型腔模具零件的MasterCAM高速铣削参数设置关键技术

袁永富，肖善华，周文超

(宜宾职业技术学院，四川宜宾 644003)

MasterCAM是现代制造业中最经济、最有效率的CAD/CAM软件，连续十一年销量在同类软件中名列第一。MasterCAM不但具有强大稳定的造型功能，可设计出复杂的曲线、曲面零件，而且提供了丰富的多轴加工模块和高速铣削加工模块。文中研究复杂曲面在MasterCAM X6软件中的高速铣削刀具路径，为高速铣削零件打下基础。

1 高速铣削机理及应用

1.1 高速铣削机制

德国物理学家Carl JSALOMOM最早提出了高速切削(High Speed Cutting)的理论:在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到临界切削速度之后，切削温度不但不会升高反而会降低，且该切削速度v与工件材料的种类有关。对于每一种工件材料都存在—个速度范围，在该速度范围内，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，切削加工不可能进行。如果越过这个速度范围，高速切削将成为可能，从而大幅度提高生产效率。高速铣削理论曲线见图1，不同材料高速铣削试验曲线见图2。一般认为高速铣削加工是指采用超硬材料的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度，来提高材料切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。

图1 高速铣削Salomom曲线

图2 不同材料高速铣削试验曲线

1.2 高速铣削应用领域

高速铣削具有高生产效率、减少切削力、提高加工精度和表面质量、降低生产成本、可加工淬硬材料等许多优点，已在汽车和摩托车制造业、模具业、轴承业、航空航天业、机床业、工程机械、石墨电极等行业中广泛应用。应用实践表明:产品质量明显提高，成本大幅度降低，获得了市场竞争优势，取得了重大的经济效益，对提高切削加工技术的水平、推动机械制造技术的进步也具有深远的意义。对于复杂型面模具，模具精加工费用往往占到模具总费用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工费用大大减少，从而可降低模具生产成本。见图3:传统的模具制造过程为:准备毛坯→精铣→半精铣→热处理→电火花加工→精铣→手工修磨;高速铣削模具的过程为:准备毛坯→高速粗铣削→高速半精铣削→高速精铣削→手工修磨。由以上两种模具加工对比图(图4)看出:高速铣削的工序较少，最后只需要少量的手工修磨，同时减少制造电极的时间，效率更高，单件模具的成本大大降低，能大大提高模具产品的市场占有率。

图3 传统模具加工过程和模具高速铣削加工过程

图4 模具加工对比图

2 MasterCAM X6高速铣削模块

2.1 MasterCAM X6高速铣削的特点

MasterCAM HSM能够保持切削刀具路径和进刀退刀时的平滑过渡，能够顺利得到平滑的、优化的高速加工刀具路径。这种高速加工方法大大提高了产品的表面质量、减少刀具的磨损。其优点表现在:(1)减少空刀切削造成的时间浪费;(2)平滑连续的无过切刀路;(3)刀柄刀杆碰撞保护;(4)显著减少大型复杂零件的刀路计算时间;(5)支持陡壁浅平面加工;(6)支持3+2轴加工;(7)残料粗精加工。

2.2 MasterCAM X6高速铣削模块分类

MasterCAM X6的高速曲面铣削模块十分丰富，对凹凸曲面包含14种加工方法，要正确生成高速切削加工轨迹，需要根据零件的特点，进行轨迹的优化和设置。针对模具曲面的高速粗加工方法主要有:中心除料粗加工、区域除料粗加工、残料除料粗加工、模型区域除料粗加工、模型残料除料粗加工，如图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、重叠区域精加工、放射状精加工、交线精加工、平等精加工、螺旋精加工、混合精加工，如图10—12所示。MasterCAM HSM对零件尖角部分通过刀具的平滑过渡来实现，从而保证了高效的进给率，减少了加工时间。另外，MasterCAM HSM还采用了备用余量的模式以避免空切，这种模式的余量可以通过前道工序算出，也可以通过参数进行设置，从而保证由粗到精加工的高效率。

图5 中心除料粗加工

图6 区域除料粗加工

图7 残料除料粗加工

图8 模型区域除料粗加工

图9 模型残料除料粗加工

图10 等高外形精加工

图11 重叠区域精加工

图12 放射状精加工

3 MasterCAM X6高速铣削编程关键参数及设置

3.1 MasterCAM X6高速铣削粗加工参数设置

完成图13所示的模具零件高速铣削粗加工参数设置，在MasterCAM X6软件中单击“刀具路径”→“曲面粗加工”→“粗加工挖槽加工”→单击所需的全部加工曲面后，弹出图14所示的选择曲面边界线的对话框，选择顶平面的边界线，在图15所示的刀具路径参数中设置:刀具直径φ10 mm的球头铣刀，主轴方向顺时针，主轴转速10 000 r/min，进给速度600 mm/min，下刀速度300 mm/min，提刀速度800 mm/min。单击如图16所示的粗加工参数，设置其安全高度为50 mm，下刀位置为增量5 mm，工件表面为绝对坐标0 mm，预留量0.3 mm，刀具位置为中心。单击如图17所示的挖槽参数选项，选择其切削方式为高速切削;单击“高速切削”按钮，设置高速粗加工切削参数的粗切步进量为可变的，两切削间的移位为相切的切线，两相切斜线的角度为90°。高速切削选项为整个区域，回旋半径和回旋间距都为5.0 mm。单击“确定”，生成高速铣削粗加工轨迹，见图18。

