数控编程加工概述

·19·第1章 数控编程加工概述第1章 数控编程加工概述知识要点& 数控加工特点与工艺& 加工类型与参数的确定& 数控加工铣削刀具& 数控编程的一般操作流程随着科学技术的不断发展和进步，生产与自动化的观念逐渐深入人心。数控设备已遍布全世界，不仅工业发达国家已广泛采用，而且连发展中国家也大量采用。为什么会这样呢？主要是二次大战之后，生产发生了一个重要变化，那就是多品种，而不是大批量生产，中小批量生产占了上风。另一个重要变化就是产品的销售时间变短，多则五年，少则一年；另一个因素是由于计算机技术的突飞猛进的发展，给数控设备提供了良好的技术基础。这样，大量的无人工厂出现。当然，无人也不是一个人也没有，不过是在一个很大的车间里，有数百台设备，仅有六七个人的工厂是足够的。为了适应多品种、换型快、中小批量生产的需要，未来的加工设备一定是数控技术的天下。1.1 数控加工特点与工艺在现今科技发达的社会中，数控加工技术是重要组成部分，在现代模具制造业中具有重要作用，目前掌握先进的数控加工技术是模具专业人才适应社会飞速发展的关键，所以掌握数控加工特点与工艺显得尤为重要。随着工业的发展数控加工的地位越来越重要，愈来愈多的零件要求加工精度高，加工形状复杂。如所谓“纳米级加工”，用手工加工几乎是不可能。在过去模具加工中，遇到复杂自由曲面或难以加工部分就采用仿形铣床与电火花机床进行生产制造，但由于仿形铣床加工精度较低，增加了抛光的工作时间，以及制作仿形时增加了生产费用和时间。所以现今的模具厂几乎都采用CNC机床、加工中心或者CNC电火花加工设备进行模具制造。由于采用CNC机床和加工中心等先进设备大大缩短了模具的交货期限，降低了生产成本。模具制造过程中，工艺方面起到了降低生产成本的作用。一般来说，工艺就是模具生产的步骤，如果步骤多了，也会延长模具的交货期限，所以一个模具的工艺是模具生产的重要部分之一。1.2 加工类型与参数的确定加工类型的选择就是根据模具结构形状划分粗加工、半精加工、局部精加工和精加工，接着根据划分的加工类型确定铣削刀具和加工策略，然后设置合理的加工参数对模具结构进行数控程序编程。1.2.1 加工类型选择模具数控加工一般分为粗加工、半精加工、局部精加工和精加工4种加工类型。1粗加工粗加工策略需要根据毛坯的类型和模具型面的情况而定。如果毛坯为锻件或钢件，那么粗加工最好先选用区域清除模型加工，将毛坯的大部分余量去除掉，得到均匀的毛坯余量，为后序加工提供方便。如果毛坯为铸件，最佳等高策略则是粗加工的最佳选择。最佳等高策略需将模型面分为平坦和陡峭两种情况，平坦区域采用平行或三维偏置方式加工，而陡峭区域采用等高线方式加工。2半精加工半精加工的主要目的是保证精加工时余量均匀，最常用的方法是先算出残留材料的边界轮廓（参考刀具未加工区域的三维轮廓），然后选用较小的刀具来加工这些三维轮廓区域，而不用重新加工整个模型。一般用等高精加工方法来加工残留材料区域内部。为得到合理的刀具路径，应注意以下几点：（1）计算残留边界时所用的余量，应跟开粗加工所留的余量一致。（2）用残留边界等高精加工凹面时，应把“型腔加工”取消掉。否则，刀具路径在进行单侧铣削时，随着深度的增加，接触刀具的材料增多，铣削力增大，使刀具易折断。（3）铣削过程中尽量减少提刀次数，提高工作效率。（4）当孔的上表面为斜面时，必须把精加工孔壁斜面提高，否则刀具会刮伤精加工过的斜面。3局部精加工局部精加工一般是指清角加工。清角加工应采用多次加工或系列刀具从大到小的加工方法。PowerMILL有多种清角加工方式，例如自动清角、沿着、笔式、多笔、缝合等。在这些加工方式中，自动清角方式最佳。笔式和多笔方式一般在粗加工进行预清除时使用，它对提高粗加工效率有明显效果。缝合是陡峭或平坦区域应选用的加工方式，一般在局部加工时选用。