作者：鄭州大學劉保臣逯曉勤**：《cad/cam與製造業資訊化》
眾所周知，在借助cam軟體進行數控程式設計的過程中，工藝引數的選擇十分重要，它不僅對被加工零件的質量影響巨大，甚至可以決定著工具機功效的發揮和安全生產的順利進行。本文作者針對模具零件的特點，分析了模具零件數控銑削加工程式設計中工藝引數的選擇對加工質量的影響，並結合實際介紹了模具數控加工中cam程式設計時工藝引數的設定方法和原則。
一、引言
數控加工技術已廣泛應用於模具製造業，如數控銑削、鏜削、車削、線切割、電火花加工等，其中數控銑削是複雜模具零件的主要加工方法。數控裝置為精密複雜零件的加工提供了基本條件，但要達到預期的加工效果，編制高質量的數控程式是必不可少的，這是因為數控加工程式不僅包括零件的工藝過程，而且還包括刀具的形狀和尺寸、切削用量、走刀路徑等工藝資訊。對於簡單的模具零件，通常採用手工程式設計的方法，對於複雜的模具零件，往往需要借助於cam軟體編制加工程式，如pro/engineer、ug、cimatron、mastercam等。
無論是手工程式設計或計算機輔助程式設計，在編制加工程式時，選擇合理的工藝引數，是編制高質量加工程式的前提。
二、刀具的選擇
在模具型腔數控銑削加工中，刀具的選擇直接影響著模具零件的加工質量、加工效率和加工成本，因此正確選擇刀具有著十分重要的意義。在模具銑削加工中，常用的刀具有平端立銑刀、圓角立銑刀、球頭刀和錐度銑刀等，如圖1所示。
圖1刀具定義
在模具型腔加工時刀具的選擇應遵循以下原則：
1.根據被加工型面形狀選擇刀具型別
對於凹形表面，在半精加工和精加工時，應選擇球頭刀，以得到好的表面質量，但在粗加工時宜選擇平端立銑刀或圓角立銑刀，這是因為球頭刀切削條件較差；對凸形表面，粗加工時一般選擇平端立銑刀或圓角立銑刀，但在精加工時宜選擇圓角立銑刀，這是因為圓角銑刀的幾何條件比平端立銑刀好；對帶脫模斜度的側面，宜選用錐度銑刀，雖然採用平端立銑刀通過插值也可以加工斜面，但會使加工路徑變長而影響加工效率，同時會加大刀具的磨損而影響加工的精度。
2.根據從大到小的原則選擇刀具
模具型腔一般包含有多個型別的曲面，因此在加工時一般不能選擇一把刀具完成整個零件的加工。
無論是粗加工還是精加工，應盡可能選擇大直徑的刀具，因為刀具直徑越小，加工路徑越長，造成加工效率降低，同時刀具的磨損會造成加工質量的明顯差異。
3.根據型麵曲率的大小選擇刀具
在精加工時，所用最小刀具的半徑應小於或等於被加工零件上的內輪廓圓角半徑，尤其是在拐角加工時，應選用半徑小於拐角處圓角半徑的刀具並以圓弧插補的方式進行加工，這樣可以避免採用直線插補而出現過切現象；在粗加工時，考慮到盡可能採用大直徑刀具的原則，一般選擇的刀具半徑較大，這時需要考慮的是粗加工後所留餘量是否會給半精加工或精加工刀具造成過大的切削負荷，因為較大直徑的刀具在零件輪廓拐角處會留下更多的餘量，這往往是精加工過程**現切削力的急劇變化而使刀具損壞或栽刀的直接原因。
4.粗加工時盡可能選擇圓角銑刀
一方面圓角銑刀在切削中可以在刀刃與工件接觸的0~90°範圍內給出比較連續的切削力變化，這不僅對加工質量有利，而且會使刀具壽命大大延長；另一方面，在粗加工時選用圓角銑刀，與球頭刀相比具有良好的切削條件，與平端立銑刀相比可以留下較為均勻的精加工餘量，如圖2所示，這對後續加工是十分有利的。
圖2圓角銑刀與平端銑刀粗加工後餘量比較
三、走刀方式和切削方式的確定
走刀方式是指加工過程中刀具軌跡的分布形式。切削方式是指加工時刀具相對工件的運動方式。在數控加工中，切削方式和走刀方式的選擇直接影響著模具零件的加工質量和加工效率。
其選擇原則是根據被加工零件表面的幾何特徵，在保證加工精度的前提下，使切削時間盡可能短，切削過程中刀具受力平穩。
1.走刀方式
在模具加工中，常用的走刀方式包括單向走刀、往復走刀和環切走刀三種形式，如圖3所示。其中，圖3a為單向走刀方式，在加工中切削方式保持不變，這樣可以保證順銑或逆銑的一致性，但由於增加了提刀和空走刀，切削效率較低。粗加工中，由於切削量較大，一般選用單向走刀，以保證刀具受力均勻和切削過程的穩定性。
圖3b是往復走刀方式，在加工過程中不提刀進行連續切削，加工效率較高，但逆銑和順銑交替進行，加工質量較差。一般在粗加工時由於切削量大不宜採用往復走刀，而在半精加工和表面質量要求不高的精加工時可選用往復走刀。圖3c是環切走刀方式，其刀具路徑由一組封閉的環形曲線組成，加工過程中不提刀，採用順銑或逆銑切削方式，是型腔加工常用的一種走刀方式。
圖3走刀方式
2.銑削方式
銑削方式的選擇直接影響到加工表面質量、刀具耐用度和加工過程的平穩性。在採用圓周銑削時，根據加工餘量的大小和表面質量的要求，要合理選用順銑和逆銑，一般地，粗加工過程中餘量較大，應選用逆銑加工方式，以減小工具機的震動；精加工時，為達到精度和表面粗糙度的要求，應選擇順銑加工方式。在採用端麵銑削時，應根據所加工材料的不同，選用不同的銑削方式，一般地，在加工高硬度的材料時應選用對稱銑削；在加工普通碳鋼和高強度低合金鋼時，應選用不對稱逆銑，可以延長刀具的使用壽命，得到較好的工件表面質量；在加工高塑形材料時應選用不對稱順銑，以提高刀具的耐用度。
