張庭瑞、徐仁雄、王中行
南開技術學院工業工程與管理系 講師
東海大學工業設計(所) 研究生
東海大學工業設計系(所) 副教授
碧威股份有限公司
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轉述：
摘 要
一 般模具加工的程序不外乎從粗加工、中加工、清角加工而至最終完成所須尺寸與表面品質的精加工，而模具高速加工是一種結合高切削進給速率與高精密成品尺寸的 加工方式。在模具高速加工時，因模具加工外形複雜與多變的特性，對於刀具加工路徑的設計策略與方式的運用，就更顯得重要。
本研究首先分析 現有CAD/CAM軟體針對模具高速加工所發展加工策略的特性，並進一步在CAD/CAM軟體下，產生高速加工刀具路徑的研究。藉由刀具在切削過程中的負 荷變化與刀具運動路徑方式的條件，應用相對應的加工參數與路徑。研究中列舉在不同階段的加工過程中，CAD/CAM軟體的各種對應處理方式，以達到高速加 工的需求。本文也分析在加工機械與控制器固定的條件下，選用適當的刀具與加工方式的策略，對於工件完成品質與加工時間的影響。最後以一模具銅極加工案例， 具體說明在不同的切削條件與環境下，如何訂定適當的加工策略方式與配合參數，得到高切削速率與加工工件品質的需求。
關鍵詞 : 高速加工、模具、加工策略、CAD/CAM、刀具路徑。
1. 前言
隨 著產品生命週期的縮短，產品的設計開發時間日益緊縮，相對的，模具的設計與加工時間也必須同步縮短。傳統的模具加工製作過程是使用CNC機器進行與成品有 關部位的加工，最後進行合模與組立的工作，與成品外形有關的模仁、模穴與合模面，因為NC加工品質與精密度的原因，往往仍須耗費許多時間進行修整與配合。 另一方面，一些與造型有關的細微稜線外形，若使用人工方式拋光，常使外形變形，失去原有的設計特色。
運用高速加工可做到更精密的加工尺寸，減少甚至排除後續的鉗工工作，大幅縮短模具的製作時間並可提高其精度。模具因為在外觀造型部分常常複合許多複雜的曲面，進行NC加工路徑設計策略時，與加工外形有很大的關係，配合各種相關的加工條件，才能建立理想的加工策略。
一 般模具高速加工其關鍵技術，包含CNC加工機械的性能(機械結構剛性、控制器運算處理效率、主軸旋轉偏擺精度與熱變位補償…等)、切削刀具、刀把與加工程 式的整體搭配、刀具路徑的安排…等。其中刀具加工路徑的設計因需要的數學運算異常龐大，目前幾乎都以CAD/CAM系統進行，由於各項軟、硬體的技術不斷 的提升，許多在幾年前所難以想像可直接經由CNC加工得到的工件品質，目前幾乎都可達成。
而儘量減少不必要的電極放電加工，成為現在加工策略的思考方向。藉由符合高速加工特性的刀具切削路徑與傳統加工方式直徑更小的刀具，可作到更接近所需的模具外形尺寸，達到減少製作電極的目的。
2. 相關文獻探討
要完成整個模具的加工需要訂定適合的加工策略，並考慮不同階段的加工條件以產生理想的高速加工刀具路徑進行加工。Flutter等[4]以條列方式將加工策略以序列的加工方式、刀具與加工範圍表現，與實際模具加工場依加工程序單進行的方式有異曲同工的作用。
模 具因具有相較於機製件形狀複雜的特性，多曲面連續加工是最常使用的方式。針對加工模型的表面與水平面夾角平緩度，陡峭區域主要使用等高式加工(Z- level cut)路徑進行，較平坦區域則以外形環繞(Contour-parallel)或平行式(Direction-parallel)刀具路徑加工處理。
在 粗加工的階段，加工切削量較大，刀具負荷是主要的考量因素。目前大部分系統使用等高式的刀具路徑進行大部分材料移除的工作。相關的研究，例如： Park等[5]使用三角網格化的加工模型及Z-map與各個不同的高度平面取得的交線作為每層高度加工範圍，做為產生加工刀具路徑的依據。
