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(jì)算、編寫加工程序、校對(duì)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(jī)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(duì)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(jìn)行分析，然后選擇機(jī)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(jī)床的指令功能，充分發(fā)揮機(jī)床的效能，做到加工路線合理、走刀次數(shù)少和加工工時(shí)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(jì)算刀具軌跡的坐標(biāo)值
根據(jù)零件圖的幾何尺寸及設(shè)定的編程坐標(biāo)系，計(jì)算出刀具中心的運(yùn)動(dòng)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(bǔ)和圓弧插補(bǔ)的功能，對(duì)于形狀比較簡(jiǎn)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(jì)算出幾何元素的起點(diǎn)、終點(diǎn)、圓弧的圓心（或圓弧的半徑）、兩幾何元素的交點(diǎn)或切點(diǎn)的坐標(biāo)值。如果數(shù)控系統(tǒng)無刀具補(bǔ)償功能，則要計(jì)算刀具中心的運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)值。對(duì)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(shí)際的曲線或曲面，根據(jù)所要求的加工精度計(jì)算出其節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值。
3．編寫零件加工程序
根據(jù)加工路線計(jì)算出刀具運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)和已確定的工藝參數(shù)及輔助動(dòng)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(shí)應(yīng)注意：第一，程序書寫的規(guī)范性，應(yīng)便于表達(dá)和交流；第二，在對(duì)所用數(shù)控機(jī)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(jī)床
將加工程序輸入數(shù)控機(jī)床的方式有：光電閱讀機(jī)、鍵盤、磁盤、磁帶、存儲(chǔ)卡、連接上級(jí)計(jì)算機(jī)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(jī)床程序存儲(chǔ)器中或通過計(jì)算機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)的通訊接口將加工程序傳送到數(shù)控機(jī)床的程序存儲(chǔ)器中，由機(jī)床操作者根據(jù)零件加工需要進(jìn)行調(diào)用�，F(xiàn)在一些新型數(shù)控機(jī)床已經(jīng)配置大容量存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)加工程序，當(dāng)作數(shù)控機(jī)床程序存儲(chǔ)器使用，因此數(shù)控程序可以事先存入存儲(chǔ)卡中。
5．程序校驗(yàn)與首件試切
數(shù)控程序必須經(jīng)過校驗(yàn)和試切才能正式加工。在有圖形模擬功能的數(shù)控機(jī)床上，可以進(jìn)行圖形模擬加工，檢查刀具軌跡的正確性，對(duì)無此功能的數(shù)控機(jī)床可進(jìn)行空運(yùn)行檢驗(yàn)。但這些方法只能檢驗(yàn)出刀具運(yùn)動(dòng)軌跡是否正確，不能查出對(duì)刀誤差、由于刀具調(diào)整不當(dāng)或因某些計(jì)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(dāng)發(fā)現(xiàn)有加工誤差或不符合圖紙要求時(shí)，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(bǔ)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(jìn)的數(shù)控加工仿真方法對(duì)數(shù)控加工程序進(jìn)行校核。
數(shù)控加工程序指令代碼
在數(shù)控機(jī)床加工程序中，我國(guó)和國(guó)際上都廣泛使用準(zhǔn)備功能G指令、輔助功能M指令、進(jìn)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(jī)床的各種運(yùn)動(dòng)特征。
1．準(zhǔn)備功能字G。
準(zhǔn)備功能字的地址符是G，又稱G功能或G指令。它是建立機(jī)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(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡（即插補(bǔ)功能）、機(jī)床坐標(biāo)系、坐標(biāo)平面、刀具補(bǔ)償和坐標(biāo)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(gè)數(shù)控系統(tǒng)的G代碼多少可衡量其功能的強(qiáng)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(jìn)給功能字F
進(jìn)給功能字的地址符是F，所以又稱F功能或F指令。它由進(jìn)給地址符F及數(shù)字組成，數(shù)字表示切削時(shí)所指定的刀具中心運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給速度。這個(gè)數(shù)字的單位取決于每個(gè)系統(tǒng)所采用的進(jìn)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(jìn)給速度。對(duì)于車床系統(tǒng)，可分為每分鐘進(jìn)給和主軸每轉(zhuǎn)進(jìn)給兩種方式表示，一般分別用G94、G95規(guī)定；對(duì)于銑床系統(tǒng)，一般只用每分鐘進(jìn)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(shí)使用的刀具的刀號(hào)及刀具自動(dòng)補(bǔ)償時(shí)編組號(hào)。其自動(dòng)補(bǔ)償?shù)膬?nèi)容有：刀具對(duì)刀后的刀位偏差、刀具長(zhǎng)度及刀具半徑補(bǔ)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(hào)和刀具補(bǔ)償號(hào)。
