UG編程之前需要知道哪些數控加工工藝？

UG是當前世界最先進、面向先進位造行業、緊密集成的CAID/CAD/CAE/CAM軟體系統，提供了從產品設計、分析、模擬、數控程序生成等一整套解決方案。UG CAM是整個UG系統的一部分，它以三維主模型為基礎，具有強大可靠的刀具軌跡生成方法，可以完成銑削（2.5軸～5軸）、車削、線切割等的編程。UG CAM是模具數控行業最具代表性的數控編程軟體，其最大的特點就是生成的刀具軌跡合理、切削負載均勻、適合高速加工。另外，在加工過程中的模型、加工工藝和刀具管理，均與主模型相關聯，主模型更改設計後，編程只需重新計算即可，所以UG編程的效率非常高。

UG CAM主要由5個模塊組成，即交互工藝參數輸入模塊、刀具軌跡生成模塊、刀具軌跡編輯模塊、三維加工動態模擬模塊和後置處理模塊，下面對這5個模塊作簡單的介紹。

（1）交互工藝參數輸入模塊。通過人機交互的方式，用對話框和過程嚮導的形式輸入刀具、夾具、編程原點、毛坯和零件等工藝參數。

（2）刀具軌跡生成模塊。具有非常豐富的刀具軌跡生成方法，主要包括銑削（2.5軸～5軸）、車削、線切割等加工方法。本書主要講解2.5軸和3軸數控銑加工。

（3）刀具軌跡編輯模塊。刀具軌跡編輯器可用於觀察刀具的運動軌跡，並提供延伸、縮短和修改刀具軌跡的功能。同時，能夠通過控制圖形和文本的信息編輯刀軌。

（4）三維加工動態模擬模塊。是一個無須利用機床、成本低、高效率的測試NC加工的方法。可以檢驗刀具與零件和夾具是否發生碰撞、是否過切以及加工餘量分布等情況，以便在編程過程中及時解決。

（5）後處理模塊。包括一個通用的後置處理器（GPM），用戶可以方便地建立用戶定製的後置處理。通過使用加工數據文件生成器（MDFG），一系列交互選項提示用戶選擇定義特定機床和控制器特性的參數，包括控制器和機床規格與類型、插補方式、標準循環等。

1.2 加工工藝知識

在進行數控編程前，讀者必須具備一定的加工工藝知識，例如，數控機床的分類、各種數控機床的加工能力和切削原理、切削刀具的規格和材料、切削參數（主軸轉速、進給速度、吃刀量）選擇原則、工件材料的切削性能、切削過程中的冷卻和公差配合等。只有具備了這些知識，才能編製出合理、高效的數控加工程序。

1.2.1 數控加工的優點

先進的數控加工技術是一個國家製造業發達的標誌，利用數控加工技術可以加工很多普通機床不能加工的複雜曲面零件和模具，並且加工的穩定性和精度都會得到很大的保證。總體上說，數控加工與傳統加工相比具有以下優點。

（1）加工效率高。利用數字化的控制手段可以加工複雜的曲面，並且加工過程是由計算機控制的，所以零件的互換性強，加工的速度快。

（2）加工精度高。同傳統的加工設備相比，數控系統優化了傳動裝置，提高了解析度，減少了人為和機械誤差，因此加工的效率得到很大的提高。

（3）勞動強度低。由於採用了自動控制方式，也就是說切削過程是由數控系統在數控程序的控制下完成，不像傳統加工那樣利用手工操作機床完成加工。因此，在數控機床工作時，操作者只需要監視設備的運行狀態，勞動強度低。

（4）適應能力強。數控機床在程序的控制下運行，通過改變程序即可改變所加工產品，產品的改型快且成本低，因此加工的柔性非常高，適應能力也強。

（5）加工環境好。數控加工機床是機械控制、強電控制、弱電控制為一體的高科技產物，通常都有很好的保護措施，工人的操作環境相對較好。

1.2.2 數控機床介紹

數控機床進行加工前，首先必須將工件的幾何數據和工藝數據等加工信息按規定的代碼和格式編製成數控加工程序，並用適當的方法將加工程序輸入數控系統。數控系統對輸入的加工程序進行處理，輸出各種信號和指令，控制機床各部分按規定有序地動作。最基本的信號和指令包括各坐標軸的進給速度、進給方向和進給位移量，各狀態控制的I/O信號等，其工作原理如圖1-1所示。