自动清角方式则是比较全面的一种加工方式，它在不同的区域采用不同的加工策略，如在平坦处采用多笔或沿着，而在陡峭处采用缝合。这里的平坦与陡峭区域是根据浅滩角的大小而确定，如果浅滩角设定过小则产生的刀具路径将以缝合为主；如果浅滩角设定过大则刀具路径将以沿着为主，所以浅滩角设定得过大或过小都无法体现出自动清角的优越性。在长时间的工厂实践中，认为设定在60°左右的浅滩角最为合适。浅滩角产生的自动清角刀具路径，不但减少了加工时间，而且还可以提高刀具的使用寿命，它独特的计算方法还能将分型面中所有角落的刀具路径全部计算出来，避免了其他方式的计算遗漏问题。4精加工在精加工中，除非模具型面高度变化比较大，否则最好选择平行精加工。因为平行精加工不但计算速度快，而且刀具路径光顺，加工完成的模具型面质量好。但平行方式会在局部型面产生步距不均的现象，为了避免这一现象，可以在步距不均处补加程序，或者在加工方法中选中垂直路径的对话框。选中它后，PowerMILL会自动在产生步距不均的地方，补加垂直的刀具路径。若模具型面高度变化比较大，则选用最佳加工方法是最佳等高精加工或等高精加工等方法。对于平面的精加工，常采用偏置区域清除加工。在模具型面编程中，边界的设定是非常重要的。无论是最佳等高精加工、偏置区域清除，还是平行精加工，它们产生的刀具路径都是与边界有关的，所以边界设定的好坏，将直接影响程序的质量。如果边界设定得好，则产生的刀具路径十分规范，而且不需要编辑裁剪，可节省时间。如果边界设定不好，则产生的刀具路径需要编辑裁剪，并且编辑裁减后的刀具路径产生大量的提刀。这样不但大大的增加了编程时间，而且还增加了数控机床加工时间。所以，为了保证加工质量，提高加工效率，应该注意以下几点要素。（1）精加工余量必须均匀，一般径向留余量为0.150.3mm，轴向留余量为0.050.15mm。（2）当采用偏置区域清除精加工平面时，毛坯的Z向最小值应该等于该平面的Z值，否则平面加工后高度方向尺寸误差较大。（3）若采用等高精加工，当刀具起刀点位置比较乱时，可以使用在编辑中移动开始点的方法来改正。（4）为保证在浅滩边界处平行和等高两种走刀路径接刀良好，在允许的情况下，一般在平行走刀时把浅滩边界向外三维偏移2mm左右。等高精加工侧面时常选用圆鼻刀加工，这必然导致工件底部不清角。当选用软件中的几种清角加工所产生的刀路不是很合理的情况下，一般采用等高加工通过裁剪功能去掉多余的路径的方法来代替。此时，应该检查等高精加工后Z向深度是否到位，若不到位则应该再加工一刀，把这一刀的路径拉到先前的等高加工路径里，这里应设置切入切出和连接参数。1.2.2 加工参数选择模型读取结束后，首先要进行加工参数的设定。加工参数主要包括毛坯、进给率、快进高度、开始点、切入切出和连接方式及加工刀具等。1毛坯大小设定在PowerMILL中，毛坯扩展值的设定很重要，如果毛坯扩展值设得过大将增大程序的计算量和增加编程时间；如果设得过小，程序将以毛坯的大小为极限进行计算，这样很可能导致型面加工不到位。所以，毛坯扩展的设定一般要稍大于加工刀具的半径，同时还要考虑它的加工余量。扩展值应等于加工刀具的半径加上加工余量，再加上25mm。例如30的刀具，型面余量为0.5 mm，那么毛坯扩展可设定为20。2进给率设定进给率的设定较为方便，可根据加工车间所使用的刀具、加工材料的硬度和机床设备而确定。若进给率设置得偏大或偏小，则可以通过机床的进给倍率进行调整。3快进高度设定快进高度包括两项，一项是安全高度，另一项是开始高度。安全高度一般要在PowerMILL计算出来的值的基础上，再加上2040mm左右。开始高度的值最好不要与安全高度一样，一般将它设为比安全高度小10mm左右。这样设定是为了在NC程序输出中增加一个Z值，有利于数控加工的安全性。4开始点设定开始点的值一般与安全高度的值相同。5切入切出和连接方式设定切入切出和连接方式要根据不同情况，进行不同的设定。