图13 模具型腔零件

图14 曲面加工边界线设置

图15 刀具路径参数

图16 曲面加工参数设置

图17 曲面挖槽高速铣削设置

图18 高速铣削粗加工轨迹

3.2 MasterCAM X6高速铣削精加工参数设置

在MasterCAM X6软件中单击“刀具路径”→“高速曲面加工”→“等高外形”，单击并选择所需的全部精加工曲面后，选择曲面边界线的对话框，选择顶平面的边界线，在图19所示的刀具路径参数中设置:刀具直径φ8 mm的球头铣刀，主轴方向顺时针，主轴转速12 000 r/min，进给速度400 mm/min，下刀速度200 mm/min，提刀速度600 mm/min。在其切削参数中设置:铣削方式为顺铣，深度分层切削厚度为1.0 mm，圆角最大半径为1.0 mm。单击如图19所示的过渡方式参数，选择其过渡方式为切线斜插，如图20所示。设置陡峭/浅平面参数，如图21所示。单击图19所示的共同参数选项，选择提刀高度为绝对坐标方式，安全高度为50 mm，并设置其引导方式，如图22所示。单击“确定”，生成高速铣削等高外形精加工轨迹，见图23。

图19 高速铣削等高外形参数

图20 曲面加工边界线设置

图21 陡峭/浅平面参数

图22 高速铣削等高外形参数

图23 高速铣削精加工轨迹

4 MasterCAM X6高速铣削模拟仿真实体切削

单击“操作管理器”中的材料参数设置，见图24，根据模具零件的结构特点，选择形状为矩形，显示选项中选择线架加工或实体，同时选中适度化，使模具零件在整个界面的正中央。编程原点设在工件的X和Y方向的中心，Z设在工件的上平面，在坐标点位置输入X值为0.0，输入Y值为0.0，输入Z值为0.0。单击“边界盒”，并选择“实体”，系统自动获取零件尺寸，完成全部设置如图24所示。设置高速铣削安全区域，见图25。

图24 高速铣削材料参数

图25 安全切削区域

选择高速铣削安全区域为矩形，其切削尺寸为305 mm×235 mm×125 mm，并勾选显示安全区域和安全区域屏幕适度化，保证铣削安全。所有设置完全后，进行模拟仿真，单击“验证已选择的操作”，选中“碰撞停止”和“换刀停止”选项，然后单击“验证”，系统自动开始加工，高速铣削实体验证结果如图26所示。

图26 实体模拟仿真结果

5 模具型腔零件的高速铣削机床选择

图27 高速铣削机床UCP600

高速铣削加工需要有高速铣削机床的支撑，选择瑞士米克朗公司生产的UCP600高速铣削机床进行加工，见图27，其控制系统为Heidenhain(海德汉)iTNC 530，坐标轴行程为:X轴600 mm，Y轴500 mm，Z轴500 mm，A轴－100°～+122°，C轴360°全回转。主轴最高转速42 000 r/min。进给最大速度(X、Y)为15 m/min，快速移动最大速度为22 m/min。将MasterCAM X6软件高速铣削生成的G代码传输至机床，完成相关设置后，加工出模具型腔零件。经检验，该零件的质量完全合格，高速铣削的参数设置比较合理。

6 结束语

研究高速铣削的机制，应用功能强大的Mastercam X6软件进行粗、精加工高速铣削刀具路径的规划和参数的设置，为复杂模具曲面零件的高速铣削提供技术支持。

［1］肖善华．基于MasterCAM X6旋钮五轴编程与加工研究［J］．制造技术与机床，2012(8):140－143．

［2］肖善华，唐书林，袁永富，等．MasterCAM五轴后置处理关键技术研究［J］．机床与液压，2012，40(8):67－71．

［3］肖善华，周文超，袁永富．基于MasterCAM四轴空间曲面最佳行距和残留高度加工参数研究［J］．机床与液压，2012，40(10):50－52．

［4］王卫兵．Mstercam数控加工实例教程［M］．北京:清华大学出版社，2006．

［5］杨胜群．VERICUT7．0数控加工仿真技术［M］．北京:清华大学出版社，2010．

［6］党新安，劳庆海．MasterCAM曲面加工参数的优化选择［J］．煤矿机械，2006，27(9):127－130．

［7］钟建琳，杨庆东．双摆头五轴联动数控加工步长的计算［J］．机床与液压，2011，39(7):35－37．

［8］张健，赵福令，杨连文，等．五轴数控加工后处理关键技术分析与实现［J］．机床与液压，2007，35(1):65－68．

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