隨著數(shù)控加工設(shè)備與高性能刀具的發(fā)展高速加工技術(shù)日趨成熟，極大地提高了模具加工速度。作為模具加工的重要手段，高速銑削成為近年來興起的一種先進(jìn)加工技術(shù)。高速加工采用高轉(zhuǎn)速、快進(jìn)給，小切深和小步距提高加工效率，出發(fā)點(diǎn)是在高速低負(fù)荷狀態(tài)下的切削，高速主要是主軸高速、進(jìn)給高速和空行程高速。低負(fù)荷意味著可減小切削力，從而減少切削過程中的振動和變形。使用合適的刀具，在高速狀態(tài)下可切削高硬質(zhì)的材料。大部分切削熱通過切屑帶走，從而減少甚至避免了零件的熱變形。因此高速切削具有切削力小、加工過程平穩(wěn)、加工質(zhì)量好、效率高和可實現(xiàn)對硬材料(<60HRC)以及零件精細(xì)結(jié)構(gòu)的加工等諸多優(yōu)點(diǎn)。高速切削對數(shù)控自動編程軟件提出了更高的要求：(1)保持機(jī)床的運(yùn)動連續(xù)、平滑從而保證刀具負(fù)荷的穩(wěn)定，避免刀具過載;(2)生成的刀具路徑連續(xù)，盡量減少進(jìn)退刀，換向盡量采用圓弧過渡的方式，保證刀具運(yùn)動軌跡的光滑，避免走刀方向和加速度的突然變化，保持穩(wěn)定的進(jìn)給運(yùn)動;(3)全程自動防過切處理能力及自動刀柄碰撞檢查;(4)能提供符合高速加工要求的豐富加工策略。

　　PowerMILL集成了基于知識、基于工藝特征的多種獨(dú)有加工方式以及全程防過切、適用于高速加工等功能，可對模具的整個制造過程提供一個理想的解決方案，是一款智能化的高速加工CAM軟件。以下結(jié)合加工實例，介紹PowerMILL的加工編程過程以及模具高速加工策略和方法。

　　一、PowerMILL加工編程步驟

　　1.載入模型

　　PowerMILL可利用PowerSHAPE直接造型或通過PS-Exchange模塊讀入多種常用主流CAD文件，充分利用各種軟件的優(yōu)勢，從而大大提高編程的效率和質(zhì)量。

　　2.參數(shù)設(shè)定

　　(1)坐標(biāo)系的設(shè)定

　　建立加工坐標(biāo)系一般根據(jù)以下原則：一般取工作坐標(biāo)系為加工坐標(biāo)系;坐標(biāo)原點(diǎn)要定在有利于測量和快速準(zhǔn)確對到的位置;根據(jù)機(jī)床坐標(biāo)系和零件在機(jī)床上的位置確定加工坐標(biāo)軸的方向。為了符合加工習(xí)慣，利用擺正器將零件上表面中心作為坐標(biāo)系原點(diǎn)擺放工件，Z方向也可根據(jù)情況設(shè)置在工件的最高處或最低處。

　　(2)毛坯大小的設(shè)定。

　　在PowerMILL中，毛坯擴(kuò)展值的設(shè)定很重要。如果該值設(shè)得過大將增大程序的計算量，增加了編程的時間，如果設(shè)的過小，程序?qū)⒁悦鞯拇笮闃O限進(jìn)行計算，這樣很可能有的型面加工不到位或者在開始實際加工時出現(xiàn)干涉，所以毛坯擴(kuò)展的設(shè)定一般根據(jù)實際毛坯大小設(shè)定并稍大于加工刀具的半徑，同時還要考慮它的余量。

　　(3)加工參數(shù)設(shè)定

　　進(jìn)給率的設(shè)定、進(jìn)給高度的設(shè)定、開始點(diǎn)與結(jié)束點(diǎn)的設(shè)定、切入切出和連接方式的設(shè)定和刀具的設(shè)定根據(jù)具體的加工工序及加工策略而定。其中設(shè)定刀具時最好將刀具名稱與刀具尺寸聯(lián)系起來，如名稱為D6R2的刀代表刀具直徑為6，圓角半徑為2的圓角刀。這樣命名有利于編程時對刀具的選用和檢查。

　　3.工藝分析及編制

　　確定哪些特征能在一次裝夾中完成，并安排加工順序及使用的刀具，最后確定使用何種加工方式來完成。選擇加工方式后，需要定義加工范圍及加工參數(shù)。定義完參數(shù)后，由軟件完成刀具運(yùn)動軌跡的計算，并可進(jìn)行加工仿真。如刀具軌跡不理想，可修改參數(shù)并重新進(jìn)行計算或者直接對刀具軌跡進(jìn)行編輯。

