基于MasrerCAM的打印机通纸导板型芯的加工工艺探索

赵 静，李昌雪

（1.中山市技师学院，广东 中山 528400；2.广西机电职业技术学院，广西 南宁 530007）

0 引 言

传统模具零件加工一般采用CNC→电火花→抛光等复杂的工艺流程，高速CNC加工一般采用提高切削速度和快速多次走刀的方式提高效率。随着切削速度的提高，加工时间缩短，并且切削力下降，振动变小，尤其是径向切削力大幅度降低，加工的零件变形小、表面质量好、尺寸精度高，适合形状复杂的三维曲面加工。

1 塑件分析

打印机通纸导板如图1所示，外形尺寸为336.5 mm×106.9 mm，结构复杂，长度方向的2个端面有侧凸和侧凹需要侧抽芯机构成型。打印机通纸导板中央位置的凹槽安装有导轮（摩擦轮），在模具上采用插穿的结构成型。表面有若干通纸筋，打印机工作时，纸张在通纸筋表面滑过，通纸筋的尺寸要求精确、表面粗糙度要求高，否则有卡纸的风险。导轮（摩擦轮）是纸张运动的动力来源，导轮与纸张的贴合程度及松紧程度决定了纸张能否顺利通过。因此，打印机通纸导板的品质对打印机整机的品质影响较大，在模具制造过程中，其工艺的合理性尤为重要。

图1 打印机通纸导板

2 型芯结构分析

如图2所示，型芯尺寸为390 mm×180 mm，长度方向的两端与滑块装配，平面处的4个螺纹孔在数控加工时可固定夹具。型芯中央顶部的2个长方形凸台用于型腔板的定位，加工时可留余量后期修配，其侧面的尺寸要求精确，顶面加工时建议留负余量，以免配模时产生干涉。型芯有大量90°的内角结构，大刀具无法加工，编制程序时，残留清角加工非常重要。型芯内部有大量的型腔板镶件与之配合，配合面有一定斜度，需采用电极加工，且电极放电加工时要准备多个精加工用电极，以弥补电极损耗。加强筋的位置需要采用电极放电，90°的内角结构也需要电极清根。

图2 型 芯

3 数控加工程序编制

合理的加工方法有助于提高程序的计算速度和加工效率，合理的加工参数设置有助于提高加工程序的安全性，合理的加工方法和加工参数能保证型芯加工的精度，因此，应合理选择数控加工方法和数控加工参数。

3.1 曲面粗切挖槽

MasterCAM 2019提供了曲面粗切挖槽策略，曲面粗切挖槽能根据曲面形状在Z方向下降产生逐层梯田状粗切削刀具路径，适合复杂形状的曲面加工。因型芯较大，为了提高加工效率和降低制造成本，选择尺寸较大且可替换刀片的刀尖圆角端铣刀。如图3所示，选用了安装φ10 mm可替换圆刀片的刀尖圆角端铣刀，刀杆直径为φ50 mm。

图3 φ50 mm刀尖圆角端铣刀

曲面粗切挖槽时，因刀具和型芯都较大，粗加工余量单边留0.8 mm，为了提升刀路的运算速度，将整体公差设定为0.1 mm，曲面粗切挖槽时，刀具轨迹的进退刀直接决定刀具轨迹是否安全，因此，必须勾选“由切削范围外下刀”和“螺旋进刀”。当刀具可以在模型外侧进刀时，尽可能在模型外侧进刀，保证刀具轨迹安全可靠；针对无法在模型外侧进刀的内部结构，则采用螺旋进刀。为提升加工效率，Z方向下切步距可设为0.6 mm，如图4所示。

图4 参数设定

3.2 残料区粗切

虽然φ50 mm刀尖圆角端铣刀切削时可选用更大的切削步距及下切深度，但也会在一些拐角处留下大量的残余，如图5所示，必须选用较小的刀具清角。MasterCAM提供了残留加工方法，首先以已有的刀具轨迹计算残留模型（素材模型），然后针对残留模型选用更小的刀具，用残料区粗切编制刀具路径。残料区粗切通常需要逐步选用更小的刀具（分别使用了φ30R5 mm刀尖圆角端铣刀、φ17R0.8 mm刀尖圆角端铣刀、φ8 mm平底刀和φ6 mm平底刀），经过数次残料区粗切才能清除残留的余量，其刀具路径和模拟效果如图6～图9所示。

