數(shù)控手工編程的方法及步驟
數(shù)控編程的主要內(nèi)容有：分析零件圖樣確定工藝過程、數(shù)值計算、編寫加工程序、校對程序及首件試切。
編程的具體步驟說明如下：
1．分析圖樣、確定工藝過程
在數(shù)控機床上加工零件，工藝人員拿到的原始資料是零件圖。根據(jù)零件圖，可以對零件的形狀、尺寸精度、表面粗糙度、工件材料、毛坯種類和熱處理狀況等進行分析，然后選擇機床、刀具，確定定位夾緊裝置、加工方法、加工順序及切削用量的大小。在確定工藝過程中，應(yīng)充分考慮所用數(shù)控機床的指令功能，充分發(fā)揮機床的效能，做到加工路線合理、走刀次數(shù)少和加工工時短等。此外，還應(yīng)填寫有關(guān)的工藝技術(shù)文件，如數(shù)控加工工序卡片、數(shù)控刀具卡片、走刀路線圖等。
2．計算刀具軌跡的坐標值
根據(jù)零件圖的幾何尺寸及設(shè)定的編程坐標系，計算出刀具中心的運動軌跡，得到全部刀位數(shù)據(jù)。一般數(shù)控系統(tǒng)具有直線插補和圓弧插補的功能，對于形狀比較簡單的平面形零件（如直線和圓弧組成的零件）的輪廓加工，只需要計算出幾何元素的起點、終點、圓弧的圓心（或圓弧的半徑）、兩幾何元素的交點或切點的坐標值。如果數(shù)控系統(tǒng)無刀具補償功能，則要計算刀具中心的運動軌跡坐標值。對于形狀復(fù)雜的零件（如由非圓曲線、曲面組成的零件），需要用直線段（或圓弧段）逼近實際的曲線或曲面，根據(jù)所要求的加工精度計算出其節(jié)點的坐標值。
3．編寫零件加工程序
根據(jù)加工路線計算出刀具運動軌跡數(shù)據(jù)和已確定的工藝參數(shù)及輔助動作，編程人員可以按照所用數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的功能指令及程序段格式，逐段編寫出零件的加工程序。編寫時應(yīng)注意：第一，程序書寫的規(guī)范性，應(yīng)便于表達和交流；第二，在對所用數(shù)控機床的性能與指令充分熟悉的基礎(chǔ)上，各指令使用的技巧、程序段編寫的技巧。
4．將程序輸入數(shù)控機床
將加工程序輸入數(shù)控機床的方式有：光電閱讀機、鍵盤、磁盤、磁帶、存儲卡、連接上級計算機的DNC接口及網(wǎng)絡(luò)等。目前常用的方法是通過鍵盤直接將加工程序輸入（MDI方式）到數(shù)控機床程序存儲器中或通過計算機與數(shù)控系統(tǒng)的通訊接口將加工程序傳送到數(shù)控機床的程序存儲器中，由機床操作者根據(jù)零件加工需要進行調(diào)用。現(xiàn)在一些新型數(shù)控機床已經(jīng)配置大容量存儲卡存儲加工程序，當作數(shù)控機床程序存儲器使用，因此數(shù)控程序可以事先存入存儲卡中。
5．程序校驗與首件試切
數(shù)控程序必須經(jīng)過校驗和試切才能正式加工。在有圖形模擬功能的數(shù)控機床上，可以進行圖形模擬加工，檢查刀具軌跡的正確性，對無此功能的數(shù)控機床可進行空運行檢驗。但這些方法只能檢驗出刀具運動軌跡是否正確，不能查出對刀誤差、由于刀具調(diào)整不當或因某些計算誤差引起的加工誤差及零件的加工精度，所以有必要經(jīng)過零件加工的首件試切的這一重要步驟。當發(fā)現(xiàn)有加工誤差或不符合圖紙要求時，應(yīng)分析誤差產(chǎn)生的原因，以便修改加工程序或采取刀具尺寸補償?shù)却胧�，直到加工出合乎圖樣要求的零件為止。隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，可采用先進的數(shù)控加工仿真方法對數(shù)控加工程序進行校核。
數(shù)控加工程序指令代碼
在數(shù)控機床加工程序中，我國和國際上都廣泛使用準備功能G指令、輔助功能M指令、進給功能F指令、刀具功能T指令和主軸轉(zhuǎn)速功能S指令等5種指令代碼來描述加工工藝過程和數(shù)控機床的各種運動特征。
1．準備功能字G。
準備功能字的地址符是G，又稱G功能或G指令。它是建立機床或控制數(shù)控系統(tǒng)工作方式的一種命令，一般用來規(guī)定刀具和工件的相對運動軌跡（即插補功能）、機床坐標系、坐標平面、刀具補償和坐標偏置等多種加工操作，以及廠家自定義的多種固定循環(huán)指令和宏指令調(diào)用等。它由地址符G及其后的兩位數(shù)字或三位數(shù)字組成。一個數(shù)控系統(tǒng)的G代碼多少可衡量其功能的強弱。
