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CAM数控加工工艺
第1章绪论
本章主要内容:
&CAM编程的基本实现过程
&CAD/CAM软件功能与UGCAM简介
&数控加工与数控程序基础
&CAM数控加工工艺设计要点
&高速加工数控编程
1.1CAD/CAM软件交互式编程的基本实现过程
数控编程技术包含数控加工与编程、金属加工工艺、CAD/CAM软件操作等多方面知识,其主要任务是计算加工走刀中的刀位点(简称CL点)。
根据数控加工的类型,数控编程可分为数控铣加工编程、数控车加工编程、数控电加工编程等,而数控铣加工编程又可分为2.5轴铣加工编程、3轴铣加工编程和多轴(4轴、5轴)铣加工编程等。
3轴铣加工是最常用的一种加工类型,而3轴铣加工编程是目前应用最广泛的数控编程技术。
专家指点:
当前应用UGNX进行数控编程,多应用于3轴的数控铣床或加工中心编程。
本书中所提及的数控加工或编程,如无特别注明,均指2.5轴和3轴铣数控加工或编程。
数控编程经历了手工编程、APT语言编程和交互式图形编程3个阶段。
交互式图形编程就是通常所说的CAM软件编程,也称为自动编程。
由于CAM软件自动编程具有速度快、精度高、直观性好、使用简便、便于检查和修改等优点,已成为目前国内外数控加工普遍采用的数控编程方法。
交互式图形编程的实现是以CAD技术为前提的。
数控编程的核心是刀位点计算,对于复杂的产品,其数控加工刀位点的人工计算十分困难,而CAD技术的发展为解决这一问题提供了有力的工具。
利用CAD技术生成的产品三维造型包含数控编程所需要的完整的产品表面几何信息,而计算机软件可针对这些几何信息进行数控加工刀位的自动计算。
绝大多数的数控编程软件同时具备CAD的功能,因此称为CAD/CAM一体化软件。
由于现有的CAD/CAM软件功能已相当成熟,因此使得数控编程的工作大大简化,对编程人员的技术背景、创造力的要求也大大降低,为该项技术的普及创造了有利条件。
目前市场上流行的CAD/CAM软件均具备了较好的交互式图形编程功能,操作过程大同小异,编程能力差别不大。
不管采用哪一种CAD/CAM软件,NC编程的基本过程及内容均可用图1-1表示。
图1-1NC编程的基本过程
1.1.1获得CAD模型
CAD模型是NC编程的前提和基础,任何CAM的程序编制必须有CAD模型为加工对象。
获得CAD模型的方法通常有以下3种:
(1)打开CAD文件。
如果某一文件是已经使用UGNX进行造型完毕的,或者是已经做过编程的文件,则重新打开该文件,即可获得所需的CAD模型。
(2)直接造型。
某些CAD/CAM软件,如UGNX、Cimatron本身就是一个功能非常强大的CAD/CAM一体化软件,具有很强的造型功能,可以进行曲面和实体的造型。
对于一些不是很复杂的工件,可以在编程前直接造型。
(3)数据转换。
当模型文件是使用其他的CAD软件进行造型时,首先要将其转换成当前CAD/CAM软件专用的文件格式。
通过软件的数据转换功能,可以读取其他CAD软件所做的造型。
如UGNX提供了常用CAD软件的数据接口,并且有标准转换接口,可以转换的文件格式包括IGES、STEP等。
1.1.2加工工艺分析和规划
加工工艺分析和规划的主要内容包括:
(1)加工对象的确定。
通过对模型的分析,确定这一工件的哪些部位需要在数控铣床或者数控加工中心上加工。
数控铣的工艺适应性也是有一定限制的,尖角和细小的筋条等部位是不适合加工的,应使用线切割或者电加工来加工;而另外一些加工内容,可能使用普通机床有更好的经济性,如孔的加工、回转体加工,可以使用钻床或车床进行加工。
(2)加工区域规划。
即对加工对象进行分析,按其形状特征、功能特征及精度、粗糙度要求将加工对象分成数个加工区域。
对加工区域进行合理规划可以达到提高加工效率和加工质量的目的。
