CAM软件在数控加工中的应用研究

丁海涛， 周怡， 宋刚强

（1.华侨大学厦门工学院机械工程系，福建厦门361021；2.厦门翔安职业技术学校，福建厦门361102；3.厦门华天涉外职业技术学院机电与汽车工程学院，福建厦门361102）

0 引言

随着时代的发展，产品的更新换代越来越快，从而导致了越来越多零件生产采用工序集中［1］。和普通机床相比，数控机床不需要专门针对具体零件设计专用夹具，而且加工精度更高，对工人的经验要求相对较低。进入新世纪以来，社会越来越强调以人为本，而在数控加工中工人的劳动强度更低，随着数控加工技术的快速发展，所加工材料的种类限制少，能加工出形状结构复杂且精度要求较高的零件，因此数控加工在实际生产中的应用越来越广。

目前数控编程的方法主要有手工编程和自动编程两种。手工编程是指首先根据图纸制订零件加工工艺，接着按照编写的加工工艺，在机床控制系统上编写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图纸尺寸的差距，再通过调整刀具半径补偿和刀具长度补偿加工出所要求的尺寸公差［2］。自动编程是指首先根据图纸制订零件加工工艺，再用CAM软件（如Mastercam、UG等）建立将要加工零件的模型，根据加工工艺确定加工顺序，再在CAM软件中选择合适的机床，合适的加工方法，合适的刀具以及对应的切削三要素，进行加工参数的确定，再选择和机床相对应的后处理器进行后处理，输出该工序的数控程序，通过通信传输软件传入机床，机床生产准备好后即可进行加工。手动编程和自动编程相比，自动编程编程效率和准确率更高，但是自动编程属于外部程序，而手工编程属于内部编程，因此同等条件下手工编程加工出的零件精度更高，但随着CAM软件以及数控机床的发展，CAM软件生成的程序加工出的工件质量也很高，因此用CAM软件进行自动编程是以后数控加工的趋势［3］。

1 Mastercam软件简介

Mastercam是美国CNC Software Inc.公司开发的基于PC平台的CAD/CAM软件。它集二维绘图、三维实体造型、曲面设计、体素拼合、数控编程、刀具路径摸拟及真实感摸拟等多种功能于一身。其可靠刀具路径校验功能使Mastercam可模拟零件加工的整个过程，模拟中不但能显示刀具和夹具，还能检查出刀具和夹具与被加工零件的干涉、碰撞情况，真实反映加工过程中的实际情况。

Mastercam软件已被广泛应用于通用机械、航空、船舶、军工等行业的NC加工中。

2 Mastercam在数控加工中的应用

2.1 加工工艺分析

2.1.1 零件特点

加工的零件如图1所示（本文中尺寸单位均为mm）。该零件的外形尺寸为120 mm×100 mm×30 mm，图形中的主要特征有3 mm的薄壁、一不通方形槽、一通方形槽、球体、直径φ54 mm槽、4个花瓣状通槽的加工、6个孔的加工。

2.1.2 加工工序（见表1）

表1 零件加工工序表

2.2 数控模拟

2.2.1 几何造型

几何造型可以利用系统本身的CAD功能完成也可以借用其他专用的绘图软件来完成，例如AutoCAD、Pro/E、UG、SolidWorks软件。然后通过文件转换变成系统的图形文件。而在Mastercam加工中，可以通过线框进行加工，这样大大减少了建模时间且可以边建模边加工，本文零件均采用线框加工，所建立的工件线框结构如图2所示。

图2 Mastercam中建立的工件线框结构

图1 加工零件立体图

2.2.2 选择加工方法

由于该零件中，主要特征有外形、槽、通槽、球体、孔，因此分别对主要特征的加工方法进行分析。

1）挖槽。挖槽的方法有两种，一种是采用标准挖槽，另一种是采用X轴分层外形铣削，通过实际加工我们知道外形铣削效率更高，因此，在本文零件中，对于简单槽我们均选用X轴分层外形铣削来加工槽，加工时注意X轴每次分层的间距不允许超过刀具直径的80%。选择“刀具路径-外形铣削”，刀具选用设置界面如图3所示，加工参数设置如图4所示，X轴分层铣削，Z轴分层铣削。对于复杂槽使用标准挖槽加工，刀具选用同外形铣削，加工参数设置同外形铣削，Z轴分层铣削，刀轨设置界面如图5所示。

图6 2D扫描加工参数设置

5）孔。孔加工的方法有扩孔-铰孔或者铣削加工，为了孔的位置精度和形状精度，最好先用麻花钻钻孔再用铣刀铣削，采用通槽加工同样的方法，用外形铣削铣轮廓周边。刀具选用同上，钻削加工参数设置如图7所示。

