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MasterCAM软件高速铣削刀路的平滑处理

本文以计算机辅助制造(CAM)软件Mastercam 为例,探讨CAM软件高速切削路径平滑处理的共性参数设置问题,利用软件模拟和实际切削的方式探讨刀具路径转角平滑处理对加工的影响,以此深入了解高速切削刀具路径的平滑处理。

1 高速加工刀具路径平滑处理的意义

高速铣削是一种以高转速、快速进给、较小的切削深度和间距为加工特征的加工方式,高速切削效益的发挥不仅需要硬件技术的支持,而且需要软件方面比如刀具路径规划的配合应用。由于高速铣削是一种高速进给的运动,切削时为减少转弯的时间需考虑两件事,一是提升伺服电机转矩,但会额外增加机床设备的费用;二是从刀具路径规划着手,降低工作台移动的惯性所造成的振动,例如在快速切削运动中遇到转角时,利用圆弧的方式(图1)代替直角的方式,可以降低转弯的时间及机床的振动。由此可见,高速加工刀具路径的平滑规划对工件的加工时间、加工质量等有重要的意义。

图1 圆弧进退刀设置及刀路图通过刀具路径的平滑处理在以下几个方面得到改善:

1) 避免在切出口产生厚切屑,使切削力更稳定,并减小振动趋势,延长了刀具寿命。

2) 缓和进给方向的突然变向,使加减速更为平顺,避免了无谓之加减速时间。

3) 保持刀具移动持续和恒定吃刀,使工作负荷和方向的快速变化减少,减轻了切削刃和切削过程的损坏。

4) 缩短了刀具路径距离,减少了刀路区间过渡的提刀动作,缩短了加工时间。

5) 减轻了冲击载荷和机床震动,缓解了由于机械惯性及切削阻力导致的转角处较易过切或形状失真的情况,提高了工件加工品质。

6) 在周边顺铣中,切削厚度从切削开始就逐渐降低,并在切削末端逐渐接近零。这可防止切削刃在吃刀前磨损或擦伤表面。

2 高速铣削刀路平滑处理

MasterCAM的铣削模块包含2D及3D铣削,其高速刀路的实质就是生成最为流畅平滑的刀路,一是圆弧切入切出及优化不同切削层间的连接方式。二是每个切削可以用先进的圆角和刀具路径细化技术进行配置,以减少尖角和其他不连续性的影响。这些参数有助于保持在工具上的恒定负载,减少加工时间,提高加工表面的质量。

2.1 圆弧形进/退刀(切入切出)

1) 圆弧切入切出的意义

2D和3D加工刀路都有圆弧进退刀编程参数设置项,刀路编程引入圆弧,避免了切出口有厚切屑,产生的切屑厚度为零,进刀平稳,减轻冲击载荷,这样将确保既有较高的进给又有较长的刀具寿命。而直接切入工件时,在切出口将产生厚切屑,这会极大降低刀具寿命。另外,从振动观点看,平滑地切入工件也是必要的。

2) 圆弧进退刀的参数设置

2D刀路外形铣削和挖槽的参赛设置见图1(a);3D曲面等高外形加工中两区段间的过渡方式为打断时,可勾选图1( b)所示圆弧进退刀,并设置相应参数的参赛。当扫描角度设为180°时,将以整圆进刀,不同刀路区间过渡不再提刀,节省了加工时间。

2.2 平面加工高速铣削刀路平滑处理

1) 面铣刀路的平滑处理

面铣是最普遍的铣削工序,为保持刀具一直切削,通过刀具路径编程可避免刀具频繁切入和切出工件,防止刀具切削刃上产生不利的应力,或导致停留和震颤趋势。建议刀具路径编程能使铣刀保持全接触。当改变方向时,加入小的圆弧刀具路径,以保持刀具移动和恒定吃刀。

面铣操作时,在加工参数设定中,为了配合高速切削,可以将“两切削间的位移”设定为“高速回圈”,将“刀具在转角处走圆角”设为“所有”(图2深色处),这样刀具在切削时,其切削端点的连接会改成圆弧连接(图3)。

图2 两切削间的位移方式及实例效果2) 铣槽刀路的平滑处理

铣槽是周边铣与面铣结合在一起,在边界处同时产生2个面,一般将顺铣作为首选。在铣槽加工中,适合使用于高速铣削的加工法有高速切削和螺旋切削,其中的高速切削铣槽操作中,高速切削加工法即是摆线式刀具路径,加工参数设定如图3。在此可以设定切削的区域、回圈半径、回圈间距及转角平滑半径。

