第4章Mastercam的铣削粗加工案例(1)_中华文本库
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第4章 Mastercam铣削粗加工 章 铣削粗加工
本章的学习目标: 本章的学习目标
·应用Mastercam学习对二维,三维曲面 及 线框曲面图形的创建。 ·学习对各种粗加工的刀具及加工参数的选择。 ·应用Mastercam对刀具路径进行编辑及动态模拟。 ·应用Mastercam将刀具路径转换成NC程序。
4.1 Mastercaam二维铣削粗加工 二维铣削粗加工
本节介绍二维的外形铣削,挖槽铣削及钻 孔加工,并以小型数控机床为例选择外形 铣削及挖槽铣削加工参数。
外形铣削实例
图4.1汽车图形
1．构建图形 ． 1）定平面坐标： Z:0.000 颜色: 10 层别: 1 限定层：关 刀具面：关 构图面：T 视图： T
2）创建汽车直线部分图形 回主功能表/C绘图 线 任意线段 任意线段/K任 回主功能表 绘图/L线/E任意线段 任意点 绘图 (1)输入第一点坐标值：20，20; 输入第二点 坐标值：14，20
2) 重复步骤 ，输入各段直线端点坐标 重复步骤(1)， 3）按ALT+F1放大图形，按ALT+F2缩小图形 4）创建车轮部分的图形 回主功能表/C绘图 圆弧 回主功能表 绘图/A圆弧 绘图 圆弧/ P极坐标 起始点 任意点 极坐标/S起始点 极坐标 起始点/K任意点 （１）输入所设定的值，得出汽车图形 输入所设定的值， 档案/S存档 （２）回主功能表/F档案 存档 回主功能表 档案
２.外形铣削 外形铣削
1) 设置坐标 设构图面：T 构图面： 构图面 设视角： T 视角： 视角 2) 回主功能表 刀具路径 外形加工 回主功能表/T刀具路径 刀具路径/C外形加工 C串联 点取1点 串联 M更换模式 串联 点取2点 更换模式/C串联 更换模式 重复M更换模式 更换模式/C串联 重复 更换模式 串联 点取3、4、5点, 如下图4.2所示。
图4.2所示。
3）选D执行 ） 执行 跳出参数页,设置刀具参数,参数设置后 如图4.3所示:
图4.3刀具参数的设置
4）设置外形铣削参数 ）
参数设置后如图4.4所示 参数设置后如图 所示: 所示
图4.4外形铣削参数的设定
按图4.4确定 确定按钮后出现外形 确定 铣削路径如 图4.5所示。
图4.5外形铣削路径
5）回主功能表 刀具路径 操作管理 跳 回主功能表/T刀具路径 操作管理, 回主功能表 刀具路径/O操作管理 出对话框如图4.6所示。
图4.6操作管理对话框
选择执行后处理 执行后处理，跳出对话框如图 执行后处理 4.7所示，选储存NC档,输入保存文件 的路径和文件名（*.NCI）, 按确定 确定按 确定 钮,自动转换成程（略）。
图4.7储存后处理对话框
Mastercam三维铣削粗加工 4.2 Mastercam三维铣削粗加工
Mastercam共有七种粗加工方法， 在这些方法可分为两大类：挖槽粗加工 主要用于凹槽式的曲面加工，其余六种 粗加工能用于各种曲面加工。
图4.30曲面粗加工菜单
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Mastercam用平行铣削功能来粗加工――曲面模型
回主动能表à档案à取档
档名：COONSà打开
此时COONS曲面应出现如图7.12所示。
刀具面à俯视图
构图面à俯视图
回主功能表à刀具路径à曲面加工à粗加工à平行铣削
设定NDI档名为ROUGH，并保存
用鼠标选择要加工的曲面à执行
出现粗加工参数对话框，设定刀具参数如下：刀具直径：4；刀具半径：2
按“粗加工参数”钮，并设定粗加工参数如下：
安全高度：15；参考高度：10；G00下刀位置：2.5
切削深度：选增量坐标
相对于刀具：选刀尖
顶部预留量：0.1
底部预留量：0.5
选择“OK”回到“粗加工参数”
按“平行铣削参数”钮，并设定其参数如下；
切削方向误差值：0.5；截断的布进量：2
