基于MasterCAM 2D動(dòng)態(tài)銑削技術(shù)提高槽板粗加工效率

孫進(jìn)軍 陳洪官

摘要：針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)頻次較高的小批量槽板零件封閉和半封閉型腔的粗加工，傳統(tǒng)編程使用區(qū)域銑削方式，而動(dòng)態(tài)銑削是一種新趨勢(shì)的加工方法，但是在不同加工條件下，兩種加工方法的粗加工效率截然不同。本文分析了MasterCAM軟件的這兩種方法在實(shí)際加工中應(yīng)用，闡述了槽板動(dòng)態(tài)銑削時(shí)的技巧。

Abstract： In view of the small batch of groove plate parts with closed and semi closed cavities which appear frequently in the production site， the traditional programming uses the regional milling method， while the dynamic milling is a new trend processing method， but under? different? processing conditions， the rough machining efficiency of the two methods is quite. The text using MasterCAM software to analyze the two methods' Application in practice ，and expoud groove plate parts' dynamic milling skill.

關(guān)鍵詞：槽板2D動(dòng)態(tài)加工;區(qū)域加工;型腔開粗;加工效率

Key words： groove plate 2D dynamic machining;area machining;cavity opening;rough machining efficiency

中圖分類號(hào)：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）20-0097-03

0? 引言

Mastercam是美國(guó)CNC公司開發(fā)的一款功能較為強(qiáng)大的CAD/CAM軟件，它提供了多種先進(jìn)的高速銑粗加工技術(shù)，可以明顯提高零件的加工效率。其中傳統(tǒng)的區(qū)域銑削加工方式，其高效性，主要是以小吃刀，快速進(jìn)給或利用大直徑刀具相對(duì)強(qiáng)度好分層切削，結(jié)合在CAM合理的中設(shè)置刀距、邊界、干涉面等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)，這屬于高性能切削的范疇（HPC）。高性能切削過程中的吃刀角度往往很大，這樣會(huì)加快刀具和機(jī)床主軸的磨損。幾年前，動(dòng)態(tài)銑削（HDC）還是一種很少使用的加工工藝，但隨著機(jī)床加工技術(shù)的不斷升級(jí)，特別輕質(zhì)或耐熱材料的需求不斷增長(zhǎng)，這種高端加工方式在日常生產(chǎn)過程中開始經(jīng)常被使用，而且有成為數(shù)控加工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的趨勢(shì)。另外，動(dòng)態(tài)銑削刀路追求刀具高速銑削中受力穩(wěn)定，包括受力方向無(wú)突變，確保加工過程穩(wěn)定持續(xù)進(jìn)行，對(duì)粗銑效果明顯。本文通過對(duì)公司生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)頻次較高的小批量槽板零件加工，就其背面封閉和半封閉型腔粗切，來(lái)分析對(duì)比MasterCAM中區(qū)域銑削與動(dòng)態(tài)銑削兩種加工方法加工效率，同時(shí)介紹在實(shí)際加工中需解決的技巧。

1? 動(dòng)態(tài)銑削要素和零件任務(wù)來(lái)源

動(dòng)態(tài)銑削工藝的基礎(chǔ)是所使用的加工刀具、機(jī)床、CAD/CAM系統(tǒng)和工件材料加工性能。只有在這幾大要素都處于最佳狀態(tài)時(shí)，才能達(dá)到優(yōu)化加工并提升材料去除率的目的。

隨著國(guó)防、船舶制造等行業(yè)高速發(fā)展及大量鋁合金等新材料的應(yīng)用，如何實(shí)現(xiàn)零件加工“又快又好”成為很多數(shù)控行業(yè)每天面臨的壓力。我公司承接的加固計(jì)算機(jī)上的某型槽板零件（已簡(jiǎn)化）如圖1所示，就有批量、材料去除量大，易變形等特點(diǎn)。為了提升效率，做了下述的實(shí)踐比對(duì)和改進(jìn)。

2? 槽板零件的加工

2.1 槽板模型及工藝要素分析

本文闡述的槽板零件主體為框形，其背部有兩層方腔（如圖1），深度8.5mm的內(nèi)腔為半封閉的，而11mm內(nèi)腔為全封閉式，3A21H112鋁合金板材下料成433mm×251mm×25mm后熱處理去應(yīng)力。由于零件外形規(guī)則，考慮批量粗銑兩側(cè)面后（該零件因考慮裝配等要求，考慮防止變形，實(shí)際可能還需先對(duì)某些局部預(yù)加工至尺寸，此處不贅述），用精密虎鉗單件裝夾加工，夾緊時(shí)可用千分表壓在坯料表面來(lái)控制力度。機(jī)床采用的是Fanuc 0i-MF系統(tǒng)凱博850加工中心，該設(shè)備具有操作簡(jiǎn)單和較好穩(wěn)定性的特點(diǎn)。確定上述工藝要素后，根據(jù)實(shí)踐優(yōu)化后的兩種開粗方法的切削用量如表1所示。

