隨著數控加工技術在模具產業中的應用，越來越多且復雜的型腔及槽體類零件出現在模具中。傳統的數控加工方式基本靠經驗，對快速選刀并未有太多的研究，這對提高數控加工的效率有著很大的影響。

    刀具直徑選擇的經驗性，不能體現“大刀允許大進給”的原則，無法更高地提高工藝系統的剛度和效率。多次進行首件的試加工比較得出最佳刀具直徑或者直接以經驗來判斷，都會浪費寶貴的材料及機床資源。

    作者以Master CAM軟件為環境，從刀具直徑與螺旋半徑、螺旋間隙之間的關系著手進行分析研究，并根據所給切削余量的設定，推導出粗加工時一次性選擇最大刀具的關系公式，能夠從根本上解決選擇最大刀具直徑的問題。

1 Master CAM軟件選刀分析

    Master CAM軟件中的下刀方式有3種，分別為垂直下刀、螺旋式下刀和斜插式下刀。

    (1)垂直下刀。使用鍵槽銑刀直接豎直下刀進入材料表面進行切削。雖然鍵槽銑刀端部刀刃通過銑刀中心，有垂直吃刀的能力，但由于鍵槽銑刀只有兩刃切削，加工時的平穩性較差，因而表面粗糙度較低，且刀具壽命不高。

    這種方法對于無法自動換刀功能的數控銑床來說，是一種很大的麻煩。只要中間需要多次換刀，就無法精確把握換刀過程中z軸方向的精度。

    (2)螺旋下刀。螺旋下刀是現代數控加工中應用較為廣泛的下刀方式，特別是模具制造行業中應用最為常見。刀片式合金模具銑刀可以進行高速切削，和高速鋼多刃立銑刀一樣在垂直進刀時沒有較大切深的能力，但可以通過螺旋式下刀的方式，通過刀片的側刃和底刃的切削，避開刀具中心無切削刃部分與工件的干涉，使刀具沿螺旋朝深度方向漸進從而達到進刀的目的。

    由于螺旋下刀易使螺旋處產生重疊的圓紋痕跡，導致表面不光潔，故螺旋下刀不宜用在精加工中。

    (3)斜插式下刀。刀具快速下至加工表面上方一個距離后，改為以一個與工件表面成一角度的方向，以斜線的方式切入工件來達到z向進刀的目的。

    采用斜插式下刀時，刀具切削材料由薄到厚。若用來開粗，則加工循環的次數要多次增加，否則極易折損刀具。因此比較適合小切削量的精加工。

    由此可見，對于型腔的粗加工，螺旋下刀是一個非常不錯的選擇。作者以此為基礎，研究粗加工螺旋下刀時快速選擇最大直徑立銑刀的問題。

2 Master CAM螺旋下刀參數功能

    圖1為Master CAM9.0中的下刀參數頁，其中主要的參數功能如表1。

    圖1 Maater CAM下刀參數界面

    表1 下刀功能參數

3 最小螺旋半徑與最大螺旋半徑

    高速鋼立銑刀不過中心刃，其中心有一工藝孔，孔的直徑一般為刀具直徑的35%，工藝孔的出現為作者提供了選擇最小螺旋半徑的依據；而刀具本身的直徑，為作者提供了選擇最大螺旋半徑的依據。因此，最小螺旋半徑和最大螺旋半徑的設置是關鍵。下面來分析最小和最大螺旋半徑各自的特點。

    圖2 最小螺旋半徑示意圖

    最小螺旋半徑。如圖2所示，當螺旋半徑小于刀具直徑的35%時，執行螺旋下刀的過程中，刀具中心孔內的材料會被漏切。而且在加工中不斷地螺旋下降的同時，刀具中心孔側壁會不斷地受孔內無法切除的材料的擠壓。在刀具高速旋轉且不斷下降的過程中，材料會對刀具施加完全相反的作用，由此產生頂刀和大量的摩擦。

    頂刀后刀具無法按程序要求下降，如果所用的夾頭是強力夾頭，那么刀具將會產生彈性形變甚至折斷；如果是普通夾頭，則刀具會沿z軸軸向滑動，嚴重影響精度。如果無冷卻液或冷卻效果不好，刀具還會在大量摩擦熱的影響下，失去刀具應有的強力特性，產生“燒刀”現象。這對機床的主軸或機床會造成相當大的損傷，影響機床此次精度甚至影響機床的后續精度。