(2) 采用T、D指令編程
使用T功能指令選擇刀具號(hào)，使用D功能選擇相關(guān)的刀具偏置量。
5．輔助功能（簡(jiǎn)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(dòng)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(jìn)給操作時(shí)的輔助動(dòng)作及其狀態(tài)。輔助功能指令也有M00~M99，共計(jì)100種，我國(guó)JB/T3208－1999標(biāo)準(zhǔn)對(duì)M指令的功能進(jìn)行了定義。
需要說明的是，數(shù)控機(jī)床的指令在國(guó)際上有很多標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)和創(chuàng)新，其系統(tǒng)功能更加強(qiáng)大和使用上會(huì)更加方便。在不同數(shù)控系統(tǒng)之間，功能指令字也會(huì)更加豐富，程序格式上的差異也會(huì)一定存在。
數(shù)控加工工藝
機(jī)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(dá)到設(shè)計(jì)要求的過程。數(shù)控機(jī)床的加工工藝與普通機(jī)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(shí)由于數(shù)控機(jī)床本身自動(dòng)化程度較高，設(shè)備費(fèi)用較高，因此數(shù)控機(jī)床加工相應(yīng)形成了自己的特點(diǎn)：
1．?dāng)?shù)控加工的工藝內(nèi)容設(shè)計(jì)十分具體
在使用通用機(jī)床加工時(shí)，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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣自行考慮和決定的，一般無須工藝人員在設(shè)計(jì)工藝規(guī)程時(shí)進(jìn)行過多的規(guī)定。而在數(shù)控機(jī)床加工時(shí)，上述這些具體工藝問題，不僅成為數(shù)控工藝設(shè)計(jì)時(shí)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．?dāng)?shù)控加工的工藝設(shè)計(jì)非常嚴(yán)密
數(shù)控機(jī)床雖然自動(dòng)化程度較高，但自適應(yīng)性差。它不能像通用機(jī)床加工時(shí)可以根據(jù)加工過程中出現(xiàn)的問題比較靈活的適時(shí)的進(jìn)行人為的調(diào)整。即使現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床在自適應(yīng)調(diào)整方面作出了不少努力與改進(jìn)，但其自由程度也不大。比如，數(shù)控機(jī)床加工螺紋孔時(shí)，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(jìn)刀。所以，在數(shù)控加工的工藝設(shè)計(jì)中，必須注意加工過程中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，計(jì)算和編程時(shí)，都要力求正確無誤。
3．?dāng)?shù)控加工的操作程序化相當(dāng)嚴(yán)格
由于數(shù)控加工自動(dòng)化程度高、可多軸聯(lián)動(dòng)，便于工序集中安排。但數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，操作技術(shù)要求高，所加工的對(duì)象也都是一些形狀比較復(fù)雜、價(jià)值也比較高的零件，稍有不慎損壞了零件或損壞了機(jī)床、刀具，都會(huì)造成較大損失。因此對(duì)數(shù)控機(jī)床加工操作的基本步驟的程序化要求相當(dāng)嚴(yán)格。從工藝設(shè)計(jì)→編寫程序→校驗(yàn)程序→零件加工的每一步都不能忽視，其中程序校驗(yàn)更是重要的一環(huán)。在實(shí)際工作中，由于一個(gè)小數(shù)點(diǎn)或一個(gè)符號(hào)的差錯(cuò)而釀成重大機(jī)床事故和質(zhì)量事故的例子也屢見不鮮。
4．?dāng)?shù)控加工機(jī)床的合理應(yīng)用
根據(jù)數(shù)控加工的特點(diǎn)，正確選擇加工方法和加工對(duì)象，充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床加工的優(yōu)點(diǎn)，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益是我們?cè)谶M(jìn)行工藝設(shè)計(jì)中必須考慮的一個(gè)重要問題。數(shù)控加工工藝的應(yīng)用有很大的靈活性，對(duì)同一個(gè)加工內(nèi)容，可能有多種工藝方案，必須針對(duì)具體問題進(jìn)行具體分析。一方面，選擇加工方法和對(duì)象時(shí)要考慮到數(shù)控機(jī)床與系統(tǒng)的性能指標(biāo)，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(shí)還要在基本不改變工件原有性能的前提下，對(duì)其形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)等做一些必要的、適應(yīng)數(shù)控機(jī)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(shí)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(jì)工作也是在不斷提高和改進(jìn)。近年來，隨著數(shù)控機(jī)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(jì)理念發(fā)生了很大的變化。
近二十年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）與計(jì)算機(jī)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(jì)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(diǎn)之一。
自動(dòng)編程的概念