從表1中可以看出區(qū)域銑削方式粗加工方腔時(shí)多采用了一把刀具進(jìn)行拐角殘料的加工，在同樣加工周期內(nèi)，增加了刀具的投入成本。而動(dòng)態(tài)加工則可以根據(jù)零件內(nèi)拐角的大小選擇合適的小直徑粗加工刀具（帶有不等距斷屑槽刀具時(shí)，散熱效果更好，加工參數(shù)還可以進(jìn)一步優(yōu)化）。

2.2 槽板兩種粗加工編程方法效率比對(duì)

打開MasterCAM軟件后，第一步，如圖2，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊對(duì)話框左上角的加工類型欄，在隨后出現(xiàn)的切削方式選擇區(qū)，依照相應(yīng)的示意圖片，分別點(diǎn)選區(qū)域切削和動(dòng)態(tài)切削，然后加工槽板零件模型中的方腔;第二步，在制定串聯(lián)選項(xiàng)中的加工域策略時(shí)需分兩步分別選擇開放、封閉，本零件形狀簡(jiǎn)單，無(wú)需選擇避讓范圍。其余選項(xiàng)默認(rèn);第三步，分別設(shè)置兩種加工方式切削參數(shù)如表2所示（其他的共同參數(shù)等相同，此處未逐一列出）。

完成上述所有步驟后，點(diǎn)擊確認(rèn)鍵，Mastercam軟件會(huì)計(jì)算出圖3和圖4所示刀具路徑，在實(shí)體模擬加工時(shí)，軟件可以添加相應(yīng)的機(jī)床模型，以便于編程人員確認(rèn)有無(wú)碰撞、超程等異常情況發(fā)生，避免浪費(fèi)不必要的輔助時(shí)間。

另外經(jīng)過實(shí)體模擬，可以較精確的計(jì)算出實(shí)際加工時(shí)間和刀具路徑長(zhǎng)度。表3清楚的顯示了區(qū)域加工和動(dòng)態(tài)銑削兩種開粗方式，在對(duì)槽板半開放和封閉型腔加工時(shí)的效率信息。

從表3可以看出，當(dāng)加工槽板零件深度為8.5mm半開放式型腔時(shí)，區(qū)域銑削加工時(shí)間增加了1.5倍，刀具路徑總長(zhǎng)度約為動(dòng)態(tài)加工的0.9倍;而當(dāng)加工深度為11mm全封閉型腔時(shí)，區(qū)域銑削的加工時(shí)間和刀具路徑總長(zhǎng)度的增加倍數(shù)≥1倍;另外從模擬的刀路看出區(qū)域銑削加工時(shí)抬刀次數(shù)明顯多不少，每多抬刀一次，在安全高度設(shè)為200mm，參考高度設(shè)為10mm的時(shí)候，通過計(jì)算可以知道都增加了3.5s。比對(duì)兩種開粗方式的效率數(shù)據(jù)，可以肯定，區(qū)域銑削和動(dòng)態(tài)銑削都是實(shí)現(xiàn)零件高速加工的策略;只不過小切深情況下，區(qū)域加工可以利用XY方向步進(jìn)量大特點(diǎn)，略有優(yōu)勢(shì)。但觀察機(jī)床各軸的負(fù)載表數(shù)值變化，可印證前面敘述吃刀角大的概念了，至少在槽板零件粗加工中，采用動(dòng)態(tài)銑削的方式還是較好的。

2.3 槽板零件加工表面光潔度

通過兩種切削方式的加工試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在開粗階段，粗槽板背部方腔在側(cè)壁都留有0.2mm余量，區(qū)域加工由于加工負(fù)載大，工件底面受擠壓的力量稍大，接刀痕明顯;動(dòng)態(tài)加工受力相對(duì)均衡，但程序中加工轉(zhuǎn)向頻繁，且有不少的短小程序段及最小刀路半徑的影響，導(dǎo)致工件XY方向表面類似“頓刀”痕明顯。由于該槽板零件精加工都采用相同的Φ8刀具和切削參數(shù)，壁邊預(yù)留量0mm。精加工完成后，兩種銑削方式加工的表面光潔度無(wú)明顯差別，經(jīng)采用光潔度計(jì)檢測(cè)的數(shù)值為Ra1.6符合圖紙要求，其效果如圖5所示。

2.4 槽板2D動(dòng)態(tài)銑削加工中的關(guān)鍵技巧

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)槽板在應(yīng)用2D動(dòng)態(tài)銑削技術(shù)加工時(shí)，除了要合理設(shè)置上述切削參數(shù)外，還要重點(diǎn)關(guān)注和掌握下面的一些技巧：

