PowerMILL高速铣削加工技术在模具制造中的应用

　　１ 引言

　　随着塑料工业的快速发展，塑料模具行业取得长足进步，当前塑料模具正朝着大型化、复杂化、精密化和多腔化发展。这就对模具的设计者和加工者提出了更高的要求。PowerMILL 是英国DELCAM PLC公司开发的专业化高速铣削加工软件，适用于具有复杂形体的产品、零件及模具的设计制造,广泛地应用于航空航天、汽车、船舶、内燃机、家用电器、轻工产品等行业,特别对塑料模、压铸模、橡胶模、锻模、大型覆盖件冲压模、玻璃模具等设计与制造具有明显的优势. 其智能化过切保护、刀具过载保护、丰富的高速加工细节处理、刀杆与刀柄碰撞检查、优化的计算方法等优点，成就了其作为基于知识的数控编程软件行业中的领先地位；其专业化及独有的高速加工策略成为高速铣削数控编程的首选。为了缩短模具设计制造周期,提高加工精度,采用了基于PowerMILL的模具高速加工技术.结果表明,通过优化刀具路径,能适应模具高速加工要求,具有较好的应用价值。

　　数控高速铣削加工技术已广泛地应用于模具制造行业之中。高速切削的基本出发点是利用高速低负荷状态更快地切除材料。高速切削的最大特点是主轴转速及进给速度都很高，高速切削可使大部分的切削热通过切屑带走，以减少零件的热变形；低负荷切削意味着可通过减小切削深度而减轻切削力，从而减少切削过程中的振动和变形。

　　同传统铣削相比，高速铣削工艺有其特殊性，除了要有高速切削机床和高速切削刀具之外，具有与之相匹配的加工编程软件也是至关重要的；在选择了刀具和加工参数后，加工方法的选择和相应的刀轨规划就成了关键。

　　对高速铣削刀轨的主要要求是：①刀具不能与零件产生碰撞；②避免材料切除率的突然变化；③切削方式（ 顺铣或逆铣） 应保持恒定；④应避免切削方向的突然变化；⑤尽量减少刀具的空程移动。

　　２ PowerMILL 高速加工策略

　　（１）粗加工策略。

　　粗加工的主要目标是追求单位时间内的材料去除率，并为半精加工准备工件的几何轮廓。PowerMILL的粗加工采用区域清除方式，其下切或行间过渡部分应该采用斜式下刀或圆弧下刀，并且尽量采取顺铣的加工方式，刀具路径的尖角处要采用圆角的光顺处理，这样才可能地保持刀具负荷的稳定，减少任何切削方向的突然变化，从而符合高速加工的需求。同时在 PowerMILL 的粗加工中应采用以下加工策略：①尽量使用偏置加工策略而不是使用传统的平行加工策略。在可能的情况下，都应从工件的中心开始向外加工，以尽量减少全刀宽切削；②赛车线加工（Race Line Machining）是Delcam推出的专利高速加工方式，它模拟了赛车的原理，最大化地消除了刀具路径中的尖锐拐角，刀具保持了恒定刀具负荷和排屑率，使得刀具负荷更加稳定，改善加工质量；③摆线粗加工是Delcam推出的另外一种高速加工方式。在刀具过载的区域，采用摆线加工，可显著提高加工效率，延长刀具寿命，减少对机床的冲击。

　　（２）半精加工策略。

　　半精加工的主要目标是使工件轮廓形状平整，表面精加工余量均匀。PowerMILL 是基于知识的专业加工软件，它的残留粗加工能自动识别上一道工序的残留区域和拐角区域，自动判别在上一道工序留有的台阶的层间进行切削，系统智能地优化刀具路径，使用户能够获得空走刀最少的优化的刀具路径。

　　（３）精加工策略。

　　精加工的主要目标是获得几何尺寸、形状精度及表面质量的工件。PowerMILL 的精加工的连接处应尽量采用圆弧或螺旋等方式切入切出工件，要尽量减少抬刀次数和减少刀具路径频繁方向的变化。同时在PowerMILL 的精加工应尽量采用以下加工策略：①优化平行加工，在刀具路径的尖角处采用圆角的光顺处理，可显著提高加工效率，延长刀具的寿命，减少对机床的冲击；②螺旋3D偏置加工，避免了平行加工策略和偏置加工策略中出现的频繁方向的突然改变，从而提高加工速度，减少刀具磨损；③最佳等高加工，PowerMILL 系统会自动利用区域分析算法对陡峭和平坦区域分别处理，计算适合等高及适合使用类似3D偏置的区域，并且同时可以使用螺旋方式，在很少抬刀的情况下生成优化的刀具路径，获得更好的表面质量；④等粗糙度等高加工，按照残留量，自动计算等高刀具路径的下切步距，可显著提高加工效率和曲面加工质量。

