學習情境一零件的多面綜合數控加工單元一基于數學模型的加工信息采集單元二零件多面加工的工藝草案設計單元三多面綜合加工的CAM刀路設計單元四刀路檢查及工藝調整單元五后置處理及機床程序定制單元六面向程序的仿真檢查及優化

以小組為單位，接受產品零件加工任務，分析零件數學模型，解讀零件結構；

通過與客戶溝通、教師講解、現場調查、案例演示等提取針對產品結構特征的加工信息，填寫工藝分析卡片；

分配各面工藝設計任務，制定工藝草案(工藝方法及其加工內容、刀具類型及其規格要求、設備要求、裝夾定位方

案等)，組內交流研討確定綜合加工工藝草案，填寫工藝草案卡片；

分配各面加工刀路設計任務，利用CAM軟件進行刀路設計(規劃工步順序、選擇刀路方式、構建刀路邊界，編制粗精加工刀路)；

按照多面加工總體順序安排，針對本加工面半成品狀態構建毛坯，并據此進行刀路仿真檢查，判斷工藝合理性，修正干涉問題，調整工藝細節(如工作深度、進退刀矢量、下刀位置、切削方向、粗精修方案等)，關注工時變化以提高效率，優化工藝方案；

結合優化方案，提取相關工藝信息，采用組內交流、小組合作的方式編制零件加工的全部工藝規程文件；

熟悉后置處理文件關于程序生成的參數設置，按照機床系統格式要求修改后置處理文件，生成零件加工的NC程序并掌握DNC相關技術，實施程序優化及程序管理；

以NC程序為載體，使用第三方的程序仿真軟件、數控仿真軟件系統或機床數控系統，進行程序調試檢查、操作仿真或在機加工，并根據仿真結果實施工藝評價；

整理資料，完成單元小結，為組間交流匯報作準備；

小組間進行交流匯報，相互評價各組的工作，提出建議、接受批評并修正。三、課業練習及工作小結要求

(1)尋求本情境各任務單元給定的引導性問題的答案，并給出書面材料或接受答辯。

(2)完成各單元內給定的拓展性課業練習，并按要求整理相關材料以便備查。

(3)按教師給定的課業工作學習小結要求，獨立或小組合作完成本情境的工作學習小結。工作學習小結主要包括以下

內容：①零件加工工藝性分析，參照單元一工藝分析卡片的形式整理，即從結構形狀、尺寸精度和材料性能三方面進行分析。

②零件加工工藝設計，參照單元二、三、四、五案例，完成相關工藝規程文件。具體工作包括：總體工藝方案(從備料到零件加工工藝過程總表)；整理本加工面工藝設計的相關資料，并對組內其他面加工工藝的重難點問題進行描述(可由相關任務責任人提供)，特別是針對各面間相互關聯的技術問題作重點說明；完成各面加工的工藝卡片。③零件加工的部分程序及后置處理修改說明，提供全部程序的電子檔。

④刀路、程序仿真調試點說明(調試方法、調試中出現的問題及解決策略)。

⑤學習感受及疑難問題。

(4)整理匯報的材料，有條件的可制作PPT。單元一基于數學模型的加工信息采集

一、單元學習任務

(1)借助CAD軟件熟悉多面加工零件的幾何數學模型，了解總體結構組成。

(2)劃分工作小組，并按加工面數要求分配小組成員的工作任務。

(3)轉換生成多面加工零件的三視圖，詳細分析各加工面的結構及加工要求。

(4)初步分析各加工面的加工工藝，填寫工藝分析報告，并就加工難點提出協商建議。二、單元學習目標

(1)能夠使用CAM軟件的CAD功能，并能夠借助該工具對零件模型結構進行分析和數據查詢。

(2)能進行模型數據格式的轉換，熟練變換零件模型的視圖關系，并生成工程圖紙。

(3)能獨立分析本加工面的幾何結構關系，正確標注尺寸，并按加工要求進行數據整理。

(4)能初步制定本加工面的加工工藝草案，分析可能的加工方案，記錄加工難點。

(5)通過小組內交流討論，關注各加工面結構及相互間的幾何關系，對加工時各面的相互影響、加工順序、裝夾定位要求等問題進行初步探討，記錄討論結果，調整本加工面的工藝方案。

(6)能根據本加工面的工藝方案填寫工藝分析報告，并就加工難點與“客戶”方提出協商建議。三、著重關注的引導性問題

(1)產品和零件有什么區別?收集分析產品信息對零件加工有何作用?如何收集基于產品和零件的基本信息?從加工角度考慮，應注重采集哪些信息?

