基于MasterCAM 2D动态铣削技术提高槽板粗加工效率

孙进军 陈洪官

摘要：针对生产现场出现频次较高的小批量槽板零件封闭和半封闭型腔的粗加工，传统编程使用区域铣削方式，而动态铣削是一种新趋势的加工方法，但是在不同加工条件下，两种加工方法的粗加工效率截然不同。本文分析了MasterCAM软件的这两种方法在实际加工中应用，阐述了槽板动态铣削时的技巧。

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.

关键词：槽板2D动态加工;区域加工;型腔开粗;加工效率

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

中图分类号：TG659                                      文獻标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）20-0097-03

0  引言

Mastercam是美国CNC公司开发的一款功能较为强大的CAD/CAM软件，它提供了多种先进的高速铣粗加工技术，可以明显提高零件的加工效率。其中传统的区域铣削加工方式，其高效性，主要是以小吃刀，快速进给或利用大直径刀具相对强度好分层切削，结合在CAM合理的中设置刀距、边界、干涉面等手段来实现，这属于高性能切削的范畴（HPC）。高性能切削过程中的吃刀角度往往很大，这样会加快刀具和机床主轴的磨损。几年前，动态铣削（HDC）还是一种很少使用的加工工艺，但随着机床加工技术的不断升级，特别轻质或耐热材料的需求不断增长，这种高端加工方式在日常生产过程中开始经常被使用，而且有成为数控加工行业标准的趋势。另外，动态铣削刀路追求刀具高速铣削中受力稳定，包括受力方向无突变，确保加工过程稳定持续进行，对粗铣效果明显。本文通过对公司生产现场出现频次较高的小批量槽板零件加工，就其背面封闭和半封闭型腔粗切，来分析对比MasterCAM中区域铣削与动态铣削两种加工方法加工效率，同时介绍在实际加工中需解决的技巧。

1  动态铣削要素和零件任务来源

动态铣削工艺的基础是所使用的加工刀具、机床、CAD/CAM系统和工件材料加工性能。只有在这几大要素都处于最佳状态时，才能达到优化加工并提升材料去除率的目的。

随着国防、船舶制造等行业高速发展及大量铝合金等新材料的应用，如何实现零件加工“又快又好”成为很多数控行业每天面临的压力。我公司承接的加固计算机上的某型槽板零件（已简化）如图1所示，就有批量、材料去除量大，易变形等特点。为了提升效率，做了下述的实践比对和改进。

2  槽板零件的加工

2.1 槽板模型及工艺要素分析

本文阐述的槽板零件主体为框形，其背部有两层方腔（如图1），深度8.5mm的内腔为半封闭的，而11mm内腔为全封闭式，3A21H112铝合金板材下料成433mm×251mm×25mm后热处理去应力。由于零件外形规则，考虑批量粗铣两侧面后（该零件因考虑装配等要求，考虑防止变形，实际可能还需先对某些局部预加工至尺寸，此处不赘述），用精密虎钳单件装夹加工，夹紧时可用千分表压在坯料表面来控制力度。机床采用的是Fanuc 0i-MF系统凯博850加工中心，该设备具有操作简单和较好稳定性的特点。确定上述工艺要素后，根据实践优化后的两种开粗方法的切削用量如表1所示。

从表1中可以看出区域铣削方式粗加工方腔时多采用了一把刀具进行拐角残料的加工，在同样加工周期内，增加了刀具的投入成本。而动态加工则可以根据零件内拐角的大小选择合适的小直径粗加工刀具（带有不等距断屑槽刀具时，散热效果更好，加工参数还可以进一步优化）。

2.2 槽板两种粗加工编程方法效率比对

打开MasterCAM软件后，第一步，如图2，用鼠标点击对话框左上角的加工类型栏，在随后出现的切削方式选择区，依照相应的示意图片，分别点选区域切削和动态切削，然后加工槽板零件模型中的方腔;第二步，在制定串联选项中的加工域策略时需分两步分别选择开放、封闭，本零件形状简单，无需选择避让范围。其余选项默认;第三步，分别设置两种加工方式切削参数如表2所示（其他的共同参数等相同，此处未逐一列出）。

完成上述所有步骤后，点击确认键，Mastercam软件会计算出图3和图4所示刀具路径，在实体模拟加工时，软件可以添加相应的机床模型，以便于编程人员确认有无碰撞、超程等异常情况发生，避免浪费不必要的辅助时间。

