CAM軟件在數控加工中的應用研究

丁海濤， 周怡， 宋剛強

（1.華僑大學廈門工學院機械工程系，福建廈門361021；2.廈門翔安職業技術學校，福建廈門361102；3.廈門華天涉外職業技術學院機電與汽車工程學院，福建廈門361102）

0 引言

隨著時代的發展，產品的更新換代越來越快，從而導致了越來越多零件生產采用工序集中［1］。和普通機床相比，數控機床不需要專門針對具體零件設計專用夾具，而且加工精度更高，對工人的經驗要求相對較低。進入新世紀以來，社會越來越強調以人為本，而在數控加工中工人的勞動強度更低，隨著數控加工技術的快速發展，所加工材料的種類限制少，能加工出形狀結構復雜且精度要求較高的零件，因此數控加工在實際生產中的應用越來越廣。

目前數控編程的方法主要有手工編程和自動編程兩種。手工編程是指首先根據圖紙制訂零件加工工藝，接著按照編寫的加工工藝，在機床控制系統上編寫出每一道工序的粗加工和半精加工程序，然后量出已加工出的工序尺寸和圖紙尺寸的差距，再通過調整刀具半徑補償和刀具長度補償加工出所要求的尺寸公差［2］。自動編程是指首先根據圖紙制訂零件加工工藝，再用CAM軟件（如Mastercam、UG等）建立將要加工零件的模型，根據加工工藝確定加工順序，再在CAM軟件中選擇合適的機床，合適的加工方法，合適的刀具以及對應的切削三要素，進行加工參數的確定，再選擇和機床相對應的后處理器進行后處理，輸出該工序的數控程序，通過通信傳輸軟件傳入機床，機床生產準備好后即可進行加工。手動編程和自動編程相比，自動編程編程效率和準確率更高，但是自動編程屬于外部程序，而手工編程屬于內部編程，因此同等條件下手工編程加工出的零件精度更高，但隨著CAM軟件以及數控機床的發展，CAM軟件生成的程序加工出的工件質量也很高，因此用CAM軟件進行自動編程是以后數控加工的趨勢［3］。

1 Mastercam軟件簡介

Mastercam是美國CNC Software Inc.公司開發的基于PC平臺的CAD/CAM軟件。它集二維繪圖、三維實體造型、曲面設計、體素拼合、數控編程、刀具路徑摸擬及真實感摸擬等多種功能于一身。其可靠刀具路徑校驗功能使Mastercam可模擬零件加工的整個過程，模擬中不但能顯示刀具和夾具，還能檢查出刀具和夾具與被加工零件的干涉、碰撞情況，真實反映加工過程中的實際情況。

Mastercam軟件已被廣泛應用于通用機械、航空、船舶、軍工等行業的NC加工中。

2 Mastercam在數控加工中的應用

2.1 加工工藝分析

2.1.1 零件特點

加工的零件如圖1所示（本文中尺寸單位均為mm）。該零件的外形尺寸為120 mm×100 mm×30 mm，圖形中的主要特征有3 mm的薄壁、一不通方形槽、一通方形槽、球體、直徑φ54 mm槽、4個花瓣狀通槽的加工、6個孔的加工。

2.1.2 加工工序（見表1）

表1 零件加工工序表

2.2 數控模擬

2.2.1 幾何造型

幾何造型可以利用系統本身的CAD功能完成也可以借用其他專用的繪圖軟件來完成，例如AutoCAD、Pro/E、UG、SolidWorks軟件。然后通過文件轉換變成系統的圖形文件。而在Mastercam加工中，可以通過線框進行加工，這樣大大減少了建模時間且可以邊建模邊加工，本文零件均采用線框加工，所建立的工件線框結構如圖2所示。

圖2 Mastercam中建立的工件線框結構

圖1 加工零件立體圖

2.2.2 選擇加工方法

由于該零件中，主要特征有外形、槽、通槽、球體、孔，因此分別對主要特征的加工方法進行分析。

1）挖槽。挖槽的方法有兩種，一種是采用標準挖槽，另一種是采用X軸分層外形銑削，通過實際加工我們知道外形銑削效率更高，因此，在本文零件中，對于簡單槽我們均選用X軸分層外形銑削來加工槽，加工時注意X軸每次分層的間距不允許超過刀具直徑的80%。選擇“刀具路徑-外形銑削”，刀具選用設置界面如圖3所示，加工參數設置如圖4所示，X軸分層銑削，Z軸分層銑削。對于復雜槽使用標準挖槽加工，刀具選用同外形銑削，加工參數設置同外形銑削，Z軸分層銑削，刀軌設置界面如圖5所示。

圖6 2D掃描加工參數設置

5）孔?？准庸さ姆椒ㄓ袛U孔-鉸孔或者銑削加工，為了孔的位置精度和形狀精度，最好先用麻花鉆鉆孔再用銑刀銑削，采用通槽加工同樣的方法，用外形銑削銑輪廓周邊。刀具選用同上，鉆削加工參數設置如圖7所示。