2．主軸轉(zhuǎn)速功能字S
主軸轉(zhuǎn)速功能字的地址符是S，所以又稱S功能或S指令。它由主軸轉(zhuǎn)速地址符S及數(shù)字組成，數(shù)字表示主軸轉(zhuǎn)數(shù)，其單位按系統(tǒng)說明書的規(guī)定�，F(xiàn)在一般數(shù)控系統(tǒng)主軸已采用主軸控制單元，能使用直接指定方式，即可用地址符S的后續(xù)數(shù)字直接指定主軸轉(zhuǎn)數(shù)。例如，若要求1200r/min，則編程指令為S1200。
3．進給功能字F
進給功能字的地址符是F，所以又稱F功能或F指令。它由進給地址符F及數(shù)字組成，數(shù)字表示切削時所指定的刀具中心運動的進給速度。這個數(shù)字的單位取決于每個系統(tǒng)所采用的進給速度的指定方式�，F(xiàn)在一般數(shù)控系統(tǒng)都能使用直接指定方式，即可用地址符F的后續(xù)數(shù)字直接指定進給速度。對于車床系統(tǒng)，可分為每分鐘進給和主軸每轉(zhuǎn)進給兩種方式表示，一般分別用G94、G95規(guī)定；對于銑床系統(tǒng)，一般只用每分鐘進給方式表示。
F地址在螺紋切削程序段中還常用來指定螺紋導(dǎo)程。
4．刀具功能T
刀具功能字的地址符是T，所以又稱T功能或T指令。它用以指定切削時使用的刀具的刀號及刀具自動補償時編組號。其自動補償?shù)膬?nèi)容有：刀具對刀后的刀位偏差、刀具長度及刀具半徑補償。
在編程中，其指令格式因數(shù)控系統(tǒng)不同而異，主要格式有以下兩種：
(1) 采用T指令編程
由刀具功能地址符T和數(shù)字組成。T后面的數(shù)字用來指定刀具號和刀具補償號。
(2) 采用T、D指令編程
使用T功能指令選擇刀具號，使用D功能選擇相關(guān)的刀具偏置量。
5．輔助功能（簡稱M功能）
輔助功能字的地址符是M，所以又稱M功能或M指令。它由輔助功能地址符M和兩位數(shù)字組成，主要用于表示數(shù)控程序停止、主軸啟動及順和逆、主軸停止、換刀、程序結(jié)束并返回、冷卻液開與關(guān)等功能的指令、各種進給操作時的輔助動作及其狀態(tài)。輔助功能指令也有M00~M99，共計100種，我國JB/T3208－1999標準對M指令的功能進行了定義。
需要說明的是，數(shù)控機床的指令在國際上有很多標準，并不完全一致。而隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展、不斷改進和創(chuàng)新，其系統(tǒng)功能更加強大和使用上會更加方便。在不同數(shù)控系統(tǒng)之間，功能指令字也會更加豐富，程序格式上的差異也會一定存在。
數(shù)控加工工藝
機械加工工藝過程是指用材料去除方法改變毛坯的形狀、尺寸和表面質(zhì)量，使其成為達到設(shè)計要求的過程。數(shù)控機床的加工工藝與普通機床的加工工藝有許多相同之處，遵循的原則基本一致。也有許多不同，最大的不同表現(xiàn)在切削刀具軌跡的控制方式上。同時由于數(shù)控機床本身自動化程度較高，設(shè)備費用較高，因此數(shù)控機床加工相應(yīng)形成了自己的特點：
1．數(shù)控加工的工藝內(nèi)容設(shè)計十分具體
在使用通用機床加工時，許多具體的工藝問題，如工藝中各工步的劃分與安排，刀具的幾何形狀，走刀路線及切削用量等，在很大程度上都是由操作工人根據(jù)自己的實踐經(jīng)驗和習(xí)慣自行考慮和決定的，一般無須工藝人員在設(shè)計工藝規(guī)程時進行過多的規(guī)定。而在數(shù)控機床加工時，上述這些具體工藝問題，不僅成為數(shù)控工藝設(shè)計時必須考慮的內(nèi)容，而且還必須做出正確的選擇并編入加工程序中。
2．數(shù)控加工的工藝設(shè)計非常嚴密
數(shù)控機床雖然自動化程度較高，但自適應(yīng)性差。它不能像通用機床加工時可以根據(jù)加工過程中出現(xiàn)的問題比較靈活的適時的進行人為的調(diào)整。即使現(xiàn)代數(shù)控機床在自適應(yīng)調(diào)整方面作出了不少努力與改進，但其自由程度也不大。比如，數(shù)控機床加工螺紋孔時，它不知道孔中是否已經(jīng)擠滿了切屑，是否需要退一下刀，或先清理一下切屑再進刀。所以，在數(shù)控加工的工藝設(shè)計中，必須注意加工過程中的每一個細節(jié)，計算和編程時，都要力求正確無誤。
