趙宏

(深圳第二高級技工學(xué)校，廣東 深圳 518049)

0 引言

在新興的加工技術(shù)中，高速銑削能有效縮短加工時(shí)間，提高加工質(zhì)量的方法。在實(shí)際應(yīng)用中，企業(yè)往往注重硬件投入，在軟件及加工方面往往重視不夠，甚至以傳統(tǒng)的加工觀念來使用高速機(jī)床，限制了其功效的發(fā)揮。目前CAM軟件的使用資料極少專門介紹高速切削的功能，張繼林等[1]研究了高速銑削切削力對刀具路徑的影響，陳銀清等[2]研究了基于MasterCAM自由曲面加工刀具路徑，但未專門討論高速加工問題。本文以計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)軟件Mastercam 為例，探討CAM軟件高速切削路徑平滑處理的共性參數(shù)設(shè)置問題，利用軟件模擬和實(shí)際切削的方式探討刀具路徑轉(zhuǎn)角平滑處理對加工的影響，以此深入了解高速切削刀具路徑的平滑處理。

1 高速加工刀具路徑平滑處理的意義

高速銑削是一種以高轉(zhuǎn)速、快速進(jìn)給、較小的切削深度和間距為加工特征的加工方式，高速切削效益的發(fā)揮不僅需要硬件技術(shù)的支持，而且需要軟件方面比如刀具路徑規(guī)劃的配合應(yīng)用。Tlusty[3]指出，由于高速銑削是一種高速進(jìn)給的運(yùn)動，切削時(shí)為減少轉(zhuǎn)彎的時(shí)間需考慮兩件事，一是提升伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩，但會額外增加機(jī)床設(shè)備的費(fèi)用;二是從刀具路徑規(guī)劃著手，降低工作臺移動的慣性所造成的振動，例如在快速切削運(yùn)動中遇到轉(zhuǎn)角時(shí)，利用圓弧的方式(圖1)代替直角的方式，可以降低轉(zhuǎn)彎的時(shí)間及機(jī)床的振動。由此可見，高速加工刀具路徑的平滑規(guī)劃對工件的加工時(shí)間、加工質(zhì)量等有重要的意義。

圖1 圓弧進(jìn)退刀設(shè)置及刀路圖

通過刀具路徑的平滑處理在以下幾個(gè)方面得到改善：

1) 避免在切出口產(chǎn)生厚切屑，使切削力更穩(wěn)定，并減小振動趨勢，延長了刀具壽命。

2) 緩和進(jìn)給方向的突然變向，使加減速更為平順，避免了無謂之加減速時(shí)間。

3) 保持刀具移動持續(xù)和恒定吃刀，使工作負(fù)荷和方向的快速變化減少，減輕了切削刃和切削過程的損壞。

4) 縮短了刀具路徑距離，減少了刀路區(qū)間過渡的提刀動作，縮短了加工時(shí)間。

5) 減輕了沖擊載荷和機(jī)床震動，緩解了由于機(jī)械慣性及切削阻力導(dǎo)致的轉(zhuǎn)角處較易過切或形狀失真的情況，提高了工件加工品質(zhì)。

6) 在周邊順銑中，切削厚度從切削開始就逐漸降低，并在切削末端逐漸接近零。這可防止切削刃在吃刀前磨損或擦傷表面。

2 高速銑削刀路平滑處理

MasterCAM的銑削模塊包含2D及3D銑削[4]，其高速刀路的實(shí)質(zhì)就是生成最為流暢平滑的刀路，一是圓弧切入切出及優(yōu)化不同切削層間的連接方式。二是每個(gè)切削可以用先進(jìn)的圓角和刀具路徑細(xì)化技術(shù)進(jìn)行配置，以減少尖角和其他不連續(xù)性的影響。這些參數(shù)有助于保持在工具上的恒定負(fù)載，減少加工時(shí)間，提高加工表面的質(zhì)量。

2.1 圓弧形進(jìn)/退刀(切入切出)

1) 圓弧切入切出的意義

2D和3D加工刀路都有圓弧進(jìn)退刀編程參數(shù)設(shè)置項(xiàng)，刀路編程引入圓弧，避免了切出口有厚切屑，產(chǎn)生的切屑厚度為零，進(jìn)刀平穩(wěn)，減輕沖擊載荷，這樣將確保既有較高的進(jìn)給又有較長的刀具壽命。而直接切入工件時(shí)，在切出口將產(chǎn)生厚切屑，這會極大降低刀具壽命。另外，從振動觀點(diǎn)看，平滑地切入工件也是必要的。

