隨著數(shù)控加工技術(shù)在模具產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，越來越多且復(fù)雜的型腔及槽體類零件出現(xiàn)在模具中。傳統(tǒng)的數(shù)控加工方式基本靠經(jīng)驗(yàn)，對(duì)快速選刀并未有太多的研究，這對(duì)提高數(shù)控加工的效率有著很大的影響。

    刀具直徑選擇的經(jīng)驗(yàn)性，不能體現(xiàn)“大刀允許大進(jìn)給”的原則，無法更高地提高工藝系統(tǒng)的剛度和效率。多次進(jìn)行首件的試加工比較得出最佳刀具直徑或者直接以經(jīng)驗(yàn)來判斷，都會(huì)浪費(fèi)寶貴的材料及機(jī)床資源。

    作者以Master CAM軟件為環(huán)境，從刀具直徑與螺旋半徑、螺旋間隙之間的關(guān)系著手進(jìn)行分析研究，并根據(jù)所給切削余量的設(shè)定，推導(dǎo)出粗加工時(shí)一次性選擇最大刀具的關(guān)系公式，能夠從根本上解決選擇最大刀具直徑的問題。

1 Master CAM軟件選刀分析

    Master CAM軟件中的下刀方式有3種，分別為垂直下刀、螺旋式下刀和斜插式下刀。

    (1)垂直下刀。使用鍵槽銑刀直接豎直下刀進(jìn)入材料表面進(jìn)行切削。雖然鍵槽銑刀端部刀刃通過銑刀中心，有垂直吃刀的能力，但由于鍵槽銑刀只有兩刃切削，加工時(shí)的平穩(wěn)性較差，因而表面粗糙度較低，且刀具壽命不高。

    這種方法對(duì)于無法自動(dòng)換刀功能的數(shù)控銑床來說，是一種很大的麻煩。只要中間需要多次換刀，就無法精確把握換刀過程中z軸方向的精度。

    (2)螺旋下刀。螺旋下刀是現(xiàn)代數(shù)控加工中應(yīng)用較為廣泛的下刀方式，特別是模具制造行業(yè)中應(yīng)用最為常見。刀片式合金模具銑刀可以進(jìn)行高速切削，和高速鋼多刃立銑刀一樣在垂直進(jìn)刀時(shí)沒有較大切深的能力，但可以通過螺旋式下刀的方式，通過刀片的側(cè)刃和底刃的切削，避開刀具中心無切削刃部分與工件的干涉，使刀具沿螺旋朝深度方向漸進(jìn)從而達(dá)到進(jìn)刀的目的。

    由于螺旋下刀易使螺旋處產(chǎn)生重疊的圓紋痕跡，導(dǎo)致表面不光潔，故螺旋下刀不宜用在精加工中。

    (3)斜插式下刀。刀具快速下至加工表面上方一個(gè)距離后，改為以一個(gè)與工件表面成一角度的方向，以斜線的方式切入工件來達(dá)到z向進(jìn)刀的目的。

    采用斜插式下刀時(shí)，刀具切削材料由薄到厚。若用來開粗，則加工循環(huán)的次數(shù)要多次增加，否則極易折損刀具。因此比較適合小切削量的精加工。

    由此可見，對(duì)于型腔的粗加工，螺旋下刀是一個(gè)非常不錯(cuò)的選擇。作者以此為基礎(chǔ)，研究粗加工螺旋下刀時(shí)快速選擇最大直徑立銑刀的問題。

2 Master CAM螺旋下刀參數(shù)功能

    圖1為Master CAM9.0中的下刀參數(shù)頁，其中主要的參數(shù)功能如表1。

    圖1 Maater CAM下刀參數(shù)界面

    表1 下刀功能參數(shù)

3 最小螺旋半徑與最大螺旋半徑

    高速鋼立銑刀不過中心刃，其中心有一工藝孔，孔的直徑一般為刀具直徑的35%，工藝孔的出現(xiàn)為作者提供了選擇最小螺旋半徑的依據(jù)；而刀具本身的直徑，為作者提供了選擇最大螺旋半徑的依據(jù)。因此，最小螺旋半徑和最大螺旋半徑的設(shè)置是關(guān)鍵。下面來分析最小和最大螺旋半徑各自的特點(diǎn)。

    圖2 最小螺旋半徑示意圖

    最小螺旋半徑。如圖2所示，當(dāng)螺旋半徑小于刀具直徑的35%時(shí)，執(zhí)行螺旋下刀的過程中，刀具中心孔內(nèi)的材料會(huì)被漏切。而且在加工中不斷地螺旋下降的同時(shí)，刀具中心孔側(cè)壁會(huì)不斷地受孔內(nèi)無法切除的材料的擠壓。在刀具高速旋轉(zhuǎn)且不斷下降的過程中，材料會(huì)對(duì)刀具施加完全相反的作用，由此產(chǎn)生頂?shù)逗痛罅康哪Σ痢?/span>

    頂?shù)逗蟮毒邿o法按程序要求下降，如果所用的夾頭是強(qiáng)力夾頭，那么刀具將會(huì)產(chǎn)生彈性形變甚至折斷；如果是普通夾頭，則刀具會(huì)沿z軸軸向滑動(dòng)，嚴(yán)重影響精度。如果無冷卻液或冷卻效果不好，刀具還會(huì)在大量摩擦熱的影響下，失去刀具應(yīng)有的強(qiáng)力特性，產(chǎn)生“燒刀”現(xiàn)象。這對(duì)機(jī)床的主軸或機(jī)床會(huì)造成相當(dāng)大的損傷，影響機(jī)床此次精度甚至影響機(jī)床的后續(xù)精度。