圖1-1 數控機床的工作原理圖

模具加工中，常用的數控設備有數控銑床、加工中心（具備自動換刀功能的數控銑）、火花機和線切割機等，如圖1-2所示。

1．數控銑床組成

數控銑床由數控程序、輸入輸出裝置、數控裝置、驅動裝置和位置檢測裝置、輔助控制裝置和機床本體組成。

（1）數控程序

數控程序是數控機床自動加工零件的工作指令，目前常用的稱作“G代碼”。數控程序是在對加工零件進行工藝分析的基礎上，根據一定的規則編製的刀具運動軌跡信息。編製程序的工作可由人工進行。對於形狀複雜的零件的程序，則需要用CAD/CAM進行編製。

（2）輸入輸出裝置

輸入輸出裝置的主要作用是進行人機交互和通信。通過輸入輸出裝置，操作者可以輸入指令和信息，也可顯示機床的信息。通過輸入輸出裝置，也可以在計算機和數控機床之間傳輸數控代碼、機床參數等。

零件加工程序輸入過程有兩種不同的方式，一種是邊讀入邊加工（DNC）；另一種是一次將零件加工程序全部讀入數控裝置內部的存儲器，加工時再從內部存儲器中逐段調出進行加工。

（3）數控裝置

數控裝置是數控機床的核心部分。數控裝置從內部存儲器中讀取或接收輸入裝置送來的一段或幾段數控程序，經過數控裝置進行編譯、運算和邏輯處理後，輸出各種控制信息和指令，控制機床各部分的工作。

（4）驅動裝置和位置檢測裝置

驅動裝置接收來自數控裝置的指令信息，經功率放大後，發送給伺服電機，伺服電機按照指令信息驅動機床移動部件，按一定的速度移動一定的距離。

位置檢測裝置檢測數控機床運動部件的實際位移量，經反饋系統反饋至機床的數控裝置，數控裝置比較反饋回來的實際位移量值與設定值，如果出現誤差，則控制驅動裝置進行補償。

（5）輔助控制裝置

輔助控制裝置的主要作用是接收數控裝置或感測器輸出的開關量信號，經過邏輯運算，實現機床的機械、液壓、氣動等輔助裝置完成指令規定的開關動作。這些控制主要包括主軸起停、換刀、冷卻液和潤滑裝置的啟動停止、工件和機床部件的鬆開與夾緊等。

（6）機床本體

數控機床的機床本體與傳統機床相似，由主軸傳動裝置、進給傳動裝置、床身、工作台以及輔助運動裝置、液壓氣動系統、潤滑系統、冷卻裝置等組成。

2．數控銑床的主要功能和加工範圍

（1）點定位

點定位提供了機床鑽孔、擴孔、鏜孔和鉸孔等加工能力。在孔加工中，一般會將典型的加工方式編製為固定的程序;稱為固定循環，方便常用孔加工方法的使用。

（2）連續輪廓控制

常見的數控系統均提供直線和圓弧插補，高檔的數控系統還提供螺旋插補和樣條插補，這樣就可以使刀具沿著連續軌跡運動，加工出需要的形狀。連續輪廓控制為機床提供了輪廓、箱體和曲面腔體等零件的加工。

如圖1-3所示的模具型腔是利用3軸聯動數控銑加工的典型零件。但並非所有的模具都能由數控銑直接完全加工出來。如圖1-4所示的模具型腔的指示部位，由於刀具的限制用數控銑無法加工，還需要使用電火花機或者線切割機加工。

編程人員點評：很多數控編程初學者認為無須了解火花機或線切割機，這種想法是非常錯誤的。因為只有非常清楚地了解了電火花機和線切割機的加工工藝知識，才能編寫出合理刀路，提高生產效率和減少錯誤。