2) 圓弧進(jìn)退刀的參數(shù)設(shè)置

2D刀路外形銑削和挖槽的參賽設(shè)置見圖1(a)；3D曲面等高外形加工中兩區(qū)段間的過渡方式為打斷時(shí)，可勾選圖1( b)所示圓弧進(jìn)退刀，并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)的參賽。當(dāng)掃描角度設(shè)為180°時(shí)，將以整圓進(jìn)刀，不同刀路區(qū)間過渡不再提刀，節(jié)省了加工時(shí)間。

2.2 平面加工高速銑削刀路平滑處理

1) 面銑刀路的平滑處理

面銑是最普遍的銑削工序，為保持刀具一直切削，通過刀具路徑編程可避免刀具頻繁切入和切出工件，防止刀具切削刃上產(chǎn)生不利的應(yīng)力，或?qū)е峦Ａ艉驼痤澸厔荨＝ㄗh刀具路徑編程能使銑刀保持全接觸。當(dāng)改變方向時(shí)，加入小的圓弧刀具路徑，以保持刀具移動和恒定吃刀。

面銑操作時(shí)，在加工參數(shù)設(shè)定中，為了配合高速切削，可以將“兩切削間的位移”設(shè)定為“高速回圈”，將“刀具在轉(zhuǎn)角處走圓角”設(shè)為“所有”(圖2深色處)，這樣刀具在切削時(shí)，其切削端點(diǎn)的連接會改成圓弧連接(圖3)。

圖2 兩切削間的位移方式及實(shí)例效果

2) 銑槽刀路的平滑處理

銑槽是周邊銑與面銑結(jié)合在一起，在邊界處同時(shí)產(chǎn)生2個(gè)面，一般將順銑作為首選。在銑槽加工中，適合使用于高速銑削的加工法有高速切削和螺旋切削，其中的高速切削銑槽操作中，高速切削加工法即是擺線式刀具路徑，加工參數(shù)設(shè)定如圖3。在此可以設(shè)定切削的區(qū)域、回圈半徑、回圈間距及轉(zhuǎn)角平滑半徑。

高速切削時(shí)，無論是凸起轉(zhuǎn)角及內(nèi)彎轉(zhuǎn)角，由于機(jī)械慣性及切削阻力的關(guān)系，路徑轉(zhuǎn)角處較容易有過切的情況，而在轉(zhuǎn)角自動產(chǎn)生原弧路徑的功能以解決上述轉(zhuǎn)角處容易過切的狀況。

圖3 銑槽操作高速切削參數(shù)設(shè)定

2.3 曲面加工高速銑削刀路平滑處理

a) 曲面加工刀路平滑的意義

曲面加工比較復(fù)雜，刀具路徑的規(guī)劃更為重要，精加工多使用球頭立銑刀。由于刀具需多次切入和切出材料，每次切入和切出都意味著載荷沖擊，刀具將偏斜，造成偏斜差或振動，在表面留下凸起痕跡，影響加工質(zhì)量，并使切削刃和切削過程更容易損壞。為了良好的刀具壽命和加工質(zhì)量，通過參數(shù)設(shè)置，控制刀路間的過渡方式及間隙設(shè)置，通過平滑刀路，盡可能長時(shí)間保持連續(xù)切削，使工作負(fù)荷和方向的快速變化減少。

b) 路徑過渡參數(shù)設(shè)置

路徑過渡方式有高速回圈、斜插、沿著曲面和打斷方式下的圓弧進(jìn)退刀的控制(圖4)。

圖4 不同路徑過渡方式及其刀路

1) 高速回圈：高速回圈是將兩區(qū)段間的路徑以圓弧來過渡，此時(shí)只需要設(shè)定回圈的長度。

2) 斜插：斜插是將兩區(qū)段間的路徑以傾斜的方式來過渡，需要設(shè)定斜插的長度。

3) 沿著曲面: 沿著曲面是將兩區(qū)段間的路徑直接沿著曲面過渡。

c) 刀路間的間隙設(shè)置

間隙設(shè)置是MasterCAM曲面刀路(除等高外形外)的共同參數(shù)，主要是設(shè)定相鄰刀路的過渡方式，共有不提刀、打斷、平滑和沿著曲線四種方式(圖5)，高速加工宜選擇平滑，使刀具路徑更為平滑。

圖5 不同刀具路徑間隙設(shè)置及刀路圖

3 轉(zhuǎn)角平滑處理的切削實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)規(guī)劃

刀具走刀路徑的平滑是CAM軟件高速銑削功能和一般銑削功能最明顯的區(qū)別，因此將設(shè)計(jì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別通過加工中心銑削鋁合金平面和窄槽零件，進(jìn)行軟件模擬和實(shí)際銑削實(shí)驗(yàn)，測試刀具路徑轉(zhuǎn)角從直角改為圓角對實(shí)際加工的影響。

