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Mastercam曲面加工策略及应用经验分享

Mastercam曲面加工策略及应用经验分享
By ssg

模具数控加工刀具的选择和铣削曲面时要留意的问题
1. 刀具的选择
数控机床在加工模具时所采用的刀具多数与通用刀具相同。经常也使用机夹不重磨可转位硬质合金刀片的铣刀。由于模具中有许多是由曲面构成的型腔，所以经常需要采用球头刀以及环形刀（即立铣刀刀尖呈圆弧倒角状）。
2．铣削曲面时应注意的问题
(1) 粗铣 粗铣时应根据被加工曲面给出的余量，用立铣刀按等高面一层一层地铣削，这种粗铣效率高。粗铣后的曲面类似于山坡上的梯田。台阶的高度视粗铣精度而定。
(2) 半精铣 半精铣的目的是铣掉“梯田”的台阶，使被加工表面更接近于理论曲面，采用球头铣刀一般为精加工工序留出0.5㎜左右的加工余量。半精加工的行距和步距可比精加工大。
(3) 精加工 最终加工出理论曲面。用球头铣刀精加工曲面时，一般用行切法。对于开敞性比较好的零件而言，行切的折返点应选在曲表的外面，即在编程时，应把曲面向外延伸一些。对开敞性不好的零件表面，由于折返时，切削速度的变化，很容易在已加工表面上及阻挡面上，留下由停顿和振动产生的刀痕。所以在加工和编程时，一是要在折返时降低进给速度，二是在编程时，被加工曲面折返点应稍离开阻挡面。对曲面与阻挡面相贯线应单作一个清根程序另外加工，这样就会使被加工曲面与阻挡面光滑连接，而不致产生很大的刀痕。
(4) 球头铣刀在铣削曲面时，其刀尖处的切削速度很低，如果用球刀垂直于被加工面铣削比较平缓的曲面时，球刀刀尖切出的表面质量比较差，所以应适当地提高主轴转速，另外还应避免用刀尖切削。
(5) 避免垂直下刀。平底圆柱铣刀有两种，一种是端面有顶尖孔，其端刃不过中心。另一种是端面无顶尖孔，端刃相连且过中心。在铣削曲面时，有顶尖孔的端铣刀绝对不能像钻头似的向下垂直进刀，除非预先钻有工艺孔。否则会把铣刀顶断。如果用无顶尖孔的端刀时可以垂直向下进刀，但由于刀刃角度太小，轴向力很大，所以也应尽量避免。最好的办法是向斜下方进刀，进到一定深度后再用侧刃横向切削。在铣削凹槽面时，可以预钻出工艺孔以便下刀。用球头铣刀垂直进刀的效果虽然比平底的端铣刀要好，但也因轴向力过大、影响切削效果的缘故，最好不使用这种下刀方式。
(6) 铣削曲面零件中，如果发现零件材料热处理不好、有裂纹、组织不均匀等现象时，应及时停止加工，以免浪费工时。
(7) 在铣削模具型腔比较复杂的曲面时，一般需要较长的周期，因此，在每次开机铣削前应对机床、夹具、刀具进行适当的检查，以免在中途发生故障，影响加工精度，甚至造成废品。
(8) 在模具型腔铣削时，应根据加工表面的粗糙度适当掌握修锉余量。对于铣削比较困难的部位，如果加工表面粗糙度较差，应适当多留些修锉余量；而对于平面、直角沟槽等容易加工的部位，应尽量降低加工表面粗糙度值，减少修锉工作量，避免因大面积修锉而影响型腔曲面的精度。

Mastercam的编程路径
第一,Mastercam9.1的二维铣削加工方式有四种:外型铣削、挖槽、钻孔、面铣等(见图1)。Contour:二维外型铣削。
Drill:钻孔。
Pocket:二维挖槽。
Face:铣面。
这四个命令都不太复杂,但是在实际加工中却很管用。只需要把各个命令的参数选项的意思弄清楚就很容易编写出合理的程序。
第二,Mastercam9.1的三维铣削,加工方式分为粗加工和精加工。粗加工中共有八个刀具路径(见图2)。精加工共有十个刀具路径(见图3)。在粗加工刀路和精加工刀路中,有五个刀路是一样的名称,Parallel、Radial、Project、Flowline、Contour,但是在编程的路径并不是一样,这是很多初学者很容易混淆的地方。
