動態加工在數控銑床實訓中的應用

單文舉

摘要：本文介紹了動態加工在數控銑床實訓中的應用。動態加工是Mastercam軟件的最新數控編程技術。動態加工是一種先進的加工理念，區別于傳統加工理念，所生成的數控加工刀路更平順，效率更高，加工過程更穩定。因此在數控專業的數控銑床實訓過程中引入動態加工，并通過常規加工與動態加工實際加工過程的對比，使學生更直觀地掌握先進的加工理念。

關鍵詞：動態加工；Mastercam；數控編程

一、 動態加工簡介

制造業從“制造”到“智造”的發展過程中，數控技術是非常重要的一門技術。同時，數控銑床操作工還是珠海市緊缺工種之一，在珠海乃至整個廣東省的需求非常大。傳統的金工實習在數控銑床實訓部分的理論教學內容過于陳舊，理論與實踐教學環節嚴重脫節，沒有把最新的CAM技術結合到相應的工程實訓項目中。

金屬切削過程除了是幾何過程外，更是物理過程。高性能加工不但要保證工件的幾何尺寸和公差精度，更要維持加工過程的平穩，最大限度的提高加工效率。

Mastercam是一款常用的CAD/CAM一體化軟件，在全球同類軟件中裝機量連續多年排名第一。動態加工（Dynamic Motion）是Mastercam軟件的最新數控編程技術，其有別于傳統加工，是一種突破性的先進加工理念。

在傳統編程刀路中，刀具負載不穩定且不可控，同時刀路在內圓拐角處會有突然換向從而導致機床的震動的情況。所以在選取編程參數時都趨于保守，導致加工效率低下。

動態加工的刀路生成不只是考慮幾何因素，更是根據先進的算法來分析刀具切入工件及工件材料移除的過程，可以根據加工過程中刀具的運動變化進行切削調整，使整個切削過程中材料的去除率基本保持恒定。與傳統編程刀路相比，動態加工刀路光順平滑，刀具負載穩定且可控，在加工過程中可以在Z軸方向上無需分層，從而縮短加工工件的時間。同時在加工過程中可以使用刀具的全部切削刃進行切削，增加刀具壽命。動態刀路在加工過程中還可以保證切屑的穩定均勻排除，使切屑帶走大部分切削熱，降低切削區域溫度，使切削過程更順利。

動態加工不僅能應用在高速加工機床上，在幾乎所有數控機床上都能體驗到動態刀路帶來的高效率及高穩定性。

二、 動態加工實例

下面利用Mastercam 2017軟件對下圖的工件進行編程操作，從而對比動態加工與常規加工。零件圖如圖1所示：

該工件材料為45鋼，屬于中碳鋼，其加工部分主要是內側的挖槽加工，表面粗糙度要求不高，公差等級要求也不高，但是槽的深度有20 mm，材料去除量比較大。如果使用常規加工在Z軸方向上需要分層進行銑削。開粗后由于最小拐角尺寸只有R6 mm，還需進行二次開粗，最后進行側邊精加工。無論從編程復雜程度還是加工效率角度，動態加工都比常規加工具有優勢。常規加工的參數設置這里不再贅述，只介紹一下動態加工的參數設置過程。

1. 工件毛坯設置

按照圖紙尺寸把圖形實體繪制完成后，確保工件的上方中心處在系統的原點位置。之后進入加工模塊，選擇機床—銑床—默認，在機床屬性群組設置毛坯大小，選擇所有圖形選項，確保毛坯大小為200*120*20，并且原點在上表面中心位置。

2. 刀具設置

此零件加工需經過粗加工和精加工操作，在開粗時可使用直徑稍大些的刀具提高加工速度。在此選用直徑16 mm下圓角半徑為1 mm的4刃圓鼻刀。在精加工時為了保證能完成R6 mm圓角的加工，需選用直徑小于12 mm的平底刀，為了使刀路平順，在拐角處不會發生由于突然換向導致的機床震動，在此選用直徑為8 mm的4刃平底刀。