(2)生產過程組織中，傳統的圖紙起什么作用？基于數學模型的零件加工是否不需要零件圖紙?

(3)所用CAM軟件能轉換哪些數據格式的3D模型？生成三視圖需要什么樣的數學模型？若客戶提供的數學模型不能轉換生成三視圖，對應的處理對策是什么?若客戶直接提供的是零件的2D幾何模型(電子圖紙)，是否還需要將其構建成3D模型來處理?通過2D—3D間模型轉換及三視圖提取等訓練，從哪些方面可提升圖紙識讀能力?如何正確判定并刪除三視圖轉換中多余的結構圖素?

(4)為什么要按加工夾壓方位進行幾何模型的轉換？通過分析記錄各面結構特征數據并歸類整理，以確立加工方式和選用刀具等，能否幫助你理順本加工面的工藝思路?在理順各加工面工藝思路的基礎上，你能夠找出其中重復加工的內容并進行合理取舍嗎?

(5)在單件小批生產類型下，選擇夾壓方式、確立夾壓方位大致依照什么原則?根據現有的知識基礎和工作學習經驗，你能夠從哪些方面對載體零件結構工藝性進行判斷?你覺得按所選定的夾壓方位能進行載體零件的切削加工嗎?按照你的設想，大致規劃一下對設備能力、刀具規格、工藝裝備等的要求，查對一下生產場所具備的條件能否滿足你的要求，如不能滿足，請提出自己的應對策略或提交擬要求客戶改進零件結構工藝性的建議。

(6)觀摩復雜多面加工零件刀路設計范例，識讀其幾何結構特征，針對其所用到的工藝刀路、選用的刀具規格、對特殊部位的加工處理方式等信息，結合你對載體零件各面加工的工藝設想，反思其可行性。同時通過比對3D模型與加工結果，進一步提高對零件3D數學模型的理解能力。

(7)通過工藝信息的采集能在業務洽談時為客戶報價提供哪些參考？試計算坯料重量、各加工面大致切削余量，估算工時，設計制作一記錄表格，用于報價參考，同時為摸索規律收集經驗數據。四、單元學習知識基礎

基于3D數學模型的加工處理模式要求用戶所使用的CAM軟件具有識讀多種格式圖形數據的功能，能轉換常用三維CAD軟件(如Solidedge、Solidwork、CATIA、AutoCAD等)的圖形格式數據。目前常用的CAM軟件(如UG、Pro/E、Cimatron、MasterCAM、DELCAM、CAXA制造工程師等)，都具有對零件模型數據進行格式轉換及CAD數據分析查詢的功能。雖然有些CAM軟件具有智能識讀3D模型中的孔、槽、凸臺等結構特征并能自動根據其3D模型特征獲得對應的加工刀路，但這種自動設計的刀路具有明顯的模式化傾向，因此主要適合初學者，不利于提高設計者的CAM運用能力。本書中，刀路設計案例的學習和工作訓練均采用MasterCAM軟件，旨在借助其個性化刀路設計優勢來提升使用者的工藝能力。

(一)盒體類規則形狀零件的3D模型分析

圖1.1.1所示為充電器產品的3D數學模型，采用實心矩形坯料以切削加工方式分別加工其上、下蓋零件。其中，下盒體零件具有規則幾何外形，支承平穩，各面都有加工內容，屬典型多面加工零件。圖1.1.1充電器產品的3D模型