Parallel(平行铣削):主要是对斜率比较小的平面进行加工,一般45度平行铣削加工出来的效果最佳。
Radial(径向铣削):这个刀具的路径通过制定的原点成360度辐射状生成刀具路径,这个路径最适合加工球面或类球面。
Project(投影加工):将已经生成的2D刀具路径投影到曲面上。Flowline(流线加工):对于一些曲面,我们可以通过这个命令让刀具沿着曲面的横向或纵向生成贴合曲面的刀具路径。
在曲面粗加工中,使用最多的命令要属Pocket。因为一般切削类的曲面零件,在选择曲面和外围边界后,留上一定的余量就开始挖槽,而Pocket命令中有九个刀具路径选择,适合很多形状零件的加工,所以Pocket这个命令成为使用频率最高的命令。
在曲面精加工中,Contour、Shallow、Leftover、Scallop这四个命令的使用频率也是比较高的。Contour(等高外形):对于比较陡的侧面是不二的首选命令。
Shallow(浅平面加工):对于斜率比较小曲面,这个刀具路径能够达到很好的加工效果,主要用来加工零件的上表面和底平面。
Leftover(交线清角):自动计算两个曲面交汇的地方,并用刀具沿交线的位置铣掉多余的材料。
Scallop(3D环绕):当曲面是无规则的,而用其他命令都不太适合的时候,就可以用这个刀具路径。但是这个刀具计算起来很复杂,而且生成的程序数据量很大。不到万不得以的时候最好少用。
第三,Mastercam9.1的多轴铣削有5个五轴加工路径和一个四轴加工路径(见图4)。五轴铣床的价格很昂贵,在一般的企业中很少见。而四轴铣床在一般的企业中很常见,但是四轴编程的刀路就一个,而且程序中的参数也不是很复杂。其实对于数控机床的编程而言,难处不在自动编程的过程中,而是在编程之前对曲面和边界轮廓的处理过程中。对于曲面和边界轮廓的处理,并不是一天就能学会,而是日积月累的结果。
UG CAM常见问题
UG CAM常见问题
本问答题作为本书最后的复习，主要针对UG CAM中的一些基本概念和基础知识进行一下系统的总结，读者也可以先不看答案，自己回答这些问题，作为学习本课程后的一个自我检查。
1：什么是操作？
答：操作中包含了生成一个刀轨所需的全部信息。
2：创建操作的目的是什么？
答：创建操作的目的是存贮CAM的信息和生成刀轨。
3：操作信息存贮在哪里？
答：操作信息存贮在部件文件（.prt）中。
4：一个操作可以生成多少个刀轨？
答：只有一个。
5：当加工零件上的平面时，选择何种操作类型？
答：当加工几何体上的平面时，选择操作类型的原则是使用平面铣。
6：当粗加工曲面类的零件时，选择何种操作类型？
答：当粗加工曲面类的几何体时，选择型腔铣操作。
7：当精加工曲面类的零件时，选择何种操作类型?
答：当精加工曲面类的零件时，选择固定轴曲面轮廓铣操作。
8：在加工装配件中是否包含实际的几何体？
答：一般情况下，加工装配件中没有实际的几何体，但是有时也可以包含毛坯几何体。
9：创建和使用加工装配件的目的是什么？
答：创建和使用加工装配件，可以使不同的部门共同使用各个部件文件，这些部件文件是写保护的。这样可以保护部件文件的数据，避免不必要的重复建模，节省磁盘空间和内存。
10：在加工装配件时使用的是什么方法?
答：使用的是主模型方法。
11：在打开一个部件文件，创建操作时，是否每次都需要选择加工环境?
答：如果打开的这个部件文件中没有任何加工的信息，或是第一次进入加工应用，则需要选择加工环境，当一个部件文件中已经存在操作或加工信息时，就不需要再选择加工环境。
12：进入加工应用模块后，UG界面中有那些对话框是加工应用所特有的？
答：进入加工应用模块后，创建对话框，操作导航工具是加工应用特有的也是常用的对话框。
13：创建对话框可以创建哪些加工对象?
答：创建对话框可以创建操作、刀具、几何体、方法和程序。
14：操作导航工具有哪几种视图显示方式?
