基于Mastercam的数控铣加工编程技巧

摘 要：数控铣加工在模具制造行业的应用非常广泛，各种较复杂的平面轮廓和立体曲面的零件都采用数控铣床进行加工，为了提高工作效率和产品质量，降低生产成本，必须要采用合理的数控加工工艺及编程刀路。作者通过一充电器凸模的加工来进行数控加工工艺分析，以及寻求编程的好方法和技巧。

关键词：数控铣床；加工工艺；编程技巧；螺旋下刀

1 概述

现代的数控铣设备为精密复杂零件的加工提供了基本条件，但要让数控铣床发挥出它的优势，达到预期的加工效果，提高产品质量及加工效率，除正确合理的加工工艺之外，还跟高质量的数控编程有关，否则，机床的精度再高也无法保证产品要求的精度及生产效率的提高，无法提高产品的市场竞争力。

数控加工程序又称为NC程序，不仅包括零件的工艺过程，而且还包括加工方法、走刀路径、切削用量、下刀方式等工艺信息。对于简单的模具零件，通常采用手工编程的方法，对于复杂的模具零件，往往需要借助于CAM软件编制加工程序，如Mastercam、UG、Cimatron等等。无论是手工编程或计算机辅助编程，在编制加工程序时，选择合理的工艺参数及走刀方式，是编制高质量NC程序的前提。否则，将导致生产效率的降低，成本上升，零件不合格，甚至报废。

2 数控加工实例及出现的问题

本人长时间在学校从事数控加工的实训指导工作，其中有一实训任务是对充电器凸模曲面（见图1）在法兰克FANUC 0i-Mate数控铣床上，用Mastercam软件进行编程和加工，要求在三个小时内完成，并达到零件规定要求。检查中发现主要存在以下几个加工上的问题：一是粗加工方法选用不恰当，加工耗时；二是在粗加工中机床振动，异响，刀具磨损快；三是粗加工后零件各处的留余量不均匀，造成精加工时加工不稳定；四是加工完成后零件两边陡面有较明显的长条刀痕，影响外观。

3 解决方案

图1的充电器凸模曲面结构在实际的模具加工中经常会遇到，因此必须要掌握这种零件的实用加工方法和技巧。下面以应用最广泛的Mastercam软件为工具，来详细说明数控铣加工工艺及编程的方法和技巧。

3.1 零件工艺分析

3.1.1 零件概述

在模具加工中，实体或曲面模型文件一般由设计人员给出，交给下面的编程人员。充电器凸模四周凸，中间凹，经用CAM软件分析，有分型面，有成形曲面、圆角曲面、陡峭面，还有型芯曲面与分型面之间的交线等等。里面型腔最小的圆角半径为R2，分型面深度为19.178mm，要求表面粗糙度达到Ra3.2μm，毛坯材料为铝合金，六面已光整，尺寸为120mm×80mm×30mm。

3.1.2 加工难点

由零件的结构图可以看出，充电器凸模曲面内有一型腔，曲面连接处为R2圆角，决定了我们最后进行光刀时只能用不大于R2的球刀。型腔上宽下窄，用较大刀具进行一次开粗后在较深处必然会有较多的残料，决定了我们还要进行二次开粗，否则会造成后面光刀的吃力，质量不易控制。还有模型曲面既有浅面又有陡面，常规加工方法易造成两边陡面留下长条的刀痕。所以零件的加工难点是怎样又快又好地进行开粗，既要保证加工效率又要保护刀具寿命，以及怎样兼顾浅曲面和陡斜面的精加工，保证表面质量。

3.2 解决方案

3.2.1 粗加工工艺及编程技巧

问题的出现主要在粗加工阶段，常规方法采用外形轮廓及挖槽加工的方法进行开粗（见图2），由于空刀较多造成较耗时，并且留余量极不均匀（见图3），造成后面光刀的困难和不稳定。还有如果在深加工时刀具直接下刀会造成机床的振动和异响，所以造成刀具的较快磨损。

根据零件的结构，决定采用曲面加工中的挖槽粗加工方法进行开粗。为提高加工效率，采用直径为D16R0.8的圆鼻刀对毛坯进行挖槽开粗，考虑到刀具的切削负荷，每刀切削间距取10mm；采用分层切削，每层切削深度为1.5mm，设置主轴转速为1500r/min，进给速度为1000mm/min，留余量为0.4mm。由于挖槽时刀具直接在毛坯内下刀，应采用螺旋式下刀或斜线式下刀，避免直接踩刀（即垂直落刀）。在进行工艺参数的选择和输入时要特别注意以下几点：

（1）挖槽粗加工特别要注意切削深度的确定！切削深度用于控制加工深度方向的加工区域，有最高点坐标和最低点坐标（最低点坐标通常取分型面的Z坐标值），通常用绝对坐标值，不用相对坐标值，否则易造成过切。为避免第1层走空刀，最高点坐标常用负值，如-0.2～-0.3mm，不少人没留意这一点，认为最高点就是工件的顶面坐标Z0，但经后处理出现的NC程序会包含很多行空刀程序段，浪费了时间，降低了效率。本例的切削深度用绝对坐标，最高点坐标和最低点坐标分别是Z-0.3和Z-19.178。

（2）挖槽时应采用螺旋式落刀或斜线式下刀，下刀角度尽可能小点，铜料、铝料3～5°，钢料2～3°最好，这点很关键，刀具跟工件没有太大的冲击，加工起来较平稳，没什么大的噪音，对保护刀具和机床都有利。