采用計(jì)算機(jī)代替手工編制數(shù)控加工程序的過程稱為“計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程”，也稱作計(jì)算機(jī)輔助編程，簡(jiǎn)稱“自動(dòng)編程”。它是利用通用計(jì)算機(jī)和相應(yīng)前置、后置處理軟件，對(duì)工件源程序或CAD圖形進(jìn)行處理，以得到加工程序的一種方法。自動(dòng)編程是計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中的一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域。
根據(jù)編程信息的輸入與計(jì)算機(jī)對(duì)信息的處理方式不同，分為以自動(dòng)編程語(yǔ)言為基礎(chǔ)的自動(dòng)編程方法和以計(jì)算機(jī)繪圖為基礎(chǔ)的自動(dòng)編程方法。從自動(dòng)編程的發(fā)展歷史進(jìn)程來看，很早就發(fā)展了以自動(dòng)編程語(yǔ)言為基礎(chǔ)的自動(dòng)編程方法，以計(jì)算機(jī)繪圖為基礎(chǔ)的自動(dòng)編程方法則相對(duì)發(fā)展較晚，這主要是由于計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)發(fā)展相對(duì)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(jì)算機(jī)代替程序編制人員完成了繁瑣的數(shù)值計(jì)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(guó)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(yǔ)言》標(biāo)準(zhǔn)，供各成員國(guó)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(dòng)編程的主流，其大大減少了編程出錯(cuò)率，提高了編程效率和編程可靠性。通常對(duì)于簡(jiǎn)單的加工零件可一次調(diào)試成功。
自動(dòng)編程所用的零件圖，是由設(shè)計(jì)者根據(jù)使用要求而設(shè)計(jì)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(jī)交互方式對(duì)零件的幾何模型進(jìn)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(jìn)行幾何造型。然后對(duì)機(jī)床和刀具進(jìn)行定義和選擇，確定刀具相對(duì)于零件表面的運(yùn)動(dòng)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(dòng)編程還具有加工軌跡的仿真功能，以用于驗(yàn)證走刀軌跡和加工程序的正確性。使用這類軟件對(duì)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(duì)于大型的較為復(fù)雜的零件的編程時(shí)間，大約為APT編程的幾分之一，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯�，F(xiàn)在的自動(dòng)編程方法一般是指CAD/CAM系統(tǒng)的自動(dòng)編程。狹義的CAM就是指這種自動(dòng)編程。
自動(dòng)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(dòng)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(jì)算的難度和工作量的大小、現(xiàn)有設(shè)備條件（計(jì)算機(jī)、編程系統(tǒng)等）以及時(shí)間和費(fèi)用等諸多因素。一般說來，加工形狀簡(jiǎn)單的零件，例如點(diǎn)位加工或直線切削零件，用手工編程所需的時(shí)間和費(fèi)用與計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程所需的時(shí)間和費(fèi)用相差不大，這時(shí)采用手工編程比較合適。否則，不妨考慮選擇自動(dòng)編程。
3．CAD/CAM集成系統(tǒng)自動(dòng)編程的主要特點(diǎn)
與手工編程相比，自動(dòng)編程具有以下主要特點(diǎn)：
(1) 數(shù)學(xué)處理能力強(qiáng)
對(duì)輪廓形狀不是由簡(jiǎn)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(jì)算工作相當(dāng)繁瑣，采用手工編制程序的方法是難以完成的。例如，對(duì)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(diǎn)的坐標(biāo)值，其中列算式、解方程，雖說能借助計(jì)算器進(jìn)行計(jì)算，但工作量之大是難以想象的。而自動(dòng)編程借助于系統(tǒng)軟件強(qiáng)大的數(shù)學(xué)處理能力，計(jì)算機(jī)能自動(dòng)計(jì)算出加工該曲線的刀具軌跡，快速而又準(zhǔn)確。自動(dòng)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(dòng)生成數(shù)控程序
對(duì)非圓曲線的輪廓加工，手工編程即使解決了節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算，也往往因?yàn)楣?jié)點(diǎn)數(shù)過多，程序段很大而使編程工作又慢又容易出錯(cuò)。自動(dòng)編程的優(yōu)點(diǎn)之一，就是在完成計(jì)算刀具運(yùn)動(dòng)軌跡之后，后置處理程序能在極短的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)生成數(shù)控加工程序，且該數(shù)控加工程序不會(huì)出現(xiàn)語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng)然自動(dòng)生成數(shù)控加工程序的速度還取決于計(jì)算機(jī)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(jī)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(gè)零件在不同的數(shù)控機(jī)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(jì)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(dòng)生成適用于不同數(shù)控機(jī)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(jiǎn)單得多，因而它靈活多變。對(duì)于不同的數(shù)控機(jī)床，取用不同的后置處理程序，等于完成了一個(gè)新的自動(dòng)編程系統(tǒng)，極大地?cái)U(kuò)展了自動(dòng)編程系統(tǒng)的使用范圍。
(4) 程序自檢、糾錯(cuò)能力強(qiáng)
