第三章 数控加工关键技术的研究

计算机辅助制造CAM从狭义上讲就是计算机辅助机械加工，也就是数控加工，其核心是数控编程和数控加工工艺的设计。在这一章中将介绍与数控加工技术有关的内容。

3.1 数控编程的定义
生成数控机床进行零件加工的数控程序的过程，称为数控编程（NC programming）。数控编程可以手工完成，即手工编程（manual programming），也可以由计算机辅助完成，即计算机辅助数控编程（computer aided NC programming）。采用计算机辅助数控编程需要一套专用的数控编程软件，现在数控编程软件主要分为批处理命令方式为主的各种类型的APT语言和以CAD/CAM软件为基础的图形交互式自动编程如UG软件、CATIA软件等。
3.2 数控程编研究的基本内容
1.数控加工工艺分析及规划
通过对模型的分析，确定工件的哪些部位需要在数控机床或在数控加工中心加工，确定加工对象，对其进行分析，按其形状特征、功能特征及精度、光洁度，要求将加工对象分成若干个加工区域，最后进行加工工艺路线的规划。
2.完善零件的加工模型
由于CAD造型人员更多地考虑零件设计的完整性，较少地考虑地零件模型对CAM加工的影响，因此，要根据加工对象的确定及加工区域划分对模型进行一些。
3.加工参数的优化
加工参数的设置可视为利用CATIA软件进行数控程编的主要内容，它直接影响生成数控程序的质量，它是根据所输入的零件工艺过程设计的工艺文件，对各工序设定切削用量，刀具补偿，加工坐标原点（刀具起点）等，其所需原始数据均取至工艺文件，按实际所选数控机床的情况进行设置。
4.刀位轨迹的形成
其作用是设计刀具的运动轨迹，产生历史文件和刀位文件。根据加工工艺调用相应加工程序，自动产生加工的详细描述，这些描述及零件的图形被纪录为历史文件（类似数控APT语言的描述），同时也产生了刀位文件（二进制或ASCII格式）。加工子程序是各种加工方法的处理程序，它是对各种加工方法的具体描述，所提供的加工方法越多，软件应用的范围越广。
5.到位轨迹的验证
为了保证数控程序的安全性，必须对生成的刀位轨迹进行检查效验，检查刀轨是否过切或者加工不到位，同时检查是否发生与工件及夹具干涉。对检查中发现的问题，应该进行参数调整，再进行重新计算、效验，直到 准确无误（可通过可视化仿真软件VERICUT 来实现）。
3.3数控编程的工艺处理
1.认真分析零件图纸，明确加工内容和技术要求
1）加工部位。
2）精度要求（决定加工方案）：公差、对称度、同心度、表面粗糙度等。
3）加工基准----要求加工基准能够找正, 否则必须采取特殊的工艺措施。
4）毛坯状态----铸件、锻件、焊接件、材料类别。
2.制定加工方案，选择加工机床类型
在满足精度和工期的要求下, 尽可能选用低坐标数的低成本NC机床完成加工任务。
3.确定零件的装夹方式
1）夹具的作用：将零件固定在工作台上以进行加工。
2）选择夹具时注意事项：保证加工零件时的开敞性和稳定性。
3）夹具的类型：
a.组合夹具：可根据被加工零件的特点由通用元件拼装组合出不同类型的夹
具，具有重复使用、效率高、生产准备周期短等优点。
b.真空(磁力)平台装夹：零件与工作台间抽真空，形成压紧力。具有装夹快， 工件夹持均匀，开敞性好等优点。
c.专用夹具：为加工某种零件而特制的夹具。
4.确定加工坐标系原点
1)坐标系原点定义：
加工坐标系原点是数控加工中刀具运动的基准点。程序中刀位点的坐标 计算以该点为基准，所以也称为程序原点。
它可以设在零件面上、夹具表面上或机床工作台面上，但必须与零件的 定位基准有已知的准确关系。程序原点应尽量选择在零件的设计基准或工艺 基准上。
2)确定原则：
●便于数学处理，简化程序
●机床上易找正
●加工过程易于检查
5.走刀路线的选择
1)走刀路线的规划
数控加工过程中刀位点相对于被加工工件的运动轨迹叫做走刀路线。
走刀路线的分类：
（1）之字形 Zigzig
（2）回字形 Follow periphery
（3）单行 Zig
2）确定走刀路线的原则：
a. 保证零件的加工精度和光洁度
b.方便数值计算，减少程序段数
c. 缩短走刀路线，减少空程
d.易于增加零件刚性
e．尽量避免刀具在加工中向下
f.刀具轨迹变化尽量做到平缓
g.精加工最好采用顺铣
3) 逆铣和顺铣
a.定义：
逆铣:如果刀具的切削方向和刀具的前进方向相同;
顺铣:如果刀具的切削方向和刀具的前进方向相反。
b.顺逆铣的加工特点：
逆铣：一般会出现啃刀，加工易产生过切；
顺铣：一般会出现让刀，加工不到位。
6.确定加工用量
加工用量包括切削深度和宽度、主轴转速、进给速度等。
1)切削深度的确定
主要根据机床、工件和刀具的刚度决定。
a.机床、工件和刀具的刚度越好，切深可越大。
b.若机床、工件、刀具的刚性允许，如果能一次切完，可留0.2~0.5mm 余量再精加工一次，以提高零件的光洁度和精度。
c.若刚性不允许，切削宽度、深度越大，则切削力、残余应力、振动越 大加工表面光洁度、精度越低。
2)切削宽度：加工时每相邻两刀之间的距离L，又称为行距。
a.粗加工切削宽度由刀具、机床、零件
的刚性决定；
b.精加工可根据零件的粗糙度计算确定。
要降低表面粗糙度，可缩小行距，但加工效率降
低；因此在保证行距不变的前提下，应选择较大半
径的刀具,可明显降低残留高度。
3)转速(S)的确定：
如果有切削参数库，可直接查切削参数库；否则，根据实际经验,并配合 刀具厂家提供的刀具切削线速度
vc (m/min) 查表计算来确定。
主轴转速n (r/min)根据允许的切削速度vc (m/min)选取

