一种“由下而上”的型芯零件粗铣方法

王沿斌

（广州市技师学院，广东广州 510410）

1 传统“等高线”粗铣

型芯零件的一般都有拔模斜度、曲面等轮廓发生三维空间变化的构造元素，需要用CAM软件在数控机床上铣削。一般加工工艺可分为粗半、精铣、精铣等几个工序，其中粗铣去除的金属材料最多，耗时较长，刀具损耗大，是整个零件制造过程中的重要环节。目前三维轮廓零件的粗铣常用的CAM 编程方法是“等高线”法，即通过CAM 软件将零件需铣削部分按照Z轴方向上等份分层，“至上而下”的计算每层的刀具路径。

该零件及用UG软件传统粗铣刀路如图1所示。

图1 型芯零件及传统“等高线”粗铣刀路

该方法编程时首先要根据被切削材料性能及工艺系统条件，合理地设定每层的切削深度和切削宽度，通常切削深度ap大约在0.5~3mm，切削宽度ae大约在铣刀直径的40%~80%左右；其次，为提高加工效率，优先选用刚性好的大直径铣刀，以便获得相对较大的切削宽度ae和切削深度ap，并减少Z向分层层数和路径长度，以缩短加工时间。

某塑料模的型芯零件，材料为45 钢，硬度180~200HBS，传统粗铣编程工艺参数如下：

（1）直径φ16mm的硬质合金立铣刀，Vc=60m/min，ap=1mm，ae=10mm，Fz=0.2mm。

（2）直径φ8mm 的硬质合金立铣刀，Vc=60m/min，ap=0.5mm，ae=5mm，Fz=0.2mm。

“等高线”粗铣法是在实际加工中运用广泛，但也存在以下缺点：

（1）切削深度ap小（通常0.5~3mm），只利用了铣刀端面刀刃和一小段侧刃（见图2），而整把铣刀在更换或重磨时，绝大部分的侧刃还是新的，刀具性能利用率低。

图2 铣刀端面刃磨损而侧刃完好

（2）零件设计时常有一些小圆角，必须换小直径铣刀才能实现加工。造成粗铣时需要多把不同尺寸的刀具，增加工序步骤和刀具成本。

2 侧刃铣削及OpitCore粗铣

与传统铣削工艺相比，侧刃铣削的切削深度ap很大，切削宽度ae较小（见图3），切削时工作刃口主要是铣刀的侧刃，端面刀刃与侧刃的磨损基本一致，刀具利用率高，能充分发挥刀具的整体性能，配合合适的切削参数，能获得很高的材料去除率。此外，侧刃铣削的切削深度ap大，可以有效地减少分层次数，缩短加工时间，实现高效率的铣削。

图3 侧刃铣削对比

小直径铣刀进行侧刃铣削，还可以不更换刀具铣削小圆角部位，减少刀具规格，降低加工成本，但小直径刀具的结构强度较弱，在实际侧刃铣削时，必须严格控制铣削的切削宽度ae，保证刀路轨迹衔接圆滑，保持刀具在任何位置的切削载荷恒定，确保切削过程平稳，防止铣刀折断。

目前流行的CAM 软件中，专门用于侧刃编程的软件不多，Mastercam的Dynamic动态铣削算法较为先进，适合在二维侧刃铣削编程，不适用于具有斜度及曲面的三维铣削编程；而OpitCore 粗铣则可以很好的实现类似型芯零件的三维“等高线”侧刃铣削（见图4），充分利用铣刀侧刃，发挥铣刀的最大性能。

图4 OpitCore粗铣的整体刀具路径

MasterCAM 的OpitCore 粗铣不同于传统的“等高线”编程方法，是一种“由下而上”的侧刃铣削编程方法，可以快速简便的生成稳定的侧刃粗铣刀具轨迹，与“等高线”相比有以下特点：

（1）第一层切削不是在顶面，而是在刀具和工艺允许的Z方向最大深度处，直接去除了大部份材料，之后再向上做“等高线”分层切削时，每层需要切削范围明显减少，轨迹不重叠，如图5、图6所示。

图5 OpitCore第一次切削在最底层

图6 OpitCore分层顺序是“由下而上”