復(fù)雜零件的數(shù)控加工程序往往很長(zhǎng)，要一次編程成功，不出一點(diǎn)錯(cuò)誤是不現(xiàn)實(shí)的。手工編程時(shí)，可能出現(xiàn)書寫有錯(cuò)誤，算式有問題，也可能程序格式出錯(cuò)，靠人工檢查一個(gè)個(gè)的錯(cuò)誤是困難的，費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。采用自動(dòng)編程，程序有錯(cuò)主要是原始數(shù)據(jù)不正確而導(dǎo)致刀具運(yùn)動(dòng)軌跡有誤，或刀具與工件干涉，或刀具與機(jī)床相撞，等等。自動(dòng)編程能夠通過系統(tǒng)先進(jìn)的、完善的診斷功能，在計(jì)算機(jī)屏幕上對(duì)數(shù)控加工程序進(jìn)行動(dòng)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(shí)對(duì)數(shù)控加工程序中產(chǎn)生錯(cuò)誤的位置及類型進(jìn)行修改，快速又方便。現(xiàn)在，往往在前置處理階段計(jì)算出刀具運(yùn)動(dòng)軌跡以后立即進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬檢查，確定無誤以后再進(jìn)入后置處理階段，生成正確的數(shù)控加工程序來。
(5) 便于實(shí)現(xiàn)與數(shù)控系統(tǒng)的通訊
自動(dòng)編程系統(tǒng)可以利用計(jì)算機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)的通訊接口，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)間的通訊。自動(dòng)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(jī)床進(jìn)行加工。如果數(shù)控程序很長(zhǎng)，而數(shù)控系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)器容量有限，不足以一次容納整個(gè)數(shù)控加工程序，編程系統(tǒng)可以做到邊輸入，邊加工。自動(dòng)編程系統(tǒng)的通訊功能進(jìn)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(guó)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(jì)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(guó)的數(shù)控加工編程同時(shí)經(jīng)歷了從手工編程到使用CAD/CAM集成系統(tǒng)自動(dòng)編程的過程。
CAD/CAM集成系統(tǒng)軟件是實(shí)現(xiàn)數(shù)控自動(dòng)編程必不可少的應(yīng)用軟件，目前，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上銷售比較成熟的這類軟件有十幾種，既有國(guó)外的也由國(guó)內(nèi)自主開發(fā)的，這些軟件在功能、價(jià)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(guó)UGS（Unigraphics Solutions）公司推出的軟件。它最早由美國(guó)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(zhǎng)，還具有管理復(fù)雜產(chǎn)品裝配，進(jìn)行多種設(shè)計(jì)方案的對(duì)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(jì)、產(chǎn)品分析、加工裝配、檢驗(yàn)，到過程管理、虛擬運(yùn)作等全系列的技術(shù)支持。目前，該軟件在國(guó)際CAD/CAM/CAE市場(chǎng)上占有較大的份額，是目前市場(chǎng)上數(shù)控加工編程能力最強(qiáng)的CAD/CAM集成系統(tǒng)之一。
�。�2）．Pro/Engineer 系統(tǒng)
Pro/Engineer是美國(guó)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(kù)的特點(diǎn)，可用于設(shè)計(jì)和加工復(fù)雜零件。另外，它還具有零件裝配、機(jī)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(jì)、汽車、航天、玩具等行業(yè)，并在國(guó)際CAD/CAM/CAE市場(chǎng)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(shí)現(xiàn)曲面造型的軟件，它開創(chuàng)了三維設(shè)計(jì)的新時(shí)代。它的出現(xiàn)，首次實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)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(shí)的基礎(chǔ)。目前，CATIA系統(tǒng)已發(fā)展成從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品分析、加工、裝配和檢驗(yàn)，到過程管理、虛擬運(yùn)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(jìn)。
（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(jī)平臺(tái)上實(shí)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(guó)得到全面漢化，已積累了一定的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。
�。�5）．MasterCAM