3．數(shù)控加工的操作程序化相當嚴格
由于數(shù)控加工自動化程度高、可多軸聯(lián)動，便于工序集中安排。但數(shù)控機床價格昂貴，操作技術(shù)要求高，所加工的對象也都是一些形狀比較復(fù)雜、價值也比較高的零件，稍有不慎損壞了零件或損壞了機床、刀具，都會造成較大損失。因此對數(shù)控機床加工操作的基本步驟的程序化要求相當嚴格。從工藝設(shè)計→編寫程序→校驗程序→零件加工的每一步都不能忽視，其中程序校驗更是重要的一環(huán)。在實際工作中，由于一個小數(shù)點或一個符號的差錯而釀成重大機床事故和質(zhì)量事故的例子也屢見不鮮。
4．數(shù)控加工機床的合理應(yīng)用
根據(jù)數(shù)控加工的特點，正確選擇加工方法和加工對象，充分發(fā)揮數(shù)控機床加工的優(yōu)點，取得良好的經(jīng)濟效益是我們在進行工藝設(shè)計中必須考慮的一個重要問題。數(shù)控加工工藝的應(yīng)用有很大的靈活性，對同一個加工內(nèi)容，可能有多種工藝方案，必須針對具體問題進行具體分析。一方面，選擇加工方法和對象時要考慮到數(shù)控機床與系統(tǒng)的性能指標，能夠?qū)崿F(xiàn)加工且能保證加工精度、滿足技術(shù)質(zhì)量要求；另一方面，有時還要在基本不改變工件原有性能的前提下，對其形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)等做一些必要的、適應(yīng)數(shù)控機床加工的修改。
一種零件的加工工藝過程并不是固定不變的，零件加工過程要滿足零件圖樣的技術(shù)要求，同時又受到加工批量、設(shè)備條件、工藝水平等因素的制約。從生產(chǎn)水平發(fā)展和數(shù)控加工技術(shù)水平提高的角度上來看，數(shù)控加工工藝的設(shè)計工作也是在不斷提高和改進。近年來，隨著數(shù)控機床加工技術(shù)的迅速發(fā)展，金屬切削加工理論也在不斷豐富和完善。例如數(shù)控高速加工技術(shù)的發(fā)展，就使得工藝路線設(shè)計理念發(fā)生了很大的變化。
近二十年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機輔助設(shè)計（CAD）與計算機輔助制造（CAM）逐漸走向成熟，受到工業(yè)界的高度重視。CAD/CAM集成系統(tǒng)是在產(chǎn)品設(shè)計與制造領(lǐng)域引起革命性變革的系統(tǒng)，它的應(yīng)用是現(xiàn)代制造業(yè)中能發(fā)揮最大效益的亮點之一。
自動編程的概念
采用計算機代替手工編制數(shù)控加工程序的過程稱為“計算機自動編程”，也稱作計算機輔助編程，簡稱“自動編程”。它是利用通用計算機和相應(yīng)前置、后置處理軟件，對工件源程序或CAD圖形進行處理，以得到加工程序的一種方法。自動編程是計算機技術(shù)在機械制造業(yè)中的一個主要應(yīng)用領(lǐng)域。
根據(jù)編程信息的輸入與計算機對信息的處理方式不同，分為以自動編程語言為基礎(chǔ)的自動編程方法和以計算機繪圖為基礎(chǔ)的自動編程方法。從自動編程的發(fā)展歷史進程來看，很早就發(fā)展了以自動編程語言為基礎(chǔ)的自動編程方法，以計算機繪圖為基礎(chǔ)的自動編程方法則相對發(fā)展較晚，這主要是由于計算機圖形技術(shù)發(fā)展相對落后。
1．APT系統(tǒng)
最早出現(xiàn)的是APT系統(tǒng)，使用APT系統(tǒng)，編程人員仍然要從事繁瑣的預(yù)編程工作。但是由于使用計算機代替程序編制人員完成了繁瑣的數(shù)值計算工作，并省去了編寫程序清單的工作量，因此可將編制數(shù)控程序的效率提高數(shù)十倍。為了國際間的交流與使用的需要，ISO組織在APT的基礎(chǔ)上制定了ISO4342－85《數(shù)控語言》標準，供各成員國參考使用。
2．CAD/CAM集成系統(tǒng)的數(shù)控編程
目前CAD/CAM系統(tǒng)集成技術(shù)已經(jīng)很成熟，一體化集成形式的CAD/CAM系統(tǒng)已成為數(shù)控加工自動編程的主流，其大大減少了編程出錯率，提高了編程效率和編程可靠性。通常對于簡單的加工零件可一次調(diào)試成功。
