01
序言
Mastercam銑削包括2D加工、3D加工、多軸加工（四軸以上），其中，2D加工也稱(chēng)為點(diǎn)位加工，即根據(jù)直線(xiàn)、曲線(xiàn)進(jìn)行2.5~3軸的加工；3D加工也叫曲面加工（實(shí)體加工）或三維三軸加工；多軸加工則是四軸、五軸加工，即一次定位，加工4個(gè)面或5個(gè)面。
本文分別對(duì)幾何體、刀路策略、刀具選取進(jìn)行技術(shù)性交流。
02
點(diǎn)位加工策略及刀具選取
點(diǎn)位加工就是根據(jù)設(shè)置的工件原點(diǎn)展開(kāi)的程序編制，包括打定位點(diǎn)、鉆孔、倒角、鏜孔、鉸孔和攻螺紋，都是進(jìn)行點(diǎn)位坐標(biāo)捕捉后的刀具路徑定義。根據(jù)工藝順序進(jìn)行程序編制，包括坐標(biāo)點(diǎn)定義（幾何體）、刀具定義、程序參數(shù)定義。根據(jù)點(diǎn)位具體用處選取點(diǎn)位加工、鉆孔加工、絲錐刀具、鉸孔刀具及鏜孔加工刀具[1]，具體的選取規(guī)則和刀具說(shuō)明見(jiàn)表1~表5。
孔加工是產(chǎn)品加工的主要工藝，加工種類(lèi)主要包括普通鉆孔加工、一般精度孔加工、螺紋孔及螺紋加工和超精孔加工?？椎木燃氨砻娲植诙仁强准庸すに嚰暗毒哌x取的主要依據(jù)，在保證精度的前提下盡量使孔具有較低表面粗糙度值。當(dāng)不能滿(mǎn)足較低表面粗糙度值時(shí)，需要采取超精密加工的策略，通過(guò)擠壓、珩磨、拋光等方式加工孔[2]。具體孔加工工藝與刀具選取見(jiàn)表6。
表1 點(diǎn)位加工刀具
表2 鉆孔加工刀具
注：D為刀具有效直徑。
表3 絲錐刀具種類(lèi)
表4 鉸孔刀具加工
表5 鏜孔加工刀具
表6 孔加工工藝及刀具選取
03
2D銑削刀路策略與刀具選取
先進(jìn)數(shù)控加工刀具種類(lèi)日新月異、發(fā)展迅速，快進(jìn)給刀具、金剛銑刀具和可換頭銑刀等刀具種類(lèi)的出現(xiàn)不僅提升了加工效率，而且降低了刀具整體成本，銑刀類(lèi)別及說(shuō)明見(jiàn)表7，工步策略及刀具選取見(jiàn)表8。
表7 銑刀類(lèi)別及說(shuō)明
表8 工步策略及刀具選取
2D刀具路徑是采取2D幾何體線(xiàn)架，包括直線(xiàn)、R圓弧、曲線(xiàn)等進(jìn)行銑削加工，路徑種類(lèi)包括外形銑削、2D挖槽、平面銑削、鍵槽銑削和模型棱角，充分利用了幾何體可以進(jìn)行多種銑削加工的特性。加工中的必需要素是：幾何體、幾何體原點(diǎn)、刀具、加工參數(shù)及切削參數(shù)等，2D刀具選擇路徑見(jiàn)表9。
表9 2D刀具路徑刀具選取策略
外形銑削包含側(cè)刃銑，分為粗銑、精銑。挖槽刀具的路徑種類(lèi)大致可分為雙向、等距環(huán)切、平行環(huán)切、平行環(huán)切清角、高速切削、螺旋切削、單向及漸變環(huán)切幾類(lèi)。根據(jù)工件情況可進(jìn)行辯證選取，粗加工可使用轉(zhuǎn)位方肩銑刀、快進(jìn)給銑刀和玉米銑刀等；精加工可以采取方肩銑刀、整體硬質(zhì)合金銑刀、焊刃螺旋銑刀及直槽焊刃銑刀等[3]。根據(jù)精度來(lái)表征選取，并且區(qū)分順銑和逆銑。
挖槽刀具路徑比較多，可以選擇很多種，根據(jù)實(shí)際工件情況進(jìn)行選取，一般刀具可以選取方肩銑、快進(jìn)給銑、玉米銑，精加工時(shí)采用面銑及外形銑，可以采取可轉(zhuǎn)位方肩銑、圓鼻方肩銑、整體硬質(zhì)合金銑、焊刃螺旋銑及直槽焊刃銑等，挖槽是多種加工集成的，當(dāng)整體挖槽、整體面加工時(shí)可以采取多種刀具，最常用刀具就是圓鼻刀。粗加工XY方向步距按照55%Dc~85%Dc執(zhí)行，精加工XY方向步距按照40%Dc~45%Dc執(zhí)行，其中Dc為銑刀有效直徑[4]。
