基于MasterCAM加工三角开关凸模的刀路分析

关键词：MasterCAM刀具路径 加工质量

前 言：使用CAM软件编程，走刀路径是否合理直接影响加工质量。MasterCAM的曲面精加工刀具路径难以同时保证平坦面与陡峭面的加工质量，加之加工中心加工不宜使用过小的刀具，那么对于刀具难以加工到的地方和既含有平坦面又含有陡峭面的零件，应如何编制刀具路径以达到加工质量的要求呢？

MasterCAM是一种应用广泛的CAD/CAM软件，由美国CNC 　　Software公司开发，该软件操作简便实用。

MasterCAM8.0提供了多种粗加工技术和丰富的曲面精加工功能。精加工走刀形式直接影响加工出来的表面质量，要达到图纸要求的尺寸精度和表面精度，需在编制刀具路径时针对曲面特点合理选择走刀方式。对于同一个零件，可能在不同的部位需要不同的走刀方式，对于零件两个面之间的衔接部分，还需要用专门的清根刀路。此外，还要合理选择刀具，优化走刀路径，减少提刀、空刀及不必要的重覆路径，在改善加工质量的同时使加工效率有所提高。

一、曲面特点及技术要求

（一）曲面特点：三角开关是一个比较典型的零件，曲面的外形尺寸50x60x15.6mm。图形的上部分曲面比较平坦，在MasterCAM中称之为浅平面，这种曲面适合选择平行刀路。下部分曲面陡峭，在 MasterCAM中称之为陡斜面，这种曲面适合选择等高刀路。曲面与曲面之间是R2mm的圆角过渡。此处圆角半径为R0.4mm ，高度是1.15mm。

（二）加工三角开关凸模的技术要求：

1、所有表面粗糙度要求Ra3.2 ；
　　2、工件表面无缺陷，圆角部位无残料；
　　3、曲面与分模面之间要求清根。

二、加工三角开关凸模工艺分析

1、材料：45#钢，这种钢具有较高的强度和较好的切削加工性，经调质以后可获得良好的综合力学性能，是塑料模具中应用最广泛的钢种之一。毛坯尺寸：70x80x30mm。
　　2、刀具材料：根据加工材料，选择YT15的硬质合金刀具。
　　3、设备：加工中心，型号：VMC800
　　4、工艺分析及刀具选择：

三角开关凸模加工整体思路是先粗加工、再半精加工、精加工，最后清角加工，具体分析如下：

（1）粗加工 粗加工是为提高生产效率，迅速去除多余材料，曲面与分模面一起开粗，刀具要求有足够的强度，因此尽量选择一把比较大的刀具，根据工件材料、曲面外形尺寸50x60x15.6mm及毛坯尺寸选择圆角半径R1mm直径10mm的圆鼻刀。

（2）半精加工 由于粗加工刀间距和切削深度较大，残料过多，半精加工是为了去除过多的残料，使精加工余量均匀，刀具选择应考虑承受粗加工所留残料而不至断刀，且不会留下过多的残料而给精加工造成困难。分模面是平面，用平刀加工较好而曲面用球刀加工，故曲面与分模面分开做半精加工及精加工。曲面半精加工，选择6mm球刀，分模面上残料较少且余量均匀，可不必做半精加工。

（3）精加工 精加工需达到要求的尺寸精度和表面精度，同时兼顾效率，选择刀具时要考虑刀具强度及是否会留有残料或过切，曲面上有R2mm的圆角多处，故选择3mm球刀精加工曲面，分模面精加工选用4mm平刀。

（4）清角加工 清角加工是为了去除在较小圆角或直角的地方，由于精加工刀具进不去而留下的残料，刀具选择应考虑加工效率、刀具强度及能否去除残料。R0.4mm圆角处选择圆角半径R0.3mm直径4mm的圆鼻刀加工，曲面与分模面清角选择4mm平刀加工。