為 了使刀具在加工過程中的加工負荷不要有太劇烈的波動，Bae等[6]藉由自動調整在不同位置加工條件下對應的加工進給率，使刀具能持續以高速方式進行加 工。刀具在轉角時因同時接觸到兩側的外形，因刀具與加工外形接觸長度增加，使得受力在轉角部位突然加大，Choy等[7]提出在轉角路徑中加上類似碗形的 迴圈使刀具的切削受力得以降低，提高刀具壽命。
模具的幾何外形因實際需求而在不同區域會有空間大小的不同。如果為了遷就能加工局部的小尺 寸外形區域，而使用較小的刀具進行整個工件的加工，考慮加工刀具的強度勢必使用較低的進給率與較小的路徑間距而大幅增加加工的時間。Lo[8]提出使用兩 種不同大小的刀具依序加工使加工條件與時間得以最佳化。
中、細加工階段為了得到最終的工件表面品質，Tournier[9]與Feng等[10]分別提出了加工工件表面均質留痕高度(Constant scallop height)的刀具路徑方式。
在考慮刀具運動條件方面，使用平行式的刀具路徑是很常見的方式。由於加工範圍的外形多變，在同一刀具路徑中的路徑區段往往不只一個，Park等[11]的研究中找出了這些個別的路徑區段並以最佳化的方式連結成完整的刀具路徑。
在 相同的加工條件下，不同刀具路徑的行進方式也會影響加工的完成時間。Kim等[12]在其研究中比較了幾種常見的加工進行方式的效率，其中包含單向式平行 式(One-way direction-parallel)、來回平行式(Zigzag direction-parallel) 、平順接續來回平行式(Smooth zigzag direction-parallel)與外形環繞式等的不同加工路徑。影響整個加工時間除了實際的切削時間外，另外包含刀具行進中因方向改變的加、減速 與個別的路徑區段間刀具的快速移動時間。
在考慮刀具切削條件方面，如何自動與更有效率的設定加工參數也是高速加工的一項關鍵要素。Tandon等[13]提出的最佳化銑削計算研究中，藉由其提出的運算法計算預測刀具的切削力以最佳化加工進給率與主軸轉速，達到縮短加工時間的目的。
除 了在加工路徑中考量理想的刀具運動條件與切削條件外。在經過後處理後的NC加工程式使用平滑曲線(Spline)的資料格式取代傳統的直線與圓弧方式，也 是一種達到高速加工目的的思考方向。EDS公司[14]在其使用NURBS技術於高速加工白皮書中也提到使用NURBS資料格式與傳統格式的差別。
3. 高速加工特性
3-1高速加工與傳統加工差別
應用高速加工於模具製作的主要目的有三種：(1)縮短加工時間。(2)提高模具加工成品表面品質。(3)減少甚或省去後續拋光後處理時間。
圖1是傳統加工與高速加工於模具製作流程的比較：
圖1 高速加工與傳統加工流程比較
由上圖中可看出，模具使用高速加工可省去電極製作與放電加工的時間。直接加工硬度較高的材質而得到接近鏡面的表面品質。
依UGS的『使用NURBS技術於高速加工白皮書』[14]所列的高速加工與傳統加工的比較如下(表1) :
表1高速加工與傳統加工的比較
比較項目
高速加工
傳統加工
主軸轉速
> 7000 RPM
< 7000 RPM
進給速度
100-500 m/min
< 100 m/min
工件表面留痕高度
0.0015 mm / 0.006mm
工件硬度
60 HRC 以上
切削深度
淺切削,與刀徑比約1/1
較深之切削深度
刀具間距
小於刀具半徑
加工機械
高強度結構
刀把
高平衡性刀把
刀具
直徑/刀長<1/10
程式長度
因淺切深使資料量大
由上表可看出構成高速加工的幾個要素包含：
(1) 主軸與刀把。因長時間高速運轉而產生的熱變位問題必須能有效的補償
(2) 高效率的控制器
(3) 機器結構
(4) 切削刀具
(5) 刀具路徑
3-2高速加工路徑
要符合上述高速加工條件的加工路徑可從幾個方向考量，分別說明如下：
3-2.1以刀具運動性考量
