Mastercam2023銑削加工策略與刀具選取

黃新懷，張銀生，張世君 ，黃曉雷

1.河南省南陽市西峽縣內燃機進排氣管有限責任公司 河南南陽 474550

2.青島寰宇乾堃航天特種設備有限公司 山東青島 266431

1 序言

Mastercam銑削包括2D加工、3D加工、多軸加工（四軸以上），其中，2D加工也稱為點位加工，即根據直線、曲線進行2.5～3軸的加工；3D加工也叫曲面加工（實體加工）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個面或5個面。

本文分別對幾何體、刀路策略、刀具選取進行技術性交流。

2 點位加工策略及刀具選取

點位加工就是根據設置的工件原點展開的程序編制，包括打定位點、鉆孔、倒角、鏜孔、鉸孔和攻螺紋，都是進行點位坐標捕捉后的刀具路徑定義。根據工藝順序進行程序編制，包括坐標點定義（幾何體）、刀具定義、程序參數定義。根據點位進行刀具的梳理，分別對點位刀具進行選取，根據具體用處選取點位加工、鉆孔加工、絲錐刀具、鉸孔刀具及鏜孔加工刀具[1]，具體的選取規則和刀具說明見表1～表5。

表1 點位加工刀具

表2 鉆孔加工刀具

表3 絲錐刀具種類

表4 鉸孔刀具加工

表5 鏜孔加工刀具

孔加工是產品加工的主要工藝，加工種類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，在保證精度的前提下盡量使孔具有較低表面粗糙度值。當不能滿足較低表面粗糙度值時，需要采取超精密加工的策略，通過擠壓、珩磨、拋光等方式加工孔[2]。具體孔加工工藝與刀具選取見表6。

表6 孔加工工藝及刀具選取

3 2D銑削刀路策略與刀具選取

先進數控加工刀具種類日新月異、發展迅速，快進給刀具、金剛銑刀具和可換頭銑刀等刀具種類的出現不僅提升了加工效率，而且降低了刀具整體成本，銑刀類別及說明見表7，工步策略及刀具選取見表8。

表7 銑刀類別及說明

表8 工步策略及刀具選取

2D刀具路徑是采取2D幾何體線架，包括直線、R圓弧、曲線等進行銑削加工，路徑種類包括外形銑削、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、刀具、加工參數及切削參數等，2D刀具選擇路徑見表9。

表9 2D刀具路徑刀具選取策略

外形銑削包含側刃銑，分為粗銑、精銑。挖槽刀具的路徑種類大致可分為雙向、等距環切、平行環切、平行環切清角、高速切削、螺旋切削、單向及漸變環切幾類。根據工件情況可進行辯證選取，粗加工可使用轉位方肩銑刀、快進給銑刀和玉米銑刀等；精加工可以采取方肩銑刀、整體硬質合金銑刀、焊刃螺旋銑刀及直槽焊刃銑刀等[3]。根據精度來表征選取，并且區分順銑和逆銑。

挖槽刀具路徑比較多，可以選擇很多種，根據實際工件情況進行選取，一般刀具可以選取方肩銑、快進給銑、玉米銑，精加工時采用面銑及外形銑，可以采取可轉位方肩銑、圓鼻方肩銑、整體硬質合金銑、焊刃螺旋銑及直槽焊刃銑等，挖槽是多種加工集成的，當整體挖槽、整體面加工時可以采取多種刀具，最常用刀具就是圓鼻刀。粗加工XY方向步距按照55%DC～85%DC執行，精加工XY方向步距按照40%DC～45%DC執行，其中DC為銑刀有效直徑[4]。

2D加工是加工產品零部件常用的加工方式，可以先繪制2D線架進行編程，再導入零件曲面或實體進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單，當面加工有平面度及較低表面粗糙度要求時，將粗加工及精加工分開，并且嚴格控制XY步距從而匹配切削參數；當工件剛性足夠時，更易獲取精度及表面粗糙度；當工件是薄壁件時易發生振動，需要考慮整體工藝，采取減振措施，利用可轉位刀具，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降低切削力，必要時采取可轉位方肩銑刀[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使用，這里刀具的選取主要是鍵槽銑刀、整體硬質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。

公路工程是我國社會基礎設施建設的重要組成部分，直接關系著我國社會經濟的發展。為了充分滿足現階段交通運輸行業對公路質量的要求，應加強對施工技術的控制管理，為公路工程施工活動的高效開展奠定基礎。在具體的施工過程中，應在保障施工進度的基礎上，針對施工中存在的各類隱患積極采取相應的處理措施。