答：操作导航工具有四个视图：程序顺序、刀具、几何体和加工方法。?
15：刀轨输出是按照哪个视图的顺序?
答：刀轨按照程序顺序视图中的顺序输出。
16：为什么要在创建操作前先要创建程序、刀具、几何体和方法等父节点组？
答：在创建操作前先创建程序、刀具、几何体和方法等父节点组的好处一是可以减小部件文件的大小，二是在只需要选择对应的父节点组即可快速容易地创建多个操作。三是操作与它的父节点组之间具有相关性，操作继承了父节点组的信息，修改父节点组后，只需重新生成刀轨即可。
17：操作中使用的刀具可以用什么方法得到?
答：有两种方法可以得到所需的刀具：创建刀具和从刀具库中调入（Retrieve）刀具。
18：创建了一把刀具后，它能否作为父节点组呢?
答：可以。因为刀具可以包含操作，如果把一个操作从一把刀具下移动到另一把刀具下，这个操作将继承新的刀具的设置。
19：创建方法对话框有哪些作用?
答：创建方法对话框可以设置粗加工或精加工选项（如，零件余量、内公差和外公差），可以设置显示选项，可以计算进给速度和主轴转速。
20：创建程序对话框有哪些作用?
答：用来对操作分类和排序，决定刀轨输出时的顺序，在大多数情况下，不需要创建新的程序父节点组，而是利用UG缺省的程序父节点组。
21：操作从它的程序父节点组中继承了什么信息?
答：没有继承任何信息。把操作从一个父节点组下移动到另一个父节点组下后，没有改变该操作的任何设置。
22：既然程序父节点组不会向操作中传递任何信息，那么为什么还要创建程序父节点组呢？
答：虽然程序父节点组不会向操作中传递任何信息，但是它的存在是十分必要的，因为在操作导航工具的程序顺序视图中刀轨的排列顺序决定了它们的输出顺序。
23：在加工应用模块中，工作坐标系（WCS）有什么特殊的作用?
答：在加工应用模块中，所有输入的坐标值（如，FROM点）、矢量（如I，J，K）以及安全平面的位置（如ZC=30）等均相对于WCS。
24：什么是加工坐标系（MCS）?
答：加工坐标系决定了刀轨的零点，刀轨中的坐标值均相对于加工坐标系。另外在没有定义刀轴方向时，缺省的刀轴方向为MCS的+ZM。
25；用哪个对话框创建MCS?
答：MCS是在创建几何体对话框中创建的，在操作导航工具的几何体视图中是一个加工坐标系父节点组。
26；在UG CAM中可以创建几个MCS?
答：在UG CAM中，MCS的数量不限，可以根据实际需要创建多个MCS。
27：如果创建了多个MCS的父节点组，每个MCS下可以列出那些操作？
答：凡是使用这个加工坐标系的操作都应列在这个MCS父节点组下。
28：平面铣使用何种类型的几何体？
答：平面铣使用边界几何体。
29：应该为平面铣操作创建何种类型的几何体父节点组?
答：Mill_Bnd。 ?
30：请列举出UG CAM中常用的几种切削方法。
答：UG CAM中常用的切削方法包括：Zig，Zig-Zag, Zig with Contour, Follow Part, Follow Periphery, Profile, Standard Drive等.
31：在每种操作类型中，有哪些共同的设置?试举出三个参数。
答：Engage/Retract, Stock, Clearance Plane, Feed Rates和Check Geometry等。
32：可以用于平面铣操作的几何体父节点组有哪些?
答：Mill_Bnd 和MCS。
33：可以用于型腔铣操作的几何体父节点组有哪些?
答：Mill_Geom和MCS。
34：型腔铣操作可以加工哪种类型的几何体?
答：型腔和型芯。
35：在型腔铣中刀具切削时是否有Z轴方向的运动?
答：没有。因为型腔铣是两轴联动的操作类型，所以在切削运动中刀具没有Z轴方向的运动。
36：缺省的切削区间的位置在哪里？
答：缺省的切削区间是从零件或毛坯的顶部到底部。
37：什么是顶部切削层（Top Level）?
答：顶部切削层是第一个区间的顶部，即开始切削的地方。
38：什么是区间顶部（Range Top）?