(1) 避免突然的方向改變：高速加工是儘量維持刀具以高速的運動切削狀態，過程中如果有突然的方向改變將因慣性作用造成偏移。雖然高速加工機均有自動減速機制以 維持精度，但平滑圓順的刀具路徑可使刀具切削運動維持在高速的狀態，避免不必要的加減速變化，是最理想的運動方式。圖2中左側是傳統的加工路徑，每一圈均 有四個直角轉彎，且每一迴圈也是以同樣方式接續。右側則為高速加工路徑，刀具路徑隨時保持平滑與圓順的狀態。
(a) 傳統加工刀具路徑 (b) 高速加工刀具路徑
圖2傳統加工與高速加工刀具路徑
(2) 連續平順方式接續刀具路徑：加工區域範圍過程中，路徑迴圈之間的接續同樣必須考量以平順方式接續並維持加工的條件 (例如：維持順銑)。圖3中加工路徑以S形方式接續迴圈。
圖3刀具路徑接續
(3) 避免或減少提刀次數：加工範圍因造型的原因，可能分為數個區域或因迴圈無法直接接續時，必須提升刀具到一定的安全高度，再移動到下一個加工區域的起始位置，待刀具下降到實際的加工高度後，繼續進行切削動作。
3-2.2以刀具切削條件考量
(1) 以順銑(Climb cutting)方式加工：順銑具有切削工件穩定、散熱容易與刀具壽命長等優點。符合高速加工輕量切削與高轉速容易形成高溫及切削受力需要穩定的特性。
圖3順銑加工
(2) 均勻的切屑大小與負載：此種條件可使用兩種方式達成。一種使用與傳統相同的刀具路徑，但依不同的切削位置刀具的切削深度、寬度與接觸角度改變進給率，達成單位時間的切削量與刀具受力維持一致。另一種則維持固定的刀具切削進給率，以類似圖2右側的均質切削路徑達成。
(3) 維持從外部進刀：刀具在進刀(Plunge)時的受力與一般切削相較大許多。如果加工的對象是像凸形的非封閉外形，可儘量採用從工件外部下刀再切進工件材料的方式處理。
(4) 封閉區域進刀方式：對於封閉外形的加工，因無法避免從外部進刀方式加工時，使用斜向(Ramp)或螺旋方式進刀方式。可減少刀具的進刀切削負荷，若使用不具鑽孔能力的刀具時也可避免刀具中心無法切削而損壞刀具。
3-2.3以加工表面留料與品質考量
(1) 3D等間距刀具路徑：高速加工最終目的是為了得到高表面品質的成品。任何不均勻的切削量與速度均會形成工件表面的細微刀痕。大部分的CAM系統使用外形環 繞或平行式刀具路徑作為最終的細加工方式，其在工件表面平緩度變化較劇烈的區域容易有刀具路徑間距不均勻的情形。可使用3D等間距刀具路徑。
(2) 等留痕高度：在粗加工階段，若使用相同的切削深度有可能形成不均勻的殘料。圖4中黑色線代表工件實際外形，紅色線則為等切削深度加工後的外形。
圖4等切削深度形成的不均勻殘料
4. 高速加工策略
加工策略是經由選定循序性的加工方式、刀具、加工參數依照加工模型的幾何條件加工出所需的成品外形。模具加工除了模板與機構較單純外，與成品造型有關的模仁或模板因通常複合多個曲面，使得加工策略的訂定變得複雜，以下將加工策略中的組成要素分別探討如下。
4-1 刀具路徑
不同的加工方式適合的幾何外型並不相同，在不同加工過程中的外形特性下選擇最佳的加工方式進行加工。多曲面複合加工方式的運作邏輯主要有以下方式：
(1) 等高式加工：以刀具刀側(Tool side)切削，適合陡峭曲面外形切削。
(2) 外形環繞或平行式投影(Projection)加工：以刀尖(Tool tip)部位切削，適合平緩曲面外形切削。
(3) 平面袋形加工(Pocketing)：不同區域或高度的平面加工。
(4) 引導曲面加工(Guide surface)：依照特定的參考曲面形成符合其外形的加工路徑。
(5) 複合式加工：複合(1)與(2)的混合式加工路徑。
4-2 刀具
(1) 平刀：適合平面精加工與規則曲面(Ruled surface)之單向銑削。但因在刀具邊緣加工時會有應力集中效應，造成刀具壽命減短。在高速加工時較少使用。