专家指点:
在进行加工对象确定和加工区域规划或分配时,参考实物可以更直观地进行分析和规划。
(3)加工工艺路线规划。
即从粗加工到精加工再到清根加工的流程及加工余量分配。
(4)加工工艺和加工方式确定。
如刀具选择、加工工艺参数和切削方式(刀轨形式)选择等。
在完成工艺分析后,应填写一张CAM数控加工工序表,表中的项目应包括加工区域、加工性质、走刀方式、使用刀具、主轴转速、切削进给等选项。
完成了工艺分析及规划可以说是完成了CAM编程80%的工作量。
同时,工艺分析的水平原则上决定了NC程序的质量。
1.1.3CAD模型完善
CAD模型完善即对CAD模型做适于CAM程序编制的处理。
由于CAD造型人员更多考虑零件设计的方便性和完整性,并不顾及对CAM加工的影响,所以要根据加工对象的确定及加工区域规划对模型作一些完善,通常包括以下内容:
(1)坐标系的确定。
坐标系是加工的基准,将坐标系定位于适合机床操作人员确定的位置,同时保持坐标系的统一。
(2)隐藏部分对加工不产生影响的曲面,按曲面的性质进行分色或分层,这样一方面看上去更为直观清楚,另一方面在选择加工对象时,可以通过过滤方式快速地选择所需对象。
(3)修补部分曲面。
对由于不加工部位存在造成的曲面空缺部位,应该补充完整。
如钻孔的曲面、存在狭小凹槽的部位,应该将这些曲面重新做完整,这样获得的刀路轨迹规范而且安全。
(4)增加安全曲面,如对边缘曲面进行适当地延长。
(5)对轮廓曲线进行修整。
对于数据转换获取的数据模型,可能存在看似光滑的曲线其实存在着断点、看似一体的曲面在连接处不能相交。
此时可通过修整或者创建轮廓线构造出最佳的加工边界曲线。
(6)构建刀路轨迹限制边界。
对于规划的加工区域,需要使用边界来限制加工范围的,可先构建出边界曲线。
1.1.4加工参数设置
参数设置可视为对工艺分析和规划的具体实施,它构成了利用CAD/CAM软件进行NC编程的主要操作内容,直接影响NC程序的生成质量。
参数设置的内容较多,其中包括:
(1)切削方式设置。
用于指定刀轨的类型及相关参数。
(2)加工对象设置。
指用户通过交互手段选择被加工的几何体或其中的加工分区、毛坯、避让区域等。
(3)刀具及机械参数设置。
针对每一个加工工序选择合适的加工刀具并在CAD/CAM软件中设置相应的机械参数,包括主轴转速、切削进给、切削液控制等。
(4)加工程序参数设置。
包括对进退刀位置及方式、切削用量、行间距、加工余量、安全高度等参数进行设置。
这是CAM软件参数设置中最主要的一部分内容。
1.1.5刀轨计算
在完成参数设置后,即可将设置结果提交CAD/CAM系统进行刀轨的计算。
这一过程是由CAD/CAM软件自动完成的。
1.1.6检查校验
为确保程序的安全性,必须对生成的刀轨进行检查校验,检查有无明显刀路轨迹、有无过切或者加工不到位,同时检查是否会发生与工件及夹具的干涉。
校验的方式有:
(1)重播查看。
通过对视角的转换、旋转、放大、平移来查看生成的刀路轨迹,适于观察其切削范围有无越界及有无明显异常的刀路轨迹。
(2)实体仿真。
直接在计算机屏幕上模拟材料切除过程。
(3)机床仿真。
在CAD/CAM软件中,直接模拟机床加工的运动过程,可以显示机床与夹具,可以实际判断是否会发生干涉。
对检查中发现问题的程序,应调整参数设置重新进行计算,再作检验。
1.1.7后置处理
后置处理实际上是一个文本编辑处理过程,其作用是将计算出的刀轨(刀位运动轨迹)以规定的标准格式转化为NC代码并输出保存。
在后置处理生成数控程序之后,还需要检查这个程序文件,特别对程序头及程序尾部分的语句进行检查,如有必要可以修改。
这个文件可以通过传输软件传输到数控机床的控制器上,由控制器按程序语句驱动机床加工。
在上述过程中,编程人员的工作主要集中在加工工艺分析和规划、参数设置这两个阶段,其中工艺分析和规划决定了刀轨的质量,参数设置则构成了软件操作的主体。