计算机经数秒钟计算，自动生成刀位轨迹文件，此时粗加工刀具路径即呈现于屏幕上。
回主功能表à公用管理à路径模拟
设定工作设定对话框参数如下：
显示路径：Y
显示刀具：Y
此时可看到刀具加工时所行走的轨迹。
上层功能表à后处理àYes
输入文件名COONS.NC，并保存
等待数秒钟，计算机自动生成NC程序，并显示其NC加工程序清单。浅淡MasterCAM加工薄壁零件的应用
要：本文从薄壁零件的特点及加工难点出发,分析了在数控铣床上应用MasterCam进行自动编程加工时，如何选择合理的刀具路径，提高生产效率，改善加工质量。
关键词：数控铣;刀具路径;MasterCAM。
一、前言：
MasterCAM是由美国CNC
Software公司研制开发的基于微机CAD/CAM软件，V5.0以上版本运行于Windows操作系统。MasterCAM包括3大模块：Design,Lathe,和Mill是一套兼有CAD和CAM功能的套装软件，由于其价格较低且功能齐全，因此有很高的市场占有率。Design模块中不仅可以设计编辑复杂的二维，三维空间曲线，还能生成方程曲线，同时其尺寸标注，注释等也较为方便。在其曲面造型功能中，采用NURBS,PARAMETRICS等数学模型，有十多种生成曲面的方法和编辑功能，还可以进行实体造型，同时提供了可靠的数据交换功能。
Mill模块主要用于生成铣削加工刀具路径。可以直接加工曲面及实体，提供多种刀具路径形式和走刀方式。同时还提供了刀具路径的管理和编辑，路径模拟,实体加工模拟及后处理等功能,MasterCAM可以直接与机床控制器进行通讯。
MasterCAM提供了多种粗加工技术和丰富的曲面精加工功能。精加工走刀形式直接影响加工出来的表面质量，要达到图纸要求的尺寸精度和表面粗糙度，需在编制刀具路径时针对零件特点合理选择走刀方式。对于同一个零件，可能在不同的部位需要不同的走刀方式，对于零件的特殊部位（如薄壁，圆弧过度面等）还需要专门的刀路来特殊处理，此外还需要合理选择刀具，优化走路路径，减少提刀，空刀及不必要的重覆路径，在改善加工质量的同时提高效率，对于下图所示的零件图如何编制刀具路径以达到加工要求呢？
图1&& 零件图
二、零件特点及技术要求
(一)零件特点：如图1所示，零件最大外形尺寸120*80*27,是一个长方体的对称型零件,四面分别切开一个凹形缺口,剩下部位分开两层台阶。中间部分比较复杂,先是有一个4mm高的圆形台阶,台阶的直径尺寸为￠46mm上是一个正五边形的薄壁，壁厚为0.88mm，高为6mm,其最外边与倒圆角后的五边形相切，中间部分是一个R4的圆弧曲面，其跨度两面各一半，且圆弧曲面与上平面相切，最下层有一个倒角2*45，四周分布孔4-￠12，其精度要求高，H7配合是一个比较高的级别。
(二) 技术要求:
1、所有表面粗糙度要求Ra3.2；
2、零件表面无缺陷，圆角部位无残料；
3、未注公差按IT13；
4、棱边倒钝；
5、零件批量生产。
三、加工零件工艺分析
1、加工材料：铝材(ZL401)，这种材料是铝锌合金,用于制造形状复杂,负荷不大的薄壁零件或用作压铸零件,可不进行热处理，但耐蚀性较差，其硬度为80-90HBS。毛坯尺寸：122x82x30mm。
2、刀具材料：根据加工材料的特性，选择白钢刀和麻花钻（HSS）
3、设备：数控铣床。
4、工艺分析及刀路选择：
零件表面粗糙度要求Ra3.2，加工整体思路是先粗加工、然后半精加工、再精加工，最后钻孔加工。采用大刀开粗，小刀清除大刀留下的残料面，大刀光刀，再小刀光刀，为避免过多的走空刀，提高加工效率，采用区域加工，以限定走刀范围。薄壁部位特殊处理，采用内轮廓加工一次，铣去0.4mm,外轮廓加工一次铣去0.4mm的办法，减小切削时对壁面的压力，半精铣时背吃刀量取1.5-2.0mm,精铣时吃刀量取0.3-0.5mm，最后用深孔琢钻加工孔。样件加工采用平口钳夹紧，这时底面垫铁要避开4孔位置，并要要足够的高度，以保证钻头不与垫铁或平口钳发生碰撞，零件的坯料高30mm,最后加工到27mm,双面余量3mm,刚开始加工时试想用单面去出余量的方法来保证加工尺寸，但所给的坯料并不能保证标准，所以还是改用双面铣去余量的方法来加工零件。这样在加工时反面的装夹就必须保证两块垫铁的高度一样，在装夹前量准确尺寸，找好水平，然后的对刀时我采用双面涂层粉笔灰的办法，当我看到有一点粉削飞出时，才清零，高度方向上的对刀也是十分重要的，我采用￠10的标准棒来辅助完成，把机床的进给倍率调到最小0.001保证对刀精度。