(2) 圓鼻刀：可銑削大部分平刀可加工的外形，並可應用於等高式粗加工。是理想的粗加工刀具，但對於部分外形尺寸較小的區域容易留下殘料及標準規格尺寸種類較少是其缺點。
(3) 球刀：適合除了平面之外的曲面加工。因粗加工時與材料的接觸面積大，使刀具負荷較高。大部分應用於中加工與細加工。
(4) 成型刀：使用於直接以刀具外形加工出所需外形。通常需要另行訂作，除非相同規格大量使用，否則不符合經濟效益。
4-3 加工參數
(1) 進給率與主軸轉速：隨刀具單位時間的切削量或負荷減少而增加。在切削速度相同的條件下，直徑較大的刀具使用較小的主軸轉速。
(2) 精度與公差：加工精度與公差值設定在粗、中加工階段使用較大值以減少計算時間。
(3) 加工深度與刀徑間距：直徑越大的刀具使用越大的加工深度與刀徑間距。粗加工階段加工深度小於刀具直徑值，刀徑間距小於刀具直徑值的一半。
(4) 留料設定：粗加工留料設定值以排除刀具陷入工件材料造成過切為考量。中加工的留料設定值為保留均勻的工件表面材料餘料供細加工切除。
(5) 進刀方式：開放型加工外形從外形開放處進刀，封閉型使用螺旋(Helical)或斜向(Ramp)方式進刀。在可能的狀況，儘量減少刀具路徑的提刀與接續次數。
4-4 加工幾何
將加工幾何外形與水平面的夾角可區分為三類：
(1) 平面：使用平刀或圓鼻刀作外形環繞或平行式加工。
(2) 平緩外形：使用球刀作外形環繞或平行式加工。
(3) 陡峭外形：使用圓鼻刀或球刀作等高式加工。
(4) 平緩與陡峭複合外形：使用圓鼻刀或球刀作等高式與外形環繞或平行式複合加工。在可明顯區分平緩或陡峭外形幾何的條件下，儘可能分開成個別外形特性分別處理。
4-5 加工程序
加工程序依序如下：
(1) 粗加工(Roughing)：加工初始階段切除大部分 的加工體積，刀具負載的穩定性在此階段是很重要的考量因素。
圖5粗加工
(2) 再粗加工(Re-roughing)：在加工幾何外形尺寸差異大的情形下，使用直徑較大的刀具進行大部分材料的移除(圖6左)。在輔以直徑較小的刀具清除大刀具無法加工到的區域(圖6右)。
圖6再粗加工
(3) 中加工(Semi-finish)：經過粗加工移除大部分 的須加工材料後，將工件再次加工使整個工件加工表面的殘餘材料形成均勻的表面。作為最終的精細加工穩定的切削幾何條件。
圖7中加工
(4) 細加工(Finish)：依照實際的工件幾何外形，設定達到最終加工完成尺寸與表面品質的條件。
圖8細加工
(5) 清角(Clean up)：在加工成品形狀中如果有較細小的角落或稜線，使用直徑較小的刀具切除先前刀具無法加工到的殘料體積。
圖9清角加工
4-6 加工策略
加工策略的選擇可先從加工對象的幾何外形著手，依照加工程序由粗加工、再粗加工、中加工、細加工與清角加工。
加工策略的內容主要與呈現於與實際機械操作人員溝渠的加工程序單內容相符。在選定完加工基準(程式原點)後，將加工幾何外形予以分類。加工模仁時如果成品外形與分模面的幾何條件可明顯區隔，製作的刀具路徑程序應分開處理。
儘 可能的使用直徑較大的圓鼻刀作初始的加工，再以球刀進行中或細加工。圖10所列出的流程選用係泛用的參考，實際運用時可依前述的準則再作更細部的調整。以 下以三個幾何外形例子作為加工策略的應用對照。圖11的加工幾何外形，使用上述的加工策略流程選用參考後，可得到的加工策略如下：
(1) 粗加工 - 圓鼻刀 - 螺旋進刀 - 等高式加工 - 全區域留料。
(2) 再粗加工 - 小圓鼻刀 - 螺旋進刀 - 等高式加工 - 全區域留料。
(3) 中加工 - 小圓鼻刀 - 複合式加工 - 全區域留料。
(4) 側壁細加工 - 小圓鼻刀 - 等高式加工 – 底部平面留料。
(5) 底部細加工 - 小圓鼻刀 - 外形環繞或平行式加工 - 側壁留料。