D----工件或刀具的直径 (mm) 4）进给速度（量）F (mm/min) a.定义：刀具基准点每分钟移动的路径之和。 b.进给量确定：根据零件的加工精度、表面光洁度、切削深度、宽度以 及刀具和工件材料而选择。 c.计算：

n-----转速，z-----齿数，----每齿进给量

3.4 数控加工的误差来源
1.编程误差
2.数控机床带来的误差
3.环境带来的误差
4.装夹找正带来的误差
5.刀具带来的误差
6.加工工艺方法带来的误差
第四章 鼠标盖凹模加工的研究

本章研究的主要内容：加工方法的选择、刀具路径的优化、几何参数和刀具参数的选择，以提高加工精度和切削效率。从而制定出一套切实可行的三轴型面加工方法。
4.1引入零件并打开加工模块
点击开始，选择加工下的Surface Manufacturing选项，进入加工环境模块，几何体的建立包括零件几何体，毛坯几何体，零件和毛坯几何体之间的材料是被去除的材料，这部分材料通常叫做移去的材料量。在这里两个零件的毛坯如图4-1所示，既是是第一步的毛坯，也是整个零件加工的毛坯。零件几何体如图4-2所示。

图4-1 毛坯 图4-2 零件

加工零件一般先进行粗加工，目的是将毛培的大部分材料切除，留少量余量以备进行精加工，提高加工效率、减少加工时间、降低成本并提高经济效率。
打开已经建立好的零件模型，点击mouse_upper_mold.CATPart，进入加工模块。点击“开始”，在“加工”栏选择surface machining环境下进行零件初始化，如图 4-3所示。

图4-3

4.2创建零件毛坯
在加工界面右部的工具栏中的点，出现rough stock的对话框，如图4-4所示。

图4-4 零件创建

Destination选零件，Part Body选零件几何体，Z最大偏置改为35mm，选择确定。

第五章 餐盘加工方法的研究

本章研究的主要内容：加工方法的选择、刀具路径的优化、几何参数和刀具参数的选择，以提高加工精度和切削效率。从而制定出一套切实可行的三轴型面加工方法。在本章中餐盘零件几何体导入，毛坯的创建以及毛坯零件几何体的参数初始化和第四章中鼠标盖凹模加工的初始化方法类似，在本章中就不一一详细介绍，直接进行餐盘的加工过程。
5.1餐盘表面积六个凹槽快速加工（Power machining）
鼠标单击特征树的Manufacturing Program.1，单击菜单插入→Multi.Pockets Operations→Power Machining，进行零件表面粗加工，弹出Power Machining.1对话框，如图5-1所示。

