基于MasterCAM 的復雜零件數控編程加工

洪志穎

（廈門技師學院， 福建 廈門 895909）

0 引 言

隨著機械加工行業的發展，數控銑床得到了廣泛的應用。數控銑床屬于自動化加工設備，具有加工效率高、精度高、自動化程度高的特點，許多機械零件都采用數控銑床加工，特別是在模具行業，由于模具零件的曲面復雜，且加工精度要求高，許多模具零件（如風扇葉的型芯、型腔板等）無法使用普通銑床加工，必須使用數控銑床進行加工。為了控制數控銑床切削的刀路，必須使用相應的軟件進行編程設計。目前，適用數控銑床編程的軟件有Mas?terCAM、UG、Cimatron 等，由于MasterCAM 簡單易學，不少學校和企業將MasterCAM 列為必備的編程軟件。MasterCAM 不僅能編寫簡單的外形銑削和挖槽刀路，而且具有粗加工和精加工功能，能編寫復雜曲面刀路[1]。現以某復雜的動模型芯為例，其表面有圓弧曲面、凸臺、凹坑等結構，還有一些空間比較狹窄的部位，如圖1 所示，運用MasterCAM 對該模具零件進行編程加工。

圖1 動模型芯

1 加工工藝分析

該動模型芯的結構較復雜，具有分型面、膠位面、流道和鎖緊位等結構。膠位面高于分型面，且有2 個較大的圓柱孔，大圓柱孔內各有1 個小圓柱孔；在膠位面兩側各有1個小凸臺，該凸臺與膠位面距離最窄處為1 mm。膠位面上有2 個凸起的環形結構，環形結構內部的最窄處為1 mm。該動模型芯的分型面呈圓弧形狀，與4個鎖緊位的距離較近，在粗加工和半精加工時，大刀具不能切削這些位置，需要在粗加工和半精加工之后再設計殘料切削刀路，切除分型面與鎖緊位之間的殘料，最后進行精加工。動模型芯的尺寸為250 mm×180 mm×45 mm，尺寸較大，適合用刀粒刀進行粗加工。為了保護刀具，防止出現踩刀（指刀具豎直往下切削時，由于刀具中心沒有切削刃，刀具的中心部分將無法切削工件，刀具將會與工件發生碰撞而損壞的現象），在切削時一般選用從工件以外進刀。

該動模型芯的加工過程為粗加工→半精加工→殘料加工→半精加工→精加工和清角。由于加工過程中需要使用多種不同的刀具，且該工件的上表面已被完全切削，為了方便操作，將其底部的平面設為對刀基準。在實際工作時，在動模型芯的底部4個角位處加工4個M10 mm 的螺紋孔，用內六角螺釘將4 個相同厚度的墊塊固定在動模型芯底部，并用碼鐵將4個墊塊鎖緊在數控銑床的工作臺上[2]。

2 數控加工

2.1 粗加工

由于工件的尺寸較大，且材質較硬，在粗加工時一般使用φ30R5 mm 刀粒刀。因工件表面是較復雜的曲面，適合選擇“曲面粗加工挖槽”命令進行粗加工，主要參數設置如下：點開“由切削范圍外下刀”選項，使刀具從工件以外進刀，可有效保護刀具。由于需要加工2 個較大的圓柱孔，該位置屬于封閉區域，應點開“螺紋式下刀”選項，以螺紋方式進刀，然后在這個選項里的“如果所有進刀方法都失敗時”欄中點開“中斷程序”，其作用是在加工圓柱孔時，如果既不能從工件外進刀，又不能螺旋進刀時，程序自動中止，不再加工圓柱孔，以避免踩刀。將粗加工時的切削方式設為雙向銑削，并點開“精加工”選項，將精加工次數設為1，間距設為1 mm。按照上述設定的粗加工刀路如圖2 所示，粗加工后，工件表面的余量較多，并且2個圓孔以及鎖緊位與分型面之間留了較大的余量沒有切除。

圖2 粗加工刀路

2.2 半精加工刀路

粗加工后，工件表面的余量較多且不均勻，需要進行半精加工，使用φ17R0.8 mm 刀粒刀。由于2個大圓柱孔內各有1 個小圓柱孔，小圓柱孔的直徑為φ18 mm，比半精加工時所用的刀具直徑稍大。為了防止2 個小圓柱孔在半精加工時出現踩刀現象，應創建2 個輔助曲面封堵2 個小圓柱孔。Master?CAM 提供了多種可以設計半精加工的命令，由于工件曲面復雜，如果使用“曲面精加工等高外形”命令進行半精加工，則在加工過程中跳刀多，影響切削效率，選擇“曲面粗加工挖槽”命令，在“挖槽參數”中取消“粗加工”選項，并點開“精加工”選項，即用“曲面粗加工挖槽”命令中的“精加工”選項設計工件的半精加工刀路。由于工件的兩端需要切削，應先創建1 個矩形（270 mm×200 mm）輔助線，作為曲面粗加工挖槽刀路的輪廓，半精加工刀具的軌跡如圖3所示，半精加工完成后2個圓孔得到切削。