1）2刃銑刀可以垂直下刀再進行XY方向走刀，3刃、4刃及多刃不推薦。

2）3刃、4刃及多刃可以進行鍵槽的精銑，來提高加工效率。

3）預鉆孔后用3刃、4刃及多刃銑刀可以進行粗、精加工。

4）Z向較小的動態斜插式下刀也可以采取2～6刃銑刀。

5）工件材質硬度＜32HRC時，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）適當的側邊余量決定鍵槽銑刀的直徑大小，設置單邊0.05～0.2mm，根據鍵槽大小而定?？紤]因振動及刀具讓刀而導致有時粗加工過切，是刀具直徑過大導致，在加工選取時需要考量，假如鍵槽有較高的精度及表面粗糙度要求時，必須進行粗、精分開加工。除此之外，還需考量一定壓力的切削液及排屑對加工產生的影響。

根據產品要求進行加工，模型倒角是加工產品的必要流程，根據倒角、倒圓角（包括反向倒角、內R倒圓角、外R倒圓角及汽車零部件反向倒角）加工方式的不同來進行刀具選取。

4 曲面加工策略與刀具選取

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給銑刀來加工，精加工主要是用各類球刀來加工，清角時一般采取球刀、平底刀或圓鼻刀，刀具的選用一般根據模具的Z向R角及XY方向R角辯證地選取。另外，區分陡坡面及非陡坡面是曲面區分的主要因素，據此進行刀具選取也是較為科學的一種方式，陡坡面加工時選取平底刀，非陡坡面時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，主要利用凸凹模來區分凸模和模具型腔。整體挖槽及凸模加工時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載的大小，在考量時應遵循最大實體原則、最大剛性原則、最大效率原則、最低成本原則、最佳質量原則和最穩定加工原則，并同時考慮干涉、懸伸、功率、排屑、成本、質量、效率、性價比及穩定等幾方面因素。

曲面粗加工及動態粗加工需要考慮效率、刀具成本及加工穩定性。從這幾方面考慮選取刀具，具體的選用策略見表11、表12。曲面精加工需要考慮最佳質量、刀具精度，最佳質量需考慮表面粗糙度、紋理及加工精度幾個維度，刀具精度的考量因素包括刀柄徑向圓跳動、尺寸公差、涂層及R角的精度。在模具精加工過程中，刀路紋理均衡化，等值線化是一個重要課題[7]，也是精加工刀路選擇與刀具選擇的重點，見表13。

表11 曲面粗加工刀具選取

表12 曲面動態加工刀具選取

表13 曲面精加工刀具選取

5 五軸加工策略與刀具選取

五軸加工刀具路徑策略比較復雜，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，必要時還需要定制刀具。

五軸加工需要實體編程，實體模擬、機床虛擬現實仿真，干涉檢查步驟。具體刀具選取見表14。

表14 五軸加工策略及刀具選取

6 數據庫與刀具選取參數

切削參數是從兩個方面考量，一是加工模具及零部件的材質，二是加工刀具的材質，從這兩方面建立數據庫，在編制程序時，綜合考量是優先選取工件材質還是刀具材質，從而讓軟件來主動選取數據庫。推薦工件材質數據庫，用國際六大材料組來區分材料進行切削參數的選取，具體模具材質特征及加工刀具選取方案見表15。

表15 模具材質特征及加工刀具選取

7 下刀方式與刀具選取技術

模具加工及產品加工時，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、螺旋下刀及預鉆孔下刀等幾種方式。預先鉆孔是提前在凹模處鉆一個孔，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表16。體外下刀是在毛坯外空位處下刀，達到快速下刀的目的，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變量構成。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式下刀，有螺旋半徑、Z向螺距、斜度3個變量，如圖1所示。

圖1 螺旋下刀參數

8 模具材質及產品材質對應刀具材質選取技術

加工模具及產品零部件，首先進行模具及產品的材料梳理，對材料加工性能分析，選擇最適合的切削刀具材料和刀片槽形是實現無故障高生產率加工過程的重要因素，以圖2所示零件模型為例，采用材質為40CrMnMo7的熱作鋼，預先調質硬度為28～40HRC，不做后期熱處理，進行濕式加工，最終進行鏡面拋光表面處理，其他參數（例如切削參數、刀具路徑等）對于獲得成功的結果同樣至關重要，案例見表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

9 結束語

根據加工工藝進行工步拆分，根據不同的工藝工步匹配刀具，是一種極其復雜的刀具技術應用。

在刀具與軟件匹配技術過程中，刀具及其切削參數非常重要。

細分工藝、工步及技術要求，細化刀具種類及技術細節，做到高質量、高效率、低成本及綠色。