自動編程所用的零件圖，是由設(shè)計者根據(jù)使用要求而設(shè)計的。在CAD/CAM集成系統(tǒng)中，它可由CAD軟件產(chǎn)生，可以采用人機交互方式對零件的幾何模型進行繪制、編輯和修改，從而得到零件的幾何模型，不需要數(shù)控編程者再次進行幾何造型。然后對機床和刀具進行定義和選擇，確定刀具相對于零件表面的運動方式、切削加工參數(shù)，便能生成刀具軌跡。CAD/CAM系統(tǒng)的自動編程還具有加工軌跡的仿真功能，以用于驗證走刀軌跡和加工程序的正確性。使用這類軟件對加工程序的生成和修改都非常方便，大大提高了編程效率。對于大型的較為復(fù)雜的零件的編程時間，大約為APT編程的幾分之一，經(jīng)濟效益十分明顯。現(xiàn)在的自動編程方法一般是指CAD/CAM系統(tǒng)的自動編程。狹義的CAM就是指這種自動編程。
自動編程技術(shù)優(yōu)于手工編程，這是不容置疑的。但是，并不等于說凡是數(shù)控加工編程必選自動編程。數(shù)控編程方法的選擇，必須考慮被加工零件形狀的復(fù)雜程度、數(shù)值計算的難度和工作量的大小、現(xiàn)有設(shè)備條件（計算機、編程系統(tǒng)等）以及時間和費用等諸多因素。一般說來，加工形狀簡單的零件，例如點位加工或直線切削零件，用手工編程所需的時間和費用與計算機自動編程所需的時間和費用相差不大，這時采用手工編程比較合適。否則，不妨考慮選擇自動編程。
3．CAD/CAM集成系統(tǒng)自動編程的主要特點
與手工編程相比，自動編程具有以下主要特點：
(1) 數(shù)學(xué)處理能力強
對輪廓形狀不是由簡單的直線、圓弧組成的復(fù)雜零件，特別是空間曲面零件，以及幾何要素雖不復(fù)雜，但程序量很大的零件，計算工作相當繁瑣，采用手工編制程序的方法是難以完成的。例如，對一般二次曲線廓形，手工編程必須采取直線或圓弧逼近的方法，算出各節(jié)點的坐標值，其中列算式、解方程，雖說能借助計算器進行計算，但工作量之大是難以想象的。而自動編程借助于系統(tǒng)軟件強大的數(shù)學(xué)處理能力，計算機能自動計算出加工該曲線的刀具軌跡，快速而又準確。自動編程系統(tǒng)還能處理手工編程難以勝任的二次曲面和特殊曲面。
(2) 快速、自動生成數(shù)控程序
對非圓曲線的輪廓加工，手工編程即使解決了節(jié)點坐標的計算，也往往因為節(jié)點數(shù)過多，程序段很大而使編程工作又慢又容易出錯。自動編程的優(yōu)點之一，就是在完成計算刀具運動軌跡之后，后置處理程序能在極短的時間內(nèi)自動生成數(shù)控加工程序，且該數(shù)控加工程序不會出現(xiàn)語法錯誤。當然自動生成數(shù)控加工程序的速度還取決于計算機硬件的檔次，檔次越高，速度越快。
(3) 后置處理程序靈活多變
由于數(shù)控系統(tǒng)的指令形式不盡相同，機床的輔助功能也不一樣，伺服系統(tǒng)的特性也有差別。因此，同一個零件在不同的數(shù)控機床上加工，數(shù)控加工程序也應(yīng)該是不一樣的。但在前置處理過程中，大量的數(shù)學(xué)處理，軌跡計算卻是一致的。這就是說，前置處理可以通用化，只要稍微改變一下后置處理程序，就能自動生成適用于不同數(shù)控機床的數(shù)控程序來。后置處理相比前置處理，工作量要小得多，程序簡單得多，因而它靈活多變。對于不同的數(shù)控機床，取用不同的后置處理程序，等于完成了一個新的自動編程系統(tǒng)，極大地擴展了自動編程系統(tǒng)的使用范圍。
(4) 程序自檢、糾錯能力強
復(fù)雜零件的數(shù)控加工程序往往很長，要一次編程成功，不出一點錯誤是不現(xiàn)實的。手工編程時，可能出現(xiàn)書寫有錯誤，算式有問題，也可能程序格式出錯，靠人工檢查一個個的錯誤是困難的，費時又費力。采用自動編程，程序有錯主要是原始數(shù)據(jù)不正確而導(dǎo)致刀具運動軌跡有誤，或刀具與工件干涉，或刀具與機床相撞，等等。自動編程能夠通過系統(tǒng)先進的、完善的診斷功能，在計算機屏幕上對數(shù)控加工程序進行動態(tài)模擬，連續(xù)、逼真地顯示刀具加工軌跡和零件加工輪廓，發(fā)現(xiàn)問題能及時對數(shù)控加工程序中產(chǎn)生錯誤的位置及類型進行修改，快速又方便�，F(xiàn)在，往往在前置處理階段計算出刀具運動軌跡以后立即進行動態(tài)模擬檢查，確定無誤以后再進入后置處理階段，生成正確的數(shù)控加工程序來。
(5) 便于實現(xiàn)與數(shù)控系統(tǒng)的通訊