1．產品整體結構信息的采集

產品名稱：專用充電器。

產品結構特征：該產品為典型矩形盒體，由上蓋板和下盒體組成，采用螺釘鎖合。盒體內部安裝有變壓器及整流電路板等電子部件，兩端分別有交流進線輸入插口和直流輸出線插口，盒體表面分布多個筋槽。產品設計特點(通過與客戶溝通或基于經驗分析采集)：

(1)試制產品批量小，適合野外使用環境，具有低輻射性能。設計方法區別于傳統塑封結構設計，采用鋁合金由切削加工而成(批量生產時，采用模具批量壓鑄成型)。

(2)由于鋁合金材質彈性不好，不能使用塑封結構的卡扣式鎖合方式，故采用螺釘鎖合設計。

(3)針對變壓器易發熱的特點，盒體表面采用多筋槽設計，以利于散熱同時兼具防滑作用。

2．產品待加工零部件幾何數據的采集

1)?3D幾何模型數據的格式轉換

將客戶提供的零部件3D數學模型轉換成MasterCAM數據格式。MasterCAM能直接識別轉換的CAD軟件數據格式主要有以下幾種：由AutoCAD繪制生成的DWG/DXF數據格式、

標準數據交換IGES格式、Solidworks的SLDPRT數據格式、Solidedge的PAR數據格式、Parasolid的X_T數據格式、Acis實體造型的SAT數據格式、Pro/E的PRT數據格式及其模組ASM數據格式、Catia的CATPART數據格式等；模型數據包括基本線圓幾何圖素、曲面、實體等。若客

戶提供的數據格式不在上述范圍內，可通過其CAD設計軟件或第三方軟件過渡轉換生成上述某格式后，再在MasterCAM中讀取。

3D數模格式轉換步驟：通過點擊主菜單→文件檔案→檔案轉換→選擇原始數據格式類型→讀取→選擇原始數據文件，讀入完成后，點擊自適應屏幕范圍的圖標即可。

2)?CAD模型數據分析

(1)基于夾壓方位的圖形幾何變換。

由于客戶在使用各類CAD軟件構建3D模型時加工的方位放置不一定是最合適的，因而需要針對不同加工面按對應的加工夾壓方位要求進行模型的幾何變換，以方便獲取基于加工角度方位的模型坐標尺寸數據且便于進行后續的加工刀路設計。下面我們以正面深腔加工為例對模型進行幾何變換的操作，假設客戶提供的幾何模型是按圖1.1.2(a)所示的方位放

置的。

幾何變換方法1：在前視面對零件基線1的水平夾角β進行分析的基礎上，先將零件在前視構圖面上逆時針旋轉β角，如圖1.1.2(b)所示，然后切換到俯視面分析基線2的水平夾角α，在俯視面上再逆時針旋轉(90+α)角，如圖1.1.2(c)所示。圖1.1.2零件模型方位的調整(一)幾何變換方法2：首先采用由圖素建面的方法，構建由基線1、2所在平面的構圖平面(如編號10的構圖面)，并按如圖1.1.3所示的基線2為X'、基線1為Y'?確定平面法向(逐步選擇下一方向，直到滿足要求)。然后按照如下操作步驟進行轉換：轉換→平移→所有圖素→執行→平移轉換的方式(選兩視角間→平移前的視角平面：選10號構圖面→平移后的視角平面：選俯視面→平移的參照起點：選兩基線的交點→平移的參照終點：選原點)。圖1.1.3零件模型方位的調整(二)在MasterCAMX及以上版本中，應選擇3D平移方式。選擇所有圖素后，在彈出的對話框中先后選定原始視角(由兩基線構建的新建視角)、平移起點(兩基線的交點)、目標視角(俯視面)、平移終點(原點)。

在上述幾何變換的基礎上，先分別在側視構圖面旋轉180°得反面、旋轉90°得前側，再在前視構圖面逆向旋轉90°得右側，旋轉180o得左側，如圖1.1.4所示。為方便管理，建議將各轉換面分層復制存放或分文檔存放。圖1.1.4零件模型方位的調整(三)盡管對某加工表面進行刀路定義時，可以不進行上述幾何變換，僅需將構圖面和刀具面均設為該表面所對應的視圖方位，但這需要設計者能夠熟練地進行MasterCAM系統環境的設置，否則很容易導致刀路定義出錯。因此，建議初學者在進行上述幾何變換時，先將各加工表面置于默認的XOY平面上，待熟悉CAM設置后再嘗試不進行幾何變換時的處理方法。