1.2编制高质量的数控程序
1.NC程序的质量判断
NC程序的质量是衡量NC程序员水平的关键指标,其判定标准可归纳为:
(1)完备性。
即不存在加工残留区域。
(2)误差控制。
包括插补误差控制、残余高度(表面粗糙度)控制等。
(3)加工效率。
即在保证加工精度的前提下加工程序的执行时间。
(4)安全性。
指程序对可能出现的让刀、漏刀、撞刀及过切等不良现象的防范措施和效果。
(5)工艺性。
包括进退刀设置、刀具选择、加工工艺规划(如加工流程及余量分配等)、切削方式(刀轨形式选择)、接刀痕迹控制以及其他各种工艺参数(如进给速度、主轴转速、切削方向、切削深度等)的设置等。
(6)其他。
如对机床及刀具的损耗程度、程序的规范化程度等。
在评价NC程序质量的各项指标中,有些内容存在一定程度的矛盾。
例如,残余高度决定了加工表面的光洁度,从加工质量来看,残余高度越小,加工表面质量越高,但加工效率就会降低。
所以,在进行NC编程时,不应片面追求加工效率,而应综合权衡各项指标,在满足产品的质量要求及一定的加工可靠性的基础上提高加工效率。
2.数控程序人员的基本要求
为了编制高质量的数控加工程序,数控编程人员必须掌握一定的数控加工的相关基础知识,包括数控加工原理、数控机床结构和分类,以及机床坐标系。
作为一名数控编程工程师,有必要掌握一定的手工编程知识,包括程序结构和常用数控指令,这对于理解数控自动编程、后置处理等均有帮助。
数控加工工艺分析和规划将影响数控加工的质量和效率,因此工艺分析和规划是数控编程的核心工作。
在CAM自动编程中,对数控工艺的分析和规划主要包括加工区域的划分与规划、刀轨形式与走刀方式的选择、刀具及机械参数的设置、加工工艺参数的设置。
3.CAM编程的学习
交互式图形编程技术(也就是常说的CAM编程)的学习有以下3个要点:
(1)学习CAD/CAM软件应重点把握核心功能的学习,因为CAD/CAM软件的应用也符合所谓的“20/80原则”,即80%的应用仅需要使用20%的功能。
(2)培养标准化、规范化的工作习惯。
对于常用的加工工艺过程应进行标准化的参数设置,并形成标准的参数模板,在各种产品的数控编程中尽可能直接使用这些标准的参数模板,以减少操作复杂度,提高可靠性。
(3)重视加工工艺的经验积累,熟悉所使用的数控机床、刀具、加工材料的特性,以便使工艺参数设置更为合理。
1.3数控程序基础
1.3.1数控程序的结构
如图1-2所示是一个数控程序结构示意图。
一般情况下,一个基本的数控程序由以下几部分组成:
(1)程序起始符。
一般为“%”,有的数控系统也采用其他字符,应根据数控机床的操作说明使用。
程序起始符单列一行。
(2)程序名。
单列一行,有两种形式:
一种是以规定的英文字母(通常为O)为首,后面接若干位(通常为2位或4位)数字,如O523,也可称为程序号;另一种是以英文字母、数字和符号“-”混合组成,比较灵活。
程序名具体采用何种形式是由数控系统决定的。
(3)程序主体。
由多个程序段组成,程序段是数控程序中的一句,单列一行,用于指令机床完成某一个动作。
每个程序段又由若干个程序字(WORD)组成,每个程序字表示一个功能指令,因此又称为功能字,它由字首及随后的若干个数字组成(如X100)。
字首是一个英文字母,称为字的地址,它决定了字的功能类别。
一般字的长度和顺序不固定。
在程序末尾一般有程序结束指令,如M30,用于停止主轴、冷却液和进给,并使控制系统复位。
(4)程序结束符。
程序结束的标记符,一般与程序起始符相同。
以上是数控程序结构最基本的形式,也是采用交互式图形编程方式后处理所得到的最常见的程序形式。
更复杂的程序还包括注释语句、子程序调用等,这里不作更多的介绍。
1—起始符2—程序名3—程序主体4—程序结束符5—功能字6—程序段
图1-2数控程序结构
1.3.2常用的数控指令