答：区间顶部是某个区间的顶部，也是上一个区间的底部。
39：在型腔铣中，生成刀轨时如果出现这样一个警告信息：Tool Cannot Cut into Any Level，这时应检查哪些设置？
答：出现这个警告信息，首先要检查刀轴方向和加工坐标系的ZM是否正确，再检查刀具是否太大，最后检查切削区间的设置是否正确。
40：平面铣和型腔铣中各用什么参数定义切削深度？
答：平面铣中用Cut Depth选项定义切削深度，型腔铣中用Cut Level选项。
41：在固定轴曲面轮廓铣中除了选择零件几何体外，还可以用什么进一步引导刀具的运动？
答：用驱动几何体可以进一步引导刀具运动。
42：选择各种驱动方法的依据是什么？
答：根据被加工的几何体（如，曲线、曲面还是边界）和刀轨的类型（如，螺旋状还是放射线状）选择驱动方法。
43：非切削运动中的工作状况（Case）是什么意思？
答：非切削运动中的工作状况是指该运动用在什么时候，如初始的进刀运动，其工作状况为Initial。
44：定义非切削运动几何体时用Accept 和 Return Current中的哪个选项接受该几何体？
答：用Return Current。定义非切削运动几何体时只有用Return Current才会接受当前的几何体。
45：可以用点位加工操作加工的几何体包括哪些？
答：点位加工操作可以加工孔、点、圆弧和圆等类型的几何体。
46：在一个点位加工操作中最多可以定义几个循环参数组？
答：5个。
Mastrecam UG 的运用心得
用Mastercam和UG多年了，借此论坛谈一谈我用Mastercam和UG之心得体会。
一、2D铣削
Mastercam编程的特色是快捷、方便。这一特色体现在2D刀路上尤为突出。
1、Mastercam的串联非常快捷，只要你抽出的曲线是连续的。若不连续，也非常容易检查出来哪里有断点。一个简单的方法是：用分析命令，将公差设为最少，为0.00005，然后去选择看似连续的曲线，通不过的地方就是有问题的。可用曲线融接的方法迅速搞定。
总之，在Mastercam中，只要先将加工零件的轮廓边现、台阶线、孔、槽位线等等，全部搞定，接下来的cam操作就很方便了。
2、由于Mastercam的2d串联方便快速，所以不论你一次性加工的工件含有多少轮廓线，总是很容易的全部选取下来。一个特大的好处是：串联的起始处便是进刀圆弧（通常要设定进刀弧）所在处。这一点，至少是UG目前的任何版本望尘莫及的。
3、流道或多曲线加工时，往往有许多的曲线要选取，由于不需要偏置刀半径，在Mastercam中，可以用框选法一次选取。而在UG中，则要一条一条的选取，可以想象这个工作有多么繁杂！
UG的2d加工的不便之处：
虽然我很喜欢UG，但如果我说，UG的2d铣削功能与Mastercam不相伯仲，那一定是言不由衷的话。
1、不能像Mastercam那样，一次性串联选取多个轮廓，而是必须选取一个线串后，点击“选取下一边界”，才可以继续选取。并且，若是开放与封闭的线串杂在一起，则每次都要设定；还有，刀半径偏置的也要特别注意，一不留神，没准方向就反了。不像Mastercam，串联开始的左边便是刀具偏置的方向。
2、流道或多曲线加工时，往往有许多的曲线要选取，在UG中，要一条一条的选取，可以想象这个工作有多么繁杂！而Mastercam可以轻松搞定！
3、2D铣的进刀弧的位置。
　　这是很重要的。在UG中，需要一个轮廓一个轮廓的设定进刀点的位置。需要注意的是：在UG的”planar profile“中，根本就没有设定这一参数的地方，你没办法定义进刀点！当然，这个问题可以在tool path中的customize dialog中调用出来。或者修改样板档，就不用以后每次都修改设置了。若不知道如何调用，可选择planar mill的操作，在cut method中，选profile的走刀方式。
二、3D曲面挖槽：
Mastercam的开粗
　　1、锣铜公或公模，最好不要在工件里面下刀。Mastercam可以方便的选取一个点作为每次的下刀点，当然这个点在工件外，但也不要偏离工件太远。Mastercam的这一功能设计得非常好，提刀少，效率高，且基本上可以保证下刀点在同一点，加工比较安全。