具体分析如下：
(1)、粗加工
粗加工的主要目标是追求单位时间内的材料去除率，并为半精加工准备工件的几何轮廓，零件整体一起开粗，刀具要求有足够的强度和韧性，还需要恒定的切削载荷；通过获得恒定切削层面积和材料去除率，使切削载荷与刀具磨损速率保持均衡，以提高刀具寿命和加工质量；要避免突然改变刀具进给方向；要避免将刀具埋入工件。如加工凹型零件时，应避免刀具垂直插入工件，而应采用倾斜下刀方式(常用倾斜角为10°～20°)，最好采用螺旋式下刀以降低刀具载荷；加工凸型零件时，应尽量先从工件外部下刀然后水平切入工件；刀具切入、切出工件时应尽可能采用倾斜式(或圆弧式)切入、切出，避免垂直切入、切出；采用攀爬式切削可降低切削热，减小刀具受力和加工硬化程度，提高加工质量。因此尽量选择一把比较大的刀具，根据工件材料、工件外形及毛坯尺寸选择直径12mm的平底刀。
曲面粗加工首先是面铣顶面余量，根据工件的毛坯尺寸122*82*30，在加工时顶面和底面各铣去1.5mm,就可以保证其加工后尺寸为27mm,加工方式选择面铣，加工间距为刀具直径的75%，下一步是零件整体开粗，包括铣去四周边余量2mm,曲面刀具路径中，能够加工该工件的路径有平行铣削，等高外形铣削和挖槽式铣削三种，其中平行铣削和等高外形铣削由于其走刀的特点，不能将工件之轮廓完全加工出来，残留余量较大，刀具路径长，效果不好（如下图b所示）。只有挖槽式加工是依工件之轮廓而铣削，能将工件的绝大部分轮廓形状加工出来，残留余量较小，抬刀和走空刀次数少，因此刀具路径短，加工效率高（如下图a所示）。
(　(a)曲面挖槽
& &(b)等高外形
图2　加工方式的选择
选用挖槽式曲面粗加工时，应首先选取合适的边界，采用边界外下刀，考虑到精加工时，铣刀的直径较大&O12刚度和强度均较好，在加上零件中间部分的薄壁0.88mm,加工过程中容易受到切削的挤压变形，因此粗加工余量留大些，选0.6mm为宜，这样加上薄壁0.88mm，总共薄壁部分的厚度保证在1.5mm以上。
(2)、半精加工
半精加工的主要目标是使工件轮廓形状平整，表面粗加工余量均匀由于粗加工刀间距和切削深度较大，残料过多，为了去除过多的残料，使精加工余量均匀，刀具选择应考虑承受粗加工所留残料而不至断刀，且不会留下过多的残料而给精加工造成困难，故此选择平刀。由于粗加工刀间距和切削深度较大，所剩残料过多，刀具选择应考虑承受粗加工所留残料而不至断刀，且不会留下过多的残料而给精加工造成困难，故此选择直径&O8mm平底刀，选用等高外形式曲面精加工路径进行半精加，留精加工余量0.3mm。等高外形加工时，刀具在xy平面作轮廓切削进给，完成一周后，在沿z轴移至下一个切削行，刀具沿z
轴只作等距的移动，参数设置时进退刀线采用切线切入切出零件。
(3)、精加工&
精加工需达到要求的尺寸精度和表面精度，同时兼顾效率，选择刀具时要考虑刀具强度及是否会留有残料，且精加工时刀具轨迹分布应尽量均匀，整齐，无过切或扎刀的现象发生，便于后期的修整，采用球刀加工时，在一个切削行内，刀具切触点的线速度不宜过大，以便选择合理的主轴转速，提高表面加工质量。考虑到工件轮廓曲面的最小曲率半径为R4.0mm，因此选择R3.0mm球刀，主轴转速选左右。切削间距0.1mm。
(4)、清角加工
在零件的反面R4的圆角与￠25的圆在衔接的部位，因为R4的圆角必须用球刀加工，这样就会在这个地方留下残料，所以在加工时我在这个地方增加环绕等距刀路选用&O8平底刀来完成清角加工。
(5)、孔加工