（2）切深大，有利于实现侧刃铣削，提高铣刀使用效率。

（3）空刀移动时铣刀是脱离工件表面的，可以避免与工件表面的摩擦损耗，延长刀具寿命。

（4）生成的路径与动态铣削相似，路径无剧烈转角变向，切削面积均匀，切削负荷稳定。

3 OpitCore粗铣编程简介

OpitCore 粗铣编程是Mastercam 的一种三维高速表面加工策略，与二维加工时的Dynamic 动态铣削编程不同，以本文的某塑料模的型芯零件的编程过程为例，简要说明OpitCore粗铣编程操作方法。

（1）确定合适的侧刃铣削工艺参数。

本文加工用的是直径D=8mm 的4 刃硬质合金立铣刀，侧刃全长40mm，实际选用切削深度ap=30mm；切削宽度ae参照以下经验公式：ae=D/ap（即：切宽=刀具直径/切深），ae=8/30=0.27mm，实际编程时取值ae=0.3mm。

查阅相关切削手册，普通硬质合金立铣刀铣削180HBS 的45 钢的切削速度Vc为50~90m/min，实际切削速度取值60m/min，每齿进给量取值0.25mm/z，计算出转速S=2,387转/min；进给量F=2,387mm/min。

（2）选择正确的加工范围及边界。

不同于Dynamic 的二维线框加工，OpitCore 粗铣的加工范围是曲面元素，同时还需要制定合适的加工边界。

图7 加工范围及边界

（3）设置“Cut Parameters”切削参数。

系统默认顺铣“climb”；切削宽度“Stepover”设为3.75%，即ae=0.3mm；向下深度“Stepdown”可以认为是侧刃铣削的最大深度，本文设为375%，即ap=30mm；向上厚度“Stepup”即由下而上等高分层厚度，本文设为25%，即向上2mm 分一层；空刀回退速度“Back federate=10000”；侧 壁 留 余量“Stock to leave on walls=0.3”和底部留余量“Stock to leave on floors=0.15”，其余采用软件默认值，如图8所示。

图8 “Cut Parameters”切削参数

（4）生成刀具轨迹并后处理。

完成上面设置后，点击确认，软件自动计算刀具轨迹。再使用MasterCAM 标准公制后处理器生成G代码，如图4所示。

4 仿真验证

笔者分别使用UG NX8.5进行型芯零件的传统粗铣编程和Mastercam X6 OptiCore 编程并分别后处理生成G代码，再通过VERCUT软件对两者进行了仿真校验，仿真结果显示如图9所示。

图9 两种粗铣程序的VERCUT仿真对比

图9中的上部分为传统粗铣仿真结果，下部分为OpitCore粗铣仿真结果，灰色曲线代表材料去除率，白色曲线代表切屑厚度。仿真结果显示，使用了2把不同直径铣刀的传统粗铣总运行时间为27.8min；只有1把铣刀的OptiCore粗铣运行时间为11.5min，相比传统粗铣节省58%的加工时间。

此外通过对比曲线图形，发现OpitCore 粗铣的图形变化均匀，曲线波动小，材料去除率明显要高，且随着“由下而上”铣削呈现平稳地线性递减，这也证实了OptiCore粗铣的轨迹稳定，加工效率更高。

5 实际加工验证

为了验证实际切削效果，本文用上述两段仿真程序分别进行了实际加工验证。选用的材料均为硬度170~200HBS 的普通45 钢；刀具为φ8mm 4 刃硬质合金立铣刀和φ16mm 4 刃硬质合金立铣刀；机床为国产GSK983M 系统的BT40 主轴立式数控铣床，外加乳化液冷却，确保两次验证的加工条件一致。

在工件坐标系和刀具长度补偿设置完后，直接运行G代码程序，加工时各项参数保持100%设定值，传统等高线粗铣完成时间为31min，OpitCore 粗铣完成时间为15.2min，与VERCUT预测时间接近。

切削过程中观察发现，虽然OpitCore 粗铣立铣刀切削深度达到了30mm，几乎全部切削刃都与工件接触，且进给速度也达到了2,387mm/min的较高速度，但整个铣削过程却非常平稳，刀具切入切出时无异常响声，铣刀产生的切屑全部为厚度均匀的细针状切屑。铣刀切完后检查刃口均保持完好，未发现明显磨损，整个工件表面光滑无毛刺。图10所示为“由下而上”铣削过程。

图10 “由下而上”铣削过程

6 结论

对于型芯类零件，“由下而上”的侧刃粗铣可以充分发挥铣刀的性能，降低刀具成本，缩短粗铣加工时间，提高铣削加工效率；MasterCAM的OpitCore粗铣为实现这一工艺提供了一种安全、可靠的编程方法。