01

序言

Mastercam铣削包括2D加工、3D加工、多轴加工（四轴以上），其中，2D加工也称为点位加工，即根据直线、曲线进行2.5~3轴的加工；3D加工也叫曲面加工（实体加工）或三维三轴加工；多轴加工则是四轴、五轴加工，即一次定位，加工4个面或5个面。

本文分别对几何体、刀路策略、刀具选取进行技术性交流。

02

点位加工策略及刀具选取

点位加工就是根据设置的工件原点展开的程序编制，包括打定位点、钻孔、倒角、镗孔、铰孔和攻螺纹，都是进行点位坐标捕捉后的刀具路径定义。根据工艺顺序进行程序编制，包括坐标点定义（几何体）、刀具定义、程序参数定义。根据点位具体用处选取点位加工、钻孔加工、丝锥刀具、铰孔刀具及镗孔加工刀具[1]，具体的选取规则和刀具说明见表1~表5。

孔加工是产品加工的主要工艺，加工种类主要包括普通钻孔加工、一般精度孔加工、螺纹孔及螺纹加工和超精孔加工。孔的精度及表面粗糙度是孔加工工艺及刀具选取的主要依据，在保证精度的前提下尽量使孔具有较低表面粗糙度值。当不能满足较低表面粗糙度值时，需要采取超精密加工的策略，通过挤压、珩磨、抛光等方式加工孔[2]。具体孔加工工艺与刀具选取见表6。

表1  点位加工刀具

表2  钻孔加工刀具

注：D为刀具有效直径。

表3  丝锥刀具种类

表4  铰孔刀具加工

表5  镗孔加工刀具

表6  孔加工工艺及刀具选取

03

2D铣削刀路策略与刀具选取

先进数控加工刀具种类日新月异、发展迅速，快进给刀具、金刚铣刀具和可换头铣刀等刀具种类的出现不仅提升了加工效率，而且降低了刀具整体成本，铣刀类别及说明见表7，工步策略及刀具选取见表8。

表7  铣刀类别及说明

表8  工步策略及刀具选取

2D刀具路径是采取2D几何体线架，包括直线、R圆弧、曲线等进行铣削加工，路径种类包括外形铣削、2D挖槽、平面铣削、键槽铣削和模型棱角，充分利用了几何体可以进行多种铣削加工的特性。加工中的必需要素是：几何体、几何体原点、刀具、加工参数及切削参数等，2D刀具选择路径见表9。

表9  2D刀具路径刀具选取策略

外形铣削包含侧刃铣，分为粗铣、精铣。挖槽刀具的路径种类大致可分为双向、等距环切、平行环切、平行环切清角、高速切削、螺旋切削、单向及渐变环切几类。根据工件情况可进行辩证选取，粗加工可使用转位方肩铣刀、快进给铣刀和玉米铣刀等；精加工可以采取方肩铣刀、整体硬质合金铣刀、焊刃螺旋铣刀及直槽焊刃铣刀等[3]。根据精度来表征选取，并且区分顺铣和逆铣。

挖槽刀具路径比较多，可以选择很多种，根据实际工件情况进行选取，一般刀具可以选取方肩铣、快进给铣、玉米铣，精加工时采用面铣及外形铣，可以采取可转位方肩铣、圆鼻方肩铣、整体硬质合金铣、焊刃螺旋铣及直槽焊刃铣等，挖槽是多种加工集成的，当整体挖槽、整体面加工时可以采取多种刀具，最常用刀具就是圆鼻刀。粗加工XY方向步距按照55%Dc~85%Dc执行，精加工XY方向步距按照40%Dc~45%Dc执行，其中Dc为铣刀有效直径[4]。

2D加工是加工产品零部件常用的加工方式，可以先绘制2D线架进行编程，再导入零件曲面或实体进行曲面的提取或拾取，定义2D几何程序编制，可灵活地定义外形铣削、2D挖槽、平面铣削等，具体路径选择策略见表10。

表10  2D挖槽刀具路径选择策略

平面铣削的刀具选取较为简单，当面加工有平面度及较低表面粗糙度要求时，将粗加工及精加工分开，并且严格控制XY步距从而匹配切削参数；当工件刚性足够时，更易获取精度及表面粗糙度；当工件是薄壁件时易发生振动，需要考虑整体工艺，采取减振措施，利用可转位刀具，推荐采用不等距的、切削力较小的正前角刀片，利用较大的前后角度来降低切削力，必要时采取可转位方肩铣刀[5]，刀具路径则采取顺铣，使切削速度vc尽量低，走刀速度逐渐增加。

键槽铣主要是加工键槽时使用，这里刀具的选取主要是键槽铣刀、整体硬质合金刀具或高速钢键槽铣刀，插铣刀也可以加工较大键槽，需注意如下事项。

1）2刃铣刀可以垂直下刀再进行XY方向走刀，3刃、4刃及多刃不推荐。

2）3刃、4刃及多刃可以进行键槽的精铣，来提高加工效率。

3）预钻孔后用3刃、4刃及多刃铣刀可以进行粗、精加工。

4）Z向较小的动态斜插式下刀也可以采取2~6刃铣刀。

5）工件材质硬度<32HRC时，可以采取斜插式下刀加工，加工路径也是斜插式，这样可明显提升整体效率。

6）适当的侧边余量决定键槽铣刀的直径大小，设置单边0.05~0.2mm，根据键槽大小而定。考虑因振动及刀具让刀而导致有时粗加工过切，是刀具直径过大导致，在加工选取时需要考量，假如键槽有较高的精度及表面粗糙度要求时，必须进行粗、精分开加工。除此之外，还需考量一定压力的切削液及排屑对加工产生的影响。