圖12的加工幾何外形的加工策略如下：
(1) 粗加工 - 圓鼻刀 - 外部進刀 - 等高式加工 - 全區域留料。
(2) 中加工 - 圓鼻刀 - 複合式加工 - 全區域留料。
(3) 分模面細加工 - 球刀 - 外形環繞或平行式加工 - 無留料。
(4) 模穴側壁細加工 - 球刀 - 引導曲面式加工 - 底部曲面留料。
圖10本研究加工策略流程選用
圖11加工幾何外形1
圖12加工幾何外形2
(5) 模穴底部細加工 - 球刀 - 外形環繞或平行式加工 - 無留料。
(6) 清角加工 – 小球刀 - 外形環繞式加工 - 無留料。
圖13的加工幾何外形的加工策略如下：
(1) 粗加工 - 圓鼻刀 - 外部進刀 - 等高式加工 - 全區域留料。
(2) 中加工 - 圓鼻刀 - 等高式加工 - 全區域留料。
(3) 頂部曲面細加工 - 球刀 - 外形環繞或平行式加工 - 無留料。
(4) 側壁細加工 - 圓鼻刀 - 等高式加工 - 底部平面留料。
(5) 底部細加工 - 圓鼻刀 - 外形環繞或平行式加工 - 側壁留料。
圖13加工幾何外形3
5. 實例
將本文所提出的加工策略應用到實際的電腦滑鼠銅極加工，個別的加工程序內容與結果，列述如下：
(1) 粗加工(圖14)
刀具 : 6 mm直徑R0.2 mm圓鼻刀
加工方式 : 等高式加工
刀間距 : 3 mm
主軸轉速 : 8000 rpm
進給率 : 3000 mm/min
留料 : 0.3 mm
公差 : 0.06(外)/0.02(內) mm
留痕高度 : 0.6 mm
加工時間 : 17min
圖14粗加工
(2) 中加工(圖15)
刀具 : 4 mm直徑球刀
加工方式 : 平行式加工
刀間距 : 0.5 mm
主軸轉速 : 18000 rpm
進給率 : 2500 mm/min
留料 : 0.1 mm
公差 : 0.020(外)/0.01(內) mm
留痕高度 : 0.1 mm
加工時間 : 11min
圖15中加工
(3) 側壁細加工
刀具 : 6 mm直徑平刀
加工方式 : 等高式加工
主軸轉速 : 2000 rpm
進給率 : 250 mm/min
留料 : 0
公差 : 0.005 mm
加工時間 : 3min
(4) 頂部細加工(圖16)
刀具 : 2 mm直徑球刀
加工方式 : 平行式加工
刀間距 : 0.05 mm
主軸轉速 : 15000 rpm
進給率 : 2000 mm/min
留料 : 0.1 mm
公差 : 0.005 mm
留痕高度 : 0.001 mm
加工時間 : 1hr 15min
圖16細加工
6. 結論
設定適當的模具高速加工策略所要考量的因素很多，目前並無定則。相同的加工條件，不同的製造工程師往往會有不同的詮釋。隨時吸收新的加工技術與新知並輔以經驗的累積，可使設定的加工策略更加理想。
本文提出的加工策略流程可作為一般加工程式設計人員的參考，實際的應用須更詳細與因不同的條件制宜。但已使相關作業人員有了具體的方向。
加工策略的選用雖然因不同的加工模型的幾何條件而有變化，但其內容則可以將每一加工程序中的加工方式、刀具、加工參數與對應的幾何條件予以組織成個別的單元。這些加工策略資料是可以以文字檔加以儲存的。
將針對不同加工模型設定的加工策略予以分類儲存，可套用到類似的加工幾何重複使用，成為適用於不同加工幾何的策略樣板。
經由本文的分析整理，加工策略的脈絡已有一定的雛型，將各項的條件與資源建置於專家系統中，可作為目前設計人員的工作自動化的基礎。
XML格式因為具有結構化的資料結構與可在網際網路泛用的HTML網頁中使用。配合圖文的輔助說明，更容易取用適合加工幾何外形的既有加工策略，可進一步進行研究。
參考文獻
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