(2)結構尺寸分析。在正面深腔放置的3D實體模型基礎上，可以通過繪制基于實體的三視圖后進行結構尺寸分析。

具體操作如下：點擊主菜單→實體→下頁→繪制三視圖→設定圖紙大小和視圖方位→選擇三視圖放置的圖層(默認為255層)→選取實體：所有實體。所得視圖如圖1.1.5所示，由于默認狀態下僅可獲得四個方位的視圖，因此還需要通過添加視圖并平移、對齊排列后方可得到圖1.1.5所示幾個視圖，MasterCAM中視圖編號所對應的方位分別為：1—俯視圖、2—主視圖、3—后視圖、4—仰視圖(左)、5—左視圖、6—右視圖、7—軸測圖(俯)、8—軸測圖(仰)、9—仰視圖(右)。圖1.1.5由實體繪制的工程圖樣對各視圖進行主要尺寸標注和結構尺寸分析，如表1.1.1所示。

(二)不規則形狀零件的3D模型分析

圖1.1.6所示是一用戶提供的某試驗裝置葉片零件3D數學模型，為異型曲面結構，無穩定的支承平面，要求采用實心矩形坯料進行切削試制加工。圖1.1.6葉片零件

1．產品零件整體結構信息的采集

產品零件名稱：試驗裝置用葉片(試制)。

產品結構特征：該產品零件為異型曲面零件，以下端柱體和上端弧榫為連接支承安裝在實驗裝置支架座上，通過傳動機構帶動作擺轉試驗用。葉型和支承端為一整體設計結構，柱體中心與對側弧榫外轉角弧心應保證同心，葉體表面較大，為扁薄異型結構。產品設計特點(通過與客戶溝通或基于經驗分析采集)：

(1)該試驗裝置為一研發試制產品，屬單件生產，主要用于驗證葉型流線設計并由此獲得相關試驗數據，因此加工控制重點在于葉型曲面，用戶可憑主要葉截面樣板對葉型曲面進行檢驗；

(2)因試驗數據是在葉型曲面繞支承中心旋轉工作狀況下測得的，所以對葉型與旋轉軸線的位置關系有較高要求，對其作整體結構設計也就是基于此點考慮的，目的在于省去組裝調試的麻煩及消除裝配誤差帶來的影響；

(3)此葉片零件隨邊較薄，客戶曾用塑料材料進行過零件的試制加工，但由于材質彈性大且未作相應的工藝控制，葉型加工后產生了較大的誤差，試驗效果不理想，因此對隨邊進行了適當加厚設計處理，并針對葉型邊緣的加工提出了相關要求，需通過工藝措施加以保證，零件坯料也更改為鋁合金材質。

2．葉片零件幾何數據的采集

1)?3D幾何模型數據的格式轉換

客戶提供的零部件3D數學模型格式為標準數據交換IGES格式。可利用文檔格式轉換功能讀取后存為MasterCAM的數據格式。

2)?CAD模型數據分析

(1)基于夾壓方位的圖形幾何變換。從利于保證零件精度的角度考慮，該零件宜先加工出兩支承端(右側柱面和左側弧榫)后采用四軸數控銑削加工，這樣既方便曲面葉型流線的加工又利于保證位置關系。但由于葉面尺寸太大，需要較大運動空間的四軸機床。當無合適四軸機床選用時，可考慮采用三軸數控銑床作多面接合加工。如圖1.1.7所示，由于客戶方提供的3D模型放置方位是不確定的，因此需要針對不同加工面按對應的加工夾壓方位要求進行模型的幾何變換。平置時，應保證右側柱面軸心與左側弧榫外轉角弧心的連線等高且平行于X軸，由此而通過繪制邊界盒的方法確定出所需毛坯的大小。圖1.1.7葉片零件的幾何方位調整(一)對該零件作正面(葉面)夾壓方位轉換時，可先構建提取柱體端面邊廓，以此邊廓圖素構建一新的視角平面，然后進行由該新建視角平面向側視面的平移轉換，則柱面軸心在俯視面方向即平行于X軸，最后通過繪制邊界盒功能構建出包容最大圖素邊界的邊界線框，再將上矩形中心平移置為坐標原點即可。在上述幾何變換的基礎上，再分別進行構圖面間的旋轉、平移后，得到如圖1.1.8所示的方位放置效果，各加工面置于XOY構圖方位，以坯料頂面特征中心為坐標原點。然后將各轉換面分層存放或分文檔存放，以方便分析和進行加工刀路設計。圖1.1.8葉片零件的幾何方位調整(二)