為簡化實(shí)驗(yàn)，利用Mastercam設(shè)計(jì)118×78mm矩形為加工平面，以pock之邊界再加工型式，高速切削方式，分別改變角落平滑半徑(圖6)為0 mm和6 mm，計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)模擬加工時(shí)間，再利用Fanuc控制器模擬刀路，并實(shí)際加工鋁件，統(tǒng)計(jì)實(shí)際銑削時(shí)間，并感受機(jī)床轉(zhuǎn)角處的震動情況。

3.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1)實(shí)驗(yàn)1：選用118×78×30mm的鋁合金一件，刀徑Φ12 高速鋼端銑刀，S6000，F(xiàn)2000，切深1 mm，分2次切削，切削寬度6 mm。

實(shí)驗(yàn)2：選用100×100×30mm的Q235鋼件一件，刀徑Φ10mm，S1200，F(xiàn)300。

2)CAM軟件：Mastercam X9

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)主要是驗(yàn)證刀具路徑的圓角處理對加工時(shí)間及加工成效的影響。

實(shí)驗(yàn)1：圖6為平滑半徑為0mm(直角)和6mm的FANUC控制器刀路圖及其實(shí)際加工工件圖，模擬加工時(shí)間分別為112s和120s，實(shí)際加工時(shí)間分別為120s和131s，走圓角平均節(jié)約時(shí)間8%，實(shí)際加工中轉(zhuǎn)角處的震動明顯減緩。

圖6 FANUC控制器刀路圖與工件加工圖

實(shí)驗(yàn)2： 在11mm寬的窄槽的加工中， 采用Φ10mm的端銑刀加工槽，“刀具在轉(zhuǎn)角處走圓角”的設(shè)置方式如圖7(a)，設(shè)為“無”時(shí)即直角轉(zhuǎn)彎，導(dǎo)致刀具路徑在C處產(chǎn)生圖7(b)左圖所示跳刀，不能連續(xù)加工，造成圖7(c)左圖圓圈處的缺陷；而設(shè)為“所有”時(shí)，改用走圓角的方式，刀具順滑通過拐角(圖7 c右圖)。

圖7 同轉(zhuǎn)角方式的刀路比較

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，得出結(jié)論：

1) 高速切削功能的平滑半徑影響加工的時(shí)間，圓弧轉(zhuǎn)彎會縮短加工時(shí)間，是因?yàn)榈毒咴趫A弧轉(zhuǎn)彎時(shí)刀具路經(jīng)縮短(圖6)，其花費(fèi)的時(shí)間會比直角轉(zhuǎn)彎短。

2) 圓弧轉(zhuǎn)彎可以使得機(jī)床在轉(zhuǎn)彎時(shí)進(jìn)給率降低，實(shí)際加工中高速直角轉(zhuǎn)彎時(shí)可以明顯感受到機(jī)床的振動，而在圓角轉(zhuǎn)彎時(shí)機(jī)床的振動明顯減緩。

4 結(jié)語

通過CAM軟件高速銑削刀具路徑的平滑處理，控制切入/切出方式，避免厚切屑形成。以圓弧而不是直角改變刀路方向、不同區(qū)段間的刀路以平滑方式過渡等，使工作負(fù)荷和方向的快速變化減少，減輕了沖擊載荷、機(jī)床震動及對切削刃和切削過程的損壞，延長了刀具壽命，縮短了加工時(shí)間，緩解了由于機(jī)械慣性及切削阻力導(dǎo)致的轉(zhuǎn)角處較易過切或形狀失真的情況，提高了加工質(zhì)量。軟件模擬和實(shí)際銑削的測試結(jié)果表明刀具路徑的平滑處理提高了加工效率和品質(zhì)。文中的刀路平滑處理方法適用于所有CAM軟件及普通數(shù)控銑削。

[1] 張繼林，郭文靜，易湘斌. 基于高速銑削切削力分析的刀具路徑規(guī)劃研究[J]. 工具技術(shù)，2015(01):21-23.

[2] 陳銀清，鄭澤鈿. 基于MasterCAM 自由曲面加工刀具路徑優(yōu)化[J]. 現(xiàn)代制造工程，2014(05):46-51.

[3] J. Tlusty. High-Speed Machining[J]. Annals fo the CIRP, 1993(42)：733.

[4] MasterCAM X3數(shù)控編程基礎(chǔ)與工程范例[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2008.