（3）刀具補償

利用刀具補償功能，可以簡化數控程序編製和提供誤差補償等。

3．數控銑床編程要點

（1）設置編程坐標系

編程坐標系的位置以方便對刀為原則，毛坯上的任何位置均可。

（2）設置安全高度

安全高度一定要高過裝夾待加工工件的夾具高度，但也不應太高，以免浪費時間。

（3）刀具的選擇

在型腔尺寸允許的情況下儘可能選擇直徑較大及長度較短的刀具；優先選擇鑲嵌式刀具，對於精度要求高的部位可以考慮使用整體式合金刀具；盡量少用白鋼刀具（因為白鋼刀具磨損快，換刀的時間浪費嚴重，得不償失）；對於很小的刀具才能加工到的區域應該考慮使用電火花機或者線切割機加工。

（4）加工模型的準備

設置合適的編程坐標系，創建毛坯，修補切削不到的區域（例如，很小的孔和腔、沒有圓角的異型孔等）。

1.2.3 數控刀具介紹以及使用

1．刀具的介紹

數控加工刀具必須適應數控機床高速、高效和自動化程度高的特點，一般包括通用刀具、通用連接刀柄及少量專用刀柄。刀柄要連接刀具並裝在機床動力頭上，因此已逐漸標準化和系列化。數控刀具的分類有多種方法。根據刀具結構可分為：① 整體式；② 鑲嵌式，鑲嵌式刀具採用焊接或機夾式連接，機夾式又可分為不轉位和可轉位兩種；③ 特殊型式，如複合式刀具、減震式刀具等。根據製造刀具所用的材料可分為：① 高速鋼刀具；② 硬質合金刀具；③ 金剛石刀具；④ 其他材料刀具，如立方氮化硼刀具、陶瓷刀具等。為了適應數控機床對刀具耐用、穩定、易調、可換等的要求，近幾年機夾式可轉位刀具得到了廣泛的應用，在使用數量上達到整個數控刀具的30%～40%，金屬切除量佔總數的80%～90%。

數控銑刀從形狀上主要分為平底刀（端銑刀）、圓鼻刀和球刀，如圖1-5所示，從刀具使用性能上分為白鋼刀、飛刀和合金刀。在工廠實際加工中，最常用的刀具有D63R6，D50R5，D35R5，D32R5，D30R5，D25R5，D20R0.8，D17R0.8，D13R0.8，D12，D10，D8，D6，D4，R5，R3，R2.5，R2，R1.5，R1和R0.5等。

（1）平底刀：主要用於粗加工、平面精加工、外形精加工和清角加工。其缺點是刀尖容易磨損，影響加工精度。

（2）圓鼻刀：主要用於模胚的粗加工、平面精加工和側面精加工，特別適用於材料硬度高的模具開粗加工。

（3）球刀：主要用於非平面的半精加工和精加工。

編程人員點評：

① 白鋼刀（即高速鋼刀具）因其通體銀白色而得名，主要用於直壁加工。白鋼刀價格便宜，但切削壽命短、吃刀量小、進給速度低、加工效率低，在數控加工中較少使用。

② 飛刀（即鑲嵌式刀具）主要為機夾式可轉位刀具，這種刀具剛性好、切削速度高，在數控加工中應用非常廣泛，用於模胚的開粗、平面和曲面粗精加工效果均很好。

③ 合金刀（通常指的是整體式硬質合金刀具）精度高、切削速度高，但價格昂貴，一般用於精加工。

數控刀具與普通機床上所用的刀具相比，有以下不同的要求。

（1）剛性好（尤其是粗加工刀具）、精度高、抗振及熱變形小。

（2）互換性好，便於快速換刀。

（3）壽命高，切削性能穩定、可靠。

（4）刀具的尺寸便於調整，以減少換刀調整時間。

（5）刀具應能可靠地斷屑或卷屑，以利於切屑的排除。

（6）系列化、標準化，以利於編程和刀具管理。

2．刀具的使用

在數控加工中，刀具的選擇直接關係到加工精度的高低、加工表面質量的優劣和加工效率的高低。選擇合適的刀具並設置合理的切削參數，將使數控加工以最低的成本和最短的時間達到最佳的加工質量。總之，刀具選擇總的原則是：安裝調整方便、剛性好、耐用度和精度高。在滿足加工要求的前提下，盡量選擇較短的刀柄，以提高刀具加工的剛性。