零件的孔是&#通孔，其加工方法很多，有钻孔、扩孔、铰孔、镗孔等，但对于直径小于￠30mm的孔，通常采用打中心孔→钻孔→扩孔的加工方案，先用中心钻点窝，在用￠6mm的钻头钻孔，最后用￠12mm的钻头扩孔，钻孔刀路选用深孔啄钻，因为这种加工方式可以更改排屑时刀具回退的高度，且排屑容易。
四、加工难点分析及解决方案
1、零件中0.88mm的薄壁，在第一次加工过程我采用常规的加工方法，按一般的外形铣削的方法，最后加工出来后，零件的垂直度已经没有了保证，加工时我的最后一刀加工的是薄壁的内面，这样导致壁面向外偏0.15mm,特别是在圆弧拐角的地方，偏的更多，有的地方甚致出现了裂纹现象，经分析是这个位置的薄壁在加工时受到刀具切削力的挤压产生朔性变形而引起的，经过查找工具书，和老工程师一起讨论找到解决办法，铝材是一种难加工材料，铣削时粘刀严重，排屑不畅，在加上强度底，硬度底，在编写加工路线时，把中间部分R23的圆台部位特殊处理，先不加工这部分，在画图时把最外尺寸改大1mm，先加工完其他部分后，在加工这部分。（如图3）第二步单独加工薄壁部分，我们可以采用曲面挖槽的方法铣去大量的余量，再用外形铣削的方法，先把粗加工留下的0.6mm的余量在加上我们偏大的1mm,总共1.6mm分成四次加工，每次加工量为0.4mm,加工时的加工顺序为，内外交叉各加工一次的方法，总共四刀加工完成，这样我们保证了在加工时的受力均匀，不会使工件变形，且排屑容易。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
图3&& 薄壁特殊处理
2、零件中R4.0的圆弧，由于其位置的特殊性，在加工时很难处理，它与上平面相切，而圆弧的另一半必须要在反面加工，对刀时的偏差，和刀路切入、切出时的方式对这个地方的加工质量起到决定性的影响，我们的圆弧在内轮廓处，由于该曲线无可供延伸的线段，可采用增加圆弧段切入和圆弧段切出的方法。这样可以减小刀具在切入切出点产生的驻刀痕迹，提高表面质量。（如图四）且在曲面加工时行间转移可选为高速连接方式，回转的长度为5，斜线长度为3。这种选择在加工时可以很好的保证在切入和切出时产生的切削刃切痕不大，保证零件曲面的平滑过渡。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
图4& 三种下刀方式的比较
a）螺旋下刀&&&&&&&&&&&&&&&&
b）斜线下刀&&&&&&&&&&&&&
c）直线下刀
五、零件的CAD造型
零件的CAD图形可以由其它软件绘制完成，通过MasterCAM主菜单中File→Converters转化换为MasterCAM的图形文件格式。二维图形经转换后应对所有线条按标注的尺寸进行核对，以避免尺寸表达与图形表达不一致。三维曲面转换后，也要认真检查所有曲面是否光顺，必要时重新构造曲面。
六、零件的CAM编程
1、在零件加工时刀具的选择
(1)、根据被加工零件形状选择刀具类型：对于凹形表面，在半精加工和精加工时，应选择球头刀，以得到好的表面质量，但在粗加工时宜选择平端立铣刀或圆角立铣刀，这是因为球头刀切削条件较差；对凸形表面，粗加工时一般选择平端立铣刀或圆角立铣刀，但在精加工时宜选择圆角立铣刀，这是因为圆角铣刀的几何条件比平端立铣刀好。
(2)、根据从大到小的原则选择刀具：无论是粗加工还是精加工，应尽可能选择大直径的刀具，因为刀具直径越小，加工路径越长，造成加工效率降低，同时刀具的磨损会造成加工质量的明显差异。零件最大外形120*80，选择开粗的刀具应在&O12-&O16mm这样的一个范围左右。
(3)、根据型面曲率的大小选择刀具：在精加工时，所用最小刀具的半径应小于或等于被加工零件上的内轮廓圆角半径，零件最小圆弧R4.0,所以在加工时选择R3球刀，在粗加工时，考虑到尽可能采用大直径刀具的原则，一般选择的刀具半径较大，粗加工要考虑所留余量是否会给半精加工或精加工刀具造成过大的切削负荷。