（3）在螺旋下刀参数栏中，在if all entry attempts fail（假如执行螺旋下刀尝试失败时）选项中请选择skip（跳过）。学生实训时不少人都没注意这个，都用默认方式Plunge（垂直下刀），这带来一个问题，当刀具铣到工件底部或狭窄处不能螺旋下刀时，就会直插下来，这时我们就会听到机床发出尖锐的插刀声音，机床振动，容易磨损刀具，对机床也不好。因为平底刀中心没有刀刃，直接踩刀会损坏刀刃。同样是在螺旋下刀参数栏，一般选上follow boundary（沿边界），这个功能用的人不多，但作用却很大，它可以令刀具下到工件的深处，且环绕式下刀，而不是直插！

（4）用挖槽粗加工方式来加工分型面。不要认为挖槽只能用来开粗，我们只需要将切削深度的最高点和最低点坐标都设置为分型面的Z坐标值（Z-19.178），那么铣刀就只能在这个深度上切削，变成了平面铣削。这是挖槽粗加工方式的一个妙用！

（5）有的同学在一次开粗完成后就直接用球刀进行精加工，这是没有考虑到型腔底部还有较多余量，用CAM软件分析型腔底部大约还有6mm深的余量，若直接进行半精加工会加大刀具切削负荷，故应选择直径为D10mm或D8mm的平底刀进行二次开粗（残料）加工。考虑到刀具的切削负荷，每刀切削间距取6mm；采用分层切削，每层切削深度为0.8mm，设置主轴转速为2000r/min，进给速度为1000mm/min，留余量为0.4mm。

可以看出，毛坯经二次开粗之后，上次留下的大块残料被清除，总体余量趋向均匀，给后面的精加工打下了基础。

3.2.2 精加工工艺及编程技巧

粗加工完成后进行精加工，常规方法是采用平行铣削加工方式对曲面部分进行光刀。这种方法没错，但不少人在加工角度的选择上出现问题，如果走0°或90°都会造成两边陡面有较明显的长条刀痕，影响外观。如图4所示。

还有如果两次平行加工的角度一样，容易造成上一次加工的切削纹理不能被精加工的走刀消除，从而留下影响外观的切削痕迹。

要解决这个问题，根据零件结构特点，应该采用平行铣削分别在45°和-45°方向半精加工和精加工，使X、Y方向同时加工，较大程度上避免了陡峭面出现长条刀痕的情况。

对于该模型曲面平行加工开头和结束的小范围曲面（-45°对角面）出现的弧状切削痕迹，影响了产品外观。这是Mastercam软件曲面加工功能的一个小缺陷，不少人对这点束手无策，其实我们还可以再次利用平行加工方式，选中需要加工的切入或收刀位置的小曲面，然后画出一个限制加工范围的小四方框，设置走刀角度为45°，即跟上次错开90°，其它加工参数跟上次平行铣削精加工一样，生成的刀路见图5所示。这种方法适合消除陡斜面的进刀和收刀刀痕。

最后，对于充电器凸模曲面最下面部分的带拔模斜度的陡峭直面，采用等高外形精加工方式，用分析命令测量直面最高点的Z坐标是Z-11.52，最低点当然是分型面的Z坐标Z-19.178，在切削深度一栏中输入该绝对坐标值。记住，是绝对坐标，不是相对坐标！用平底刀，设置切削层距为0.1mm，可得到较光滑的表面质量。因为是直面，切忌用球刀，否则加工不到分型面，会留下残料。

4 采用新方法后的加工效果

充电器凸模曲面经以上新编程方法进行加工，一次装夹，可以全部完成所有的加工，可以做到各曲面部分的表面较光滑，圆角铣削到位，对角陡斜面的进刀和收刀位置的弧状刀痕被清除，曲面与分型面之间的交线也被清除掉，见图6所示。加工效率较高，保证了质量。如果采用可以自动换刀的加工中心进行加工，效率会更高。

5 结束语

实际上，不同的CAM加工软件，其加工方法会有所不同，生成的刀路会有区别，但总体思路基本上是一致的，我们要学会从不同的软件中分析比较，举一反三，取长补短，才能不断提高自己的编程技巧水平，编制出合理优化美观的加工刀路。同时又要清楚地认识到，数控编程不是一个孤立的过程，CAM软件只是一个工具，它跟机械制造工艺、刀具、数控机床、数控加工等知识是有机结合在一起的，只有不断学习相关知识，不断总结实际经验，才能真正提高自己的编程水平。

现在社会已进入工业4.0时代，中国的制造业正向着技术创新、产品创新、模式创新的方向发展，工业制造的产品已经高度灵活、个性化和智能化，所有有志于从事数控加工方面的技术人员都应该不断更新自己的知识，紧跟时代的步伐，不断学习和吸收新的知识和新的工艺，为提高企业、行业乃至整个国家的核心竞争力贡献出自己应有的力量。

参考文献

[1]周志强，张晓红.模具数控加工技术[M].高等教育出版社，2002.

[2]胡素云，孙中柏.Mastercam X2中文版数控加工实例精解[M].机械工业出版社，2008.

[3]付晋.数控铣床加工工艺与编程[M].机械工业出版社，2009.

[4]徐宏海.数控加工工艺[M].化学工业出版社，2008.

[5]王睿鹏.数控机床编程与操作[M].机械工业出版社，2009.

作者简介：袁智权，男，学历本科，现在茂名职业技术学院机电系任机械专任教师。