眾所周知，在借助CAM軟件進(jìn)行數(shù)控編程的過程中，工藝參數(shù)的選擇十分重要，它不僅對(duì)被加工零件的質(zhì)量影響巨大，甚至可以決定著機(jī)床功效的發(fā)揮和安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行。本文作者針對(duì)模具零件的特點(diǎn)，分析了模具零件數(shù)控銑削加工編程中工藝參數(shù)的選擇對(duì)加工質(zhì)量的影響，并結(jié)合實(shí)際介紹了模具數(shù)控加工中CAM編程時(shí)工藝參數(shù)的設(shè)定方法和原則。

一、引言

　　數(shù)控加工技術(shù)已廣泛應(yīng)用于模具制造業(yè)，如數(shù)控銑削、鏜削、車削、線切割、電火花加工等，其中數(shù)控銑削是復(fù)雜模具零件的主要加工方法。數(shù)控設(shè)備為精密復(fù)雜零件的加工提供了基本條件，但要達(dá)到預(yù)期的加工效果，編制高質(zhì)量的數(shù)控程序是必不可少的，這是因?yàn)閿?shù)控加工程序不僅包括零件的工藝過程，而且還包括刀具的形狀和尺寸、切削用量、走刀路徑等工藝信息。對(duì)于簡(jiǎn)單的模具零件，通常采用手工編程的方法，對(duì)于復(fù)雜的模具零件，往往需要借助于CAM軟件編制加工程序，如Pro/ENGINEER、UG、Cimatron、MasterCAM等。無(wú)論是手工編程或計(jì)算機(jī)輔助編程，在編制加工程序時(shí)，選擇合理的工藝參數(shù)，是編制高質(zhì)量加工程序的前提。

二、刀具的選擇

　　在模具型腔數(shù)控銑削加工中，刀具的選擇直接影響著模具零件的加工質(zhì)量、加工效率和加工成本，因此正確選擇刀具有著十分重要的意義。在模具銑削加工中，常用的刀具有平端立銑刀、圓角立銑刀、球頭刀和錐度銑刀等，如圖1所示。

圖1 刀具定義

　　在模具型腔加工時(shí)刀具的選擇應(yīng)遵循以下原則：

　　1.根據(jù)被加工型面形狀選擇刀具類型

　　對(duì)于凹形表面，在半精加工和精加工時(shí)，應(yīng)選擇球頭刀，以得到好的表面質(zhì)量，但在粗加工時(shí)宜選擇平端立銑刀或圓角立銑刀，這是因?yàn)榍蝾^刀切削條件較差；對(duì)凸形表面，粗加工時(shí)一般選擇平端立銑刀或圓角立銑刀，但在精加工時(shí)宜選擇圓角立銑刀，這是因?yàn)閳A角銑刀的幾何條件比平端立銑刀好；對(duì)帶脫模斜度的側(cè)面，宜選用錐度銑刀，雖然采用平端立銑刀通過插值也可以加工斜面，但會(huì)使加工路徑變長(zhǎng)而影響加工效率，同時(shí)會(huì)加大刀具的磨損而影響加工的精度。

　　2.根據(jù)從大到小的原則選擇刀具

　　模具型腔一般包含有多個(gè)類型的曲面，因此在加工時(shí)一般不能選擇一把刀具完成整個(gè)零件的加工。

　　無(wú)論是粗加工還是精加工，應(yīng)盡可能選擇大直徑的刀具，因?yàn)榈毒咧睆皆叫。庸ぢ窂皆介L(zhǎng)，造成加工效率降低，同時(shí)刀具的磨損會(huì)造成加工質(zhì)量的明顯差異。

　　3.根據(jù)型面曲率的大小選擇刀具

　　在精加工時(shí)，所用最小刀具的半徑應(yīng)小于或等于被加工零件上的內(nèi)輪廓圓角半徑，尤其是在拐角加工時(shí)，應(yīng)選用半徑小于拐角處圓角半徑的刀具并以圓弧插補(bǔ)的方式進(jìn)行加工，這樣可以避免采用直線插補(bǔ)而出現(xiàn)過切現(xiàn)象；在粗加工時(shí)，考慮到盡可能采用大直徑刀具的原則，一般選擇的刀具半徑較大，這時(shí)需要考慮的是粗加工后所留余量是否會(huì)給半精加工或精加工刀具造成過大的切削負(fù)荷，因?yàn)檩^大直徑的刀具在零件輪廓拐角處會(huì)留下更多的余量，這往往是精加工過程中出現(xiàn)切削力的急劇變化而使刀具損壞或栽刀的直接原因。