圖3 刀具選用設置界面

圖7 鉆孔參數設置

圖4 加工參數設置圖

2.2.3 零件的仿真加工

為了減少在實際數控機床加工時的調整時間，保證生成程序的可靠性及夾具、刀具夾頭和工件的干涉情況，在設置好刀具加工路徑后，在軟件中生成總刀軌，總刀軌如圖8所示。

圖5 挖槽刀軌設置界面

2）外形。外形加工采用外形銑削，選擇“刀具路徑-外形銑削”，刀具及加工參數設置同上，注意切削深度及刀補方向。

3）通槽。通過分析可以知道，外形銑削效率最高，而且不用X軸分層銑削，只需靠槽輪廓周邊一次外形銑削就可以完成。選擇“刀具路徑-外形銑削”，刀具設置同上，加工參數及刀軌設置同上。

4）球面。球面加工的方法有曲面加工、2D掃描加工等，本文球面的加工采用2D掃描加工，對于球面我們一般采用圓鼻刀開粗，再用球刀精加工。刀具設置同上，加工參數設置如圖6所示。

圖8 刀具總運行軌跡圖

利用Mastercam系統提供的零件加工模擬功能對刀具路徑進行加工模擬及實體切削驗證，以便對程序進行仔細分析并觀察刀具的干涉情況。

在操作管理區依次單擊“刀具路徑管理器”，在刀具路徑管理器中選擇想要模擬操作的加工，單擊“實體驗證”，進行實體加工模擬。加工效果如圖9所示。

圖9 實體加工模擬圖

2.2.4 后置處理

在模擬加工確認無誤后，可以利用Mastercam的后置處理器來生成NC數控代碼。后置處理的目的是形成數控加工文件。由于各種數控機床使用的控制系統不同，其編程指令代碼及格式也有所不同，為此應從后置處理程序文件中選取與所要加工機床的數控系統相適應的后置處理程序，再進行后置處理。而同一種后置處理程序處理出來的數控程序，對于不同的數控機床，一般也要作些相應的修改，才能生成符合數控加工格式要求的NC加工程序，以滿足實際加工的需要。

在操作管理中，單擊“刀具路徑管理器”，再選擇需要后處理的操作，再單擊“后處理已經選擇的操作”，更改后處理程式，再保存，取文件名，打開NC程序對其進行檢查與編輯。

加工本零件的NC代碼（部分）如下：

%

O0000

N100 G21

N102 G0 G17 G40 G49 G80 G90

N106 G0 G90 G54 X16.777 Y19.515 S600 M3

N108 Z50.

N110 Z10.

N112 G1 Z1.F30.

N114 G2 X28.663 Y35.357 Z-.5 I7.057 J7.085

N116 G1 X29.9 Y37.6 F1500.

......

N4292 G1 Z-8.5 F30.

N4294 G2 X13.8 R13.7 F1500.

N4296 X41.2 R13.7

N4298 G0 Z50.

N4300 M5

N4306 M30

%

2.3 使用Mastercam生成的程序實現加工

在編程軟件生成加工程序后，可通過傳輸通信軟件或U盤將加工程序輸入至數控機床中或直接進行DNC加工。本文中使用加工的機床為陜西寶雞機床廠生產的3軸數控加工中心，采用的廣州數控GSK218M數控操作系統，使用該控制系統自帶的傳輸通信軟件或在數控操作系統上用U盤進行傳輸，再在機床上對刀完成進行加工。實際加工完成零件如圖10所示（本文中零件加工刀具均為白鋼刀）。

圖10 加工出的實際零件

3 結語

采用Mastercam軟件只用建立出零件的線框結構即可進行加工，這樣建模過程簡單，節省了大量建模時間，而且可以邊建模邊加工，節省了總時間。與普通手工編程相比，該軟件只用將刀具、工藝參數等設置好，即可自動生成程序加工，尤其對于復雜形狀，大大縮短了編程時間。零件加工完成后，通過測量發現實際加工出的零件尺寸均在圖紙尺寸精度范圍內，證實了CAM軟件在數控加工中是切實可行的。

［1］ 劉倩婧.機械制造技術［M］.長春：東北師范大學出版社，2014.

［2［ 李宏勝.數控機床加工技術編程與操作［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［3］ 石晶.數控銑床/加工中心操作工（技師）［M］.北京：國防工業出版社，2010.

［4］ 劉鐵鑄.Mastercam X4數控加工基礎與典型范例［M］.北京：電子工業出版社，2010.

［5］ 王瑩，李毓英.MasterCAM環境下復雜零件的數控加工［J］.中國制造業信息化：學術版，2011（5）：63-65.

［6］ 楊偉群.加工中心操作工（技師 高級技師）［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

［7］ 朱年華.基于MasterCAM的曲面零件的數控加工［J］.淮海工學院學報：自然科學版，2010，19（3）：12-15.

［8］ 李大勝.基于MasterCAM X3的小音箱前面板模具數控加工［J］.機床與液壓，2011，39（6）：32-34.

［9］ 孫春石.基于MasterCAM的復雜模具的數控加工［J］.模具技術，2014（3）：55-58.