(2)結構尺寸分析。由于客戶方提供的IGES圖檔中3D模型是以曲面數據格式存儲的，因此在MasterCAM中不能直接用于生成三視圖。結構尺寸分析可通過對曲面進行動態分析獲得，也可先將封閉曲面轉換為實體后再繪制基于實體的三視圖后進行結構尺寸分析。

曲面轉換生成實體的操作如下：點擊主菜單→實體→由曲面轉實體→選擇曲面設定存放圖層。

由實體繪制三視圖操作可得如圖1.1.9所示的主視圖、俯視圖、左視圖、右視圖。圖1.1.9由實體繪制的葉片零件工程圖樣對此類異型曲面結構零件而言，不可能像前述規則盒體零件那樣進行詳細的結構描述和尺寸標示，結構尺寸分析除針對可常規檢測特征尺寸外，主要就加工長寬、切削行程深度范圍、曲面曲率變化狀況、檢測手段等進行分析，為設備選用、刀具選用及工藝控制提供參考。表1.1.2所示為葉片零件工藝分析卡。

(三)產品零件數控加工的成本估算及其報價

在經過工藝分析初步確定具有加工可行性的基礎上，首先需要向客戶提交報價并就加工難點與客戶協商，以確認業務意向，簽訂合作協議。由于業務報價發生在實際加工前期，因此總體預估價格應在充分收集信息、合理估算各項成本的前提下得到。對零件加工類業務而言，其成本構成應著重考慮如下幾個方面：

1．毛坯材料方面

按市場價格購置坯料的直接成本、坯料及零件的運送成本和加工前后的處置成本(如鍛打、熱處理、預切、包裝)等。客戶方提供坯料的，應視其提供毛坯的精準程度及其后續處理狀況按項估算成本。坯料購置時應按零件外形所需的最大尺寸充分考慮余量后計算其體積，并按市場提供的坯料規格進行尺寸圓整，再按材質換算出坯料重量(批量生產時還應考慮坯料裁切時料頭的損耗以計算總體成本)，然后以市場價格計算成本。

2．工裝準備方面

機床、通用工裝夾具、通用刀具一律計算使用成本，并折合在工時成本中，若因零件加工的特殊要求需要就工藝裝備方面進行特別準備的，則應與客戶協商后，視其后續可利用程度將其全部或部分計入成本。

在工裝準備方面，首先需要結合零件工藝提取可能需要制作的工裝夾具結構要求信息，若以外協制作的形式則應包含夾具設計和夾具制作等的費用成本，因此需要收集相關行業的資費標準；其次還需要結合零件特殊結構要求提取非標專用刀具信息，收集非標刀具制作的價格信息等。

