MASTER CAM動態銑削在數控銑削中的應用研究

摘" 要：該文針對數控銑開粗效率較低，如何提高數控銑開粗效率，降低生產成本進行研究。經過多次試驗實踐比較，采用MASTER CAM動態銑削方法，通過對其加工方式方法、參數優化等分析研究與應用，得到使用動態銑削加工的方法。MASTER CAM動態銑削方法可以大幅提高加工效率，解決因銑削過程中切深較大，導致主切削力增加，切削溫度升高，使刀具損壞或工件變形的情況發生，同時延長刀具使用壽命。此方法在保證零件加工精度的同時，正真做到高速、高效、高精的“三高”實踐。操作簡單，可充分發揮機床、刀具等性能，進一步為企業節約生產成本，擴大盈利，值得全面推廣和借鑒，為數控銑高速、高效加工提供一定的參考依據。

關鍵詞：數控銑；動態銑削；編程策略；高速高效；加工方法

中圖分類號：TG519.1 文獻標志碼：A" " " " " " "文章編號：2095-2945（2024）32-0169-04

Abstract： This paper studies how to improve the efficiency of CNC milling and reduce production costs because of the low rough efficiency of CNC milling and the low rough efficiency. After many experiments and comparisons， the MASTER CAM dynamic milling method was adopted. Through the analysis， research and application of its machining methods， parameter optimization， etc.， a method of using dynamic milling was obtained. The MASTER CAM dynamic milling method can greatly improve processing efficiency and solve the problem that the main cutting force increases and the cutting temperature increases due to the large depth of cut during the milling process， which causes tool damage or workpiece deformation， and at the same time extends the service life of the tool. This method not only ensures the machining accuracy of parts， but also truly achieves the \"three highs\" practice of high speed， high efficiency and high precision. The operation is simple， giving full play to the performance of machine tools， tools， etc.， further saving production costs and expanding profits for enterprises. It is worth comprehensive promotion and reference， and provides a certain reference for high-speed and efficient machining of CNC milling.

Keywords： CNC milling; dynamic milling; programming strategy; high speed and efficiency; machining method

目前，在數控銑削過程中，銑削速度直接影響其加工效率，尤其是粗銑加工，往往由于其加工余量較大，占用了大量的加工時間，提高了生產成本。通常粗銑使用的加工策略是在高度方向分層銑削。根據刀具直徑大小、工件材料等因素調整其銑削參數，如等高加工、區域開粗等[1]。不但開粗時間較長，由于分層次數較多，走刀軌跡大幅度增加，銑削時間延長等緣故，從而使刀具刀尖更容易產生磨損或者損壞，進一步增加企業生產成本。如何快速有效地完成粗銑加工，就是直接面對的一個難題。經過多次實踐檢驗，采用MASTER CAM動態銑削方法，通過對其加工特點與方法的研究與優化，得到了使用動態銑削加工方法。減少銑削過程中不必要的空行程和提刀，大幅度減少了開粗時間，極大地提高了銑削效率，延長了刀具使用壽命。和傳統加工方法相比，在銑削過程和參數設置方面，顛覆了人們對數控銑削的認識，尤其在粗加工效率方面，比起傳統的加工方法，效率提升2～3陪[2]。

1" 動態銑削應用過程及要求

動態銑削又叫側刃銑削，顧名思義就是利用刀具側刃進行零部件銑削的一種銑削方法[3-6]。Master CAM動態銑削有2D動態銑削和3D動態銑削2種加工方法。2D動態銑削主要針對簡單的外形輪廓或簡單的內腔，通過二維平面圖形或者3D建模，采用實體區域或實體邊緣生成刀路軌跡。3D動態銑削主要針對外形或者內腔結構比較復雜，且有多個臺階的零件銑削加工，如圖1零件圖所示，為世界技能大賽數控銑項目賽題之一。本文以圖1零件圖為例進行了3D動態銑削的研究，該零件材料為45#鋼，毛坯?100 mm×35 mm。

MASTER CAM動態銑削精度完全取決于建模精度，只要建模不存在誤差，所加工零件不存在尺寸或者形狀上的大級別誤差。動態銑削加工效率高，主要是其采用的是較高的主軸轉速，較快的進給速度，下刀深度一般為刀具直徑的1～3倍，為了延長刀具使用壽命，保證加工余量的均勻性，在銑削過程中，一般采用順銑方式，由于刀具在銑削過程中進行往復運動，故已加工表面質量相對較差，尤其是底面，因此該加工策略主要用于開粗。無論是2D動態銑削還是3D動態銑削，銑削過程中都存在順銑時刀具側刃參與切削，逆銑時刀具快速空切回退，如圖2所示，粗實線刀路軌跡表示刀具采用順銑的方式參與切削，細實線軌跡表示刀具快速回退。這樣做的目的，就是為順銑創造條件，雖然走刀路徑大幅增加，但不影響其加工效率，由于回退速度快，基本可以忽略不計。想要完成一個零件的完整加工，還需要其他精加工策略的配合。