　　4.粗加工時(shí)盡可能選擇圓角銑刀

　　一方面圓角銑刀在切削中可以在刀刃與工件接觸的0~90°范圍內(nèi)給出比較連續(xù)的切削力變化，這不僅對(duì)加工質(zhì)量有利，而且會(huì)使刀具壽命大大延長(zhǎng)；另一方面，在粗加工時(shí)選用圓角銑刀，與球頭刀相比具有良好的切削條件，與平端立銑刀相比可以留下較為均勻的精加工余量，如圖2所示，這對(duì)后續(xù)加工是十分有利的。

圖2 圓角銑刀與平端銑刀粗加工后余量比較

三、走刀方式和切削方式的確定

　　走刀方式是指加工過程中刀具軌跡的分布形式。切削方式是指加工時(shí)刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)方式。在數(shù)控加工中，切削方式和走刀方式的選擇直接影響著模具零件的加工質(zhì)量和加工效率。其選擇原則是根據(jù)被加工零件表面的幾何特征，在保證加工精度的前提下，使切削時(shí)間盡可能短，切削過程中刀具受力平穩(wěn)。

　　1.走刀方式

　　在模具加工中，常用的走刀方式包括單向走刀、往復(fù)走刀和環(huán)切走刀三種形式，如圖3所示。其中，圖3a為單向走刀方式，在加工中切削方式保持不變，這樣可以保證順銑或逆銑的一致性，但由于增加了提刀和空走刀，切削效率較低。粗加工中，由于切削量較大，一般選用單向走刀，以保證刀具受力均勻和切削過程的穩(wěn)定性。圖3b是往復(fù)走刀方式，在加工過程中不提刀進(jìn)行連續(xù)切削，加工效率較高，但逆銑和順銑交替進(jìn)行，加工質(zhì)量較差。一般在粗加工時(shí)由于切削量大不宜采用往復(fù)走刀，而在半精加工和表面質(zhì)量要求不高的精加工時(shí)可選用往復(fù)走刀。圖3c是環(huán)切走刀方式，其刀具路徑由一組封閉的環(huán)形曲線組成，加工過程中不提刀，采用順銑或逆銑切削方式，是型腔加工常用的一種走刀方式。

　　2.銑削方式

　　銑削方式的選擇直接影響到加工表面質(zhì)量、刀具耐用度和加工過程的平穩(wěn)性。在采用圓周銑削時(shí)，根據(jù)加工余量的大小和表面質(zhì)量的要求，要合理選用順銑和逆銑，一般地，粗加工過程中余量較大，應(yīng)選用逆銑加工方式，以減小機(jī)床的震動(dòng)；精加工時(shí)，為達(dá)到精度和表面粗糙度的要求，應(yīng)選擇順銑加工方式。在采用端面銑削時(shí)，應(yīng)根據(jù)所加工材料的不同，選用不同的銑削方式，一般地，在加工高硬度的材料時(shí)應(yīng)選用對(duì)稱銑削；在加工普通碳鋼和高強(qiáng)度低合金鋼時(shí)，應(yīng)選用不對(duì)稱逆銑，可以延長(zhǎng)刀具的使用壽命，得到較好的工件表面質(zhì)量；在加工高塑形材料時(shí)應(yīng)選用不對(duì)稱順銑，以提高刀具的耐用度。

四、刀具的切入與切出

　　在模具型腔數(shù)控銑削中，由于模具型腔的復(fù)雜性，往往需要多次更換不同的刀具才能完成對(duì)模具零件的加工。在粗加工時(shí)，每次加工后殘留余量形成的幾何形狀是在變化的，在下次進(jìn)刀時(shí)如果切入方式選擇不當(dāng)，很容易造成栽刀事故。在精加工時(shí)，切入和切出時(shí)切削條件的變化往往會(huì)造成加工表面質(zhì)量的差異。因此，合理選擇刀具切入、切出方式具有非常重要的意義。一般的CAM軟件提供的切入切出方式有刀具垂直切入切出工件(Plunge)、刀具以斜線切入工件(Ramp)、刀具以螺旋軌跡下降切入工件(Spiral)、刀具通過預(yù)加工工藝孔切入工件(Entry Hole)以及圓弧切入切出工件(ARC_TANGENT)。

　　其中刀具垂直切入切出工件是最簡(jiǎn)單、最常用的方式，適用于可以從工件外部切入的凸模類工件的粗加工和精加工以及模具型腔側(cè)壁的精加工；刀具以斜線或螺旋線切入工件常用于較軟材料的粗加工；通過預(yù)加工工藝孔切入工件是凹模粗加工常用的下刀方式；圓弧切入切出工件由于可以消除接刀痕而常用于曲面的精加工。需要說明的是在粗加工型腔時(shí)，如果采用單向走刀(Zig)方式，一般CAD/CAM系統(tǒng)提供的切入方式是一個(gè)加工操作開始時(shí)的切入方式，并不定義在加工過程中每次的切入方式，這個(gè)問題有時(shí)是造成刀具或工件損壞的主要原因，解決這一問題的一種方法是采用環(huán)切走刀方式或雙向走刀方式，另一種方法是減小加工的步距(Step-over)，使背吃刀量小于銑刀半徑。