自動編程系統(tǒng)可以利用計算機和數(shù)控系統(tǒng)的通訊接口，實現(xiàn)自動編程系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)間的通訊。自動編程系統(tǒng)生成的數(shù)控加工程序，可直接輸入數(shù)控系統(tǒng)，控制數(shù)控機床進行加工。如果數(shù)控程序很長，而數(shù)控系統(tǒng)的程序存儲器容量有限，不足以一次容納整個數(shù)控加工程序，編程系統(tǒng)可以做到邊輸入，邊加工。自動編程系統(tǒng)的通訊功能進一步提高了編程效率，縮短了生產(chǎn)周期。
CAD/CAM集成系統(tǒng)
目前，國內(nèi)外CAD/CAM集成系統(tǒng)軟件種類很多，其軟件功能、面向用戶的接口方式有所不同，所以編程的具體過程及編程過程中所使用的指令也不盡相同。但從總體上講，其編程的基本原理及基本步驟大體上是一樣的。
20世紀90年代中期以后，CAD/CAM集成系統(tǒng)向集成化（integration）、智能化（intelligence）、網(wǎng)絡(luò)化（network）、并行化（concurrent）和虛擬化（virtual）方向迅速發(fā)展，我國的數(shù)控加工編程同時經(jīng)歷了從手工編程到使用CAD/CAM集成系統(tǒng)自動編程的過程。
CAD/CAM集成系統(tǒng)軟件是實現(xiàn)數(shù)控自動編程必不可少的應(yīng)用軟件，目前，在國內(nèi)市場上銷售比較成熟的這類軟件有十幾種，既有國外的也由國內(nèi)自主開發(fā)的，這些軟件在功能、價格、適用范圍等方面有很大差別。下面列舉一些典型的CAD/CAM集成系統(tǒng)軟件：
�。�1）．UG系統(tǒng)
UG系統(tǒng)是美國UGS（Unigraphics Solutions）公司推出的軟件。它最早由美國麥道航空公司研制開發(fā)，從二維繪圖、數(shù)控加工編程、曲面造型等功能發(fā)展起來。經(jīng)過多年發(fā)展，該系統(tǒng)本身以復(fù)雜曲面造型和數(shù)控加工功能見長，還具有管理復(fù)雜產(chǎn)品裝配，進行多種設(shè)計方案的對比分析和優(yōu)化等功能。其龐大的模塊群為企業(yè)提供了從產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品分析、加工裝配、檢驗，到過程管理、虛擬運作等全系列的技術(shù)支持。目前，該軟件在國際CAD/CAM/CAE市場上占有較大的份額，是目前市場上數(shù)控加工編程能力最強的CAD/CAM集成系統(tǒng)之一。
�。�2）．Pro/Engineer 系統(tǒng)
Pro/Engineer是美國PTC公司研制和開發(fā)的軟件，它開創(chuàng)了三維CAD/CAM參數(shù)化的先河。該軟件具有基于特征、全參數(shù)、全相關(guān)和單一數(shù)據(jù)庫的特點，可用于設(shè)計和加工復(fù)雜零件。另外，它還具有零件裝配、機構(gòu)仿真、有限元分析、逆向工程、同步工程等功能。Pro/Engineer廣泛應(yīng)用于模具、工業(yè)設(shè)計、汽車、航天、玩具等行業(yè)，并在國際CAD/CAM/CAE市場上占有較大的份額。
�。�3）．CATIA系統(tǒng)
CATIA系統(tǒng)是IBM公司推出的產(chǎn)品，是最早實現(xiàn)曲面造型的軟件，它開創(chuàng)了三維設(shè)計的新時代。它的出現(xiàn)，首次實現(xiàn)了計算機完整描述產(chǎn)品零件的主要信息，使CAM技術(shù)的開發(fā)有了現(xiàn)實的基礎(chǔ)。目前，CATIA系統(tǒng)已發(fā)展成從產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品分析、加工、裝配和檢驗，到過程管理、虛擬運作等眾多功能的大型CAD/CAM/CAE軟件。該系統(tǒng)主要編程功能與APT-IV/SS相同，并在很多方面突破了APT-IV/SS的限制，有了較大的改進。
�。�4）．CIMATRON 系統(tǒng)
CIMATRON系統(tǒng)是以色列Cimatron公司提供的CAD/CAM軟件，是較早在微機平臺上實現(xiàn)三維CAD/CAM的全功能系統(tǒng)。它具有三維造型、生成工程圖、數(shù)控加工等功能，具有各種通用和專用的數(shù)據(jù)接口及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）功能。該軟件較早在我國得到全面漢化，已積累了一定的應(yīng)用經(jīng)驗。