2D加工是加工產(chǎn)品零部件常用的加工方式，可以先繪制2D線(xiàn)架進(jìn)行編程，再導(dǎo)入零件曲面或?qū)嶓w進(jìn)行曲面的提取或拾取，定義2D幾何程序編制，可靈活地定義外形銑削、2D挖槽、平面銑削等，具體路徑選擇策略見(jiàn)表10。
表10 2D挖槽刀具路徑選擇策略
平面銑削的刀具選取較為簡(jiǎn)單，當(dāng)面加工有平面度及較低表面粗糙度要求時(shí)，將粗加工及精加工分開(kāi)，并且嚴(yán)格控制XY步距從而匹配切削參數(shù)；當(dāng)工件剛性足夠時(shí)，更易獲取精度及表面粗糙度；當(dāng)工件是薄壁件時(shí)易發(fā)生振動(dòng)，需要考慮整體工藝，采取減振措施，利用可轉(zhuǎn)位刀具，推薦采用不等距的、切削力較小的正前角刀片，利用較大的前后角度來(lái)降低切削力，必要時(shí)采取可轉(zhuǎn)位方肩銑刀[5]，刀具路徑則采取順銑，使切削速度vc盡量低，走刀速度逐漸增加。
鍵槽銑主要是加工鍵槽時(shí)使用，這里刀具的選取主要是鍵槽銑刀、整體硬質(zhì)合金刀具或高速鋼鍵槽銑刀，插銑刀也可以加工較大鍵槽，需注意如下事項(xiàng)。
1）2刃銑刀可以垂直下刀再進(jìn)行XY方向走刀，3刃、4刃及多刃不推薦。
2）3刃、4刃及多刃可以進(jìn)行鍵槽的精銑，來(lái)提高加工效率。
3）預(yù)鉆孔后用3刃、4刃及多刃銑刀可以進(jìn)行粗、精加工。
4）Z向較小的動(dòng)態(tài)斜插式下刀也可以采取2~6刃銑刀。
5）工件材質(zhì)硬度<32HRC時(shí)，可以采取斜插式下刀加工，加工路徑也是斜插式，這樣可明顯提升整體效率。
6）適當(dāng)?shù)膫?cè)邊余量決定鍵槽銑刀的直徑大小，設(shè)置單邊0.05~0.2mm，根據(jù)鍵槽大小而定。考慮因振動(dòng)及刀具讓刀而導(dǎo)致有時(shí)粗加工過(guò)切，是刀具直徑過(guò)大導(dǎo)致，在加工選取時(shí)需要考量，假如鍵槽有較高的精度及表面粗糙度要求時(shí)，必須進(jìn)行粗、精分開(kāi)加工。除此之外，還需考量一定壓力的切削液及排屑對(duì)加工產(chǎn)生的影響。
根據(jù)產(chǎn)品要求進(jìn)行加工，模型倒角是加工產(chǎn)品的必要流程，根據(jù)倒角、倒圓角（包括反向倒角、內(nèi)R倒圓角、外R倒圓角及汽車(chē)零部件反向倒角）加工方式的不同來(lái)進(jìn)行刀具選取。
04
曲面加工測(cè)量與刀具選取
曲面加工策略一般指加工模具的全套策略，包括粗加工、二次粗加工和精加工刀路策略。此處的粗加工一般是用圓鼻刀或快進(jìn)給銑刀來(lái)加工，精加工主要是用各類(lèi)球刀來(lái)加工，清角時(shí)一般采取球刀、平底刀或圓鼻刀，刀具的選用一般根據(jù)模具的Z向R角及XY方向R角辯證地選取。另外，區(qū)分陡坡面及非陡坡面是曲面區(qū)分的主要因素，據(jù)此進(jìn)行刀具選取也是較為科學(xué)的一種方式，陡坡面加工時(shí)選取平底刀，非陡坡面時(shí)選取圓鼻刀及球刀是較為匹配的方法[6]。
曲面粗加工、二次粗加工時(shí)，主要利用凸凹模來(lái)區(qū)分凸模和模具型腔。整體挖槽及凸模加工時(shí)需要分析模具整體大小、Z向R角大小及XY向R角大小，根據(jù)這些因素選取圓鼻刀具R的大小。除此之外，還需考量Z層下刀的大小、XY方向步距的大小、效率的高低和主軸加工負(fù)載的大小，在考量時(shí)應(yīng)遵循最大實(shí)體原則、最大剛性原則、最大效率原則、最低成本原則、最佳質(zhì)量原則和最穩(wěn)定加工原則，并同時(shí)考慮干涉、懸伸、功率、排屑、成本、質(zhì)量、效率、性?xún)r(jià)比及穩(wěn)定等幾方面因素。
曲面粗加工及動(dòng)態(tài)粗加工需要考慮效率、刀具成本及加工穩(wěn)定性。從這幾方面考慮選取刀具，具體的選用策略見(jiàn)表11、表12。曲面精加工需要考慮最佳質(zhì)量、刀具精度，最佳質(zhì)量需考慮表面粗糙度、紋理及加工精度幾個(gè)維度，刀具精度的考量因