3．零件加工方面

主要計算加工工時成本，包括實際占機加工工時成本、輔助工時折合成本及設備和人力資源等的折合成本。

實際占機加工工時應按各面實際加工的切削量進行估算，主要由各刀具加工內容的總切削行程除以切削速度得到的切削時間、換刀次數及所需總換刀時間等組成，因空程速度較大，空程運行時間是否計入都影響甚微，可不作考慮。實際加工占機時間可在刀路定義完成后通過仿真模擬由CAM軟件自動計算得到，未定義刀路之前的工藝分析階段可根據切削范圍大小憑經驗估算出來，初學者可通過多次刀路設計的數據對比、探索統計規律而獲得經驗。輔助工時是指上下工件、裝調刀具、換刀、對刀調試等所需的時間，對具有APC自動裝夾工件和具有ATC自動換刀裝置的機床而言，雖然上下工件、換刀等時間很少可忽略不計，但由于這類設備較貴，其實這些工時成本事實上已被轉換為設備使用成本。輔助工時通常按一定比例折合為加工工時計入成本，對刀調試時間應除以加工件數進行折合，對于單件小批零件的生產，其單件折合率較高，而批量生產時對刀調試主要發生在首件加工過程中，其折合率則很小甚至可忽略。設備和人力資源的折合成本主要就是資源使用成本，對設備來說就是設備折舊和水電、潤滑油脂等的消耗成本，人力資源成本就是工資成本，這些資源成本通常折合為工時價格。

加工成本=加工工時×工時價格

4．其他方面

對零件加工前期的處理，如因客戶方過錯而必須進行的結構圖形修正，刀路設計與編程、必須的外協加工等可按比例折合成工時或計入其他成本。

所有以上各項成本估算可參照表1.1.3所示報價單的形式填寫好后提交給客戶進行業務洽談。五、單元學習活動設計

(1)轉換并識讀載體零件的3D數學模型，了解零件的特征結構組成。在機房利用CAD/CAM軟件就上述給定的幾個載體零件的3D數學模型，進行數據格式的轉換，識讀了解其結構特征組成，然后按零件劃分任務組。各組詳細了解本零件結構，并記錄其重要特征。

(2)閱讀知識基礎材料，通過指導性的案例解讀，了解零件加工信息采集的方法及內涵。閱讀本單元知識基礎內容，聽取老師的案例講解，掌握加工信息采集的基本方法、采集信息的內容、信息歸整的目標形式等。

(3)與“客戶”溝通，了解零件加工任務要求及相關信息。

根據對承接任務零件結構特征的大致了解，與“客戶”溝通，詳細了解產品零件的應用背景、使用性能、關鍵尺寸要求、坯料來源及交貨周期等信息。

(4)結合單元學習目標，關注引導性問題，實施零件加工工藝信息的采集訓練。

各組針對承接的載體零件任務，在機房利用CAD/CAM軟件進行基于多面加工夾壓方位的幾何變換和結構尺寸分析，結合單元學習目標，關注引導性問題，實施零件加工工藝信息的采集訓練。組內交流研討后歸納整理信息，填寫工藝分析卡片。

(5)以展示匯報的形式進行組間交流，拓寬知識面。各組展示本組零件的工藝分析卡片，就工藝分析信息進行匯報；接受并回答其他組的提問，以交流經驗；關注其他組的工作內容，拓寬知識面；取長補短，修正不足，進一步完成學習目標。

