型腔模具零件的MasterCAM高速銑削參數(shù)設(shè)置關(guān)鍵技術(shù)

袁永富，肖善華，周文超

(宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川宜賓 644003)

MasterCAM是現(xiàn)代制造業(yè)中最經(jīng)濟(jì)、最有效率的CAD/CAM軟件，連續(xù)十一年銷量在同類軟件中名列第一。MasterCAM不但具有強(qiáng)大穩(wěn)定的造型功能，可設(shè)計(jì)出復(fù)雜的曲線、曲面零件，而且提供了豐富的多軸加工模塊和高速銑削加工模塊。文中研究復(fù)雜曲面在MasterCAM X6軟件中的高速銑削刀具路徑，為高速銑削零件打下基礎(chǔ)。

1 高速銑削機(jī)理及應(yīng)用

1.1 高速銑削機(jī)制

德國物理學(xué)家Carl JSALOMOM最早提出了高速切削(High Speed Cutting)的理論:在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的提高而升高，但切削速度提高到臨界切削速度之后，切削溫度不但不會升高反而會降低，且該切削速度v與工件材料的種類有關(guān)。對于每一種工件材料都存在—個速度范圍，在該速度范圍內(nèi)，由于切削溫度過高，刀具材料無法承受，切削加工不可能進(jìn)行。如果越過這個速度范圍，高速切削將成為可能，從而大幅度提高生產(chǎn)效率。高速銑削理論曲線見圖1，不同材料高速銑削試驗(yàn)曲線見圖2。一般認(rèn)為高速銑削加工是指采用超硬材料的刀具，通過極大地提高切削速度和進(jìn)給速度，來提高材料切除率、加工精度和加工表面質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)。

圖1 高速銑削Salomom曲線

圖2 不同材料高速銑削試驗(yàn)曲線

1.2 高速銑削應(yīng)用領(lǐng)域

高速銑削具有高生產(chǎn)效率、減少切削力、提高加工精度和表面質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、可加工淬硬材料等許多優(yōu)點(diǎn)，已在汽車和摩托車制造業(yè)、模具業(yè)、軸承業(yè)、航空航天業(yè)、機(jī)床業(yè)、工程機(jī)械、石墨電極等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。應(yīng)用實(shí)踐表明:產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高，成本大幅度降低，獲得了市場競爭優(yōu)勢，取得了重大的經(jīng)濟(jì)效益，對提高切削加工技術(shù)的水平、推動機(jī)械制造技術(shù)的進(jìn)步也具有深遠(yuǎn)的意義。對于復(fù)雜型面模具，模具精加工費(fèi)用往往占到模具總費(fèi)用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工費(fèi)用大大減少，從而可降低模具生產(chǎn)成本。見圖3:傳統(tǒng)的模具制造過程為:準(zhǔn)備毛坯→精銑→半精銑→熱處理→電火花加工→精銑→手工修磨;高速銑削模具的過程為:準(zhǔn)備毛坯→高速粗銑削→高速半精銑削→高速精銑削→手工修磨。由以上兩種模具加工對比圖(圖4)看出:高速銑削的工序較少，最后只需要少量的手工修磨，同時減少制造電極的時間，效率更高，單件模具的成本大大降低，能大大提高模具產(chǎn)品的市場占有率。

圖3 傳統(tǒng)模具加工過程和模具高速銑削加工過程

圖4 模具加工對比圖

2 MasterCAM X6高速銑削模塊

2.1 MasterCAM X6高速銑削的特點(diǎn)

MasterCAM HSM能夠保持切削刀具路徑和進(jìn)刀退刀時的平滑過渡，能夠順利得到平滑的、優(yōu)化的高速加工刀具路徑。這種高速加工方法大大提高了產(chǎn)品的表面質(zhì)量、減少刀具的磨損。其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在:(1)減少空刀切削造成的時間浪費(fèi);(2)平滑連續(xù)的無過切刀路;(3)刀柄刀桿碰撞保護(hù);(4)顯著減少大型復(fù)雜零件的刀路計(jì)算時間;(5)支持陡壁淺平面加工;(6)支持3+2軸加工;(7)殘料粗精加工。