　　2、若用此方式锣型腔，或铜公的低洼处，螺旋下刀很重要，螺旋下刀角度尽可能少点。铜料３到５度适宜，钢料不要超过５度，我以为最好２度。加工起来比较平稳，没什么大的噪音。
　　3、一个重要的设定：if all entry attempts fail　请选择skip。否则，铣到底部不能螺旋或斜线下刀时，就会直插下来。几年来我的好几个同事在锣型腔锣到底部的时候，机床常常发出尖锐的插刀声音。显然原因出在这里。
　　4、一个绝招：曲面挖槽时，在螺旋下刀参数栏中，将“follow boundary”打上勾。这个功能也许用到的人不多。可作用却是大大的好。它可以令刀具下到工件的最深处，且环绕式下刀，而不是直插！
UG的挖槽开粗：
　　１、即cavity mill。很多人都反映UG的开粗加工，抬刀太多。平心而论，UG的抬刀确实比Mastercam多得多，用惯Mastercam的人，可能很不习惯UG的不厌其烦的反复抬刀。实在讲，跳刀多至多影响效率和质量，如果因为不安全的抬刀而导致撞刀，损坏工件，甚至伤到机床，那才真是一件令人痛心的事！
　　２、UG的粗加工的减少抬刀的方法：在cut method中，选取follow periphery。在cutting中的cut direction中，选取inward.将island cleanup打勾。
　　３、抬刀频繁，效率更高：另一种相近的方法，即是通常说的抬刀多的那种：follow part.这种刀路其实也是蛮好的，虽然抬刀多，但只要机床的快速移动的按键是打上的话，并不影响什么效率。反而这种走法，效率更高。不信的话，细心的朋友可以去比较一下两者的刀路显示，再比较一下两者所产生的nc程式的大小就知道了。
　　４、如何不撞机：由于机器的不同，虽然同样的设置，有的人从不因横越而撞机，而有的机器则屡试不爽。一个确保安全、万无一失、绝对有效的方法即是：设置transfer method（即横越方式）为：clearance plane(安全平面）。别胡思乱想其他的方法了。
　　三、3Ｄ流道的加工：
　　注意是3D而不是2D；是坡度较大的3D而不是较平坦的3D。
　　１、在Mastercam中，如果是加工较平坦的3d面的流道，运用3d曲线加工的功能最好。但如果破度较大，或者像波浪形一样。便要用投影加工的方法，将3d流道的中心线投影到面上。然后分许多次负补正的往下加工到球刀刀半径的深度。不可图简单用transform的方法往下偏移。至于为何，仔细想一想就会知道了。
　　２、UG铣3D流道有几种方法。基本上和Mastercam相同。也是用投影加工中的curve/point或boundary的方法，两者的原理是一样的。但UG一个程式就可以做出来。如果选择boundary，走刀方式应是forfile。否则刀路生不出来。
　　四、关于平行铣削：
　　不管是Mastercam还是UG，这种加工方式的使用率最高。但共同的缺点是：有一边陡峭的地方会铣得不好。
　　１、Mastercam中有一个绝好的走刀方式，是曲面精加工中的scallop。Mastercam中的此刀路非常好用，有人反映说计算费时。但如果误差设为一个丝，计算速度也不慢，加工出来的效果已经很好了。我比较过，公差一丝和半丝锣出来的东西看起来差不多。
　　２、UG也有这一功能，是area milling中follow periphery、on part的走刀方式。但在UG中，此法后处理出来的nc非常大，以至在一些机床上的加工速度跟不上nc程式里的F值，骤快骤慢，对机床和工件都不好。除非是中加工，公差可以设得大没有问题，但精加工就似乎不太行了。所以，这一功能理论上虽好，但对一些机器来说，相当于鸡肋！
　　五、关于清角：
　　１、Mastercam的清角比UG计算稍微慢些。
　　２、但UG的清角，如果是曲面不太好，或选用的刀支不合理，很容易过切！我说的是曲面加工中的清角。