(6)再次與“客戶”約談，就工藝難點進行協商，提交報價單，實施業務洽談。

各組根據本組工藝分析的結果，記錄工藝難點，評估加工可行性，估算工時及各項成本，填寫報價表單，并就此與客戶商談。

(7)整理本單元學習資料，完成相關課業練習及本單元工作學習小結的內容。單元二零件多面加工的工藝草案設計

一、單元學習任務

(1)參照工藝分析報告進一步探討零件多面加工工藝的先后順序。

(2)劃分工作小組，分配及制定進行具體工藝設計的內容和工作計劃。

(3)規劃各面加工工藝草案(工藝方法及其加工內容、刀具類型及其規格要求、設備要求、裝夾定位方案等)。

(4)小組交流研討確定綜合加工工藝草案，填寫工藝草案卡片。二、單元學習目標

(1)能有效地從工藝分析報告中提取有用的工藝信息，并借助這些信息理順工藝順序。

(2)能獨立細致地規劃各面加工工藝，并充分考慮相互間的關聯、干涉等技術問題。

(3)能相對合理地制定工藝方案，會通過溝通調整方案、提升自身的工藝水平。

(4)能相對周全地制定工作計劃，會根據實際情況調整工作計劃和工作目標。

(5)能正確填寫工藝方案卡片。三、著重關注的引導性問題

(1)零件總體加工工藝設計主要包括哪些內容？

(2)從毛坯的選用到前期處置包含哪些方面？如何確定毛坯的形狀和尺寸？

(3)工序劃分及其工序順序安排主要遵循哪些原則？

(4)孔加工通常采用哪些加工方法？

(5)溝槽及2D內腔加工一般采用什么加工方法？

(6)曲面形體加工通常采用什么加工方法？其大致加工步驟如何規劃？

(7)小組團隊合作完成一個零件的多面加工設計時，通常應注意哪些問題？相互間主要通過什么手段進行交流？

(8)單件試制和批量生產時，其加工工藝方案有什么不同，主要應從哪些方面進行考慮？

(9)多面加工是采用工序分散還是工序集中，通常應如何確定？

(10)為什么需要先制定工藝草案？制定草案主要是為加工作哪些準備？四、單元學習知識基礎

進入本單元學習之前，要求學習者應具有一定的工程圖識讀與繪制能力，有一定的機械切削加工工藝知識基礎，對常規特征結構數控加工的工藝方法及工藝過程等有足夠的了解，能在關注本單元引導問題的前提下認真閱讀相關知識基礎，并就相關內容查閱技術資料。

(一)零件的總體加工工藝及工序順序安排

零件總體加工工藝設計的內容主要包括確定毛坯→選擇表面加工方法→劃分工序及安排工序順序→編制總體加工工藝過程卡片。

1．毛坯的確定及其處置

1)毛坯形狀和尺寸的確定

確定毛坯形狀和尺寸總的原則是毛坯形狀要力求接近成品形狀，以減少機械加工的勞動量。但也要根據實際情況綜合考慮經濟成本、現有加工能力及工藝實施的可行性等。

(1)具有規則外形、大支承表面的零件通常就按單邊1?mm～3?mm余量選用相應規格的圓棒料或矩形精板等型材；單件小批量生產的不規則外形零件或大余量切除的中小型腔體零件通常也按最大邊廓尺寸單邊放1?mm～3?mm余量選用規則外形的型材作毛坯，依靠切削加工或電切割加工去除余量，如圖1.2.1所示。在MasterCAM軟件中，可在確定主夾壓平面的基礎上，利用繪制零件模型邊界盒的功能繪制出毛坯線框，再分析毛坯外形尺寸、按市場能提供的型材規格圓整后得到。圖1.2.1毛坯邊界設置大批量生產的不規則外形零件、規則外形但有大面積空腔零件、箱體零件或單件小批的大型件采用鑄鍛毛坯，需要充分考慮材料鑄造和鍛造時的流動填充性能，按鑄鍛工藝要求設計制造毛坯，不可能僅按照接近成品結構形狀均勻放置余量來設計。無論如何，鑄鍛毛坯在其加工表面應有較充足的余量，通常鑄鍛毛坯單邊余量按3mm～7mm設計，大批量生產用金屬模精鑄及模鍛毛坯按單邊余量1.5mm～3mm設計。

(2)對尺寸小或薄的零件。為便于裝夾并減少材料浪費，可將多個工件連在一起，由一個組合毛坯制出。如圖1.2.2所示的活塞環的筒狀毛坯和圖1.2.3所示的搓絲機連接臂毛坯都是組合毛坯，待機械加工到一定程度后再分割開來成為一個個零件。圖1.2.2活塞環筒狀毛坯

圖1.2.3搓絲機連接臂

(3)裝配后形成同一工作表面的兩個相關零件，為保證加工質量及加工方便，常把兩件(或多件)合為一個整體毛坯，加工到一定階段后再切開。例如圖1.2.4所示的零件毛坯都是兩件合制的。圖1.2.4兩件合制在一起的毛坯

