陡斜面的進(jìn)刀和收刀刀痕。

最后，對(duì)于充電器凸模曲面最下面部分的帶拔模斜度的陡峭直面，采用等高外形精加工方式，用分析命令測(cè)量直面最高點(diǎn)的Z坐標(biāo)是Z-11.52，最低點(diǎn)當(dāng)然是分型面的Z坐標(biāo)Z-19.178，在切削深度一欄中輸入該絕對(duì)坐標(biāo)值。記住，是絕對(duì)坐標(biāo)，不是相對(duì)坐標(biāo)！用平底刀，設(shè)置切削層距為0.1mm，可得到較光滑的表面質(zhì)量。因?yàn)槭侵泵?，切忌用球刀，否則加工不到分型面，會(huì)留下殘料。

4 采用新方法后的加工效果

充電器凸模曲面經(jīng)以上新編程方法進(jìn)行加工，一次裝夾，可以全部完成所有的加工，可以做到各曲面部分的表面較光滑，圓角銑削到位，對(duì)角陡斜面的進(jìn)刀和收刀位置的弧狀刀痕被清除，曲面與分型面之間的交線也被清除掉，見圖6所示。加工效率較高，保證了質(zhì)量。如果采用可以自動(dòng)換刀的加工中心進(jìn)行加工，效率會(huì)更高。

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)際上，不同的CAM加工軟件，其加工方法會(huì)有所不同，生成的刀路會(huì)有區(qū)別，但總體思路基本上是一致的，我們要學(xué)會(huì)從不同的軟件中分析比較，舉一反三，取長(zhǎng)補(bǔ)短，才能不斷提高自己的編程技巧水平，編制出合理優(yōu)化美觀的加工刀路。同時(shí)又要清楚地認(rèn)識(shí)到，數(shù)控編程不是一個(gè)孤立的過(guò)程，CAM軟件只是一個(gè)工具，它跟機(jī)械制造工藝、刀具、數(shù)控機(jī)床、數(shù)控加工等知識(shí)是有機(jī)結(jié)合在一起的，只有不斷學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，不斷總結(jié)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，才能真正提高自己的編程水平。

現(xiàn)在社會(huì)已進(jìn)入工業(yè)4.0時(shí)代，中國(guó)的制造業(yè)正向著技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新、模式創(chuàng)新的方向發(fā)展，工業(yè)制造的產(chǎn)品已經(jīng)高度靈活、個(gè)性化和智能化，所有有志于從事數(shù)控加工方面的技術(shù)人員都應(yīng)該不斷更新自己的知識(shí)，緊跟時(shí)代的步伐，不斷學(xué)習(xí)和吸收新的知識(shí)和新的工藝，為提高企業(yè)、行業(yè)乃至整個(gè)國(guó)家的核心競(jìng)爭(zhēng)力貢獻(xiàn)出自己應(yīng)有的力量。

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作者簡(jiǎn)介：袁智權(quán)，男，學(xué)歷本科，現(xiàn)在茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系任機(jī)械專任教師。