一種“由下而上”的型芯零件粗銑方法

王沿斌

（廣州市技師學院，廣東廣州 510410）

1 傳統(tǒng)“等高線”粗銑

型芯零件的一般都有拔模斜度、曲面等輪廓發(fā)生三維空間變化的構造元素，需要用CAM軟件在數控機床上銑削。一般加工工藝可分為粗半、精銑、精銑等幾個工序，其中粗銑去除的金屬材料最多，耗時較長，刀具損耗大，是整個零件制造過程中的重要環(huán)節(jié)。目前三維輪廓零件的粗銑常用的CAM 編程方法是“等高線”法，即通過CAM 軟件將零件需銑削部分按照Z軸方向上等份分層，“至上而下”的計算每層的刀具路徑。

該零件及用UG軟件傳統(tǒng)粗銑刀路如圖1所示。

圖1 型芯零件及傳統(tǒng)“等高線”粗銑刀路

該方法編程時首先要根據被切削材料性能及工藝系統(tǒng)條件，合理地設定每層的切削深度和切削寬度，通常切削深度ap大約在0.5~3mm，切削寬度ae大約在銑刀直徑的40%~80%左右；其次，為提高加工效率，優(yōu)先選用剛性好的大直徑銑刀，以便獲得相對較大的切削寬度ae和切削深度ap，并減少Z向分層層數和路徑長度，以縮短加工時間。

某塑料模的型芯零件，材料為45 鋼，硬度180~200HBS，傳統(tǒng)粗銑編程工藝參數如下：

（1）直徑φ16mm的硬質合金立銑刀，Vc=60m/min，ap=1mm，ae=10mm，Fz=0.2mm。

（2）直徑φ8mm 的硬質合金立銑刀，Vc=60m/min，ap=0.5mm，ae=5mm，Fz=0.2mm。

“等高線”粗銑法是在實際加工中運用廣泛，但也存在以下缺點：

（1）切削深度ap小（通常0.5~3mm），只利用了銑刀端面刀刃和一小段側刃（見圖2），而整把銑刀在更換或重磨時，絕大部分的側刃還是新的，刀具性能利用率低。

圖2 銑刀端面刃磨損而側刃完好

（2）零件設計時常有一些小圓角，必須換小直徑銑刀才能實現加工。造成粗銑時需要多把不同尺寸的刀具，增加工序步驟和刀具成本。

2 側刃銑削及OpitCore粗銑

與傳統(tǒng)銑削工藝相比，側刃銑削的切削深度ap很大，切削寬度ae較小（見圖3），切削時工作刃口主要是銑刀的側刃，端面刀刃與側刃的磨損基本一致，刀具利用率高，能充分發(fā)揮刀具的整體性能，配合合適的切削參數，能獲得很高的材料去除率。此外，側刃銑削的切削深度ap大，可以有效地減少分層次數，縮短加工時間，實現高效率的銑削。

圖3 側刃銑削對比

小直徑銑刀進行側刃銑削，還可以不更換刀具銑削小圓角部位，減少刀具規(guī)格，降低加工成本，但小直徑刀具的結構強度較弱，在實際側刃銑削時，必須嚴格控制銑削的切削寬度ae，保證刀路軌跡銜接圓滑，保持刀具在任何位置的切削載荷恒定，確保切削過程平穩(wěn)，防止銑刀折斷。

目前流行的CAM 軟件中，專門用于側刃編程的軟件不多，Mastercam的Dynamic動態(tài)銑削算法較為先進，適合在二維側刃銑削編程，不適用于具有斜度及曲面的三維銑削編程；而OpitCore 粗銑則可以很好的實現類似型芯零件的三維“等高線”側刃銑削（見圖4），充分利用銑刀側刃，發(fā)揮銑刀的最大性能。

圖4 OpitCore粗銑的整體刀具路徑

MasterCAM 的OpitCore 粗銑不同于傳統(tǒng)的“等高線”編程方法，是一種“由下而上”的側刃銑削編程方法，可以快速簡便的生成穩(wěn)定的側刃粗銑刀具軌跡，與“等高線”相比有以下特點：

（1）第一層切削不是在頂面，而是在刀具和工藝允許的Z方向最大深度處，直接去除了大部份材料，之后再向上做“等高線”分層切削時，每層需要切削范圍明顯減少，軌跡不重疊，如圖5、圖6所示。

圖5 OpitCore第一次切削在最底層

圖6 OpitCore分層順序是“由下而上”