图3 刀具选用设置界面

图7 钻孔参数设置

图4 加工参数设置图

2.2.3 零件的仿真加工

为了减少在实际数控机床加工时的调整时间，保证生成程序的可靠性及夹具、刀具夹头和工件的干涉情况，在设置好刀具加工路径后，在软件中生成总刀轨，总刀轨如图8所示。

图5 挖槽刀轨设置界面

2）外形。外形加工采用外形铣削，选择“刀具路径-外形铣削”，刀具及加工参数设置同上，注意切削深度及刀补方向。

3）通槽。通过分析可以知道，外形铣削效率最高，而且不用X轴分层铣削，只需靠槽轮廓周边一次外形铣削就可以完成。选择“刀具路径-外形铣削”，刀具设置同上，加工参数及刀轨设置同上。

4）球面。球面加工的方法有曲面加工、2D扫描加工等，本文球面的加工采用2D扫描加工，对于球面我们一般采用圆鼻刀开粗，再用球刀精加工。刀具设置同上，加工参数设置如图6所示。

图8 刀具总运行轨迹图

利用Mastercam系统提供的零件加工模拟功能对刀具路径进行加工模拟及实体切削验证，以便对程序进行仔细分析并观察刀具的干涉情况。

在操作管理区依次单击“刀具路径管理器”，在刀具路径管理器中选择想要模拟操作的加工，单击“实体验证”，进行实体加工模拟。加工效果如图9所示。

图9 实体加工模拟图

2.2.4 后置处理

在模拟加工确认无误后，可以利用Mastercam的后置处理器来生成NC数控代码。后置处理的目的是形成数控加工文件。由于各种数控机床使用的控制系统不同，其编程指令代码及格式也有所不同，为此应从后置处理程序文件中选取与所要加工机床的数控系统相适应的后置处理程序，再进行后置处理。而同一种后置处理程序处理出来的数控程序，对于不同的数控机床，一般也要作些相应的修改，才能生成符合数控加工格式要求的NC加工程序，以满足实际加工的需要。

在操作管理中，单击“刀具路径管理器”，再选择需要后处理的操作，再单击“后处理已经选择的操作”，更改后处理程式，再保存，取文件名，打开NC程序对其进行检查与编辑。

加工本零件的NC代码（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生成的程序实现加工

在编程软件生成加工程序后，可通过传输通信软件或U盘将加工程序输入至数控机床中或直接进行DNC加工。本文中使用加工的机床为陕西宝鸡机床厂生产的3轴数控加工中心，采用的广州数控GSK218M数控操作系统，使用该控制系统自带的传输通信软件或在数控操作系统上用U盘进行传输，再在机床上对刀完成进行加工。实际加工完成零件如图10所示（本文中零件加工刀具均为白钢刀）。

图10 加工出的实际零件

3 结语

采用Mastercam软件只用建立出零件的线框结构即可进行加工，这样建模过程简单，节省了大量建模时间，而且可以边建模边加工，节省了总时间。与普通手工编程相比，该软件只用将刀具、工艺参数等设置好，即可自动生成程序加工，尤其对于复杂形状，大大缩短了编程时间。零件加工完成后，通过测量发现实际加工出的零件尺寸均在图纸尺寸精度范围内，证实了CAM软件在数控加工中是切实可行的。

［1］ 刘倩婧.机械制造技术［M］.长春：东北师范大学出版社，2014.

［2［ 李宏胜.数控机床加工技术编程与操作［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［3］ 石晶.数控铣床/加工中心操作工（技师）［M］.北京：国防工业出版社，2010.

［4］ 刘铁铸.Mastercam X4数控加工基础与典型范例［M］.北京：电子工业出版社，2010.

［5］ 王莹，李毓英.MasterCAM环境下复杂零件的数控加工［J］.中国制造业信息化：学术版，2011（5）：63-65.

［6］ 杨伟群.加工中心操作工（技师 高级技师）［M］.北京：中国劳动社会保障出版社，2008.

［7］ 朱年华.基于MasterCAM的曲面零件的数控加工［J］.淮海工学院学报：自然科学版，2010，19（3）：12-15.

［8］ 李大胜.基于MasterCAM X3的小音箱前面板模具数控加工［J］.机床与液压，2011，39（6）：32-34.

［9］ 孙春石.基于MasterCAM的复杂模具的数控加工［J］.模具技术，2014（3）：55-58.