MasterCAM是由美國(guó)CNC software公司推出的基于PC平臺(tái)上的CAD/CAM軟件，它具有很強(qiáng)的加工功能，尤其在對(duì)復(fù)雜曲面自動(dòng)生成加工代碼方面，具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。由于MasterCAM主要針對(duì)數(shù)控加工，零件設(shè)計(jì)造型功能不強(qiáng)，但對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求不高，且操作靈活、易學(xué)易用、價(jià)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(guó)北航海爾軟件有限公司自主研制開發(fā)的基于微機(jī)平臺(tái)，面向機(jī)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(shí)體造型的設(shè)計(jì)功能，較強(qiáng)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(diǎn)是易學(xué)易用，價(jià)格較低，已在國(guó)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(dāng)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(shí)密集、更新速度快、綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)。近幾年來，上述CAD/CAM系統(tǒng)的版本升級(jí)速度非常快，CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家科技和工業(yè)現(xiàn)代水平的重要標(biāo)志之一。
1931年德國(guó)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(huì)升高反而會(huì)降低，且該切削速度與工件材料的種類有關(guān)。對(duì)于每一種工件材料都存在一個(gè)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(jìn)行，要是能越過這個(gè)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(jì)60年代起，人們對(duì)高速加工的機(jī)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(gè)階段。近幾年隨著高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)、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(jì)效益。有資料統(tǒng)計(jì)，高速切削加工與常規(guī)切削加工相比：加工時(shí)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(gè)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(gè)相對(duì)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(shì)
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?yàn)樗鄬?duì)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(diǎn)：
1．提高生產(chǎn)率
高速切削加工中主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)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(jìn)給速度高，切削量小，但在單位時(shí)間內(nèi)的材料切除量卻增加了數(shù)倍。同時(shí)，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(duì)復(fù)雜型面加工也可以直接達(dá)到零件表面質(zhì)量要求，進(jìn)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(jī)床必須具備高剛性和高精度等性能，同時(shí)由于切削力低，工件熱變形小，切削深度小，而進(jìn)給速度較快，加工表面粗糙度很小，切削鋁合金時(shí)可達(dá)Ra0.4~0.6，切削鋼件時(shí)可達(dá)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(duì)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(xì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)的要求
高速切削加工主要由兩個(gè)特點(diǎn)：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(jìn)給，進(jìn)給速度一般在每分鐘幾米甚至幾十米以上。由于進(jìn)給速度很大，機(jī)床主軸的慣性就成為高速加工時(shí)最不能忽視的要素，在機(jī)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(dāng)不僅會(huì)縮短設(shè)備的使用壽命，而且會(huì)影響加工質(zhì)量。因此，高速切削加工技術(shù)對(duì)機(jī)床、刀具、控制系統(tǒng)、編程、工藝流程、設(shè)計(jì)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(duì)機(jī)床的要求
由于高速加工的特點(diǎn)，高速加工機(jī)床必須滿足以下幾個(gè)條件：首先，機(jī)床的功率必須足夠大，以滿足在加工時(shí)對(duì)機(jī)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(jìn)給絲杠；再次，機(jī)床必須配備實(shí)心的臺(tái)架、剛性的龍門框架且基體材料應(yīng)對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)振動(dòng)衰減作用較大，這種結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)振動(dòng)衰減作用可有效消除加工中的振動(dòng)，提高機(jī)床的穩(wěn)定性；最后，是對(duì)伺服電機(jī)的要求，采用直接驅(qū)動(dòng)的線性馬達(dá)可提高加工質(zhì)量并極大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，而且很容易達(dá)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(zhǎng)的刀具壽命。
2．高速加工對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的要求
對(duì)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(bǔ)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(dòng)減速、優(yōu)化插補(bǔ)、可適用于通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)等功能。
