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)的應用非常廣泛，各種較復雜的平面輪廓和立體曲面的零件都采用數(shù)控銑床進行加工，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。作者通過一充電器凸模的加工來進行數(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)控銑設備為精密復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，達到預期的加工效果，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，機床的精度再高也無法保證產(chǎn)品要求的精度及生產(chǎn)效率的提高，無法提高產(chǎn)品的市場競爭力。

數(shù)控加工程序又稱為NC程序，不僅包括零件的工藝過程，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。對于簡單的模具零件，通常采用手工編程的方法，對于復雜的模具零件，往往需要借助于CAM軟件編制加工程序，如Mastercam、UG、Cimatron等等。無論是手工編程或計算機輔助編程，在編制加工程序時，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，將導致生產(chǎn)效率的降低，成本上升，零件不合格，甚至報廢。

2 數(shù)控加工實例及出現(xiàn)的問題

本人長時間在學校從事數(shù)控加工的實訓指導工作，其中有一實訓任務是對充電器凸模曲面（見圖1）在法蘭克FANUC 0i-Mate數(shù)控銑床上，用Mastercam軟件進行編程和加工，要求在三個小時內(nèi)完成，并達到零件規(guī)定要求。檢查中發(fā)現(xiàn)主要存在以下幾個加工上的問題：一是粗加工方法選用不恰當，加工耗時；二是在粗加工中機床振動，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)在實際的模具加工中經(jīng)常會遇到，因此必須要掌握這種零件的實用加工方法和技巧。下面以應用最廣泛的Mastercam軟件為工具，來詳細說明數(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，實體或曲面模型文件一般由設計人員給出，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

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，決定了我們最后進行光刀時只能用不大于R2的球刀。型腔上寬下窄，用較大刀具進行一次開粗后在較深處必然會有較多的殘料，決定了我們還要進行二次開粗，否則會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條的刀痕。所以零件的加工難點是怎樣又快又好地進行開粗，既要保證加工效率又要保護刀具壽命，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行開粗（見圖2），由于空刀較多造成較耗時，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刀具直接下刀會造成機床的振動和異響，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行開粗。為提高加工效率，采用直徑為D16R0.8的圓鼻刀對毛坯進行挖槽開粗，考慮到刀具的切削負荷，每刀切削間距取10mm；采用分層切削，每層切削深度為1.5mm，設置主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min，進給速度為1000mm/min，留余量為0.4mm。由于挖槽時刀具直接在毛坯內(nèi)下刀，應采用螺旋式下刀或斜線式下刀，避免直接踩刀（即垂直落刀）。在進行工藝參數(shù)的選擇和輸入時要特別注意以下幾點：

（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，有最高點坐標和最低點坐標（最低點坐標通常取分型面的Z坐標值），通常用絕對坐標值，不用相對坐標值，否則易造成過切。為避免第1層走空刀，最高點坐標常用負值，如-0.2～-0.3mm，不少人沒留意這一點，認為最高點就是工件的頂面坐標Z0，但經(jīng)后處理出現(xiàn)的NC程序會包含很多行空刀程序段，浪費了時間，降低了效率。本例的切削深度用絕對坐標，最高點坐標和最低點坐標分別是Z-0.3和Z-19.178。

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

（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）選項中請選擇skip（跳過）。學生實訓時不少人都沒注意這個，都用默認方式Plunge（垂直下刀），這帶來一個問題，當?shù)毒咩姷焦ぜ撞炕颡M窄處不能螺旋下刀時，就會直插下來，這時我們就會聽到機床發(fā)出尖銳的插刀聲音，機床振動，容易磨損刀具，對機床也不好。因為平底刀中心沒有刀刃，直接踩刀會損壞刀刃。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加工分型面。不要認為挖槽只能用來開粗，我們只需要將切削深度的最高點和最低點坐標都設置為分型面的Z坐標值（Z-19.178），那么銑刀就只能在這個深度上切削，變成了平面銑削。這是挖槽粗加工方式的一個妙用！

（5）有的同學在一次開粗完成后就直接用球刀進行精加工，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，若直接進行半精加工會加大刀具切削負荷，故應選擇直徑為D10mm或D8mm的平底刀進行二次開粗（殘料）加工?？紤]到刀具的切削負荷，每刀切削間距取6mm；采用分層切削，每層切削深度為0.8mm，設置主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min，進給速度為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。

3.2.2 精加工工藝及編程技巧

粗加工完成后進行精加工，常規(guī)方法是采用平行銑削加工方式對曲面部分進行光刀。這種方法沒錯，但不少人在加工角度的選擇上出現(xiàn)問題，如果走0°或90°都會造成兩邊陡面有較明顯的長條刀痕，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。

要解決這個問題，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點，應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方向同時加工，較大程度上避免了陡峭面出現(xiàn)長條刀痕的情況。

對于該模型曲面平行加工開頭和結(jié)束的小范圍曲面（-45°對角面）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小缺陷，不少人對這點束手無策，其實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，然后畫出一個限制加工范圍的小四方框，設置走刀角度為45°，即跟上次錯開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刀和收刀刀痕。

最后，對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，用分析命令測量直面最高點的Z坐標是Z-11.52，最低點當然是分型面的Z坐標Z-19.178，在切削深度一欄中輸入該絕對坐標值。記住，是絕對坐標，不是相對坐標！用平底刀，設置切削層距為0.1mm，可得到較光滑的表面質(zhì)量。因為是直面，切忌用球刀，否則加工不到分型面，會留下殘料。

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，對角陡斜面的進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。如果采用可以自動換刀的加工中心進行加工，效率會更高。

5 結(jié)束語

實際上，不同的CAM加工軟件，其加工方法會有所不同，生成的刀路會有區(qū)別，但總體思路基本上是一致的，我們要學會從不同的軟件中分析比較，舉一反三，取長補短，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。同時又要清楚地認識到，數(shù)控編程不是一個孤立的過程，CAM軟件只是一個工具，它跟機械制造工藝、刀具、數(shù)控機床、數(shù)控加工等知識是有機結(jié)合在一起的，只有不斷學習相關(guān)知識，不斷總結(jié)實際經(jīng)驗，才能真正提高自己的編程水平。

現(xiàn)在社會已進入工業(yè)4.0時代，中國的制造業(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)人員都應該不斷更新自己的知識，緊跟時代的步伐，不斷學習和吸收新的知識和新的工藝，為提高企業(yè)、行業(yè)乃至整個國家的核心競爭力貢獻出自己應有的力量。

參考文獻

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[5]王睿鵬.數(shù)控機床編程與操作[M].機械工業(yè)出版社，2009.

作者簡介：袁智權(quán)，男，學歷本科，現(xiàn)在茂名職業(yè)技術(shù)學院機電系任機械專任教師。