MASTER CAM动态铣削在数控铣削中的应用研究

摘" 要：该文针对数控铣开粗效率较低，如何提高数控铣开粗效率，降低生产成本进行研究。经过多次试验实践比较，采用MASTER CAM动态铣削方法，通过对其加工方式方法、参数优化等分析研究与应用，得到使用动态铣削加工的方法。MASTER CAM动态铣削方法可以大幅提高加工效率，解决因铣削过程中切深较大，导致主切削力增加，切削温度升高，使刀具损坏或工件变形的情况发生，同时延长刀具使用寿命。此方法在保证零件加工精度的同时，正真做到高速、高效、高精的“三高”实践。操作简单，可充分发挥机床、刀具等性能，进一步为企业节约生产成本，扩大盈利，值得全面推广和借鉴，为数控铣高速、高效加工提供一定的参考依据。

关键词：数控铣；动态铣削；编程策略；高速高效；加工方法

中图分类号：TG519.1 文献标志码：A" " " " " " "文章编号：2095-2945（2024）32-0169-04

Abstract： This paper studies how to improve the efficiency of CNC milling and reduce production costs because of the low rough efficiency of CNC milling and the low rough efficiency. After many experiments and comparisons， the MASTER CAM dynamic milling method was adopted. Through the analysis， research and application of its machining methods， parameter optimization， etc.， a method of using dynamic milling was obtained. The MASTER CAM dynamic milling method can greatly improve processing efficiency and solve the problem that the main cutting force increases and the cutting temperature increases due to the large depth of cut during the milling process， which causes tool damage or workpiece deformation， and at the same time extends the service life of the tool. This method not only ensures the machining accuracy of parts， but also truly achieves the \"three highs\" practice of high speed， high efficiency and high precision. The operation is simple， giving full play to the performance of machine tools， tools， etc.， further saving production costs and expanding profits for enterprises. It is worth comprehensive promotion and reference， and provides a certain reference for high-speed and efficient machining of CNC milling.

Keywords： CNC milling; dynamic milling; programming strategy; high speed and efficiency; machining method

目前，在数控铣削过程中，铣削速度直接影响其加工效率，尤其是粗铣加工，往往由于其加工余量较大，占用了大量的加工时间，提高了生产成本。通常粗铣使用的加工策略是在高度方向分层铣削。根据刀具直径大小、工件材料等因素调整其铣削参数，如等高加工、区域开粗等[1]。不但开粗时间较长，由于分层次数较多，走刀轨迹大幅度增加，铣削时间延长等缘故，从而使刀具刀尖更容易产生磨损或者损坏，进一步增加企业生产成本。如何快速有效地完成粗铣加工，就是直接面对的一个难题。经过多次实践检验，采用MASTER CAM动态铣削方法，通过对其加工特点与方法的研究与优化，得到了使用动态铣削加工方法。减少铣削过程中不必要的空行程和提刀，大幅度减少了开粗时间，极大地提高了铣削效率，延长了刀具使用寿命。和传统加工方法相比，在铣削过程和参数设置方面，颠覆了人们对数控铣削的认识，尤其在粗加工效率方面，比起传统的加工方法，效率提升2～3陪[2]。

1" 动态铣削应用过程及要求

动态铣削又叫侧刃铣削，顾名思义就是利用刀具侧刃进行零部件铣削的一种铣削方法[3-6]。Master CAM动态铣削有2D动态铣削和3D动态铣削2种加工方法。2D动态铣削主要针对简单的外形轮廓或简单的内腔，通过二维平面图形或者3D建模，采用实体区域或实体边缘生成刀路轨迹。3D动态铣削主要针对外形或者内腔结构比较复杂，且有多个台阶的零件铣削加工，如图1零件图所示，为世界技能大赛数控铣项目赛题之一。本文以图1零件图为例进行了3D动态铣削的研究，该零件材料为45#钢，毛坯Ø100 mm×35 mm。

MASTER CAM动态铣削精度完全取决于建模精度，只要建模不存在误差，所加工零件不存在尺寸或者形状上的大级别误差。动态铣削加工效率高，主要是其采用的是较高的主轴转速，较快的进给速度，下刀深度一般为刀具直径的1～3倍，为了延长刀具使用寿命，保证加工余量的均匀性，在铣削过程中，一般采用顺铣方式，由于刀具在铣削过程中进行往复运动，故已加工表面质量相对较差，尤其是底面，因此该加工策略主要用于开粗。无论是2D动态铣削还是3D动态铣削，铣削过程中都存在顺铣时刀具侧刃参与切削，逆铣时刀具快速空切回退，如图2所示，粗实线刀路轨迹表示刀具采用顺铣的方式参与切削，细实线轨迹表示刀具快速回退。这样做的目的，就是为顺铣创造条件，虽然走刀路径大幅增加，但不影响其加工效率，由于回退速度快，基本可以忽略不计。想要完成一个零件的完整加工，还需要其他精加工策略的配合。