　　３、不论是用Mastercam还是UG，清角一定要用从外向内（即角落）的方式。这在Mastercam里是预设好的，在UG里需要自己去选取。
　　六、关于刀具的调用：
　　１、在Mastercam里，建立一把刀具的同时就设定刀具的直径、r角、转数，进给率等参数一次性设定好。以后调用此刀时，就不需要每次都设定转数，进给率了。
　　２、但在UG中却不行（或许有，但本人还不会用）。不同的操作调用同一把刀具，而转数和进给率等却要重新输入，无疑有点麻烦。不过值得安慰的是，如果操作已经计算出来，但突然想起忘了输入转数、进给率，或者输错了，那么就可以事后修改，不必重新计算刀路。还可以选择多个操作来一次性修改和统一转数、进给率等。这一点，却是Mastercam做不到的。
　　七、平行铣削的深度设定：
　　１、Mastercam里，曲面加工也能定义铣削深度，这是一个绝好的功能！
　　２、在UG里，曲面加工不可以定义切削深度，这是一个缺点！虽有修整功能，但也只能修整xy平面的刀路，不能修整yz、xz平面的刀路。
　　３、有些情况下，可能不想让球刀铣那么深，或者计算出来发现铣到下面的平面了，只要稍微浅一点点就可以了，在Mastercam里，就可以通过调整cut depths而得到很好的控制，保证刀具不碰到底下的平面。
　　４、在UG里，就没有这么方便了，需要建辅助面来控制。在这一点上，UG比不上Mastercam！
　　八、关于平刀补正的问题：
　　铣曲面时，Mastercam（据说x版本的可以，但我没试过）和UG都不能将平刀作负值补正。我觉得最好的办法是编程时，将刀的实际大小减去单边负补正量*2。有人说给刀加个r角就可以负补正。这真是没有好好去研究才这样说和做的。
　　加r角不是不可以，但要看情况，如果斜度不大的面，可以这样做，加个尽可能小的r角；但如果是斜度较大的面，如果还用此法，则实际加工出来的尺寸与预计的尺寸会小太多，r角设得越大，则误差越大。粗公小一点还无所谓，若是后模，只怕不太好。
　　九、关于转数问题：
　　用小的刀，当然转数要高。但也不是一定给得相当的高才行，直让机床呼啦啦转得喘不过气来一般。各位能想象得到不？我用普通的机床，用自己磨的0.1的刀，能加工长、宽不到2mm的钢印浮凸字模，转数才4000转！进给率也不低，十六个凸字模只用一个小时。快不？一般人大概以为要几万转、一定要雕刻机才行吧？搞cnc编程的，好多方法要自己去发现，不要因袭别人的、流传的方法，而变得畏手畏脚，不敢去开创新的方法。
　　十、后处理：
　　Mastercam的确是大众化的软件，所以它的使用覆盖面极为广。早些年，cnc编程业如日中天的时候，有几个人不是用Mastercam？Mastercam编程快捷，后处理出来的nc程式也十分安全，值得放心使用。我搞cnc编程用过三种不同的机床，从没有一种机床因为Mastercam的后处理而发生过任何问题。除了特种机型的加工中心，一般的电脑锣都能畅通无碍的读取Mastercam产生出来的nc程式！初学者一般不用为后处理而头痛。这一点非常令人称叹！
　　UG在这一点上就显得极不亲切，似乎姿态摆得很高，不是那么平易近人。一般的初学者，即使你会在电脑上走一些简单的刀路了，但你的nc程式，要是在机床上去运行，十有八九有问题！除非你有别人提供的好的后处理文件。
　　UG后处理通常出现的问题：
　一、加工出来的曲面不漂亮的问题。
　　二、出现不正常圆弧的问题（偶尔出现，UG本身并不知道。）
　　三、走圆弧机床报警的问题
　　四、加工曲面时出现刨铣、过切的问题。
　　等等。
　　打字太累，这里只列出问题，解决方法待他日有时间，我再慢慢敲出来吧。
　　打个不恰当的比方，UG的后处理虽然没有Mastercam那样的亲和力，但它就像一位高贵的、外冷内热的、喜爱摆酷的妇人一样。除非你有本事征服她，否则你永远别奢望步入她的堂奥；除非你发誓破釜沉舟都要驾驭她，她才会对你俯首听命，唯你是从。等到你会修改后处理了，你会发现这位贵妇人不再那么神秘，她十分的听你的话。你希望什么，她就会给予你什么！初学UG编程的同仁们，不要被UG的后处理而吓得踌躇不前