（2）切深大，有利于實現側刃銑削，提高銑刀使用效率。

（3）空刀移動時銑刀是脫離工件表面的，可以避免與工件表面的摩擦損耗，延長刀具壽命。

（4）生成的路徑與動態(tài)銑削相似，路徑無劇烈轉角變向，切削面積均勻，切削負荷穩(wěn)定。

3 OpitCore粗銑編程簡介

OpitCore 粗銑編程是Mastercam 的一種三維高速表面加工策略，與二維加工時的Dynamic 動態(tài)銑削編程不同，以本文的某塑料模的型芯零件的編程過程為例，簡要說明OpitCore粗銑編程操作方法。

（1）確定合適的側刃銑削工藝參數。

本文加工用的是直徑D=8mm 的4 刃硬質合金立銑刀，側刃全長40mm，實際選用切削深度ap=30mm；切削寬度ae參照以下經驗公式：ae=D/ap（即：切寬=刀具直徑/切深），ae=8/30=0.27mm，實際編程時取值ae=0.3mm。

查閱相關切削手冊，普通硬質合金立銑刀銑削180HBS 的45 鋼的切削速度Vc為50~90m/min，實際切削速度取值60m/min，每齒進給量取值0.25mm/z，計算出轉速S=2,387轉/min；進給量F=2,387mm/min。

（2）選擇正確的加工范圍及邊界。

不同于Dynamic 的二維線框加工，OpitCore 粗銑的加工范圍是曲面元素，同時還需要制定合適的加工邊界。

圖7 加工范圍及邊界

（3）設置“Cut Parameters”切削參數。

系統(tǒng)默認順銑“climb”；切削寬度“Stepover”設為3.75%，即ae=0.3mm；向下深度“Stepdown”可以認為是側刃銑削的最大深度，本文設為375%，即ap=30mm；向上厚度“Stepup”即由下而上等高分層厚度，本文設為25%，即向上2mm 分一層；空刀回退速度“Back federate=10000”；側 壁 留 余量“Stock to leave on walls=0.3”和底部留余量“Stock to leave on floors=0.15”，其余采用軟件默認值，如圖8所示。

圖8 “Cut Parameters”切削參數

（4）生成刀具軌跡并后處理。

完成上面設置后，點擊確認，軟件自動計算刀具軌跡。再使用MasterCAM 標準公制后處理器生成G代碼，如圖4所示。

4 仿真驗證

筆者分別使用UG NX8.5進行型芯零件的傳統(tǒng)粗銑編程和Mastercam X6 OptiCore 編程并分別后處理生成G代碼，再通過VERCUT軟件對兩者進行了仿真校驗，仿真結果顯示如圖9所示。

圖9 兩種粗銑程序的VERCUT仿真對比

圖9中的上部分為傳統(tǒng)粗銑仿真結果，下部分為OpitCore粗銑仿真結果，灰色曲線代表材料去除率，白色曲線代表切屑厚度。仿真結果顯示，使用了2把不同直徑銑刀的傳統(tǒng)粗銑總運行時間為27.8min；只有1把銑刀的OptiCore粗銑運行時間為11.5min，相比傳統(tǒng)粗銑節(jié)省58%的加工時間。

此外通過對比曲線圖形，發(fā)現OpitCore 粗銑的圖形變化均勻，曲線波動小，材料去除率明顯要高，且隨著“由下而上”銑削呈現平穩(wěn)地線性遞減，這也證實了OptiCore粗銑的軌跡穩(wěn)定，加工效率更高。

5 實際加工驗證

為了驗證實際切削效果，本文用上述兩段仿真程序分別進行了實際加工驗證。選用的材料均為硬度170~200HBS 的普通45 鋼；刀具為φ8mm 4 刃硬質合金立銑刀和φ16mm 4 刃硬質合金立銑刀；機床為國產GSK983M 系統(tǒng)的BT40 主軸立式數控銑床，外加乳化液冷卻，確保兩次驗證的加工條件一致。

在工件坐標系和刀具長度補償設置完后，直接運行G代碼程序，加工時各項參數保持100%設定值，傳統(tǒng)等高線粗銑完成時間為31min，OpitCore 粗銑完成時間為15.2min，與VERCUT預測時間接近。

切削過程中觀察發(fā)現，雖然OpitCore 粗銑立銑刀切削深度達到了30mm，幾乎全部切削刃都與工件接觸，且進給速度也達到了2,387mm/min的較高速度，但整個銑削過程卻非常平穩(wěn)，刀具切入切出時無異常響聲，銑刀產生的切屑全部為厚度均勻的細針狀切屑。銑刀切完后檢查刃口均保持完好，未發(fā)現明顯磨損，整個工件表面光滑無毛刺。圖10所示為“由下而上”銑削過程。

圖10 “由下而上”銑削過程

6 結論

對于型芯類零件，“由下而上”的側刃粗銑可以充分發(fā)揮銑刀的性能，降低刀具成本，縮短粗銑加工時間，提高銑削加工效率；MasterCAM的OpitCore粗銑為實現這一工藝提供了一種安全、可靠的編程方法。