第一，步進(jìn)量和最小刀具路徑半徑設(shè)定：步進(jìn)量是指動(dòng)態(tài)銑削時(shí)，刀具側(cè)刃剝削層的寬度，即相當(dāng)于區(qū)域銑削的刀間距（切寬Ae）。這兩項(xiàng)參數(shù)雖然很普通，在加工中也必須設(shè)定，但合理的參數(shù)值，對(duì)動(dòng)態(tài)切削的效率影響也是很大的。其中步進(jìn)量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，模具鋼和超硬鋼一般為刀具直徑的2%-5%，而2至3系列鋁合金等易加工材料則可設(shè)為20%-35%。最小刀路半徑，則要由當(dāng)前刀具的直徑、工件幾何外形的最小容納空間來(lái)決定，一般不小于R1，這樣才能保證加工中在拐角附近具有優(yōu)越的加速度、較短的計(jì)算和切換時(shí)間等“動(dòng)態(tài)”特征。不然就需要替換更小直徑刀具或?qū)⒘慵」战橇粝聛?lái)進(jìn)行殘料的再加工。

第二，圓弧過濾/公差設(shè)定：這項(xiàng)參數(shù)是MasterCam軟件中一個(gè)十分重要的高級(jí)選項(xiàng)。為了適應(yīng)機(jī)床的插補(bǔ)原理，大多CAM軟件都是采用擬合的方式來(lái)逼近實(shí)際的加工曲線。這樣直接生成的加工程序就是由很多細(xì)小直線段組成，導(dǎo)致程序所占用的存儲(chǔ)空間很大。而很多工廠的數(shù)控機(jī)床內(nèi)存都是不多的，當(dāng)不得不使RS232數(shù)據(jù)線、CF卡或U盤進(jìn)行DNC加工時(shí)，就算機(jī)床傳輸?shù)牟ㄌ芈试O(shè)置到最大，在大進(jìn)給速率或短小線段及加工變向時(shí)，機(jī)床很容易抖動(dòng)，導(dǎo)致加工不穩(wěn)定，甚至“丟步”。在本零件的加工中過濾比率設(shè)置成1：1，過濾誤差和切削公差都設(shè)成0.013即可。由于只涉及2D動(dòng)態(tài)，所以只需勾選創(chuàng)建XY平面圓弧項(xiàng)就行了（見圖6，較高版本軟件界面會(huì)有所不同）。一般可將切削公差和線/圓弧公差項(xiàng)設(shè)置成30%-35%，但仍要根據(jù)實(shí)際圖紙的公差要求做相應(yīng)的調(diào)整。

第三，機(jī)床拐角自動(dòng)加減速設(shè)定：此項(xiàng)內(nèi)容屬機(jī)床自帶功能，雖與CAM軟件本身設(shè)置無(wú)關(guān)，但卻要與軟件編制的程序配套使用，其對(duì)加工效率的影響也極大。如果加工設(shè)備是真正的高速銑機(jī)床，則可以每次預(yù)處理較多程序段或支持Nurbs曲線插補(bǔ)，出現(xiàn)加工卡頓的幾率會(huì)少點(diǎn)。但普通機(jī)床，由于動(dòng)態(tài)銑削的程序多為小的圓弧或線段，如果機(jī)床加減速的G值大，每個(gè)程序段間頻繁加減速，總體進(jìn)給速度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到程序設(shè)定值的。本槽板零件加工使用的是Fanuc 0i-MF機(jī)床，通過按機(jī)床面板上System鍵進(jìn)入?yún)?shù)頁(yè)面后，搜索到1602#參數(shù)后依照機(jī)床說明書更改相應(yīng)數(shù)值即可（見圖7）。另外還要注意，自動(dòng)加減速參數(shù)的修改不能光考慮進(jìn)給速度，否則零件表面會(huì)出現(xiàn)“頓刀痕”，所以還要綜合光潔度、刀具使用壽命等因素。

3? 結(jié)論

在選擇合理的2D動(dòng)態(tài)銑削加工參數(shù)和技巧后，經(jīng)過實(shí)際加工數(shù)據(jù)分析對(duì)比，基于MasterCAM 2D動(dòng)態(tài)銑削技術(shù)，提升槽板粗加工效率的案例是成功的，同時(shí)減少了加工過程中刀具消耗。雖然加工深度較小時(shí)，動(dòng)態(tài)銑削加工的刀路長(zhǎng)度有所偏長(zhǎng)，但整體效率仍然有所提高。在精加工階段，區(qū)域銑削和動(dòng)態(tài)銑削兩種方法所使用的條件有不少等同處，最終工件表面質(zhì)量差別不明顯。

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