素包括刀柄徑向圓跳動(dòng)、尺寸公差、涂層及R角的精度。在模具精加工過(guò)程中，刀路紋理均衡化，等值線(xiàn)化是一個(gè)重要課題[7]，也是精加工刀路選擇與刀具選擇的重點(diǎn)，見(jiàn)表13。
表11 曲面粗加工刀具選取
表12 曲面動(dòng)態(tài)加工刀具選取
表13 曲面精加工刀具選取
05
五軸加工策略與刀具選取
五軸加工刀具路徑策略比較復(fù)雜，考量因素較多，主要考量刀具干涉、刀具剛性、刀柄干涉、加工適配性、加工效果及加工刀具成本等，必要時(shí)還需要定制刀具。五軸加工需要實(shí)體編程，實(shí)體模擬、機(jī)床虛擬現(xiàn)實(shí)仿真，干涉檢查步驟。具體刀具選取見(jiàn)表14。
表14 五軸加工策略及刀具選取
06
數(shù)據(jù)庫(kù)與刀具選取參數(shù)
切削參數(shù)是從兩個(gè)方面考量，一是加工模具及零部件的材質(zhì)，二是加工刀具的材質(zhì)，從這兩方面建立數(shù)據(jù)庫(kù)，在編制程序時(shí)，綜合考量是優(yōu)先選取工件材質(zhì)還是刀具材質(zhì)，從而讓軟件來(lái)主動(dòng)選取數(shù)據(jù)庫(kù)。推薦工件材質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，用國(guó)際六大材料組來(lái)區(qū)分材料進(jìn)行切削參數(shù)的選取，具體模具材質(zhì)特征及加工刀具選取方案見(jiàn)表15。
表15 模具材質(zhì)特征及加工刀具選取
07
下刀方式與刀具選取技術(shù)
模具加工及產(chǎn)品加工時(shí)，刀具下刀是需要考量的主要因素，一般分為體外下刀、斜插式下刀、螺旋下刀及預(yù)鉆孔下刀等幾種方式。預(yù)先鉆孔是提前在凹模處鉆一個(gè)孔，供銑刀Z向下刀使用，可以提高下刀效率和刀具壽命，下刀方式策略及刀具選取見(jiàn)表16。體外下刀是在毛坯外空位處下刀，達(dá)到快速下刀的目的，從而提高效率，一般是凸模從體外下刀，凹模不適用；斜插式下刀是按下刀矢量走一定斜度，由下刀斜度及下刀垂直距離兩個(gè)變量構(gòu)成。一般用在凹模加工或凸模中凹槽部分；螺旋下刀是刀具按照螺旋線(xiàn)式下刀，有螺旋半徑、Z向螺距、斜度3個(gè)變量，如圖1所示。
a）螺旋半徑 b）Z向螺距 c）斜度
圖1 螺旋下刀參數(shù)
表16 下刀方式策略及刀具選取
08
模具材質(zhì)及產(chǎn)品材質(zhì)對(duì)應(yīng)刀具材質(zhì)選取技術(shù)
加工模具及產(chǎn)品零部件，首先進(jìn)行模具及產(chǎn)品的材料梳理，對(duì)材料加工性能分析，選擇最適合的切削刀具材料和刀片槽形是實(shí)現(xiàn)無(wú)故障高生產(chǎn)率加工過(guò)程的重要因素，以圖2所示零件模型為例，采用材質(zhì)為40CrMnMo7的熱作鋼，預(yù)先調(diào)質(zhì)硬度為28~40HRC，不做后期熱處理，進(jìn)行濕式加工，最終進(jìn)行鏡面拋光表面處理，其他參數(shù)（例如切削參數(shù)、刀具路徑等）對(duì)于獲得成功的結(jié)果同樣至關(guān)重要，案例見(jiàn)表17。
圖2 零件模型
表17 塑膠模具綜合加工工藝策略及刀具方案
09
結(jié)束語(yǔ)
根據(jù)加工工藝進(jìn)行工步拆分，根據(jù)不同的工藝工步匹配刀具，是一種極其復(fù)雜的刀具技術(shù)應(yīng)用。
在刀具與軟件匹配技術(shù)過(guò)程中，刀具及其切削參數(shù)非常重要。
細(xì)分工藝、工步及技術(shù)要求，細(xì)化刀具種類(lèi)及技術(shù)細(xì)節(jié)，做到高質(zhì)量、高效率、低成本及綠色。