    故在加工過程中，刀具的最小螺旋半徑應大于刀具直徑D的35%，從而避開工藝孔的影響。

    最大螺旋半徑。如圖3所示，當最大螺旋半徑大于刀具直徑D的100%的時候，螺旋中心處涂色區域內的材料將會被漏切，導致螺旋下刀已經完成即z方向已經到位的時候，螺旋中心仍然保留了一個圓臺。

    圖3 最大螺旋半徑示意圖

    如果圓臺較小，因不易受力，圓臺處的材料會被刀具擠斷，使得底部表面為斷裂口；如果圓臺較大，那么刀具可能會無法承受大量材料的強力切削，容易磨損或者迸掉刃口。

    所以最大螺旋半徑不能超過刀具直徑的100%。

4 快速選刀公式的推導

    由上述可知，螺旋下刀過程中，是否能夠安全地下刀，與最小螺旋半徑、最大螺旋半徑以及刀具直徑都存在著一定的關系，由此可以推導出它們之間存在的關系。

    設刀具直徑為D，型腔的最小寬度為L，零件精加工預留量為L₁（單邊量），粗加工邊界精修量為L₂（單邊量），螺旋下刀的xy方向預留間隙為L₃（單邊量）。

    現在以槽的中心為螺旋下刀的中心，以滿足一次螺旋為條件。在這個假設條件下，所選擇的刀具直徑應該是最大數值。由最小螺旋半徑、刀具半徑、零件精加工預留量L₁、粗加工邊界精修量L₂、螺旋下刀的xy預留間隙L₃的關系可知，能夠滿足一次螺旋條件的關系應為圖4所示。

    圖4 滿足一次螺旋的關系圖

    由此關系圖可以推出，恰好滿足一次螺旋過程的關系式應該為：

    推導后得：

    由于最小螺旋半徑應大于刀具直徑的35%，即

    可得：

5 基于Master CAM的快速選刀實例

    以Master CAM為平臺，列舉兩個實際采用螺旋下刀加工的例子如下。

    加工一個φ100mm的圓槽，確定L₁=0.2mm，L₂=0.1mm，L₃=0.1mm。由上節推導公式計算得：

    取刀具直徑為58mm，則通過模擬；若取刀具直徑為59mm，則出現警告模擬中斷。可知刀具最大直徑為φ58mm。

    加工一個寬18mm、長30mm的矩形雙D頭槽，取L₁=0.3mm，L₂=0.05mm，L₃=0.05mm，由上節公式計算得：

    取刀具直徑為10mm，則通過模擬；若取刀具直徑為11mm，則出現警告模擬中斷。可知刀具最大直徑為φ10mm。

6 試驗結果

    在Master CAM軟件中，通用的選刀方法為比較選擇法，也就是經驗選擇。根據擬定好的工藝選擇直徑最大的銑刀，是提高加工效率的有效辦法，因為大半徑的刀具，無論從剛性角度還是從切削量的角度來說，都是要優先考慮的。

    試驗人員總數為20人，全部來自高級數控銑工培訓班，該班級已經開設過Master CAM專業課，相對比較熟練，具體分為2組，每10人1組，地點為某校設計機房。

    試驗內容為該研究中的兩個實例，交叉進行，第一步采用傳統選刀方式選刀，第二步為利用該選刀公式選刀。

    第一組為φ100mm的圓槽選刀，第二組為寬18mm、長30mm的矩形雙D頭槽選刀。結果比較如表2、3。

    表2 圓槽選刀對比結果

    表3 矩形槽選刀對比結果

    由試驗數據可以看出，作者得到的選刀公式D＜（L/2-L₁-L₂-L₃）×20/17對選刀的輔助作用是巨大的。利用該公式選刀和傳統選刀方式比較，在時間上最大可以減少96.20%，最少也可以減少50%，平均時間減少率達到了70%左右。如果型腔材料切削量大的話，因刀路更新時間長，所以提高的效率會更大。

7 小結

    以前某校實習工廠在用MasterCAM加工型腔及槽體類零件時，總是在選擇刀具直徑上面花不少時間，并且試加工次數較多，對刀具大小的選擇，基本靠經驗，無法精確計算批量生產的最小時間。

    通過理論與試驗，作者所得出的在Master CAM中快速選大直徑刀具的依據公式D＜（L/2-L₁-L₂-L₃）×20/17，能夠解決快速迭擇大直徑刀具的問題，實現“大刀允許大進給”。該成果已經在某校實習工廠得到推廣。