�。�5）．MasterCAM
MasterCAM是由美國CNC software公司推出的基于PC平臺上的CAD/CAM軟件，它具有很強的加工功能，尤其在對復(fù)雜曲面自動生成加工代碼方面，具有獨到的優(yōu)勢。由于MasterCAM主要針對數(shù)控加工，零件設(shè)計造型功能不強，但對計算機硬件的要求不高，且操作靈活、易學(xué)易用、價格較低，受到中小企業(yè)的歡迎。
�。�6）．CAXA制造工程師
CAXA制造工程師是由我國北航海爾軟件有限公司自主研制開發(fā)的基于微機平臺，面向機械制造業(yè)的全中文三維CAD/CAM軟件。它采用原創(chuàng)Windows菜單和交互方式，全中文界面，便于輕松地學(xué)習(xí)和操作。它即具有線框造型、曲面造型和實體造型的設(shè)計功能，較強的三維曲面擬合能力，又具有生成2~5軸的加工代碼的數(shù)控加工功能，可用于加工具有復(fù)雜三維曲面的零件。其特點是易學(xué)易用，價格較低，已在國內(nèi)眾多企業(yè)和大專院校得到廣泛的應(yīng)用。
CAD/CAM技術(shù)是科技領(lǐng)域中的前沿課題之一，也是當今的尖端技術(shù)――集成化制造系統(tǒng)核心技術(shù)的基礎(chǔ)。它具有高智能、高效益、知識密集、更新速度快、綜合性強等特點。近幾年來，上述CAD/CAM系統(tǒng)的版本升級速度非�？欤珻AD/CAM技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平已成為衡量一個國家科技和工業(yè)現(xiàn)代水平的重要標志之一。
1931年德國物理學(xué)家薩羅蒙最早提出了高速切削的理論。該理論提出：在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削溫度不但不會升高反而會降低，且該切削速度與工件材料的種類有關(guān)。對于每一種工件材料都存在一個速度范圍，在該速度范圍內(nèi)，由于切削溫度過高，刀具材料無法承受，切削加工不可能進行，要是能越過這個速度范圍，高速切削將成為可能，從而大幅度地提高生產(chǎn)效率。
高速切削加工技術(shù)
自20世紀60年代起，人們對高速加工的機理研究和應(yīng)用方面做了許多探索。高速切削加工技術(shù)歷經(jīng)了理論探索、應(yīng)用探索、初步應(yīng)用和較成熟應(yīng)用等四個階段。近幾年隨著高強度、高熔點、高耐磨性刀具材料的推出和超高速電主軸的成功應(yīng)用，為高速切削加工技術(shù)的推廣創(chuàng)造了條件。它以高效率、高精度和高表面質(zhì)量為基本特征，在汽車工業(yè)、航空航天、模具制造和儀器儀表等行業(yè)中獲得越來越廣泛的使用，并以取得了重大的技術(shù)經(jīng)濟效益。有資料統(tǒng)計，高速切削加工與常規(guī)切削加工相比：加工時間可減少約60%，切削速度是常規(guī)切削速度的5~10倍，材料去除率提高3~5倍，刀具耐用度提高70%。
目前高速切削加工技術(shù)逐步在制造業(yè)推廣應(yīng)用，但要給高速切削下一個確切的定義還比較困難，高速切削加工的切削速度范圍較難給出。高速切削加工是一個相對的概念，它與加工材料、加工方式、刀具、切削參數(shù)等有很大的關(guān)系。
高速切削加工的優(yōu)勢
高速切削加工之所以得到制造業(yè)越來越廣泛的應(yīng)用，是因為它相對于傳統(tǒng)加工方式具有顯著的優(yōu)越性，具體說來有以下特點：
1．提高生產(chǎn)率
高速切削加工中主軸轉(zhuǎn)速和進給速度的提高，可以提高材料的去除率。與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，高速切削加工主軸轉(zhuǎn)速高，切削進給速度高，切削量小，但在單位時間內(nèi)的材料切除量卻增加了數(shù)倍。同時，高速切削加工可加工淬硬零件，許多零件一次裝夾可完成粗、半精和精加工等全部工序，對復(fù)雜型面加工也可以直接達到零件表面質(zhì)量要求，進而大大提高加工生產(chǎn)率。
2．改善加工精度和表面質(zhì)量