数控程序字按其功能的不同可分为若干种类型,下面分别予以简单介绍。
1.顺序号字
顺序号字也叫程序段号,在程序段之首,以字母N开头,其后为一个2~4位的数字。
专家指点:
数控程序是按程序段的排列次序执行的,与程序段号的大小次序无关,即程序段号实际上只是程序段的名称,而不是程序段执行的先后次序。
2.准备功能字
准备功能字以字母G开头,后接一个两位数字,因此又称为G指令。
它是控制机床运动的主要功能类别。
常用的G指令如下。
(1)G00:
快速点定位,即刀具快速移动到指定坐标,用于刀具在非切削状态下的快速移动,其移动速度取决于机床本身的技术参数。
如刀具快速移动到点(100,100,100)的指令格式为
G00X100.0Y100.0Z100.0
(2)G01:
直线插补,即刀具以指定的速度直线运动到指定的坐标位置,是进行切削运动的两种主要方式之一。
如刀具以250mm/min的速度直线插补运动到点(100,100,100)的指令格式为
G01X100.0Y100.0Z100.0F250
(3)G02、G03:
顺时针和逆时针圆弧插补,即刀具以指定的速度以圆弧运动到指定的位置。
G02/G03有两种表达格式:
一种为半径格式,使用参数值R,如G02X100.Y100.R50.F250表示刀具以250mm/min的速度沿半径为50的顺时针圆弧运动至终点(100,100),其中R值的正负影响切削圆弧的角度,R值为正时,刀位起点到刀位终点的角度小于或等于180°,R值为负时,刀位起点到刀位终点的角度大于或等于180°;另一种为向量格式,使用参数I、J、K给出圆心坐标,并以相对于起始点的坐标增量表示。
如G02X100.Y100.I50.J50.F250表示刀具以250mm/min的速度沿一顺时针圆弧运动至点(100,100),该圆弧的圆心相对于起点的坐标增量为(50,50)。
(4)G90、G91:
绝对指令、增量指令。
其中G90指定NC程序中的刀位坐标是以工作坐标系原点为基准来计算和表达的。
而G91则指定NC程序中每一个刀位点的坐标都是以其相对于前一个刀位点的坐标增量来表示的。
(5)G40、G41、G42:
刀具半径左补偿、右补偿和取消半径补偿。
用半径为R的刀具切削工件时,刀轨必须始终与切削轮廓有一个距离为R的偏置,在手工编程中进行这种偏置计算往往十分麻烦。
如果采用G41、G42指令,刀路轨迹会被自动偏移一个R距离,而编程只要按工件轮廓去考虑即可。
在G41、G42指令中,刀具半径是用其后的D指令指定。
所谓左补偿,是指沿着刀具前进的方向,刀轨向左侧偏置一个刀半径的距离。
在交互式图形编程中,由于刀轨是在工件表面的偏置面上计算得到的,因此不需要再进行半径补偿,即一般不使用G40~G42指令。
(6)G54、G92:
加工坐标系设置指令。
G54是数控系统上设定的寄存器地址,其中存放了加工坐标系(一般是对刀点)相对于机床坐标系的偏移量。
当数控程序中出现该指令时,数控系统即根据其中存放的偏移量确定加工坐标系。
G92是根据刀具起始点与加工坐标系的相对关系确定加工坐标系,其格式示例为
G92X20.0Y30.0Z40.0
表示刀具当前位置(一般为程序起点位置)处于加工坐标系(20,30,40)处,这样就等于通过刀具当前位置确定了加工坐标系的原点位置。
3.辅助功能字
辅助功能字一般由字母M及随后的两位数字组成,因此也称为M指令。
它用来指令数控机床辅助装置的接通和断开(即开关动作),表示机床各种辅助动作及其状态。
常用的M指令如下。
(1)M02、M30:
程序结束。
(2)M03、M04、M05:
主轴顺时针转、主轴逆时针转、主轴停止转动。
(3)M06:
换刀。
将预置的刀具(T_)换到主轴上。
(3)M08、M09:
冷却液开、关。
(4)M98:
调用子程序。
(5)M99:
子程序结束返回主程序。
4.其他功能字
(1)尺寸字:
也称为尺寸指令,主要用来指令刀位点坐标位置。
如X、Y、Z主要用于表示刀位点的坐标值,而R用于表示圆弧的半径(参见G02、G03指令中的内容)。
(2)进给功能字:
以字母F开头,因此又称为F指令,用于指定刀具插补运动(即切削运动)的速度,称为进给速度,单位是毫米/分钟(mm/min)。
(3)主轴转速功能字:
以字母S开头,因此又称为S指令。
用于指定主轴的转速,以其后的数字给出,单位是转/分钟(r/min)。
(4)刀具功能字:
用字母T及随后的号码表示,因此也称为T指令。
用于指定加工时采用的刀具号,该指令在加工中心上使用。
以上介绍的是最基本的数控指令,使用它们已能够完成普通的数控编程任务。
如欲了解更多的数控指令,请参阅附录A中的相关内容或相关参考书。
1.3.3手工编程示例
尽管交互式图形编程已成为当前数控编程的主流方法,但在某些场合下手工编程仍有其应用的必要性。
本节仅对手工编程作简单的介绍,并给出一个简单的程序示例。
手工编程的基本步骤是:
(1)零件图分析。
(2)刀具加工路径规划和刀位计算。
(3)工艺分析。
(4)程序编制与校验。
下面是一个简单的手工编程示例,其中的刀位点已分别在图1-3和程序(见表1-1)中对应标出。
图1-3刀位点
表1-1加工程序及说明
程序
程序段说明
刀位点
N1G54G90G00X0Y0;
选择坐标系,并移动到原点O
O
N2S800M03;
主轴转速设定及主轴顺时针转
N3G90G00X-5.5Y-7.;
采用绝对坐标系编程,速移至P1。
由于Z坐标不变,因此在G00后省略该坐标值的尺寸字
P1
N4Z-1.2M08;
刀具速降到工件表面以下1.2mm处,X、Y坐标不变。
打开冷却液。
由于与前一指令同样是快速点定位,因此G00可省略
N5G41G01X-5.5Y-5.
D03F250;
刀具左补偿启动,并以250mm/min的速度进行第一次带左补偿的直线插补运动,注意移动坐标与实际运动位置P2的关系。
此后各段左补偿将持续有效。
D03中存放了刀具半径的数值,即左补偿量
P2
N6Y0;
直线插补移动(与前一指令相同,故G01可省略)至P3,这是进刀段
P3
N7G02X-2.Y3.5R3.5;
顺时针圆弧切削运动到P4
P4
N8G01X2.Y3.5;
直线插补
P5
N9G02X2.Y-3.5R3.5;
顺时针圆弧切削运动
P6
N10G01X-2.Y-3.5;
直线插补
P7
N11G02X-5.5Y0R3.5;
顺时针圆弧切削运动
P8
N12G01X-5.5Y5.;
直线插补
P9
续表
程序
程序段说明
刀位点
N13G40G00X-5.5Y7.M09;
取消半径补偿功能
P10
N14Z10.M05;
刀具上升到安全位置
N15X0Y0;
刀具回原点
O
N16M30;
程序结束
进行手工编程时,应注意以下几个问题和细节:
(1)部分机床设置默认使用脉冲当量为单位,一个脉冲当量通常为1μm,即0.001mm,而加上小数点后的值被认为是尺寸,单位为mm,所以在编程时一定不要忘记坐标值后的小数点。
(2)注意参数值的正负,选择正确的切削方向和刀具补偿方向。
(3)结合使用G90/G91可以减少计算量,但一定不能混淆。
(4)编制程序时,刀具最好在同一平面内运行,避免3轴同时运动,如将Z轴运行列为单独的一个单节,这样安全性更高。
(5)在程序末尾加工完成时,建议先使用M05停止主轴转动,再由M02或M30结束程序。
M02/M30也将停止主轴,但主轴所受的扭力较大,机床主轴齿轮寿命受损。
(6)对较长的程序,建议使用CAD/CAM自动编程软件进行编程,或者在计算机上书写完整并检验后再传输到数控机床,这样可以避免或减少错误,同时减少机床待机时间,提高机床利用率。
1.4CAD/CAM软件数控编程功能分析及软件简介
CAD/CAM软件发展到今天,已经相当成熟。