    故在加工過程中，刀具的最小螺旋半徑應(yīng)大于刀具直徑D的35%，從而避開工藝孔的影響。

    最大螺旋半徑。如圖3所示，當(dāng)最大螺旋半徑大于刀具直徑D的100%的時(shí)候，螺旋中心處涂色區(qū)域內(nèi)的材料將會(huì)被漏切，導(dǎo)致螺旋下刀已經(jīng)完成即z方向已經(jīng)到位的時(shí)候，螺旋中心仍然保留了一個(gè)圓臺(tái)。

    圖3 最大螺旋半徑示意圖

    如果圓臺(tái)較小，因不易受力，圓臺(tái)處的材料會(huì)被刀具擠斷，使得底部表面為斷裂口；如果圓臺(tái)較大，那么刀具可能會(huì)無法承受大量材料的強(qiáng)力切削，容易磨損或者迸掉刃口。

    所以最大螺旋半徑不能超過刀具直徑的100%。

4 快速選刀公式的推導(dǎo)

    由上述可知，螺旋下刀過程中，是否能夠安全地下刀，與最小螺旋半徑、最大螺旋半徑以及刀具直徑都存在著一定的關(guān)系，由此可以推導(dǎo)出它們之間存在的關(guān)系。

    設(shè)刀具直徑為D，型腔的最小寬度為L，零件精加工預(yù)留量為L₁（單邊量），粗加工邊界精修量為L₂（單邊量），螺旋下刀的xy方向預(yù)留間隙為L₃（單邊量）。

    現(xiàn)在以槽的中心為螺旋下刀的中心，以滿足一次螺旋為條件。在這個(gè)假設(shè)條件下，所選擇的刀具直徑應(yīng)該是最大數(shù)值。由最小螺旋半徑、刀具半徑、零件精加工預(yù)留量L₁、粗加工邊界精修量L₂、螺旋下刀的xy預(yù)留間隙L₃的關(guān)系可知，能夠滿足一次螺旋條件的關(guān)系應(yīng)為圖4所示。

    圖4 滿足一次螺旋的關(guān)系圖

    由此關(guān)系圖可以推出，恰好滿足一次螺旋過程的關(guān)系式應(yīng)該為：

    推導(dǎo)后得：

    由于最小螺旋半徑應(yīng)大于刀具直徑的35%，即

    可得：

5 基于Master CAM的快速選刀實(shí)例

    以Master CAM為平臺(tái)，列舉兩個(gè)實(shí)際采用螺旋下刀加工的例子如下。

    加工一個(gè)φ100mm的圓槽，確定L₁=0.2mm，L₂=0.1mm，L₃=0.1mm。由上節(jié)推導(dǎo)公式計(jì)算得：

    取刀具直徑為58mm，則通過模擬；若取刀具直徑為59mm，則出現(xiàn)警告模擬中斷?？芍毒咦畲笾睆綖棣?8mm。

    加工一個(gè)寬18mm、長30mm的矩形雙D頭槽，取L₁=0.3mm，L₂=0.05mm，L₃=0.05mm，由上節(jié)公式計(jì)算得：

    取刀具直徑為10mm，則通過模擬；若取刀具直徑為11mm，則出現(xiàn)警告模擬中斷?？芍毒咦畲笾睆綖棣?0mm。

6 試驗(yàn)結(jié)果

    在Master CAM軟件中，通用的選刀方法為比較選擇法，也就是經(jīng)驗(yàn)選擇。根據(jù)擬定好的工藝選擇直徑最大的銑刀，是提高加工效率的有效辦法，因?yàn)榇蟀霃降牡毒?，無論從剛性角度還是從切削量的角度來說，都是要優(yōu)先考慮的。

    試驗(yàn)人員總數(shù)為20人，全部來自高級(jí)數(shù)控銑工培訓(xùn)班，該班級(jí)已經(jīng)開設(shè)過Master CAM專業(yè)課，相對(duì)比較熟練，具體分為2組，每10人1組，地點(diǎn)為某校設(shè)計(jì)機(jī)房。

    試驗(yàn)內(nèi)容為該研究中的兩個(gè)實(shí)例，交叉進(jìn)行，第一步采用傳統(tǒng)選刀方式選刀，第二步為利用該選刀公式選刀。

    第一組為φ100mm的圓槽選刀，第二組為寬18mm、長30mm的矩形雙D頭槽選刀。結(jié)果比較如表2、3。

    表2 圓槽選刀對(duì)比結(jié)果

    表3 矩形槽選刀對(duì)比結(jié)果

    由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，作者得到的選刀公式D＜（L/2-L₁-L₂-L₃）×20/17對(duì)選刀的輔助作用是巨大的。利用該公式選刀和傳統(tǒng)選刀方式比較，在時(shí)間上最大可以減少96.20%，最少也可以減少50%，平均時(shí)間減少率達(dá)到了70%左右。如果型腔材料切削量大的話，因刀路更新時(shí)間長，所以提高的效率會(huì)更大。

7 小結(jié)

    以前某校實(shí)習(xí)工廠在用MasterCAM加工型腔及槽體類零件時(shí)，總是在選擇刀具直徑上面花不少時(shí)間，并且試加工次數(shù)較多，對(duì)刀具大小的選擇，基本靠經(jīng)驗(yàn)，無法精確計(jì)算批量生產(chǎn)的最小時(shí)間。

    通過理論與試驗(yàn)，作者所得出的在Master CAM中快速選大直徑刀具的依據(jù)公式D＜（L/2-L₁-L₂-L₃）×20/17，能夠解決快速迭擇大直徑刀具的問題，實(shí)現(xiàn)“大刀允許大進(jìn)給”。該成果已經(jīng)在某校實(shí)習(xí)工廠得到推廣。