2.2 MasterCAM X6高速銑削模塊分類

MasterCAM X6的高速曲面銑削模塊十分豐富，對凹凸曲面包含14種加工方法，要正確生成高速切削加工軌跡，需要根據(jù)零件的特點(diǎn)，進(jìn)行軌跡的優(yōu)化和設(shè)置。針對模具曲面的高速粗加工方法主要有:中心除料粗加工、區(qū)域除料粗加工、殘料除料粗加工、模型區(qū)域除料粗加工、模型殘料除料粗加工，如圖5—9所示。模具曲面高速精加工方法主要有:等高外形精加工、重疊區(qū)域精加工、放射狀精加工、交線精加工、平等精加工、螺旋精加工、混合精加工，如圖10—12所示。MasterCAM HSM對零件尖角部分通過刀具的平滑過渡來實(shí)現(xiàn)，從而保證了高效的進(jìn)給率，減少了加工時間。另外，MasterCAM HSM還采用了備用余量的模式以避免空切，這種模式的余量可以通過前道工序算出，也可以通過參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，從而保證由粗到精加工的高效率。

圖5 中心除料粗加工

圖6 區(qū)域除料粗加工

圖7 殘料除料粗加工

圖8 模型區(qū)域除料粗加工

圖9 模型殘料除料粗加工

圖10 等高外形精加工

圖11 重疊區(qū)域精加工

圖12 放射狀精加工

3 MasterCAM X6高速銑削編程關(guān)鍵參數(shù)及設(shè)置

3.1 MasterCAM X6高速銑削粗加工參數(shù)設(shè)置

完成圖13所示的模具零件高速銑削粗加工參數(shù)設(shè)置，在MasterCAM X6軟件中單擊“刀具路徑”→“曲面粗加工”→“粗加工挖槽加工”→單擊所需的全部加工曲面后，彈出圖14所示的選擇曲面邊界線的對話框，選擇頂平面的邊界線，在圖15所示的刀具路徑參數(shù)中設(shè)置:刀具直徑φ10 mm的球頭銑刀，主軸方向順時針，主軸轉(zhuǎn)速10 000 r/min，進(jìn)給速度600 mm/min，下刀速度300 mm/min，提刀速度800 mm/min。單擊如圖16所示的粗加工參數(shù)，設(shè)置其安全高度為50 mm，下刀位置為增量5 mm，工件表面為絕對坐標(biāo)0 mm，預(yù)留量0.3 mm，刀具位置為中心。單擊如圖17所示的挖槽參數(shù)選項(xiàng)，選擇其切削方式為高速切削;單擊“高速切削”按鈕，設(shè)置高速粗加工切削參數(shù)的粗切步進(jìn)量為可變的，兩切削間的移位為相切的切線，兩相切斜線的角度為90°。高速切削選項(xiàng)為整個區(qū)域，回旋半徑和回旋間距都為5.0 mm。單擊“確定”，生成高速銑削粗加工軌跡，見圖18。

圖13 模具型腔零件

圖14 曲面加工邊界線設(shè)置

圖15 刀具路徑參數(shù)