根据产品要求进行加工，模型倒角是加工产品的必要流程，根据倒角、倒圆角（包括反向倒角、内R倒圆角、外R倒圆角及汽车零部件反向倒角）加工方式的不同来进行刀具选取。

04

曲面加工测量与刀具选取

曲面加工策略一般指加工模具的全套策略，包括粗加工、二次粗加工和精加工刀路策略。此处的粗加工一般是用圆鼻刀或快进给铣刀来加工，精加工主要是用各类球刀来加工，清角时一般采取球刀、平底刀或圆鼻刀，刀具的选用一般根据模具的Z向R角及XY方向R角辩证地选取。另外，区分陡坡面及非陡坡面是曲面区分的主要因素，据此进行刀具选取也是较为科学的一种方式，陡坡面加工时选取平底刀，非陡坡面时选取圆鼻刀及球刀是较为匹配的方法[6]。

曲面粗加工、二次粗加工时，主要利用凸凹模来区分凸模和模具型腔。整体挖槽及凸模加工时需要分析模具整体大小、Z向R角大小及XY向R角大小，根据这些因素选取圆鼻刀具R的大小。除此之外，还需考量Z层下刀的大小、XY方向步距的大小、效率的高低和主轴加工负载的大小，在考量时应遵循最大实体原则、最大刚性原则、最大效率原则、最低成本原则、最佳质量原则和最稳定加工原则，并同时考虑干涉、悬伸、功率、排屑、成本、质量、效率、性价比及稳定等几方面因素。

曲面粗加工及动态粗加工需要考虑效率、刀具成本及加工稳定性。从这几方面考虑选取刀具，具体的选用策略见表11、表12。曲面精加工需要考虑最佳质量、刀具精度，最佳质量需考虑表面粗糙度、纹理及加工精度几个维度，刀具精度的考量因

素包括刀柄径向圆跳动、尺寸公差、涂层及R角的精度。在模具精加工过程中，刀路纹理均衡化，等值线化是一个重要课题[7]，也是精加工刀路选择与刀具选择的重点，见表13。

表11　曲面粗加工刀具选取

表12　曲面动态加工刀具选取

表13　曲面精加工刀具选取

05

五轴加工策略与刀具选取

五轴加工刀具路径策略比较复杂，考量因素较多，主要考量刀具干涉、刀具刚性、刀柄干涉、加工适配性、加工效果及加工刀具成本等，必要时还需要定制刀具。五轴加工需要实体编程，实体模拟、机床虚拟现实仿真，干涉检查步骤。具体刀具选取见表14。

表14　五轴加工策略及刀具选取

06

数据库与刀具选取参数

切削参数是从两个方面考量，一是加工模具及零部件的材质，二是加工刀具的材质，从这两方面建立数据库，在编制程序时，综合考量是优先选取工件材质还是刀具材质，从而让软件来主动选取数据库。推荐工件材质数据库，用国际六大材料组来区分材料进行切削参数的选取，具体模具材质特征及加工刀具选取方案见表15。

表15　模具材质特征及加工刀具选取

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下刀方式与刀具选取技术

模具加工及产品加工时，刀具下刀是需要考量的主要因素，一般分为体外下刀、斜插式下刀、螺旋下刀及预钻孔下刀等几种方式。预先钻孔是提前在凹模处钻一个孔，供铣刀Z向下刀使用，可以提高下刀效率和刀具寿命，下刀方式策略及刀具选取见表16。体外下刀是在毛坯外空位处下刀，达到快速下刀的目的，从而提高效率，一般是凸模从体外下刀，凹模不适用；斜插式下刀是按下刀矢量走一定斜度，由下刀斜度及下刀垂直距离两个变量构成。一般用在凹模加工或凸模中凹槽部分；螺旋下刀是刀具按照螺旋线式下刀，有螺旋半径、Z向螺距、斜度3个变量，如图1所示。

a）螺旋半径                b）Z向螺距               c）斜度

图1　螺旋下刀参数

表16　下刀方式策略及刀具选取

08

模具材质及产品材质对应刀具材质选取技术

加工模具及产品零部件，首先进行模具及产品的材料梳理，对材料加工性能分析，选择最适合的切削刀具材料和刀片槽形是实现无故障高生产率加工过程的重要因素，以图2所示零件模型为例，采用材质为40CrMnMo7的热作钢，预先调质硬度为28~40HRC，不做后期热处理，进行湿式加工，最终进行镜面抛光表面处理，其他参数（例如切削参数、刀具路径等）对于获得成功的结果同样至关重要，案例见表17。

图2　零件模型

表17　塑胶模具综合加工工艺策略及刀具方案

09

结束语

根据加工工艺进行工步拆分，根据不同的工艺工步匹配刀具，是一种极其复杂的刀具技术应用。

在刀具与软件匹配技术过程中，刀具及其切削参数非常重要。

细分工艺、工步及技术要求，细化刀具种类及技术细节，做到高质量、高效率、低成本及绿色。