高速切削时,无论是凸起转角及内弯转角,由于机械惯性及切削阻力的关系,路径转角处较容易有过切的情况,而在转角自动产生原弧路径的功能以解决上述转角处容易过切的状况。

图3 铣槽操作高速切削参数设定2.3 曲面加工高速铣削刀路平滑处理

a) 曲面加工刀路平滑的意义

曲面加工比较复杂,刀具路径的规划更为重要,精加工多使用球头立铣刀。由于刀具需多次切入和切出材料,每次切入和切出都意味着载荷冲击,刀具将偏斜,造成偏斜差或振动,在表面留下凸起痕迹,影响加工质量,并使切削刃和切削过程更容易损坏。为了良好的刀具寿命和加工质量,通过参数设置,控制刀路间的过渡方式及间隙设置,通过平滑刀路,尽可能长时间保持连续切削,使工作负荷和方向的快速变化减少。

b) 路径过渡参数设置

路径过渡方式有高速回圈、斜插、沿着曲面和打断方式下的圆弧进退刀的控制(图4)。

图4 不同路径过渡方式及其刀路1) 高速回圈:高速回圈是将两区段间的路径以圆弧来过渡,此时只需要设定回圈的长度。

2) 斜插:斜插是将两区段间的路径以倾斜的方式来过渡,需要设定斜插的长度。

3) 沿着曲面: 沿着曲面是将两区段间的路径直接沿着曲面过渡。

c) 刀路间的间隙设置

间隙设置是MasterCAM曲面刀路(除等高外形外)的共同参数,主要是设定相邻刀路的过渡方式,共有不提刀、打断、平滑和沿着曲线四种方式(图5),高速加工宜选择平滑,使刀具路径更为平滑。

图5 不同刀具路径间隙设置及刀路图

3 转角平滑处理的切削实验

3.1 实验规划

刀具走刀路径的平滑是CAM软件高速铣削功能和一般铣削功能最明显的区别,因此将设计两个实验,分别通过加工中心铣削铝合金平面和窄槽零件,进行软件模拟和实际铣削实验,测试刀具路径转角从直角改为圆角对实际加工的影响。

为简化实验,利用Mastercam设计118×78mm矩形为加工平面,以pock之边界再加工型式,高速切削方式,分别改变角落平滑半径(图6)为0 mm和6 mm,计算机统计模拟加工时间,再利用Fanuc控制器模拟刀路,并实际加工铝件,统计实际铣削时间,并感受机床转角处的震动情况。

3.2 实验准备

1)实验1:选用118×78×30mm的铝合金一件,刀径Φ12 高速钢端铣刀,S6000,F2000,切深1 mm,分2次切削,切削宽度6 mm。

实验2:选用100×100×30mm的Q235钢件一件,刀径Φ10mm,S1200,F300。

2)CAM软件:Mastercam X9

3.3 实验结果及统计

实验主要是验证刀具路径的圆角处理对加工时间及加工成效的影响。

实验1:图6为平滑半径为0mm(直角)和6mm的FANUC控制器刀路图及其实际加工工件图,模拟加工时间分别为112s和120s,实际加工时间分别为120s和131s,走圆角平均节约时间8%,实际加工中转角处的震动明显减缓。

图6 FANUC控制器刀路图与工件加工图实验2: 在11mm宽的窄槽的加工中, 采用Φ10mm的端铣刀加工槽,“刀具在转角处走圆角”的设置方式如图7(a),设为“无”时即直角转弯,导致刀具路径在C处产生图7(b)左图所示跳刀,不能连续加工,造成图7(c)左图圆圈处的缺陷;而设为“所有”时,改用走圆角的方式,刀具顺滑通过拐角(图7 c右图)。

图7 同转角方式的刀路比较

3.4 实验结果分析

通过以上实验数据和结果,得出结论:

1) 高速切削功能的平滑半径影响加工的时间,圆弧转弯会缩短加工时间,是因为刀具在圆弧转弯时刀具路经缩短(图6),其花费的时间会比直角转弯短。

2) 圆弧转弯可以使得机床在转弯时进给率降低,实际加工中高速直角转弯时可以明显感受到机床的振动,而在圆角转弯时机床的振动明显减缓。

3) 在窄槽加工中,如果转角的设置方式不当,将会导致加工失败。如图7(b)左图所示,槽宽为11mm,采用Φ10mm的端铣刀加工槽时,当R11处转角走直角时,width=202,height=17,dpi=110刀具半径5mm。 因此刀具无法通过BC处,导致刀具路径此处跳刀,不能连续加工,造成图7(c)左图圆圈处的缺陷;而采用走圆角的方式,刀具顺滑通过R11拐角。因此,转角走圆弧或直角,影响加工的结果。

通过CAM软件高速铣削刀具路径的平滑处理,控制切入/切出方式,避免厚切屑形成。以圆弧而不是直角改变刀路方向、不同区段间的刀路以平滑方式过渡等,使工作负荷和方向的快速变化减少,减轻了冲击载荷、机床震动及对切削刃和切削过程的损坏,延长了刀具寿命,缩短了加工时间,缓解了由于机械惯性及切削阻力导致的转角处较易过切或形状失真的情况,提高了加工质量。软件模拟和实际铣削的测试结果表明刀具路径的平滑处理提高了加工效率和品质。文中的刀路平滑处理方法适用于所有CAM软件及普通数控铣削。

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