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1、I摘 要本文简略介绍了通用典型 CADCAM 平台在进行数控铣削加工编程时，其三轴刀具轨迹设计、五轴刀具矢量控制及其轨迹设计、后处理程序开发等方面的对比应用，并以实例的形式进行说明，希望能为读者利用不同的 CAM 软件平台进行数控编程时提供参考借鉴作用。众所周知，在借助 CAM 软件进行数控编程的过程中，工艺参数的选择十分重要，它不仅对被加工零件的质量影响巨大，甚至可以决定着机床功效的发挥和安全生产的顺利进行。本文作者针对模具零件的特点，分析了模具零件数控铣削加工编程中工艺参数的选择对加工质量的影响，并结合实际介绍了模具数控加工中 CAM 编程时工艺参数的设定方法和原则。关键词：数控铣削编程、
2、CADCAM、后处理、吃刀量、进给速度、清根处理。II目 录前 言 .1第 1 章 三轴铣削刀具轨迹设计 .2第 2 章 五轴数控铣削刀具轨迹设计 .5第 3 章 后处理程序开发模式 .8第 4 章 机床加工仿真模拟接口 .11第 5 章 CAM 编程在模具中工艺参数的确定 .135.1 刀具的选择 .135.2 走刀方式和切削方式的确定 .155.3 刀具的切入与切出 .175.4 切削参数的控制 .185.5 其他参数 .19第 6 章 新一代 CAM 的发展 .216.1 CAM 的发展阶段 .226.2 CAM 发展现状 .236.3 新一代 CAM 的基本结构与主要特征预测 .276
3、.4 新一代 CAM 技术对生产的影响 .29第 7 章 结语 .31参考文献 .32 前言1前 言数控加工作为机械制造业中先进生产力的代表，经过十余年的引进与发展，已经在汽车、航空、航天、模具等行业发挥了巨大的作用。它推动了企业的技术进步和经济效益的增长。但是由于多方面原因，国内不同行业在应用数控加工方面表现的差距较大。一方面由于机床刀具软硬件配置等方面的原因，尤其是多坐标控制联动的高速铣削机床，进口设备由于其成本很高，企业不得不考虑其投资效益问题。另一方面多坐标联动高速铣削的 CAM 软件选型、应用编程与开发方面，需要一个长时期的技术积累才能赶上国外先进水平，尤其是对于人员的技术水平要求较
4、高的 CAM 软件应用编程开发方面表现更为明显。用于数控铣削加工编程的 CAM 软件平台较多，比较常用的UGNX、CATIA、Pro/E、Mastercam、Cimatron、Surfcam、Powermill 等，这些 CAM 软件平台在不同企业数控铣削编程方面发挥了很大的作用，虽然各自应用流程略有差别，但各系统提供的基本数控编程功能都比较相似。但是企业产品对象不同，使得对 CAM 平台的选型和应用方面的要求有所不同。数控三轴铣削编程上都能满足企业的要求，但在五轴铣削编程，刀具轴矢量控制与后处理程序开发等方面还是存在较大差别的，尤其是五轴机床的加工编程与后处理程序开发表现更为突出。本文就通用
5、的 CADCAM 软件平台为环境，以几个具体的产品对象的数控铣削加工编程应用实例，简要介绍它们在进行数控三轴铣削、五坐标联动加工编程、后处理开发模式、机床仿真加工模拟接口方面的实例应用。希望对读者有所借鉴作用。 第 1 章 三轴铣削刀具轨迹设计2第 1 章 三轴铣削刀具轨迹设计现有典型 CAM 平台在进行数控铣削编程时，其流程基本相同，主要涉及加工对象定义、刀具选择、加工模式选择、轨迹优化编辑修改控制、后处理与实体模拟等方面内容。典型 CAM 平台在三轴联动数控铣削加工编程方面，都包括为粗加工、精加工、清根加工三种模式以及实体模拟仿真。在刀具轨迹的生成控制方式主要包括二维轮廓粗精加工、 、深孔
6、钻削加工、平行或环形等高分层铣削、螺旋铣削、曲面流线、投影加工、曲面清根、放射加工等功能，在高速铣削加工方面一般都提供高速 R 圆角控制、变速处理、直线拟合、样条插补等轨迹优化策略。利用典型的 CAM 平台在加工某薄壁空间曲面，其刀具轨迹示意图如下图 1.11.3 所示。从图中可以看出，在粗加工方面，各 CAM 平台功能相当；但在清根处理上，UGNX、CATIA、CIMATRONE 可进行多次清根处理；在实体仿真切削时，MASTERCAM、CATIA、CIMATRONE、SURFCAM 等平台相对而言模拟速度较快。 第 1 章 三轴铣削刀具轨迹设计3图 1 三轴粗铣加工轨迹对比示意图图 2 三
7、轴清根铣削加工轨迹对比示意图 第 1 章 三轴铣削刀具轨迹设计4UnigraphicxNX 仿真加工 CATIA 仿真加工 MasterCAM 仿真加工 CimatronE/SurfCAM 仿真加工。图 3 三轴铣削加工实体仿真示意图 第 2 章 五轴数控铣削刀具轨迹设计5第 2 章 五轴数控铣削刀具轨迹设计在利用 CAM 平台进行五轴数控铣削刀具轨迹设计时，其核心内容主要包括刀具轴矢量控制、轨迹驱动方式、进退刀处理、五轴数控机床后处理与五坐标机床加工仿真模拟等方面的工作。由于五轴加工时产品的复杂性和刀具轴控制的灵活性和多样性，导致五坐标联动加工编程的难度和复杂性较大。一般 CAM 平台都提供