和傳統銑削方法相比，MASTER CAM動態銑削可以快速、高效地去除余量，還能保持加工后表面粗糙度值和尺寸的一致性，為下一道工序做了充分的準備。雖然其具備高速銑削的特點，但銑削時主切削力比起高速銑削要大得多，因此采用動態銑削時要保證所加工零件有足夠的工藝系統剛性，防止工件產生位移，對工藝系統帶來的沖擊，導致刀具損壞。因此，動態銑削方法對刀具、機床、裝夾有一定要求。對機床，要求其必須具備較高的切削性能，包括主軸轉速、主軸負載能力等；對裝夾，要求其必須具備良好的工藝系統剛；對刀具，適合動態銑削的銑刀，盡可能有高的耐磨性、較大的刀具前角和后角，這樣有助于提升刀具鋒利程度和排削能力，減少粘刀，同時還需要具備良好的抗沖擊能力。銑刀工作部分的有效長度決定著銑削深度，也就是說相同直徑的銑刀，工作部分越長，其下刀深度越深。由于是側刃銑削，因此絕對不能發生切深大于刀具工作部分長度，如果是這樣，容易產生刀柄與工件發生劇烈摩擦，從而使刀具嚴重受力，進而損壞或者折斷。結合圖1零件圖結構分析，開粗時選用?10的合金銑刀，工作部分有效長度20 mm。

2" 動態銑削方法參數設置技巧

綜合圖1零件圖形狀、裝夾、材料等分析，主軸轉速為5 000 r/min；下刀深度16 mm，總深32 mm，分2次完成；側刃銑削1 mm，進給速度3 000 mm/min。參數設置如圖3、圖4所示，無論是2D的動態銑削參數設置，還是3D的動態銑削參數設置，最基本的設置就是距離，它的大小直接決定著側銑分層的多少，切屑的薄厚。值越大，切屑得越厚，主切削力越大，加工效率越高。因此在維持加工效率不變的情況下，為了降低主切削力，根據刀具及工件材料情況，適當提高主軸轉速。對機床及刀具要求就越高，一般情況下距離設置為刀具直徑的10%左右，本零件為1 mm，當然與刀具直徑及工件材料、零件結構形狀、下刀深度也有一定的關系，刀具直徑越大，工件材料越軟，步進量可適當調高。步進量的角度，表示的是側切時刀具進入工件的側銑角度，該值與所用銑刀對應，一般情況下值越大，刀具刃帶越鋒利，排削越順利，適合加工塑性材料，對于硬度高難加工材料，可適當降低該角度，以便提高刀具強度。系統默認50°，本零件選擇默認。硬度低于45#鋼，可適當調高，高于可適當降低。經過多次試驗驗證，45#鋼的最佳切削角度50°。最小刀具半徑一般默認為刀具直徑的10%，如圖2所示，其表示刀具采用圓弧過渡方式切入切出時的圓弧半徑。分層深度就是側切時的下刀深度，由于零件正面銑深為32 mm和刀具工作部分長度的限制，無法1次完成開粗，需要分層開粗的值，本零件為16 mm。配合陡斜/淺灘參數里的最高位置、最低位置使用，如圖5所示，根據刀具、所加工工件材料及圖紙尺寸，最高設置為0，最低設置為-32，分2次完成，圖4第二個步進量主要用于加工高低不同形狀的零件開粗，編程時一般都要勾選，否則無法對高低不同的形狀進行開粗，需進行2次開粗，一般此值設置為1～2 mm，更具毛坯余量確定，本零件為1.2 mm，該值不會增加分層次數，只是讓開粗后的零件在形狀上符合零件加工工藝要求。若要對上表面進行開粗，可將圖5的最高位置設置大于圖4第二個步進量，這樣就完成了對上表面的粗加工。微量提刀，表示刀具每次順銑結束后，返回時，為了產生不必要的刀具磨損，距離已加工底面抬刀的高度，抬刀距離默認0.25 mm，不用設置。速度由默認2 500設置為4 500 mm/min，由于其不參與切削，工件尺寸越大，機床性能較好，為了提高開粗效率，可大幅度提高提刀進給速率，接近機床最高運行速度。

設置完以上參數后，還要對圓弧過濾公差進行設置，如圖6所示。由于其走刀軌跡是由直線或圓弧擬合而成，因此為了保證走刀的平穩和進給速度的一致性，需要打開線/圓弧過濾設置和平滑設置2個參數，將其設置為50%左右即可，總公差根據零件公差進行相應設置，其余保持默認。最終生成圖1零件的正面軌跡如圖7所示。

3" 零件加工

結合圖7生成的軌跡及以上參數進行加工，和傳統開粗方法（主軸轉速為4 000 r/min；下刀深度0.8 mm，進給速度2 000 mm/min。）相比發現：前者用時15 min，后者用時55 min；在刀具和加工質量方面基本沒有區別，甚至前者側面表面質量要高于后者。然后再配合其他精加工方法，結果如圖8零件所示。

4" 結束語

本文以世界技能大賽數控銑項目賽題為例，針對MASTER CAM軟件動態銑削功能的方法進行了研究，通過參數設置與優化等方法，并進行了實踐應用，解決了傳統粗銑效率較低的問題。應用該加工方法可大幅度提高數控銑零件加工效率，機床等性能得到了充分利用，節約資源，進一步提升企業盈利能力，為高速高效的數控銑削加工提供了可參考的依據，值得全面推廣。

參考文獻：

[1] 張雪峰.基于數據挖掘的銑削工藝系統動剛度研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2021.

[2] 田禹，張濤，郭龍.高速銑削45鋼銑刀磨損動態銑削力與磨損規律研究[J].機械制造與自動化，2022，51（4）：17-19.

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[6] 劉華華，許穎，雷波.數控銑削中編程方法的應用與研究[J].機械工程與自動化，2023（1）：195-197.