例如，区域清除加工要采用斜向下刀或外部进刀，高速加工时切入切出采用圆弧连接，而轮廓加工则要采用水平圆弧进退刀等。6刀具设定刀具可根据加工车间习惯进行设定，在设定刀具时，最好将刀具名称设为与刀具大小相同，并加上刀具的代号。如直径为16mm的球头刀，可将它命名为“Q16”，这样命名有利于编程时对刀具的选用和检查。加工参数也可以通过PowerMILL中的宏来记录刚才的参数设定。宏的运用不但省去了许多重复操作，节约了编程时间，而且还降低了编程的错误率。宏还可以放在用户菜单里，用户可以根据自己的喜好进行设定。通过用户菜单可以执行宏，也可以执行一些其他操作。7碰撞检查设定在防止碰撞方面，PowerMILL和其他的CAM软件都提供了碰撞检查功能。两者不同的是，其他的CAM软件的碰撞检查功能只能在清除余料中使用，而且在发生碰撞的时候，其他的CAM软件的刀轨运算时间会大幅度增加，而PowerMILL的防碰撞功能在运算时间上要比其他的CAM软件少很多。另外，PowerMILL既可以在生成程序时检查，也可以在程序生成后检查，并且PowerMILL的防碰撞功能还可以检查型面、轮廓等其他操作是否会碰撞。在这一点上，PowerMILL提供了全方位的安全措施，提高了程序的安全性，降低了加工过切及碰撞的问题，而其他的CAM软件显得比较薄弱。1.3 数控加工铣削刀具与普通机床加工相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要刀具的刚性好、精度高，而且要求刀具尺寸稳定、耐用度高，断屑及排屑性能好。1.3.1 铣削刀具的类型与选用铣削刀具选择合理与否，直接决定了加工质量和加工效率。刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的，应根据加工材料性能、铣削量、工件结构形状、加工方式、机床加工能力和承受负荷，以及其他相关因素来选择刀具。刀具选择总的原则是安装调整方便、刚性好、耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下，应该尽量选择较短的刀柄，以提高刀具加工的刚性。1铣削刀具的类型为了适应数控机床高速、高效和自动化程度高等特点，铣削刀具可分为整体式和镶嵌式两种，如图1-1所示。整体式刀具的刀刃与刀柄连接一体，整体式刀具在早期是应用最广泛、最有效的铣削刀具。镶嵌式刀具是通过通用刀具、通用连接刀柄及少量专用刀柄连接而成，目前镶嵌式刀具已成为铣削刀具中的主流，在数量上达到了整个数控刀具的30%40%，金属切除量占总数的80%90%，如图1-2和图1-3所示为常用的镶嵌式铣削刀具和刀把种类及其安装方法。整体式镶嵌式图 1-1 刀具分类图 1-2 镶嵌式铣削刀具和刀把种类图 1-3 镶嵌式铣削刀具的安装方法由于立铣刀与刀夹之间存在微小间隙，所以在加工过程中刀具有可能出现振动现象。振动会使铣削力不均匀，影响加工精度和刀具使用寿命。当加工出的沟槽宽度偏小时，也可以有目的地使刀具振动，通过增大铣削量来获得所需槽宽，但这种情况下，应将立铣刀的最大振幅限制在0.02mm以下，否则无法进行稳定的铣削。在正常加工中，立铣刀的振动越小越好。当出现刀具振动时，应考虑降低铣削速度和进给速度，若两者都已降低40%后仍存在较大振动，则应考虑减小吃刀量。如果加工系统出现共振，其原因可能是铣削速度过大、刀具系统刚性不足、工件装夹力不够以及工件形状或工件装夹方法等因素所致。此时应采取调整铣削用量、增加刀具系统刚度、提高进给速度等措施。2铣削刀具的选择在实际模具生产加工当中，数控铣削刀具与普通机床所用的铣削刀具相比，有许多要求，主要表现为以下几点：（1）刚性好（尤其是粗加工刀具）、精度高、抗振及热变形小。（2）互换性好，便于快速换刀。（3）寿命高，铣削性能稳定、可靠。（4）刀具的尺寸便于调整，以减少换刀调整时间。（5）刀具应能可靠