　　4.仿真及后置處理

　　生成所有刀具軌跡后可調(diào)入機(jī)床文件進(jìn)行仿真，并通過專用后置處理程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為加工G代碼。

　　二、PowerMILL高速加工策略

　　PowerMILL可實現(xiàn)對各種數(shù)控加工軌跡的生成、編輯及后置處理，同時還可對生成的加工軌跡進(jìn)行仿真與校驗，以保證生成的數(shù)控加工程序準(zhǔn)確無誤。在模具加工中，從規(guī)則形狀毛坯到精整處理前的零件加工，銑削加工工藝一般可分為粗加工、半精加工、精加工和清角加工4種工序。

　　1.粗加工策略

　　粗加工的主要目標(biāo)追求單位時間內(nèi)的材料去除率，使后續(xù)半精加工或精加工余量均勻，并保證粗加工刀路的平穩(wěn)、高效。由于輪廓區(qū)域清除銑削方式具有高效的環(huán)繞切削走刀及進(jìn)刀設(shè)置，同時具有層間補(bǔ)刀功能，因此是最常用的粗加工方式。其下切或行間過渡部分應(yīng)采用斜式下刀或圓弧下刀，并盡量采取順銑的加工方式，刀具路徑的尖角處要采用圓角的光順處理以保證刀具負(fù)荷穩(wěn)定，減少切削力的突然變化。若選中限制刀具過載選項，軟件的智能余量識別功能可在大加工量、全刀寬、拐角等區(qū)域自動判定采用擺線加工，即刀具沿著具有一定半徑的曲線運(yùn)動，以圓弧運(yùn)動方式逐次去除材料，對零件表面進(jìn)行高速小切深加工，可有效避免刀具以全刀寬切入工件的方式生成刀具路徑，使機(jī)床在整個加工過程中保持連續(xù)的進(jìn)給速度，從而符合高速加工要求，延長刀具壽命。即粗加工中盡量采用以下加工策略：盡量采用從工件的中心開始向外加工的偏置加工策略，以減少全刀寬切削;在刀具易出現(xiàn)過載的區(qū)域采用擺線加工，如圖1所示，可提高加工效率，延長刀具壽命，減少對機(jī)床的沖擊。為了最大化地消除刀具路徑中的尖角拐角，采用賽車線加工(Delcam的專利高速加工方式)，如圖2所示，以保持恒定的刀具負(fù)荷和排屑率，使得刀具負(fù)荷更加穩(wěn)定，改善加工質(zhì)量。

圖1 擺線加工

圖2 賽車線加工

　　2.半精加工策略

　　半精加工的目標(biāo)是使工件輪廓形狀平整，表面加工余量均勻，為精加工的高速銑削作準(zhǔn)備[2]。作為基于知識的加工軟件，PowerMILL能自動識別上一道工序的殘留區(qū)域和拐角區(qū)域，自動判別在上一道工序殘留的臺階間進(jìn)行切削，系統(tǒng)可智能化地優(yōu)化刀具路徑，盡可能使余量保持均勻，避免出現(xiàn)大量空刀，使刀具的切削載荷更平穩(wěn)，刀具軌跡更流暢。

　　3.精加工策略

　　精加工的目標(biāo)是加工出滿足零件的設(shè)計要求的最佳表面質(zhì)量和輪廓精度。PowerMILL提供了多種精加工工序來支持不同的精加工方式，如三維偏置精加工、等高精加工、最佳等高精加工、平行精加工等。選用加工策略一般有以下原則：優(yōu)化平行加工，在刀具路徑的尖角處采用圓角的光順處理，可顯著提高加工效率，延長刀具的壽命，減少對機(jī)床的沖擊;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現(xiàn)的頻繁方向的突然改變，從而提高加工速度，減少刀具磨損;最佳等高加工，PowerMILL系統(tǒng)會自動利用區(qū)域分析算法對陡峭和平坦區(qū)域分別處理，計算適合等高及適合使用類似3D偏置的區(qū)域，并且同時可以使用螺旋方式，在很少抬刀的情況下生成優(yōu)化的刀具路徑，獲得更好的表面質(zhì)量。

　　4.清角加工

　　精加工完成后的局部清角加工也相當(dāng)重要。PowerMILL有多種清角方式，常使用自動清角(Corner Automatic Finishing)加工方式，系統(tǒng)會利用區(qū)域余率分析算法，自動對陡峭或平坦區(qū)域分別進(jìn)行處理[3]，并根據(jù)加工工藝，在陡峭拐角處采用等高方式生成刀具路徑，在平坦區(qū)域沿著刀具路徑并沿根方向全自動地從外向內(nèi)往復(fù)加工，以確保余量均勻，保證刀具路徑平滑，切削載荷均勻。