圖16 曲面加工參數(shù)設(shè)置

圖17 曲面挖槽高速銑削設(shè)置

圖18 高速銑削粗加工軌跡

3.2 MasterCAM X6高速銑削精加工參數(shù)設(shè)置

在MasterCAM X6軟件中單擊“刀具路徑”→“高速曲面加工”→“等高外形”，單擊并選擇所需的全部精加工曲面后，選擇曲面邊界線的對話框，選擇頂平面的邊界線，在圖19所示的刀具路徑參數(shù)中設(shè)置:刀具直徑φ8 mm的球頭銑刀，主軸方向順時針，主軸轉(zhuǎn)速12 000 r/min，進(jìn)給速度400 mm/min，下刀速度200 mm/min，提刀速度600 mm/min。在其切削參數(shù)中設(shè)置:銑削方式為順銑，深度分層切削厚度為1.0 mm，圓角最大半徑為1.0 mm。單擊如圖19所示的過渡方式參數(shù)，選擇其過渡方式為切線斜插，如圖20所示。設(shè)置陡峭/淺平面參數(shù)，如圖21所示。單擊圖19所示的共同參數(shù)選項(xiàng)，選擇提刀高度為絕對坐標(biāo)方式，安全高度為50 mm，并設(shè)置其引導(dǎo)方式，如圖22所示。單擊“確定”，生成高速銑削等高外形精加工軌跡，見圖23。

圖19 高速銑削等高外形參數(shù)

圖20 曲面加工邊界線設(shè)置

圖21 陡峭/淺平面參數(shù)

圖22 高速銑削等高外形參數(shù)

圖23 高速銑削精加工軌跡

4 MasterCAM X6高速銑削模擬仿真實(shí)體切削

單擊“操作管理器”中的材料參數(shù)設(shè)置，見圖24，根據(jù)模具零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇形狀為矩形，顯示選項(xiàng)中選擇線架加工或?qū)嶓w，同時選中適度化，使模具零件在整個界面的正中央。編程原點(diǎn)設(shè)在工件的X和Y方向的中心，Z設(shè)在工件的上平面，在坐標(biāo)點(diǎn)位置輸入X值為0.0，輸入Y值為0.0，輸入Z值為0.0。單擊“邊界盒”，并選擇“實(shí)體”，系統(tǒng)自動獲取零件尺寸，完成全部設(shè)置如圖24所示。設(shè)置高速銑削安全區(qū)域，見圖25。

圖24 高速銑削材料參數(shù)

圖25 安全切削區(qū)域

選擇高速銑削安全區(qū)域?yàn)榫匦?，其切削尺寸?05 mm×235 mm×125 mm，并勾選顯示安全區(qū)域和安全區(qū)域屏幕適度化，保證銑削安全。所有設(shè)置完全后，進(jìn)行模擬仿真，單擊“驗(yàn)證已選擇的操作”，選中“碰撞停止”和“換刀停止”選項(xiàng)，然后單擊“驗(yàn)證”，系統(tǒng)自動開始加工，高速銑削實(shí)體驗(yàn)證結(jié)果如圖26所示。

圖26 實(shí)體模擬仿真結(jié)果

5 模具型腔零件的高速銑削機(jī)床選擇

圖27 高速銑削機(jī)床UCP600

高速銑削加工需要有高速銑削機(jī)床的支撐，選擇瑞士米克朗公司生產(chǎn)的UCP600高速銑削機(jī)床進(jìn)行加工，見圖27，其控制系統(tǒng)為Heidenhain(海德漢)iTNC 530，坐標(biāo)軸行程為:X軸600 mm，Y軸500 mm，Z軸500 mm，A軸－100°～+122°，C軸360°全回轉(zhuǎn)。主軸最高轉(zhuǎn)速42 000 r/min。進(jìn)給最大速度(X、Y)為15 m/min，快速移動最大速度為22 m/min。將MasterCAM X6軟件高速銑削生成的G代碼傳輸至機(jī)床，完成相關(guān)設(shè)置后，加工出模具型腔零件。經(jīng)檢驗(yàn)，該零件的質(zhì)量完全合格，高速銑削的參數(shù)設(shè)置比較合理。

6 結(jié)束語

研究高速銑削的機(jī)制，應(yīng)用功能強(qiáng)大的Mastercam X6軟件進(jìn)行粗、精加工高速銑削刀具路徑的規(guī)劃和參數(shù)的設(shè)置，為復(fù)雜模具曲面零件的高速銑削提供技術(shù)支持。

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