高速切削加工的精度很高。高速切削加工機床必須具備高剛性和高精度等性能，同時由于切削力低，工件熱變形小，切削深度小，而進給速度較快，加工表面粗糙度很小，切削鋁合金時可達Ra0.4~0.6，切削鋼件時可達Ra0.2~0.4。
3．減少切削產(chǎn)生的熱量
在高速切削加工中，切削過程產(chǎn)生的熱量大部分被切屑帶走，而不是傳到工件中去，因此，工件溫升低，熱變形、熱膨脹小，可以有效的減少工件的熱變形。
4．減小切削力
由于高速切削采用較淺的切削深度和較窄的切削寬度，因此與常規(guī)切削相比切削力可至少減小30%以上。這對于加工剛性較差的零件來說可減少加工變形，使一些薄壁類精細零件的切削加工成為可能。
5．部分代替某些工藝
常規(guī)切削加工不能加工淬火后的材料，淬火變形必須進行人工修整或通過放電加工解決。高速切削加工則可以直接加工淬火后的材料，在很多情況下可完全省去電火花加工、手工磨削等工序，消除了放電加工所帶來的表面硬化問題，減少或免除了人工光整加工，縮短工藝路線。
高速切削加工實現(xiàn)的要求
高速切削加工主要由兩個特點：一是主軸轉(zhuǎn)速較高，一般情況下主軸轉(zhuǎn)速在10 000～60 000 r/min；二是高速進給，進給速度一般在每分鐘幾米甚至幾十米以上。由于進給速度很大，機床主軸的慣性就成為高速加工時最不能忽視的要素，在機床和控制系統(tǒng)的選配過程中都要予以充分的考慮，否則，使用不當不僅會縮短設(shè)備的使用壽命，而且會影響加工質(zhì)量。因此，高速切削加工技術(shù)對機床、刀具、控制系統(tǒng)、編程、工藝流程、設(shè)計系統(tǒng)等都提出了更高的要求，所以不能沿用老一套數(shù)控加工的思路。
1．高速加工對機床的要求
由于高速加工的特點，高速加工機床必須滿足以下幾個條件：首先，機床的功率必須足夠大，以滿足在加工時對機床功率速度變化的需求；其次，是必須配給結(jié)構(gòu)緊湊的高速主軸，高速進給絲杠；再次，機床必須配備實心的臺架、剛性的龍門框架且基體材料應(yīng)對機床的結(jié)構(gòu)振動衰減作用較大，這種結(jié)構(gòu)對機床的結(jié)構(gòu)振動衰減作用可有效消除加工中的振動，提高機床的穩(wěn)定性；最后，是對伺服電機的要求，采用直接驅(qū)動的線性馬達可提高加工質(zhì)量并極大簡化了結(jié)構(gòu)，而且很容易達到高的線速度且能提供恒定的速率，使速度的變化不超過0.01%，從而使工件獲得最佳的表面質(zhì)量和更長的刀具壽命。
2．高速加工對數(shù)控系統(tǒng)的要求
對于高速切削加工的數(shù)控系統(tǒng)，必須有高速、高精度的插補系統(tǒng)、快速響應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)和高精度的伺服系統(tǒng)；必須具備程序預(yù)讀、轉(zhuǎn)角自動減速、優(yōu)化插補、可適用于通用計算機平臺等功能。
3．高速加工對主軸的要求
由于主軸的轉(zhuǎn)速較高，為減少主軸的軸向竄動和徑向圓跳動，對主軸的結(jié)構(gòu)和軸承提出了較高的要求，整體制造法可以極大的減少主軸在高速回轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的誤差。通過選用高精度的軸承，可有效提高主軸的動平衡性，從而減少工件的加工誤差。近年來，超高速電主軸制造技術(shù)的突破，對高速切削加工的應(yīng)用起到了重要的作用。
4．高速加工對刀具的要求
高速切削加工中刀具的選擇非常重要，選擇刀具主要從兩個方面考慮，一是高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的刀具動平衡狀態(tài)，另一個是如何確保刀具的壽命。為保證高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下刀具能夠繞軸線穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，目前采用兩種辦法：一是采用帶有動平衡裝置的刀具，此類刀具在刀套里面安裝了機械滑塊或采用流體動平衡設(shè)計；另一種就是采用整體刀具，刀套與刀體合為一體，以確保刀體與刀套安裝過程中間隙最小。從整體使用性能來看，整體刀具在這一方面是最理想的。但是，由于刀套與刀體是一體的，一旦刀體報廢，刀套也就一起報廢了，因此費用較高。
高速加工對刀具的總體要求是平衡、材料先進、制造精度高、安全、易排屑和多用途。
