未来CNC精加工技术已来临！工程师需要的思考方式

毫无疑问，五轴加工技术在生产中的应用越来越广泛。但是，我们在工厂里看到的切削刀具却仍然是那些简单的平底、球头铣刀，甚至与几十年前没有什么区别，久而久之，大家都认为这是理所当然的。

五轴加工刀具的形状只能这样简单？

当然不是。五轴加工中心可以进行复杂联动，支持使用更智能灵巧的加工刀路来提升加工效率。切削刀具制造商们陆续推出一系列大圆弧新型的铣削刀具，通过更合理地使用各种便捷可靠的加工策略，可以充分挖掘出五轴机的加工潜力。

一、大圆弧铣刀与超弦精加工技术

大圆弧铣刀也被称为鼓形铣刀、抛物线铣刀，可以针对各种形状的工件进行表面精加工，特别是在模具加工中。合理的加工刀路编程是有效使用大圆弧刀具的关键。在刀路规划中需要基于刀具切削刃的几何形状，使刀具中特殊形状的切削刃在切削过程中，以合适的角度与工件表面接触。

为了满足这一需求，刀具制造商与CAM软件开发商合作研发了能够实现这类刀具设计理念的编程算法，未来的CNC精加工技术已经来临。

Mastercam的超弦精加工技术，在高表面质量工件（例如模具）的精加工过程中，基于圆弧刀具的精确轮廓，在刀路中控制刀具以适当的角度与工件轮廓形状进行精确拟合，可以在保证表面质量的前提下大幅减少加工循环时间。

大圆弧刀具几乎都需要配合五轴机床使用，特别是在模具加工领域，以保持它们以所需的角度切削。Mastercam的超弦精加工技术可以结合刀具形状和五轴机床的复杂运动性能进行有机结合，大幅提高精加工的效率。

二、怎么看待这类新型铣刀？CAM软件扮演怎样的角色？

CNC Software公司在大圆弧刀具的理念刚刚提出时就开始与刀具制造商进行深入技术交流，进行协同研发。CNC Software的工程师Jesse Trinque 深度参与了Mastercam针对大圆弧刀具的编程方案的研发。他是怎么看待这类新型铣刀？以及这种新的切削理念中CAM软件可以扮演怎样的角色？

“在过去，CAM软件实际上还没有将切削刀具进行精确实体建模，”他说。“因为没有必要。刀具的形状太简单了：立铣刀的形状是个圆柱体，球刀是带半球形底端的圆柱体，这些简单的几何实体形状足以精确地表达CAM 刀路中的刀具形状。但大圆弧刀具改变了这一点，它们的切削刃由不规则的圆弧段构成，形状十分复杂。涉及这种刀具的编程，首先需要在CAM软件中针对刀具的形状进行精确定义，通过特殊算法将刀具的切削刃与工件表面的复杂曲面进行拟合，最后生成刀路。这就是Mastercam的超弦精加工技术。

对于这些在新技术研发上的投入，最好的回报就是大幅提升的精加工效率。大圆弧刀具使用特殊弧度的切削刃沿着曲面边缘轮廓进行精铣。使用球刀进行精加工时，切削点的弧度受限于其刀身半径。相比之下，圆桶型式（barrel-form）或椭圆型式（oval-form）之类的大圆弧刀具，可以在小半径刀身上使用非常大弧度的切削刃进行加工。

CAM软件对于使用圆弧段工具至关重要。保持所需的精确啮合角度需要针对每种不同的圆弧段工具类型定制的刀具路径。

球刀的优点是在使用时不用考虑刀尖形状与工件表面形状的啮合角度。无论使用何种角度，刀尖接触点的形状始终是圆形。Jesse说，使用球刀精加工的缺点是加工循环时间长。球刀需要较小的步进增量来保证精加工表面质量，被加工表面较大时，加工时间会变的非常长。而使用大圆弧刀具则可以更大的步进量来达到同样的表面质量，这样一来就可以大幅缩短循环时间。但使用大圆弧刀具时必须保持在切削刃以合适的角度与工件接触，以便大半径刀刃轮廓起到作用。

通过使用比球刀大的多的刀尖圆弧，大圆弧刀具可以更高效的进行精加工。这里的锥度型式刀具是一种极端的情况 - 它的切削刃看起来几乎是直的。这种刀具需要以非常精确的啮合角度进行精加工。

以怎样的接触角度进行精加工？Jesse说，椭圆型式（Oval-Form）刀具在有效接触区域内，使用的接触角度仅限于15度以内。锥度型式（Taper-Form）比这更有限，它的啮合角度变化不能超过0.1度。相比之下，球刀在其运动范围内的角度实际上是无限的。这就是为什么球刀几乎可以用在所有的加工中心上，但大圆弧刀具主要应用于五轴机床。

他说，圆弧型铣刀适用于铣削工件上的开放式大曲面特征，例如使用透镜型式（Lens-Form）刀具精铣模具中模穴的底部区域，使用锥度型式（Taper-Form）或椭圆型式（Oval-Form）刀具对模芯的侧壁精加工。一般来说使用球刀进行这些区域的加工都可能耗时好几个小时，而使用几种大圆弧铣刀的组合策略，可以把加工时间降低到一小时以内。

相比球刀，大圆弧刀具是这样节省循环时间的：利用更大的刀尖弧度，可以使用更大步进增量达到相同的残脊高度。用这种方式不仅提高了生产率，而且所得到的表面光洁度也更好。

他说，超弦精加工不仅仅可以用在模具加工上。具有大曲面特征的航空航天零件和医疗植入器械也非常适用超弦精加工。特别是航空航天和医疗器械零件的加工很多已经在使用五轴机床进行加工“我们最近协助一家公司加工钛合金膝盖部件，”他说。“这个零件使用五轴机床加工，原来的精加工循环时间是70分钟。我们使用大圆弧刀具结合Mastercam的超弦精加工技术，将精加工循环时间缩短到10分钟，其表面质量甚至比之前更好。”

球刀仍然很重要。有时，复杂工件中会有一些细小间隙特征、只有球刀才能以合适的角度伸入间隙进行精加工。确实，Jesse先生说这是用户接受新型刀具和新的精加工理念时需要认识到的现实。

“那些听说过超弦精加工和大圆弧刀具的公司往往希望将它们应用到所有加工中，但这样的加工方式有它的局限性：它们不适用于粗加工，而且每种形状的刀具都有自己的优点和局限性。了解这些不同形状的刀具和它们适用的工件特征可以帮助CNC工程师拓展编程思路，以更灵活的方式处理工件上的不同特征，提高整体精加工的效率“在过去，在编程时可能只用一把球刀去慢慢地精加工一个复杂型腔，”他说。“理解了超弦精加工技术，在编程时可以根据型腔中不同区域的特点，选用不同形状的刀具和不同的刀路，以更高效的效率，更低的成本完成精加工。”

Jesse说，这就是未来CNC工程师需要的思考方式。在他看来，使用切削刃形状更复杂的刀具是精加工的未来。刀具的进化，可以将CAM软件所能实现的复杂刀路与五轴加工中心所能实现的复杂机床运动相结合，是精加工效率提升的下一个决定性因素。他说，事实上，许多刀具制造商也在推出实用高效的，不同形状的刀具。Mastercam不再将刀具定义为简单的形状，而是作为高效精加工中不可或缺的重要组成部分。