图5-1 快速加工对话框

1.几何参数定义
选择要加工平面，菜单下，单击对话框红色的part面，对话框消失，选择零件几何体，鼠标双击空白处，消失的对话框再次出现，此时刚才红色的面变为绿色。Click addition areas选择零件几何体的六个凹槽。
其余值为默认值
2.刀具参数的定义
单击定义刀具，刀具设置为T1 End Mill D 16r2，圆鼻铣刀，单击More按钮，弹出子菜单，如图5-2所示。

图5-2 刀具参数

Nominal diameter改为16mm，

Corner radius改为2mm。
3.进给速率定义
单击定义进给速率，将Retract的值设置为300mm_mn。
4.刀具路径定义
单击按钮，出现如图5-3所示菜单，Machining strategy选择Center(1) and Side(2)。

图5-3 刀具路径设置

在Center模式下，Machining中的Tool path sryle选Helical（螺旋），Radial
中Maximum cut depth的值设置为3mm。
5.仿真
单击进行仿真模拟，出现刀具路径如图5-4所示对话框，单击，进行观看，可以拉动进度条把加工速度调快，结果如图5-5所示。

图5-4 刀具轨迹 图5-5 仿真结果

第六章 鼠标盖凹模加工及餐盘加工的VERICUT仿真

6.1 数控加工仿真技术概述
仿真技术是一门多学科的综合性技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验。
数控仿真可分为几何仿真和物理仿真
● 几何仿真
几何仿真不考虑其它加工因素，只仿真刀具在工件几何体上的相对运动轨迹，用以验证数控加工程序的正确性、合理性及预测在现实数控加工时刀具是否和夹具或数控机床其它物体产生碰撞。
● 物理仿真
物理仿真是在几何仿真的基础上，在数控加工过程中添加切削动态力学特性，用来预测数控机床的加工条件产生的一些参数的变化，如：刀具的磨损、刀具的振动以及变形，从而相应的调节切削参数，达到优化切削过程的目的。
数控仿真加工技术主要针对数控机床而言，使用特定的数控加工软件对工件的加工过程进行模拟仿真，一方面可以对在加工过程中，所用到的数控程序进行检验，制定出更加合理的加工程序，另一方面还可以对加工期间出现的一些问题进行提前预知，并制定出相应的解决方案，达到提高生产效率的目的。本文主要基于VERICUT软件的平台，进行几何仿真的应用技术研究。
6.2 VERICUT数控加工仿真技术的操作步骤
1.选择机床控制系统
软件本身提供了近百种配有制造商提供的机床控制文件库, 支持国内和国外的许多控制系统，包括从三坐标到五坐标的各种数控系统,足以满足了用户的实际需要。如果控制系统不能满足用户要求,可以把已有的控制系统加入到控制系统库文件中进行操作。打开VERICUT，点击开始，打开项目: 3_axis_mill_template_metric，操作完成。
2.添加刀具和毛坯实体
1）毛坯实体的确立
打开项目树，单击Stock→模型→方块，点击配置形成如图6-1对话框。

图6-1 毛坯实体创建

A.在CATIA软件中测量鼠标盖毛坯的长为90mm，宽为88mm，高为40mm，毛坯创建成功。
B.在CATIA软件中测量餐盘毛坯的长为360mm，宽为260mm，高为30mm，毛坯创建成功。
在移动模式下设置组件原点为毛坯上表面中点，得到鼠标盖毛坯坐标系如图6-3，餐盘毛坯坐标系如图6-4。

图6-3 鼠标盖坐标系 图6-4餐盘坐标系

3）创建刀具库
根据在CATIA软件中加工鼠标盖凹模所需要的刀具来设置 VERICUT数 控仿真所需要的刀具，在项目树列表中双击图标，打开刀具 管理器。
A:创建加工仿真鼠标盖凹模的刀具库
创建第一把刀具：点开一号刀具前面的加号，单击刀片，设置数据。第一把刀具为T1 End Mill D 16r5，圆鼻铣刀，高度为100mm，刃长为50mm，结果及刀具形状如图6-5。

图6-5 刀具图

6.4 加工仿真的验证
在建立好数控机床的模型后，就可以添加工件的模型，调用相应的NC加工程序，对工件进行模拟数控加工
A：鼠标盖凹模加工仿真结果演示
第一步仿真结果如图6-8，第二步仿真结果如图6-9。

图6-8 鼠标盖第一步仿真 图6-9鼠标盖第二步仿真