同時需設置刀具參數，查閱數控加工手冊，中碳鋼使用硬質合金銑刀進行加工時的銑削速度范圍為54-115 m/min，進給量范圍為0.05-0.2 mm/z。進給量在粗加工時可選取較大值，精加工時為了保證加工質量按較小值選取。經過計算并考慮安全性將參數圓調整為：16 mm的圓鼻刀的轉速設置為2000 r/min，進給速度設置為1000 mm/min，下刀速度設置為200 mm/min；8 mm平底刀轉速設置為3000 r/min，進給速度設置為600 mm/min，下刀速率設置為200 mm/min。

3. 粗加工參數設置

選擇動態銑削命令，選取零件下端內側串聯圖形，由于該零件屬于封閉區域，所以加工區域策略選項選取封閉選項。選取16 mm圓鼻刀作為加工所用刀具。進入動態加工切削參數設置。

其中動態銑削參數設置的關鍵就是步進量的合理選擇與最小刀具半徑的設置。步進量的大小決定了加工效率的高低，但是步進量的值過大會導致切削抗力增加，在加工過程中可能會導致切削刃斷裂的情況發生。在普通鋼材銑削時可按照步進量<刀具直徑/切削深度進行設置，一般應小于刀具直徑的10%。此加工中設置為5%最小刀路半徑的大小決定了刀路的光順程度。半徑越大，刀路越光順，加工過程越平穩。但過大的最小刀路半徑可能會導致在拐角處加工余量增大，此加工中設置為20%。同時設置預留量，其中底面預留量設置為0，壁邊預留量設置為0.3。

隨后進入Z分層切削選項卡進行設置，由于動態刀路光順平滑，切削深度可以達到刀具直徑的2倍以上，所以此次加工無需分層。緊接著在進刀方式選項卡中設置下刀參數，將螺旋下刀的半徑值設置為刀具直徑的50%，即8 mm。進刀角度設置為2度。由于這一步為粗加工，可以將公差值設置得稍大一點以提高運算速度。在公差選項卡中將公差設置為0.1，開啟線/圓弧過濾選項，設置完成后生成刀路。查詢粗加工理論加工時間約為21分鐘。

4. 側壁精加工設置

在常規加工中，由于粗加工刀具直徑較大，導致在拐角處的余量值明顯大于參數設置的預留量，往往要在精加工之前增加一步二次開粗的殘料加工操作。動態加工可以通過參數的設置在一步操作中完成常規加工中殘料加工和精加工的內容。選取動態銑削命令，在刀路類型里選取動態外形選項，刀具選取8 mm平底刀。在切削參數中將切削步進量設置為5%，最小圓角半徑設置為20%。壁邊預留量和底邊預留量都設置為0。在動態外形刀路中的關鍵參數就是外形毛坯參數的設置。在此操作中我們分別設置刀具半徑形成的預留量為8，最小刀路半徑形成的預留量為3.2，毛坯厚度設置為0.3。為提高表面質量勾選精修操作，精修一次，間距設置為0.3，最后將公差設置為0.01。設置完成后生成精加工刀路，查詢精加工的理論加工時間約為5分鐘。

綜上所述，加工此工件，利用動態加工進行編程只需要兩步操作就可以完成，理論總加工時間約為26分鐘。而在常規加工中至少需要三步操作才能完成。另外為了保證加工過程的穩定性必須要分層進行切削，其加工時間在進給速度與動態加工設置為相同值時，理論加工時間約為50分鐘，動態加工大幅縮短了加工時間。所以動態加工是一種高效安全的加工方式，適合引入到工科機械專業學生的數控銑床實訓教學當中。

參考文獻：

[1]郭強.復雜曲面高性能側銑加工技術與方法研究[D].大連理工大學，2013.

[2]Mastercam 2017幫助文件[EB/OL].

[3]張定華.數控加工手冊[M].北京：化學工業出版社，2013.

[4]王沿斌.一種基于Master CAM編程的側刃銑削方法[J].模具制造，2015，（07）：74-76.endprint