三、加工难点分析

基于以上工艺分析、曲面特点及技术要求，加工三角开关凸模难点有两个：一是浅平面与陡斜面问题，二是清角问题。

1、浅平面与陡斜面问题

精加工要保证整个曲面的加工精度，解决浅平面与陡斜面问题，且精加工用时最长，在解决加工质量问题的同时还要兼顾效率。因此，合理选择精加工方法至关重要。

MasterCAM8.0提供了十种曲面精加工方法，针对这一问题，编制刀具路径时大多采用以下几种方法：

（1）平行铣削+陡斜面加工 平行铣削加工采用X、Y方向的最大间距来控制刀具路径的细密程度，由于陡斜面的坡度很陡，同样的切削间距，在陡斜面上形成的刀痕要比在平面或平坦的曲面上大得多，使陡斜面的加工质量较差。因此，多会在平行铣削加工之后添加陡斜面加工刀路，如果陡斜面刀路的切削方式选择双向切削，则在刀具沿Z轴上升时由于刀具受力不均，导致加工质量下降，若选择单向切削，则刀具路径中提刀路径过多，严重影响加工效率。

（2）等高外形+浅平面加工 等高外形加工是用最大Z轴进给量控制刀具路径的疏密程度，在比较平坦的表面上，Z下降相同的距离要比陡峭表面的路径间距大得多，无法保证浅平面的表面质量，因此在编制刀路时大多在等高外形加工之后添加浅平面加工刀路，由于曲面上浅平面区域不连续，使加工顺序不理想，影响加工质量，且浅平面刀路中有很多提刀路径，此方法加工效率较低。

（3）环绕等距加工 环绕等距加工是生成一组环绕工件曲面的刀具路径，路径计算时间长，生成的NC文件大。对于形状不规则的曲面，在路径转向地方的路径间距大于其它位置的路径间距，会在工件表面形成刀具路径转折的刀痕，影响加工质量。

以上三种加工方法均使工件局部表面达不到加工质量的要求。根据曲面特点及MasterCAM精加工刀路特点，可采取分区域加工，即将浅平面与陡斜面分开加工，平坦的表面选择平行刀路加工，陡峭的表面选择等高刀路加工。三角开关曲面上部分平坦，下部分陡峭，可用切削深度确定平行铣削与等高外形的加工区域。这种加工方法与前面所述三种方法比较，在加工参数选择相同时，加工质量最好，加工效率也有所提高。

2、清角问题

（1）对于R0.4的圆角，可使用平刀或圆角半径略小于0.4mm的圆鼻刀加工，常选择以下几种加工方法：

○1使用交线清角加工，刀具选择R0.4mm的圆鼻刀，由于交线清角只能沿曲面交线的地方走一刀，若精加工所用刀具半径大于0.4mm，则会在两把刀都加工不到的区域留下残料。

○2使用放射状加工 设置起始补正距离为4.4mm，设定切削范围，只加工残料区域，此方法能够达到加工质量的要求，但加工路径往返较多。

○3使用环绕等距加工 可设定切削范围，使用圆角半径R0.3mm的圆鼻刀加工可去除全部残料，路径连续，提刀少，能够达到表面质量要求且效率高。

通过以上分析，加工R0.4mm圆角选择环绕等距刀路更为合理。

（2）球刀精加工之后会在曲面与分模面相交的部位留下圆角，应使用平刀清角，曲面上有5°的拔模角度，与上面所述情况相同，所以选用环绕等距或等高外形刀路，用切削深度限定加工区域，仅加工有残料的地方，此处残料高度为精加工所用刀具刀尖圆弧半径，故切削深度范围略大于此半径值即可。

四、编制刀具路径

基于以上分析，比较几种加工方法，提出以下加工方案。

结 束 语：

根据三角开关凸模特点及加工难点，对其走刀路径进行分析对比，提出最佳加工方案。使用以上方法加工，整个零件的表面精度均可达到Ra3.2，在加工参数设置完全相同的情况下，加工效率略有提高。由于走刀路径合理，因此还可提高进给率，在保证加工质量的前提下，进一步提高加工效率。

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