圖3 半精加工刀路

2.3 加工4個圓角刀路

由于工件較大且4 個角為圓角，需使用數控銑床加工，采用外形刀路并打開該刀路中的斜降功能，設計來回往復雙向切削刀路，如圖4所示。如果僅用MasterCAM 的外形刀路進行編程，該功能只有單向刀路，會導致每層切削后都會抬刀，然后返回起始點，再切削下一層，影響切削效率。

圖4 切削圓角刀路

2.4 切除殘料刀路

由于4 個鎖緊位與圓弧形分型面的距離較近，最窄的位置只有7 mm，半精加工時使用的刀具直徑為φ17 mm，無法切除兩者之間的鋼料，需補充1 個切除殘料的刀路。具體方法是先設計4 個輔助矩形，將鎖緊位與圓弧形分型面之間位置框住，選擇“曲面粗加工挖槽”命令，使用φ6 mm 立銑刀進行切削，所創建的切除殘料刀路如圖5所示。

圖5 切除殘料刀路

2.5 平行銑削刀路

經過上述粗加工、半精加工和殘料切除刀路之后，雖然該動模型芯表面余量比較均勻，但有明顯的臺階，不適合進行精加工，須將工件表面臺階切除。該工序使用R6 mm 球頭銑刀，采用雙向平行刀路，將間距設為1.0 mm，余量設為0.1 mm，加工精度設為0.01 mm，切割角設為45°。由于型芯上的平面、2個圓孔及4個鎖緊位不適合使用平行刀路進行切削，在選擇曲面時，以型芯上的平面、2個圓孔及4個鎖緊位的曲面為保護面，刀路會避開這些保護面，所得到的平行銑削刀路如圖6 所示。為了防止產生過多的跳刀，點開“間隙設定”按鈕，在彈出的窗口中選擇“切削順序最佳化”選項。

圖6 平行銑削刀路

2.6 平行銑削精加工刀路

經過上述平行刀路銑削后，動模型芯表面余量比較均勻，且余量較少，可以進行精加工。按照平行銑削刀路的方法設置精加工刀路，將間距設為0.2 mm，余量設為0，主軸轉速設為1 800 r/min，進給速度設為800 mm/min，其他參數不變，加工刀具軌跡如圖6所示。

2.7 平面和斜面及圓孔的精加工刀路

對于工件的4 個鎖緊位，其側面為10°的斜面，適合使用“曲面精加工等高外形”命令進行精加工，由于鎖緊位與圓弧分型面之間的距離較近，不能用大刀具切削，適合用φ6 mm 立銑刀進行切削，將背吃刀量設為0.2 mm。為了減少跳刀，每個鎖緊位都單獨設計刀路，共有4 個刀路。對于工件分型面上的平面，為了防止出現撞刀現象，選用“曲面粗加工挖槽”命令，將表面余量設為0，加工深度的最高位置和最低位置都設為30 mm。對于4 個鎖緊位上表面的平面，選用“曲面粗加工挖槽”命令，將表面余量設為0，加工深度的最高位置和最低位置都設為40 mm；對于2 個大圓孔以及其中的小圓孔，適合使用“曲面精加工等高外形”命令進行精加工，上述刀路都使用φ6 mm立銑刀進行切削[3-4]，如圖7所示。

圖7 平面和斜面及圓孔的精加工刀路

2.8 設計清角刀路

該型芯表面最小R角為1 mm，而平行銑削刀路所用的刀具是R6 mm 的球頭刀，不能加工R角較小的位置，對于沒有切削到位的位置，需要設計清角刀路。運用MasterCAM 的清角模塊功能進行編程，清角刀路選用φ2R1 mm 球頭刀，將主軸轉速設為2 000 r/min，進給速度設為300 mm/min，清角刀路如圖8所示。為了避免過多的跳刀現象，點開“間隙設定”按鈕，在彈出的窗口中將“步進量的百分比”設為1 500。

圖8 設計清角刀路

2.9 加工流道

該工件的流道形狀為R3 mm 的半圓槽，使用φ6R3 mm 球頭刀進行加工，采用雙向往復刀路，具體方法是沿流道中心的輪廓做出輔助線，再用外形銑削中的斜降刀路加工流道。

3 刀路仿真

當所有刀路設計完成后，利用MasterCAM 的仿真功能進行仿真，檢查刀路是否存在過切或撞刀，如圖9 所示。如果發現錯誤，應對所編寫的刀路進行修改，直到完全正確為止[5]，刀路加工工藝如表1所示。

表1 加工工藝

圖9 刀路仿真

4 結束語

對動模型芯進行數控編程加工，運用Master?CAM 的“曲面粗加工挖槽”功能既能編寫粗加工程序，又能編寫半精加工程序和平面銑削程序；運用外形銑削中的斜降功能來回往復銑削工件的4個圓角，可以減少跳刀次數；對于粗加工和半精加工中無法切除的殘料，應先創建編寫刀路的輔助矩形，然后運用殘料加工程序切除殘料；對于工件曲面進行精加工時，用球頭刀采用曲面平行刀路進行銑削；對于曲面上大刀無法切削的位置，還可以運用MasterCAM 的清角模塊進行清角；對于工件斜面，一般是采用曲面精加工等高外形進行銑削，運用外形銑削中的斜降功能來回往復可以銑削工件上的流道。

通過長期的實踐，靈活運用MasterCAM 的各項刀路命令，能降低MasterCAM 的跳刀次數，也能編寫合格的數控銑程序。