　　三、走刀路徑的優(yōu)化

　　高速加工的刀具路徑優(yōu)化的目標(biāo)是滿足無干涉、無碰撞、軌跡光滑和切削載荷平穩(wěn);同時應(yīng)保證零件的加工精度和表面粗糙度要求。PowerMILL的刀具路徑優(yōu)化主要從進(jìn)退刀方式、移刀方式和拐角走刀等幾方面進(jìn)行。

　　四、實際應(yīng)用

　　加工如圖3所示的凸模，毛坯的外形尺寸為400mm×250mm×240mm，根據(jù)模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，工序分為粗加工、半精加工、精加工、清角加工4個工序。

圖3 凸模

　　粗加工用輪廓區(qū)域清除加工方式，刀具采用圓鼻刀D30R5mm，螺旋下刀，勾選高速加工選項，避免加工方向突變導(dǎo)致刀具載荷的幾句變化，切削參數(shù)：進(jìn)給速度為6000mm/min、切削深度為2mm、主軸轉(zhuǎn)速為4000r/min、加工余量為0.8mm。

　　粗加工后的工件上存在臺階面，半精加工采用等高精加工方式，如圖4所示，采用刀具D20R0.4mm圓鼻刀，勾選修圓和螺旋，減少抬刀并使刀路順滑，切削參數(shù)：進(jìn)給速度為4800mm/min，切削深度為0.3mm，主軸轉(zhuǎn)速為12000r/min，加工余量為0.3mm。

圖4 半精加工刀具路徑

　　精加工考慮到零件表面有曲面和平面，所以分開進(jìn)行加工。其中如圖5、圖6所示的直紋面采用SWARF精加工。使用直徑為12mm，刀尖半徑為1mm的圓角刀(D12R1)，選取下圖陰影部分進(jìn)行SWARF加工的曲面。

圖5 SWARF加工面

圖6 SWARF刀具路徑

　　將刀軸設(shè)為自動。Z高度的掠過距離20mm下切距離5mm，切入切出設(shè)置為水平圓弧(角度90°，半徑6mm)，短/長/安全連接設(shè)為掠過，驅(qū)動曲線選擇曲面外側(cè)，方向順銑，不留余量。復(fù)制原始的單條路徑的SWARF精加工刀具路徑，使用D10mm端銑刀并對齊與側(cè)壁上凹陷處下部產(chǎn)生一新的刀具路徑，如圖7、圖8所示。

圖7 SWARF加工區(qū)域

圖8 SWARF刀具路徑

　　然后使用D16R0.4mm球刀以最佳等高精加工加工其余部分，并用殘留高度控制下切步距，短連接設(shè)置在曲面上，以減少抬刀。切削參數(shù)為：進(jìn)給速度為2000mm/min，殘留高度為0.1mm，主軸轉(zhuǎn)速為10000r/min，加工余量為0.5。

　　精加工后，在底部及圓角處會有殘余材料未被加工，因此需要清角工序。利用PowerMILL的測量功能測出工件的最小R角為11mm，據(jù)此選用D10球頭銑刀，按多筆清角加工方式進(jìn)行清角加工。如圖9所示。

圖9 多筆清角刀具路徑

　　在編程時，通過軟件進(jìn)行刀具夾持碰撞檢查，以免加工時發(fā)生意外。將生成的所有刀具路徑加載到同一條NC程序中，最后通過仿真模擬，在計算機(jī)上模擬刀具運(yùn)動，以防止走刀錯誤和不合理走刀，如圖10、圖11所示。

圖10 仿真結(jié)果

圖11 調(diào)用雙擺頭機(jī)床文件仿真

　　后置處理時先產(chǎn)生一空的NC程序，將生成的六個刀具路徑添加到剛產(chǎn)生的NC程序1中，如圖12所示。在NC程序1中右擊點(diǎn)擊設(shè)置，出現(xiàn)如圖13所示對話框，選擇程序名稱、輸出文件及機(jī)床選項文件(即后處理文件)，然后在NC程序1右擊點(diǎn)擊“寫入”即可在所設(shè)置的輸出文件目錄下產(chǎn)生機(jī)床加工所需的G代碼。

圖12 加載刀具路徑至NC程序

圖13 設(shè)置后處理選項

　　五、結(jié)束語

　　高速加工NC編程所生成的刀具路徑是影響模具加工質(zhì)量的主要因素，因此，應(yīng)根據(jù)高速加工的具體需要，優(yōu)選加工方法和刀具走刀方式，可使模具產(chǎn)品的加工實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率、高壽命、低工期和低成本的目標(biāo)。