四、刀具的切入與切出
在模具型腔數控銑削中，由於模具型腔的複雜性，往往需要多次更換不同的刀具才能完成對模具零件的加工。在粗加工時，每次加工後殘留餘量形成的幾何形狀是在變化的，在下次進刀時如果切入方式選擇不當，很容易造成栽刀事故。在精加工時，切入和切出時切削條件的變化往往會造成加工表面質量的差異。
因此，合理選擇刀具切入、切出方式具有非常重要的意義。一般的cam軟體提供的切入切出方式有刀具垂直切入切出工件(plunge)、刀具以斜線切入工件(ramp)、刀具以螺旋軌跡下降切入工件(spiral)、刀具通過預加工工藝孔切入工件(entry hole)以及圓弧切入切出工件(arc_tangent)。
其中刀具垂直切入切出工件是最簡單、最常用的方式，適用於可以從工件外部切入的凸模類工件的粗加工和精加工以及模具型腔側壁的精加工；刀具以斜線或螺旋線切入工件常用於較軟材料的粗加工；通過預加工工藝孔切入工件是凹模粗加工常用的下刀方式；圓弧切入切出工件由於可以消除接刀痕而常用於曲面的精加工。需要說明的是在粗加工型腔時，如果採用單向走刀(zig)方式，一般cad/cam系統提供的切入方式是乙個加工操作開始時的切入方式，並不定義在加工過程中每次的切入方式，這個問題有時是造成刀具或工件損壞的主要原因，解決這一問題的一種方法是採用環切走刀方式或雙向走刀方式，另一種方法是減小加工的步距(step-over)，使背吃刀量小於銑刀半徑。
五、切削引數的控制
切削引數的選擇對加工質量、加工效率以及刀具耐用度有著直接的影響。在cam軟體中與切削相關的引數主要有主軸轉速(spindlespeed)、進給速率(cut feed)、刀具切入時的進給速率(lead in feed rate)、步距寬度（step-over）和切削深度（stepdepth）等。
1.主軸轉速
主軸轉速一般根據切削速度來計算，其計算公式為：n =1 0 0 0 v c /πd，式中d為刀具直徑（mm），vc為切削速度(m/min)。切削速度的選擇與刀具的耐用度密切相關，當工件材料、刀具材料和結構確定後，切削速度就成為影響刀具耐用度的最主要因素，過低或過高的切削速度都會使刀具耐用度急劇下降。
在模具加工，尤其是模具的精加工時，應盡量避免中途換刀，以得到較高的加工質量，因此應結合刀具耐用度認真選擇切削速度。
2.進給速度與刀具切入進給速度
進給速度的選擇直接影響著模具零件的加工精度和表面粗糙度，其計算公式為f=nzf，式中n為主軸轉速（r/min），z為銑刀齒數，f為每齒進給量(mm/齒)。每齒進給量的選取取決於工件材料的力學效能、刀具材料和銑刀結構。工件的硬度和強度越高，每齒進給量越小；硬質合金銑刀比同類高速鋼銑刀每齒進給量要高；當加工精度和表面粗糙度要求較高時，應選擇較低的進給量；刀具切入進給速度應小於切削進給速度。
3.吃刀量
吃刀量的大小主要受工具機、工件和刀具剛度的限制，其選擇原則是在滿足工藝要求和工藝系統剛度許可的條件下，選用盡可能大的吃刀量，以提高加工效率。為保證加工精度和表面粗糙度，應留0.2~0.
5mm的精加工餘量。在粗加工時，餘量的切除往往採用層切的方法，在cam程式設計時，需要設定每層切削深度和最大步距寬度，而實際步距往往與工件形狀有關。
在精加工時，吃刀量的選擇與表面粗糙度有關，cam軟體中通常提供有兩種引數控制表面粗糙度：步距寬度（stepover）和殘留高度(scallop)。採用步距寬度控制表面粗糙度時，步距寬度越小，表面粗糙度越小，但加工路徑和加工時間會大大延長，因此步距寬度不宜設定得太小，在實踐中可以通過改變半精加工和精加工走刀路徑的方法（二者成正交關係）改善表面質量；採用殘留高度控制表面粗糙度時，步距寬度會依據工件形狀自動調整。
六、其他引數
在模具數控加工程式設計中，除以上引數的設定外，還有諸如工件座標系（work coordinate）、刀具快速運動平面（rapidplane）、加工安全平面（clearance plane）、加工餘量引數（allowance）以及後置處理引數等的設定。工件座標系的設定一般應與工件的工藝基準相重合；刀具快速運動平面和加工安全平面的選擇應結合工件形狀和夾具結構，在保證安全的情況下，盡量減小空刀行程；加工餘量的選擇不宜過小或過大，過小容易造成粗加工時的過切，過大則會影響精加工質量；後置處理引數應結合數控工具機控制系統的特點來設定。總之，模具零件數控程式設計具有很大的靈活性，只有正確理解以上工藝引數，在實踐中不斷進行總結，才能編制出高質量的加工程式，加工出高質量的模具零件。
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