選擇刀具時，要使刀具的尺寸與模胚的加工尺寸相適應。如果模腔的尺寸是80X80，則應該選擇D25R5或D16R0.8等刀具進行開粗；如果模腔的尺寸大於100X100，則應該選擇D30R5、D32R5或D35R5的飛刀進行開粗；如果模腔的尺寸大於300X300，那應該選擇直徑大於D35R5的飛刀進行開粗，例如D50R5或D63R6等。另外，刀具的選擇由機床的功率所決定，例如，功率小的數控銑床或加工中心，則不能使用大於D50R5的刀具。

在實際加工中，常選擇立銑刀加工平面零件輪廓的周邊、凸台、凹槽等；選擇鑲硬質合金刀片的玉米銑刀加工毛坯的表面、側面及型腔開粗；選擇球頭銑刀、圓鼻刀、錐形銑刀和盤形銑刀加工一些立體型面和變斜角輪廓外形。

3．刀具切削參數的設置

合理選擇切削用量的原則是：粗加工時，一般以提高生產效率為主，但也應考慮經濟性和加工成本；半精加工和精加工時，應在保證加工質量的前提下，兼顧切削效率、經濟性和加工成本。具體數值應根據機床說明書、切削用量手冊，並結合經驗而定。具體要考慮以下5個因素。

（1）切削深度ap（mm）。在機床、工件和刀具剛度允許的情況下，ap就等於加工餘量。為了保證零件的加工精度和表面粗糙度，一般應留一定的餘量進行精加工，這是提高生產效率的一個有效措施。數控機床的精加工餘量可略小於普通機床。

（2）切削寬度L（mm）。L與刀具直徑d成正比，與切削深度成反比。經濟型數控機床的加工過程中，一般L的取值範圍為：L=（0.6～0.9）d。

（3）切削速度v（m/min）。提高v也是提高生產效率的一個措施，但v與刀具耐用度的關係比較密切。隨著v的增大，切削熱升高，刀具耐用度急劇下降，故v的選擇主要取決於刀具耐用度。另外，切削速度與加工材料也有很大關係，例如用立銑刀銑削合金剛30CrNi2MoVA時，v可採用8m/min左右；而用同樣的立銑刀銑削鋁合金時，v可選200m/min以上。

（4）主軸轉速n（r/min）。主軸轉速一般根據切削速度v來選定。計算公式為：v=πnd/1000（d——刀具直徑，單位mm）。數控機床的控制面板上一般備有主軸轉速修調（倍率）開關，可在加工過程中對主軸轉速在一定範圍內進行調整。

（5）進給速度f（mm/min）。f應根據零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料來選擇。f的增加也可以提高生產效率。加工表面粗糙度要求低時，f可選擇得大些。在加工過程中，f也可通過機床控制面板上的修調開關進行人工調整，但是最大進給速度要受到設備剛度和進給系統性能等的限制。

隨著數控機床在生產實際中的廣泛應用，數控編程已經成為數控加工中的關鍵問題之一。在數控程序的編製過程中，要在人機交互狀態下即時選擇刀具和確定切削用量。因此，編程人員必須熟悉刀具的選擇方法和切削用量的確定原則，從而保證零件的加工質量和加工效率，充分發揮數控機床的優點，提高企業的經濟效益和生產水平。

白鋼刀:

① 刀具直徑越大，轉速越慢；同一類型的刀具，刀桿越長，吃刀量就要減小，否則容易彈刀而產生過切。

② 白鋼刀轉速不可過快，進給速度不可過大。

③ 白鋼刀容易磨損，開粗時少用白鋼刀。

飛刀:

① 不同的飛刀材料其參數值也不相同，不同的刀具廠生產的飛刀其長度也略有不同。另外，刀具的參數值也因數控銑床或加工中心的性能和加工材料的不同而不同，所以刀具的參數一定要根據工廠的實際情況來設定。

② 飛刀的剛性好，吃刀量大，最適合模胚的開粗。另外，飛刀精加工陡峭面的質量也非常好。

③ 飛刀主要是鑲刀粒的，沒有側刃，如圖1-6所示。

合金刀:

① 合金刀剛性好，不易產生彈刀，用於精加工模具的效果最好。

② 合金刀和白鋼刀一樣有側刃，精銑銅公直壁時往往使用其側刃。

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