3．高速加工對(duì)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(dòng)和徑向圓跳動(dòng)，對(duì)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(shí)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(dòng)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(duì)高速切削加工的應(yīng)用起到了重要的作用。
4．高速加工對(duì)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(gè)方面考慮，一是高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的刀具動(dòng)平衡狀態(tài)，另一個(gè)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(dòng)平衡裝置的刀具，此類刀具在刀套里面安裝了機(jī)械滑塊或采用流體動(dòng)平衡設(shè)計(jì)；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(bào)廢，刀套也就一起報(bào)廢了，因此費(fèi)用較高。
高速加工對(duì)刀具的總體要求是平衡、材料先進(jìn)、制造精度高、安全、易排屑和多用途。
5．高速加工對(duì)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(duì)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(duì)于能否加工出一個(gè)合格零件以及延長(zhǎng)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(dòng)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(shí)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(duì)加工編程的要求
為了避免高速加工過程中機(jī)床慣性的影響，理論上只要在切削過程中不改變進(jìn)給方向就可以了，但是實(shí)際上這是不可能實(shí)現(xiàn)的，改變進(jìn)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(gè)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(shí)候換向，在改變進(jìn)給方向之前降低進(jìn)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?yàn)�，不同刀具載荷能夠引起刀具產(chǎn)生偏差，這會(huì)降低工件精度，曲面精度和刀具壽命。
7．高速加工對(duì)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(shí)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(shí)到編程過程中，不僅需要掌握CAM軟件常用的功能，同時(shí)需要注意軟件中的一些特殊參數(shù)的設(shè)置。當(dāng)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(shí)現(xiàn)某些工藝要求時(shí)，需要了解所用的CAM軟件的功能。一般認(rèn)為，CAM系統(tǒng)除應(yīng)當(dāng)具有對(duì)高速切削加工過程的分析功能外，還應(yīng)有自動(dòng)特征識(shí)別功能、具有很高的計(jì)算編程速度、能夠?qū)Φ毒吒缮孢M(jìn)行檢驗(yàn)、具有進(jìn)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(dòng)識(shí)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(biāo)。高速加工按目的分為兩種情況：以實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間最大去除量為目的的高速加工和以實(shí)現(xiàn)單位時(shí)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(duì)于一個(gè)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(gè)整體考慮，設(shè)計(jì)出一個(gè)合理的加工方案。從總體上達(dá)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(shì)，這就是高速銑削工藝設(shè)計(jì)的原則。
1．粗加工
粗加工的目標(biāo)是追求單位時(shí)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(jī)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(shí)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(jìn)刀、退刀、步距和非切削運(yùn)動(dòng)的過渡也都盡可能圓滑。如在平面銑削時(shí)，可采用螺旋或傾斜方式的垂直進(jìn)退刀運(yùn)動(dòng)、圓弧方式的水平進(jìn)退刀運(yùn)動(dòng)；而在曲面輪廓銑削中，使用切圓弧的進(jìn)退刀運(yùn)動(dòng)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(shí)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(zhǔn)備。半精加工應(yīng)沿著粗加工后的棱狀輪廓進(jìn)行銑削，以便使切入過程穩(wěn)定，并減少切削力波動(dòng)對(duì)刀具的不利影響。另外，半精加工時(shí)刀具的切削應(yīng)盡量連續(xù)，避免頻繁的進(jìn)退刀。
3．精加工
精加工的目的是按照零件的設(shè)計(jì)要求，達(dá)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(shí)，精加工中需要對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
高速切削加工是當(dāng)今制造業(yè)中一項(xiàng)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(rèn)為是21世紀(jì)機(jī)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(diǎn)，但其加工成本較高的缺點(diǎn)也是顯而易見的。為了降低成本，就需要對(duì)工件的整個(gè)加工流程進(jìn)行合理的安排。在高速切削加工中，機(jī)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(yàn)的積累及反復(fù)實(shí)踐和總結(jié)，才能真正發(fā)揮出高速切削加工的優(yōu)勢(shì)。 |