8、五轴铣削数控编程功能，其主要包括（A）旋转四轴：多用于带旋转工作台或配备绕X、Y 轴的旋转台的的四轴加工；（B）五轴底刃铣削：用于铣刀的底刃对空间曲面进行加工，避免传统球头刀的加工，此时需要对刀轴矢量进行合理的控制设计；（C）侧刃五轴：利用铣刀的侧刃对空间的曲面进行加工，避免球头刀的 R 切削，能大幅度提高曲面粗精加工的效率；（D）五轴顺序铣削与五面体加工：多用于铣削工步内容比较多的多面体加工，如立卧转换五面体加工中心可一次加工产品上的五个面或内外腔的场合，多用于工序的复合化加工；（E）曲线五轴：对空间的曲面曲线进行五轴曲线加工；（F）五轴钻孔：对空间的孔进行钻孔加工，多用于孔的位置不再三个基
9、准平面上比较特殊的场合，如圆锥面上的孔。空间曲面五轴加工涉及的内容比较多，进行五轴加工时涉及加工导动曲面、干涉面、轨迹限制区域、进退刀及刀轴矢量控制等关键技术。四轴五轴加工的基础是理解刀具轴的矢量变化。四轴五轴加工的关键技术之一是刀具轴的矢量（刀具轴的轴线矢量）在空间是如何发生变化的，而刀具轴的矢量变化是通过摆动工作台或主轴的摆动来实现的。对于矢量不发生变化的固定轴铣削场合，一般用三轴铣削即可 第 2 章 五轴数控铣削刀具轨迹设计6加工出产品，五轴加工关键就是通过控制刀具轴矢量在空间位置的不断变化或使刀具轴的矢量与机床原始坐标系构成空间某个角度，利用铣刀的侧刃或底刃切削加工来完成。刀具轴的矢量
10、变化控制一般有固定矢量、曲面法线、固定点、直线导动、直纹面导动、刀具轨迹投影、点位与任意矢量连续插补等方式。典型 CAM 平台在对某变锥度零件数控铣削加工编程时，各平台环境下的刀具轨迹示意图如下图 2.12.3 所示。可以看出，现有的CAM 平台一般能满足该产品五坐标铣削加工编程的需要。但是从用户的使用经验上讲，UnigraphicsNX 平台在刀具轴矢量控制方面表现得更加灵活，尤其是其提供的插补刀具轴矢量控制和顺序铣削编程功能能够使得用户很轻松得完成所期望的五坐标联动铣削刀具轨迹目标。图 2.1 基于 UnigraphicxNX 平台的五轴铣削刀具轨迹图 2.2 基于 CATIA 平台的五轴
11、铣削刀具轨迹 第 2 章 五轴数控铣削刀具轨迹设计7图 2.3 基于 Pro/ENGINEER 的五轴铣削刀具轨迹8第 3 章 后处理程序开发模式五坐标数控铣削加工编程的后处理程序开发的主要内容包括：算法处理：主要针对多坐标加工时的坐标变换、跨象限处理、进给速度控制。数控系统控制指令的输出：主要包括机床种类及机床配置、机床的定位、插补、主轴、进给、暂停、冷却、刀具补偿、固定循环、程序头尾输出等方面的控制。格式转换：数据类型转换与圆整、字符串处理等：主要针对数控系统的输出格式如单位、输出地址字符等方面的控制。五轴数控机床的配置形式多样，典型配置有绕 X 轴和 Y 轴旋转的两个摆动工作台，其二为主
12、轴绕 X 轴或 Y 轴摆动，另外的工作台则相应绕 Y 轴或 X 轴摆动来构造空间的五轴联动加工。对于主轴不摆动的五轴数控机床，其摆动轴存在主次依赖关系，即主摆动轴（Primary Table）的运动影响次摆动轴（Secondary Table）的空间位置，而次摆动轴的运动则不影响主摆动轴的空间位置状态。用于对典型的五轴机床运动方式进行配置，可对工作台双摆动、主轴头双摆动、主轴摆动及工作台摆动、工作台复合摆动（回转） 、主轴复合摆动（回转）等典型五轴机床进行设置。主轴回转或摆动对应于相应机床，其所处于主动轴或从动轴的形式。在确定机床运动类型以后，其旋转轴矢量平面和旋转中心等设置是非常重要的，：用
13、于设置主动轴及次动旋转轴矢量方向，设置主轴或工作台复合摆动轴矢量方向。旋转轴中心、偏心设置及刀具轴输出设置。如下所示为在 Mastercam平台下的五轴机床类型设置。9#Machine rotary routine settingsmtype : 0 #Machine type (Define base and rotation plane below) #0 = Table/Table#1 = Tilt Head/Table#2 = Head/Head#3 = Nutator Table/Table#4 = Nutator Tilt Head/Table#5 = Nutator Head/Headhead_is_sec : 1 #Set with mtype 1 and 4 to indicate head is on secondary现有的 CAM 平台提供的刀具路径的文件包括标准的可编译文件（如 APT 文件）和二进制文件. CATIA, UGNX, Surfcam,PROE 等CAM 都支持这两种格式 , MasterCam 的 NCI 则是另外的文字格式档案.后处理则各家大多有各自的后处理。典型 CAM 平台的后处理用户界面如下图 3.1 所示。基于 UGpostbuilder 的设置 基于 IMSpost 的后