各种CAD/CAM软件的功能十分繁杂多样,但大多数软件所提供的核心功能基本相同,只要掌握了这些基本功能,加上良好的操作习惯和一定的工艺经验,就完全能够编制出优良的数控程序。
1.4.1CAD/CAM软件功能
现有CAD/CAM软件所提供的基本功能组成可进行以下概括的分类:
(1)三维造型功能。
如前所述,加工表面的几何信息是CAD/CAM软件进行加工刀轨计算的依据。
因此CAD/CAM软件通常能够提供曲面造型、实体建模、装配设计等功能。
(2)参数管理。
参数(如加工对象、刀具参数、加工工艺参数等)的设置是交互式图形编程的主要操作内容,因此也是CAD/CAM软件数控编程的主要功能组成部分,包括参数输入、修改、管理、优化等。
(3)刀位点计算。
根据用户设定的加工参数和加工对象计算出刀位点,由于刀位点计算是数控编程中最重要和最复杂的工作环节,因此它也是利用CAD/CAM软件进行交互式图形编程的最明显的优势。
(4)仿真。
以图形化的方式直观、逼真地模拟加工过程,以检验所编制的NC程序是否存在问题。
(5)刀轨的编辑和修改。
提供多种编辑手段(如增加、删除、修改刀轨段等),使用户对编制的数控刀轨进行修改。
(6)后处理。
CAD/CAM软件计算出的刀轨包含大量刀位点的坐标值,后处理的作用就是将这些刀位点坐标值按标准的格式“填写”到数控程序中,得到程序主体的内容。
它实际上是一个文字处理过程。
当然,还需要在程序的开头和结尾加上一些辅助指令,如在程序开始加上冷却液开、在程序结束部分加上冷却液关等。
(7)工艺文档生成。
将机床操作人员所需要的工艺信息(如程序名称、加工次序、刀具参数等)编写成标准、规范的文档。
这一功能虽然简单,但它对保证编程人员与机床操作人员的配合、避免失误有重要的作用。
1.4.2UGNXCAM的特点
UGNX是数字化产品生命周期管理(PLM)的核心部分,PLMSolutions可以提供具有强大生命力的产品全生命周期管理(PLM)解决方案,包括产品开发、制造规划、产品数据管理、电子商务等的产品解决方案,而且还提供一整套面向产品的完善的服务,主要为汽车与交通、航空航天、日用消费品、通用机械以及电子工业等领域通过其虚拟产品开发(VPD)的理念提供多级化的、集成的、企业级的包括软件产品与服务在内的完整的解决方案。
UGNX功能非常强大,其所包含的模块也非常多,涉及工业设计与制造的各个层面,是业界最好的CAD/CAE/CAM集成软件包之一。
UGNX强大的加工功能由多个加工模块所组成。
其中,型芯和型腔铣模块提供了粗加工单个或多个型腔的功能,可沿任意形状走刀,产生复杂的刀路轨迹。
当检测到异常的切削区域时,它可修改刀路轨迹,或者在规定的公差范围内加工出型腔或型芯。
固定轴铣与变轴铣模块用于对表面轮廓进行精加工。
它们提供了多种驱动方法和走刀方式,可根据零件表面轮廓选择切削路径和切削方法。
在变轴铣中,可对刀轴与投射矢量进行灵活控制,从而满足复杂零件表面轮廓的加工要求,生成3~5轴数控机床的加工程序。
此外,它们还可控制顺铣和逆铣切削方式,按用户指定的方向进行铣削加工,对于零件中的陡峭区域和前道工序没有切除的区域,系统能自动识别并清理这些区域。
顺序铣模块可连续加工一系列相接表面,用于在切削过程中需要精确控制每段刀路轨迹的场合,可以保证各相接表面光顺过渡。
其循环功能可在一个操作中连续完成零件底面与侧面的加工,可用于叶片等复杂工件的加工。
在加工基础模块中包含以下加工类型:
(1)点位加工。
可产生点钻、扩、镗、铰和攻螺纹等操作的刀路轨迹。
(2)平面铣。
用于平面轮廓或平面区域的粗、精加工,刀具平行于工件底面进行多层铣削。
(3)型腔铣。
用于粗加工型轮廓或区域。
它根据型腔的形状,将要切除的部位在深度方向上分成多个切削层进行层切削,
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