五、切削參數(shù)的控制

　　切削參數(shù)的選擇對(duì)加工質(zhì)量、加工效率以及刀具耐用度有著直接的影響。在CAM軟件中與切削相關(guān)的參數(shù)主要有主軸轉(zhuǎn)速(Spindlespeed)、進(jìn)給速率(Cut feed)、刀具切入時(shí)的進(jìn)給速率(Lead in feed rate)、步距寬度（Step-over）和切削深度（Step depth）等。

　　1.主軸轉(zhuǎn)速

　　主軸轉(zhuǎn)速一般根據(jù)切削速度來計(jì)算，其計(jì)算公式為：n = 1 0 0 0 V c /πd，式中d為刀具直徑（mm），Vc為切削速度(m/min)。切削速度的選擇與刀具的耐用度密切相關(guān)，當(dāng)工件材料、刀具材料和結(jié)構(gòu)確定后，切削速度就成為影響刀具耐用度的最主要因素，過低或過高的切削速度都會(huì)使刀具耐用度急劇下降。在模具加工，尤其是模具的精加工時(shí)，應(yīng)盡量避免中途換刀，以得到較高的加工質(zhì)量，因此應(yīng)結(jié)合刀具耐用度認(rèn)真選擇切削速度。

　　2.進(jìn)給速度與刀具切入進(jìn)給速度

　　進(jìn)給速度的選擇直接影響著模具零件的加工精度和表面粗糙度，其計(jì)算公式為F=nzf，式中n為主軸轉(zhuǎn)速（r/min），z為銑刀齒數(shù)，f為每齒進(jìn)給量(mm/齒)。每齒進(jìn)給量的選取取決于工件材料的力學(xué)性能、刀具材料和銑刀結(jié)構(gòu)。工件的硬度和強(qiáng)度越高，每齒進(jìn)給量越小；硬質(zhì)合金銑刀比同類高速鋼銑刀每齒進(jìn)給量要高；當(dāng)加工精度和表面粗糙度要求較高時(shí)，應(yīng)選擇較低的進(jìn)給量；刀具切入進(jìn)給速度應(yīng)小于切削進(jìn)給速度。

　　3.吃刀量

　　吃刀量的大小主要受機(jī)床、工件和刀具剛度的限制，其選擇原則是在滿足工藝要求和工藝系統(tǒng)剛度許可的條件下，選用盡可能大的吃刀量，以提高加工效率。為保證加工精度和表面粗糙度，應(yīng)留0.2~0.5mm的精加工余量。在粗加工時(shí)，余量的切除往往采用層切的方法，在CAM編程時(shí)，需要設(shè)置每層切削深度和最大步距寬度，而實(shí)際步距往往與工件形狀有關(guān)。

　　在精加工時(shí)，吃刀量的選擇與表面粗糙度有關(guān)，CAM軟件中通常提供有兩種參數(shù)控制表面粗糙度：步距寬度（Stepover）和殘留高度(Scallop)。采用步距寬度控制表面粗糙度時(shí)，步距寬度越小，表面粗糙度越小，但加工路徑和加工時(shí)間會(huì)大大延長(zhǎng)，因此步距寬度不宜設(shè)置得太小，在實(shí)踐中可以通過改變半精加工和精加工走刀路徑的方法（二者成正交關(guān)系）改善表面質(zhì)量；采用殘留高度控制表面粗糙度時(shí)，步距寬度會(huì)依據(jù)工件形狀自動(dòng)調(diào)整。

六、其他參數(shù)

　　在模具數(shù)控加工編程中，除以上參數(shù)的設(shè)定外，還有諸如工件坐標(biāo)系（Work Coordinate）、刀具快速運(yùn)動(dòng)平面（Rapid Plane）、加工安全平面（Clearance Plane）、加工余量參數(shù)（Allowance）以及后置處理參數(shù)等的設(shè)定。工件坐標(biāo)系的設(shè)定一般應(yīng)與工件的工藝基準(zhǔn)相重合；刀具快速運(yùn)動(dòng)平面和加工安全平面的選擇應(yīng)結(jié)合工件形狀和夾具結(jié)構(gòu)，在保證安全的情況下，盡量減小空刀行程；加工余量的選擇不宜過小或過大，過小容易造成粗加工時(shí)的過切，過大則會(huì)影響精加工質(zhì)量；后置處理參數(shù)應(yīng)結(jié)合數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的特點(diǎn)來設(shè)定。總之，模具零件數(shù)控編程具有很大的靈活性，只有正確理解以上工藝參數(shù)，在實(shí)踐中不斷進(jìn)行總結(jié)，才能編制出高質(zhì)量的加工程序，加工出高質(zhì)量的模具零件。