(4)、选择刀具时具体在加工模块的零件图纸上该怎样操作呢？第一可以用画圆的方式放置在零件图形的较窄部分，看是否会产生干涉，画圆工具选用点直径圆的方式，当画出后，先不给定其定位点，这时的圆处于用手工控制状态，然后用手拖着使圆处于放置状态，就可以判断是否可以选用该直径的刀具。第二还可以用测量两点之间的最短距离来判断刀具的轨迹线能否经过，在加上加工时所给定的加工余量，来最终确定选择的刀具大小，零件图纸上的空位尺寸+加工余量﹥刀具直径，就可以选用该直径的刀具。第三就是直接判断法，根据图纸尺寸，结合工艺要求来选择刀具。
2、切削参数的控制
切削参数的选择对加工质量、加工效率以及刀具耐用度有着直接的影响。在CAM软件中与切削相关的参数主要有主轴转速、进给速率、刀具切人时的进给速率、步距宽度和切削深度等。
(1)、主轴转速---主轴转速一般根据切削速度来进行计算， 其计算公式为：n=1000 V／
*d，式中d为刀具直径(mm)，V为切削速度(m／
min)。切削速度的选择与刀具的耐用度密切相关，当工件材料、刀具材料和结构确定后，切削速度就成为影响刀具耐用度的最主要因素，过低或过高的切削速度都会使刀具耐用度急剧下降。精加工时，应尽量避免中途换刀，以得到较高的加工质量，因此应结合刀具耐用度认真选择切削速度。
零件加工选用d=12的刀具，铣削速度V=60m/min(查机械工人切削手册)：
d=12mm时&&&&&
&n=.14*12=1592(r/min)取整数1600
d=8mm时&&&&&&
n=.14*8=2388(r/min) 取整数2400
(2)、进给速度Vf---进给速度指单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移，单位mm/mim。它与铣刀的转速n、铣刀齿数Z及每齿进给量fz(单位mm/z)有关。
进给速度的计算公式为：Vf=fz*Z*n
每齿进给量的选取取决于工件材料的力学性能、刀具材料和铣刀结构。工件的硬度和强度越高，每齿进给量越小；硬质合金铣刀比同类高速钢铣刀每齿进给量要高；当加工精度和表面粗糙度要求较高时，应选择较低的进给量；刀具切入进给速度应小于正常切削进给速度。
&&&&&&&&&&&&
铣刀每齿进给量fz参考表
每齿进给量fz/(mm/z)
高速钢铣刀
硬质合金铣刀
高速钢铣刀
硬质合金铣刀
零件加工选用4齿，白钢刀加工，根据上表选用fz=0.20(粗铣)
fz=0.15(精铣)；Vf=0.2*4*,取整数1200mm/min(粗铣)
Vf=0.15*4*,取整数1400mm/min(精铣)
在数控加工编程中，除以上参数的设定外，还有工件坐标系、刀具快速运动平面、加工安全平面、加工余量参数以及后置处理参数等的设定。工件坐标系的设定一般应与工件的工艺基准相重合；刀具快速运动平面和加工安全平面的选择，应结合工件形状和夹具结构，在保证安全的情况下。尽量减小空刀行程。后置处理参数应结合数控机床控制系统的特点来设定。
七、零件的加工工序卡
基于以上分析，提出以下加工方案，见表1，表2。
刀路形式及加工说明
Z轴进给量/mm& /mm
挖槽粗加工
（渐降斜插）
半精加工曲面
精加工圆弧曲面
精修曲面与圆弧面
相交部位留下圆角
&&O12麻花钻
用深孔啄钻
表2& 刀具切削速率参数
挖槽粗加工
（渐降斜插）
&&O12麻花钻
总之，数控铣床上零件加工的编程具有很大的灵活性，只有在实践中不断进行总结，才能编制出高质量的加工程序，加工出高质量的零件。
以上是我通过对其走刀路径进行分析改善优化，提出最佳加工方案。使用以上方法加工，由于走刀路径合理，因此提高了进给率，整个零件的表面精度均可达到Ra3.2在加工参数设置完全相同的情况下，保证加工质量的前提条件下，零件加工260分钟可以完成，比第一次加工效率提高20%。
参考文献：
1、王卫兵主编.数控编程100例.&& 北京:
机械工业出版社.
2、朱淑萍编著.机械加工工艺及装备.& 上海:机械工业出版社
3、数控编程& （全国数控培训网络天津分中心&
组编）.机械工业出版社
4、于成万编.
数控加工工艺与编程.&&&
人民邮电出版社
5、何建明编著 .铣工计算和常用数表 .& 北京: 机械工业出版社.
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