和传统铣削方法相比，MASTER CAM动态铣削可以快速、高效地去除余量，还能保持加工后表面粗糙度值和尺寸的一致性，为下一道工序做了充分的准备。虽然其具备高速铣削的特点，但铣削时主切削力比起高速铣削要大得多，因此采用动态铣削时要保证所加工零件有足够的工艺系统刚性，防止工件产生位移，对工艺系统带来的冲击，导致刀具损坏。因此，动态铣削方法对刀具、机床、装夹有一定要求。对机床，要求其必须具备较高的切削性能，包括主轴转速、主轴负载能力等；对装夹，要求其必须具备良好的工艺系统刚；对刀具，适合动态铣削的铣刀，尽可能有高的耐磨性、较大的刀具前角和后角，这样有助于提升刀具锋利程度和排削能力，减少粘刀，同时还需要具备良好的抗冲击能力。铣刀工作部分的有效长度决定着铣削深度，也就是说相同直径的铣刀，工作部分越长，其下刀深度越深。由于是侧刃铣削，因此绝对不能发生切深大于刀具工作部分长度，如果是这样，容易产生刀柄与工件发生剧烈摩擦，从而使刀具严重受力，进而损坏或者折断。结合图1零件图结构分析，开粗时选用Ø10的合金铣刀，工作部分有效长度20 mm。

2" 动态铣削方法参数设置技巧

综合图1零件图形状、装夹、材料等分析，主轴转速为5 000 r/min；下刀深度16 mm，总深32 mm，分2次完成；侧刃铣削1 mm，进给速度3 000 mm/min。参数设置如图3、图4所示，无论是2D的动态铣削参数设置，还是3D的动态铣削参数设置，最基本的设置就是距离，它的大小直接决定着侧铣分层的多少，切屑的薄厚。值越大，切屑得越厚，主切削力越大，加工效率越高。因此在维持加工效率不变的情况下，为了降低主切削力，根据刀具及工件材料情况，适当提高主轴转速。对机床及刀具要求就越高，一般情况下距离设置为刀具直径的10%左右，本零件为1 mm，当然与刀具直径及工件材料、零件结构形状、下刀深度也有一定的关系，刀具直径越大，工件材料越软，步进量可适当调高。步进量的角度，表示的是侧切时刀具进入工件的侧铣角度，该值与所用铣刀对应，一般情况下值越大，刀具刃带越锋利，排削越顺利，适合加工塑性材料，对于硬度高难加工材料，可适当降低该角度，以便提高刀具强度。系统默认50°，本零件选择默认。硬度低于45#钢，可适当调高，高于可适当降低。经过多次试验验证，45#钢的最佳切削角度50°。最小刀具半径一般默认为刀具直径的10%，如图2所示，其表示刀具采用圆弧过渡方式切入切出时的圆弧半径。分层深度就是侧切时的下刀深度，由于零件正面铣深为32 mm和刀具工作部分长度的限制，无法1次完成开粗，需要分层开粗的值，本零件为16 mm。配合陡斜/浅滩参数里的最高位置、最低位置使用，如图5所示，根据刀具、所加工工件材料及图纸尺寸，最高设置为0，最低设置为-32，分2次完成，图4第二个步进量主要用于加工高低不同形状的零件开粗，编程时一般都要勾选，否则无法对高低不同的形状进行开粗，需进行2次开粗，一般此值设置为1～2 mm，更具毛坯余量确定，本零件为1.2 mm，该值不会增加分层次数，只是让开粗后的零件在形状上符合零件加工工艺要求。若要对上表面进行开粗，可将图5的最高位置设置大于图4第二个步进量，这样就完成了对上表面的粗加工。微量提刀，表示刀具每次顺铣结束后，返回时，为了产生不必要的刀具磨损，距离已加工底面抬刀的高度，抬刀距离默认0.25 mm，不用设置。速度由默认2 500设置为4 500 mm/min，由于其不参与切削，工件尺寸越大，机床性能较好，为了提高开粗效率，可大幅度提高提刀进给速率，接近机床最高运行速度。

设置完以上参数后，还要对圆弧过滤公差进行设置，如图6所示。由于其走刀轨迹是由直线或圆弧拟合而成，因此为了保证走刀的平稳和进给速度的一致性，需要打开线/圆弧过滤设置和平滑设置2个参数，将其设置为50%左右即可，总公差根据零件公差进行相应设置，其余保持默认。最终生成图1零件的正面轨迹如图7所示。

3" 零件加工

结合图7生成的轨迹及以上参数进行加工，和传统开粗方法（主轴转速为4 000 r/min；下刀深度0.8 mm，进给速度2 000 mm/min。）相比发现：前者用时15 min，后者用时55 min；在刀具和加工质量方面基本没有区别，甚至前者侧面表面质量要高于后者。然后再配合其他精加工方法，结果如图8零件所示。

4" 结束语

本文以世界技能大赛数控铣项目赛题为例，针对MASTER CAM软件动态铣削功能的方法进行了研究，通过参数设置与优化等方法，并进行了实践应用，解决了传统粗铣效率较低的问题。应用该加工方法可大幅度提高数控铣零件加工效率，机床等性能得到了充分利用，节约资源，进一步提升企业盈利能力，为高速高效的数控铣削加工提供了可参考的依据，值得全面推广。

参考文献：

[1] 张雪峰.基于数据挖掘的铣削工艺系统动刚度研究[D].兰州：兰州理工大学，2021.

[2] 田禹，张涛，郭龙.高速铣削45钢铣刀磨损动态铣削力与磨损规律研究[J].机械制造与自动化，2022，51（4）：17-19.

[3] 朱红波.基于切削参数与刀具磨损的铣削振动影响因素研究[J].机械研究与应用，2015，28（4）：57-59.

[4] 鹿曼曼，张微微，张习习，等.数控铣加工模具零件工艺优化策略研究[J].中国设备工程，2022（17）：117-119.

[5] 李占杰，郝尚东，韩进，等.钨合金（95WNiCu）铣削参数对铣削力的影响[J].机械研究与应用，2021，34（2）：9-12，17.

[6] 刘华华，许颖，雷波.数控铣削中编程方法的应用与研究[J].机械工程与自动化，2023（1）：195-197.