5．高速加工對切削參數(shù)的要求
高速切削加工中，在主軸轉(zhuǎn)速一定的情況下，首先要注意對切削深度的控制，包括刀具的軸向切削深度和刀具的徑向切削深度。切削深度的控制對于能否加工出一個合格零件以及延長刀具的使用壽命起到非常關(guān)鍵的作用，因此應(yīng)保持穩(wěn)定的切深和比較小波動范圍的切寬。一般情況下，高速加工的切削參數(shù)宜采用更高的切削速度，精加工時更少的加工余量，更密的刀位軌跡及更小的切深，以求得到高精度和降低零件表面的粗糙度值。
6．高速加工對加工編程的要求
為了避免高速加工過程中機床慣性的影響，理論上只要在切削過程中不改變進給方向就可以了，但是實際上這是不可能實現(xiàn)的，改變進給方向不可避免的經(jīng)常使用，這就給編寫加工程序出了一個難題。因此，需要選擇合適的走刀方法來解決這一問題，以生成安全、有效和精確的刀具路徑和理想的曲面精度。一般是盡量在空走刀的時候換向，在改變進給方向之前降低進給速度。另外，只要有可能盡量保持切削條件的恒定性也是非常重要的。因為，不同刀具載荷能夠引起刀具產(chǎn)生偏差，這會降低工件精度，曲面精度和刀具壽命。
7．高速加工對CAM軟件的要求
在高速加工中，加工程序的編制往往需要借助于CAM軟件來實現(xiàn)的。高速加工的一些理念也許容易被人們接受，但是如何在CAM軟件環(huán)境下，把這些理念落實到編程過程中，不僅需要掌握CAM軟件常用的功能，同時需要注意軟件中的一些特殊參數(shù)的設(shè)置。當前流行的很多CAM軟件并不是專門為高速切削加工定制的，在實現(xiàn)某些工藝要求時，需要了解所用的CAM軟件的功能。一般認為，CAM系統(tǒng)除應(yīng)當具有對高速切削加工過程的分析功能外，還應(yīng)有自動特征識別功能、具有很高的計算編程速度、能夠?qū)Φ毒吒缮孢M行檢驗、具有進給速率優(yōu)化處理功能、具有符合加工要求的豐富的加工策略、應(yīng)能保持刀具軌跡的平穩(wěn)、具有自動識別粗加工剩余材料的功能和具有高速、精確的模擬加工等功能。
高速切削加工工藝規(guī)劃
安全、高效和高質(zhì)量是高速切削的主要目標。高速加工按目的分為兩種情況：以實現(xiàn)單位時間最大去除量為目的的高速加工和以實現(xiàn)單位時間最大加工表面為目的的高速加工。前者用于粗加工，后者用于精加工。以銑削加工為例，對于一個高速銑削加工任務(wù)來說，要把粗加工、半精加工和精加工作為一個整體考慮，設(shè)計出一個合理的加工方案。從總體上達到高效率和高質(zhì)量的要求，充分發(fā)揮高速銑削的優(yōu)勢，這就是高速銑削工藝設(shè)計的原則。
1．粗加工
粗加工的目標是追求單位時間的最大切除量，表面質(zhì)量和輪廓精度要求不高，重要的是讓機床平穩(wěn)的工作，避免切削方向和載荷急劇變化。
為了防止切削時速度矢量方向的突然改變，在刀具軌跡拐角處需要增加圓弧過渡，避免出現(xiàn)尖銳拐角。所有進刀、退刀、步距和非切削運動的過渡也都盡可能圓滑。如在平面銑削時，可采用螺旋或傾斜方式的垂直進退刀運動、圓弧方式的水平進退刀運動；而在曲面輪廓銑削中，使用切圓弧的進退刀運動等。
2．半精加工
半精加工的目的是把前道工序加工后的殘留加工面變得平滑，同時去除拐角處的多余材料，在工件加工表面上留下一層比較均勻的余量，為精加工的高速切削做準備。半精加工應(yīng)沿著粗加工后的棱狀輪廓進行銑削，以便使切入過程穩(wěn)定，并減少切削力波動對刀具的不利影響。另外，半精加工時刀具的切削應(yīng)盡量連續(xù)，避免頻繁的進退刀。
3．精加工
精加工的目的是按照零件的設(shè)計要求，達到較好的表面質(zhì)量和輪廓精度。精加工的刀位軌跡緊貼零件表面，要求平穩(wěn)、圓滑，沒有劇烈的方向改變。同時，精加工中需要對工藝參數(shù)進行優(yōu)化。
高速切削加工是當今制造業(yè)中一項快速發(fā)展的技術(shù)，高速切削加工正成為一種新的切削加工理念，被認為是21世紀機械加工工藝中最重要的手段。高速切削加工雖然具備很多優(yōu)點，但其加工成本較高的缺點也是顯而易見的。為了降低成本，就需要對工件的整個加工流程進行合理的安排。在高速切削加工中，機床、夾具、刀具、數(shù)控系統(tǒng)及軟件等只是必要裝備，加工工藝方法及參數(shù)設(shè)定等因素才是直接影響加工是否成功的重要因素。這些因素需要經(jīng)驗的積累及反復(fù)實踐和總結(jié)，才能真正發(fā)揮出高速切削加工的優(yōu)勢。 |