图5 曲面粗切挖槽

图6 φ30R5 mm刀尖圆角端铣刀残料区粗切（第1次）

图7 φ17R0.8 mm刀尖圆角端铣刀残料区粗切（第2次）

图8 φ8 mm平底刀残料区粗切（第3次）

图9 φ6 mm平底刀残料区粗切（第4次）

3.3 曲面高速水平精加工水平面

为避免侧面加工时刀具直插未加工或留有余量的平面，在加工复杂型芯时，粗加工和清角加工结束后，一般先加工型芯的平面再加工侧面。Mas⁃terCAM 2019为加工水平面提供了曲面高速水平加工策略，该策略可以自动探测模型中的水平面，进刀方式可以采用螺旋进刀或斜插进刀，进刀和退刀还可以采用垂直圆弧的方式，避免了传统平面加工的直插式进刀缺陷，加工刀路更加安全和稳定。在深度切削方向还可以分层，有效应对水平面加工余量过多、单层切削时切削量过大的问题，提升平面的加工尺寸精度和表面粗糙度，如图10所示。

图10 φ17 mm刀尖圆角端铣刀精加工水平面

3.4 曲面高速等高精加工侧面

完成型芯的水平面加工后，对型芯的侧面进行半精加工，使侧面的加工余量均匀。精加工时，型芯的余量均匀，刀具切削过程会更平稳，避免刀具因受力不均而引起振动导致的振动纹，提高加工的尺寸精度和表面粗糙度。与传统等高加工策略相比，曲面高速等高加工留余量时侧面和底面可以留不一样的余量，余量的控制更灵活。进、退刀可以选择水平圆弧或垂直圆弧，刀具切入切出更安全。刀具拐角处能自动走圆弧，圆弧的大小可自定义设置，高速加工时刀具路径冲击更小，走刀更平稳，如图11所示。

图11 φ6R0.5 mm刀尖圆角端铣刀精加工侧面

3.5 曲面高速平行精加工曲面

对于型芯中的平坦平面或曲面，曲面高速水平加工无法实现，曲面高速等高加工在平坦面上生成的刀路较稀疏、步距较大，无法获得理想的尺寸精度和表面粗糙度，曲面高速平行加工的策略适用于平坦平面或曲面，其原理是先生成水平步距一致的刀具轨迹，然后投影到要加工的平坦平面或曲面上。曲面高速平行加工的进退刀可以设置为垂直圆弧，切削步距可用具体的步距数值或残脊高度控制，设置更灵活，如图12所示。

图12 φ6R3 mm球刀精加工平坦面

3.6 清 根

曲面高速等高精加工侧面时，无论使用球刀还是刀尖圆角端铣刀，侧面的根部都无法清除干净，必须对其清根。当模型比较复杂时，清角功能生成的刀路较凌乱，可用性不高，一般选用外形铣削功能清根，外形铣削进、退刀方式灵活，进、退刀位置可设置重叠值，避免进、退刀的位置产生刀痕。不同Z向深度的轮廓可一次性加工，加工轮廓可直接选择实体边线，省略了抓取曲面边缘线的步骤，外形铣削的轮廓线可选择封闭曲线或不封闭曲线，清根的刀路轨迹如图13所示。

图13 φ8 mm平底刀清根

4 刀具路径校验

刀具路径校验可及时发现刀具的装夹是否有问题、刀具伸长是否足够、刀具夹持是否会与型芯和夹持件有碰撞、程序编制过程中是否用错刀具、所编制的程序是否合理/安全、检查是否有过切和未加工到的区域等。使用vericut软件进行仿真，验证准确率更高，经过充分校验的程序可下发到车间生产，校验结果如图14所示。

图14 刀具路径校验

5 新工艺改善效果

与传统加工工艺相比，高速加工的优势如表1所示，主要改善效果如下：①提高了加工速度，以10倍传统切削速度对型芯进行高速切削加工；②提高了生产效率，可以在工件中一次装夹完成型面的粗、精加工，即所谓的“一次过”技术；③可获得高质量的加工表面，省去钳工抛光的工序；④简化了加工工序，可直接加工淬火后的工件，不需选用电加工型芯，避免了电加工所导致的表面硬化；⑤提高了加工零件的精度，高速切削将大部分热量传递给切削液，仅有少量的热量传递到刀具和工件，热量没有聚集在工作区，提高了零件加工精度。

表1 传统切削工艺与高速加工工艺

6 结束语

利用MasterCAM 2019曲面高速加工功能对型芯进行粗加工、残料加工（半精加工）、精加工、清角加工，探索曲面形状复杂、高度落差大的模型编程方法，完成打印机通纸导板型芯的加工制造。

针对打印机通纸导板型芯的结构特点，合理拟定了型芯的加工工艺路线，在粗加工时充分利用大刀具，采用大切削步距和大切削量去除大量的材料，提高了粗切的效率。半精加工时利用软件残料区粗切策略，高效地去除大刀具不能加工的残留区域。利用曲面高速水平面加工策略，自动探测模型的水平面，提高了编程的效率，降低了编程的工作强度，保证模型底面充分清除。最终经现场加工校验，编制的曲面高速加工程序合理。