　　（４）清根加工策略。

　　PowerMILL和其它的CAM软件的刀路轨迹基本一致，但是PowerMILL在抬刀、入刀、以及跨越方面提供了较为丰富的选项，PowerMILL通过提前在“刀具切入切出和连接表格中”设置参数，可将刀轨之间的连接分为短连接、长连接、以及安全高度三种方式，其中短连接中可以选择“在曲面上、掠过、相对、安全高度”等七种跨越方式，长连接和安全高度也分别提供了“安全高度、相对、掠过”三种跨越方式，而且PowerMILL自动将所有的退刀和跨越都设置成快速移动，这样提高了加工效率，节省了加工时间，在入刀方面也可以设置最小安全平面，在刀具到达最小安全平面前，刀具都以快速移动方式移动，特别值得注意的是，PowerMILL的抬刀、入刀以及跨越方面的设置不仅仅对清根有效，他对PowerMILL提供的一切加工功能都起作用，大大方便了我们在抬刀、入刀以及跨越方面的使用。PowerMILL 的清根方法有笔式、缝合、沿着、自动、残余量清根等，可达到十多种，安全性好，考虑周到。

　　３ 编程实例

　　（１）载入模型。

　　PowerMILL 能够自身或借助于PS-Exchange（图形格式转换）读入多达14种以上的常见数控软件的图形文件，打开“文件—输入”模型，载入图1所示图形。

图1  工件模型

　　（２）参数设置。

　　ａ．毛坯大小的设定。

　　在 PowerMILL 中，毛坯扩展值的设定很重要。如果该值设得过大将增大程序的计算量，大大增加编程的时间，如果设得过小，程序将以毛坯的大小为极限进行计算，这样很有可能有的型面加工不到位，所以，毛坯扩展的设定一般要稍大于加工刀具的半径，同时还要考虑它的加工余量。

　　ｂ．坐标系的设定。

　　建立加工坐标系有以下原则：一般情况下应与工作坐标系一致；坐标原点要定在有利于测量和快速准确对刀的位置；根据机床坐标系和零件在机床上的位置确定加工坐标轴的方向。根据以上原则，通过PowerMILL 用户坐标系功能将工作坐标系与加工坐标系重合，坐标原点定在工件X-Y平面的分中处,Z方向可根据情况设置在工件的最高处或最低处。

　　ｃ．进给率的设定。

　　进给率的设定较为方便，可根据加工情况而定。

　　ｄ．快进高度的设定。

　　快进高度包括两项：安全高度和开始高度。安全高度的设置，一般按 PowerMILL 按安全高度重设自动生成。相对高度设置为掠过。

　　ｅ．开始点与结束点的设定。

　　选择“按毛坯中心安全高度”设置开始点及结束点。

　　ｆ．切入切出和连接方式的设定。

　　高速加工时切入切出采用圆弧或螺旋等方式连接。

　　ｇ．刀具的设定。

　　刀具的设定可根据加工情况进行，在设定刀具时，最好将刀具名称设为与刀具大小相同，这样的命名方式有利于编程时对刀具的选用和检查。本例选取了4把刀(D10、D6R2、D4R2、D4)，图2所示为进行了相关设置的模型图。

图2  根据工件的大小设置合适的毛坯尺寸

　　（３）加工策略。

　　根据加工要求，本例采用粗加工→半精加工→精加工→清角加工的加工顺序。

　　ａ．粗加工策略。

　　粗加工选用偏置区域清除加工方式，将毛坯的大部分余量去除掉，然后再进行半精加工。

　　图３所示为采用φ10mm 的平刀，偏置区域清除之赛车线加工得到的刀轨。

图3 毛坯粗加工

图4 粗加工刀具轨迹图

　　ｂ．半精加工策略。

　　半精加工采用偏置区域清除之残留加工方式，选用φ6R3mm的圆刀，将粗加工余量均匀化，以便进行精加工操作。

　　ｃ．精加工。

　　在精加工中，除非模具型面高度变化比较大，否则最好选择平行加工。因为平行加工不但计算速度快，而且刀具路径光顺，加工出的模具型面质量好。但平行方式会在局部型面产生步距不均的现象。对模具型面高度变化比较大的，加工策略选用最佳等高、三维偏置等策略。图5示为采用φ4R2mm的球刀，最佳等高加工方式得到的刀轨。

图5 二次开粗加工轨迹图

　　ｄ．清角加工。

　　清角加工也称为局部精加工。清角加工采用多次加工或系列刀具从大到小的加工策略。图5所示为采用φ4mm的平刀，自动清角加工方式得到的刀轨。 通过 PowerMILL 的仿真功能，得到的加工效果如图6所示。

　　e.检查工件,编辑程序。

　　如:这是二次开粗用的一段程序：
 %
:0002
N10G91G28X0Y0Z0

N20G40G17G80G49

N30G0G90Z15.
N40T3M6
N50G54G90
……
N440X45.839Y44.761S1500M3
N450G43Z10.H3M8
N460G1Z-.099F500
N470X45.937Y44.779F1000
N480X47.132Y44.767
N490X48.327Y44.729
N500X48.363Y44.743
N510X48.379Y44.779
N520Y45.442
N530X49.299Y46.325
N540X50.Y46.81
N550X50.751Y46.325
N560X51.543Y45.442
N570Y44.558
N580X50.751Y43.675
N590X50.Y43.296
……
N3350X11.874Y23.23
N3360G0Z15.
N3370M9
N3380G91G28Z0
N3390G49H0
N3400G28X0Y0
N3410M30

　　４ 结束语

　　PowerMILL是Delcam开发的一个独立运行的高速CAM系统。它可由输入的模型快速产生无过切的刀具路径。通过以上实例，较为详细地说明了PowerMILL在高速铣削加工中的应用。

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