另外经过实体模拟，可以较精确的计算出实际加工时间和刀具路径长度。表3清楚的显示了区域加工和动态铣削两种开粗方式，在对槽板半开放和封闭型腔加工时的效率信息。

从表3可以看出，当加工槽板零件深度为8.5mm半开放式型腔时，区域铣削加工时间增加了1.5倍，刀具路径总长度约为动态加工的0.9倍;而当加工深度为11mm全封闭型腔时，区域铣削的加工时间和刀具路径总长度的增加倍数≥1倍;另外从模拟的刀路看出区域铣削加工时抬刀次数明显多不少，每多抬刀一次，在安全高度设为200mm，参考高度设为10mm的时候，通过计算可以知道都增加了3.5s。比对两种开粗方式的效率数据，可以肯定，区域铣削和动态铣削都是实现零件高速加工的策略;只不过小切深情况下，区域加工可以利用XY方向步进量大特点，略有优势。但观察机床各轴的负载表数值变化，可印证前面叙述吃刀角大的概念了，至少在槽板零件粗加工中，采用动态铣削的方式还是较好的。

2.3 槽板零件加工表面光洁度

通过两种切削方式的加工试验，发现在开粗阶段，粗槽板背部方腔在侧壁都留有0.2mm余量，区域加工由于加工负载大，工件底面受挤压的力量稍大，接刀痕明显;动态加工受力相对均衡，但程序中加工转向频繁，且有不少的短小程序段及最小刀路半径的影响，导致工件XY方向表面类似“顿刀”痕明显。由于该槽板零件精加工都采用相同的Φ8刀具和切削参数，壁边预留量0mm。精加工完成后，两种铣削方式加工的表面光洁度无明显差别，经采用光洁度计检测的数值为Ra1.6符合图纸要求，其效果如图5所示。

2.4 槽板2D动态铣削加工中的关键技巧

经过反复试验改进，发现槽板在应用2D动态铣削技术加工时，除了要合理设置上述切削参数外，还要重点关注和掌握下面的一些技巧：

第一，步进量和最小刀具路径半径设定：步进量是指动态铣削时，刀具侧刃剥削层的宽度，即相当于区域铣削的刀间距（切宽Ae）。这两项参数虽然很普通，在加工中也必须设定，但合理的参数值，对动态切削的效率影响也是很大的。其中步进量根据经验值，模具钢和超硬钢一般为刀具直径的2%-5%，而2至3系列铝合金等易加工材料则可设为20%-35%。最小刀路半径，则要由当前刀具的直径、工件几何外形的最小容纳空间来决定，一般不小于R1，这样才能保证加工中在拐角附近具有优越的加速度、较短的计算和切换时间等“动态”特征。不然就需要替换更小直径刀具或将零件小拐角留下来进行残料的再加工。

第二，圆弧过滤/公差设定：这项参数是MasterCam软件中一个十分重要的高级选项。为了适应机床的插补原理，大多CAM软件都是采用拟合的方式来逼近实际的加工曲线。这样直接生成的加工程序就是由很多细小直线段组成，导致程序所占用的存储空间很大。而很多工厂的数控机床内存都是不多的，当不得不使RS232数据线、CF卡或U盘进行DNC加工时，就算机床传输的波特率设置到最大，在大进给速率或短小线段及加工变向时，机床很容易抖动，导致加工不稳定，甚至“丢步”。在本零件的加工中过滤比率设置成1：1，过滤误差和切削公差都设成0.013即可。由于只涉及2D动态，所以只需勾选创建XY平面圆弧项就行了（见图6，较高版本软件界面会有所不同）。一般可将切削公差和线/圆弧公差项设置成30%-35%，但仍要根据实际图纸的公差要求做相应的调整。

第三，机床拐角自动加减速设定：此项内容属机床自带功能，虽与CAM软件本身设置无关，但却要与软件编制的程序配套使用，其对加工效率的影响也极大。如果加工设备是真正的高速铣机床，则可以每次预处理较多程序段或支持Nurbs曲线插补，出现加工卡顿的几率会少点。但普通机床，由于动态铣削的程序多为小的圆弧或线段，如果机床加减速的G值大，每个程序段间频繁加减速，总体进给速度是远远达不到程序设定值的。本槽板零件加工使用的是Fanuc 0i-MF机床，通过按机床面板上System键进入参数页面后，搜索到1602#參数后依照机床说明书更改相应数值即可（见图7）。另外还要注意，自动加减速参数的修改不能光考虑进给速度，否则零件表面会出现“顿刀痕”，所以还要综合光洁度、刀具使用寿命等因素。

3  结论

在选择合理的2D动态铣削加工参数和技巧后，经过实际加工数据分析对比，基于MasterCAM 2D动态铣削技术，提升槽板粗加工效率的案例是成功的，同时减少了加工过程中刀具消耗。虽然加工深度较小时，动态铣削加工的刀路长度有所偏长，但整体效率仍然有所提高。在精加工阶段，区域铣削和动态铣削两种方法所使用的条件有不少等同处，最终工件表面质量差别不明显。

参考文献：

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