(4)對于不便裝夾的毛坯，可考慮在毛坯上另外增加裝夾余料或工藝凸臺、工藝凸耳等輔助基準，工藝余料在主體內容加工完成后一般均應切除。如圖1.2.5(a)所示，由于該工件缺少合適的定位基準，因此可在毛坯上鑄出三個工藝凸耳，在凸耳上制出定位基準孔；圖1.2.5(b)所示小型連接臂零件單件生產時采用規則矩形坯料方便夾壓，正反面加工完成后由線切割得到外形輪廓，再進行側向槽孔加工；圖1.2.5(c)所示葉片零件基于設備能力限制需采用三軸銑削加工時，因無穩定支承表面而采用矩形坯料以便于夾壓，且由于葉邊為薄壁結構，翻面加工時因中空而剛性較差，故增設連接檐邊改善剛性，最后由線切割實現葉片與工藝余料的分離。圖1.2.5增設工藝余料的毛坯

2)毛坯的前期處置

(1)由圓棒料鍛打成方料。當要求零件具有較高的機械強度時，通常采用圓鋼棒料鍛打成方料。此時毛坯尺寸應在矩形板料的基礎上考慮鍛打時形成黑皮的料損，且由于自由鍛造難以保證幾個表面的平整，因此應按較大余量計算毛坯尺寸。

(2)加工前期的熱處理。鑄鍛及軋制的毛坯，通常在機械加工前安排一次熱處理，如退火、正火、調質或時效處理，其目的是消除內應力、改善金相組織，改善工件的加工性能。對中/高碳鋼、白口鑄鐵通常用退火降低硬度；低碳鋼用正火適當提高硬度；45#、馬氏體不銹鋼等用調質降低塑性、提高硬度，避免積屑瘤的產生；鑄件和大型扁薄鋁合金件，通常采用時效處理，以充分消除內應力。其中，調質常安排在粗加工之后進行。

(3)基準表面的預切削。鑄鍛坯件的裝夾基準表面，通常在各面加工之前需要先進行預切削加工，為穩定的夾壓固定提供支承表面或為后續加工提供精基準。此預切削加工一般在普通機床上進行，如圓棒料的外圓帶白、料端切平；鑄鍛方坯的刨、銑六面(或預切四面，表面粗糙度可達Ra6.3)，精磨基準面(表面粗糙度達Ra0.4～3.2)等。因易使砂輪堵塞，有色金屬不宜采用磨削加工，可用大尺寸盤銑刀作粗、精銑削。

2．選擇表面加工方法

1)回轉體零件內外圓表面及非回轉體零件中高精度要求的回轉表面回轉體零件的內外圓表面通常采用車削加工方法，精度及表面質量要求高時最后還應選擇磨削加工方法；非回轉體零件中高精度要求的內腔回轉表面可考慮鏜孔加工，但高精度的外輪廓回轉表面也需要考慮使用車削加工方案。車、磨所能夠達到的經濟精度如表1.2.1所示，可根據零件加工質量要求選擇合適的加工方法。圖1.2.6(a)所示鏡體零件含內柱臺階孔、螺孔等多處回轉加工特征，且尺寸精度要求很高，需采用圓棒料先進行柱孔部分的車削加工，外部型面則通過銑削加工得到；圖(b)所示護罩零件，球面外形雖然采用車削加工可保證較高的表面精度，但先車削外形后不利于內腔型面加工的裝夾，而先加工內腔后再車削外球面時，則必須制作專用工裝，故對于單件生產而外球面精度要求不高的此類零件可在內腔加工完成后翻面進行球面的銑削加工。總之，含回轉特征零件的表面加工方法必須根據其總體結構、加工精度要求及加工成本等綜合因素后確定，并沒有絕對固定的模式。圖1.2.6具有回轉特征表面的零件

2)平面輪廓、腔體、臺肩和溝槽

平面內外輪廓無論是規則外形還是異型復雜線框輪廓、或者由非圓曲線構成的輪廓，都可采用平底銑刀從輪廓外圍無料區快速下刀后，沿輪廓線框以基本線圓指令形式切削加工。

腔體一般以封閉槽形或敞口槽的形式作挖槽分層加工。敞口槽可以從毛坯外部直接快速下刀后切入；封閉槽形可采用鍵槽銑刀從槽內下刀或由立銑刀螺旋下刀，也可先預鉆孔后直接從預鉆孔處快速下刀；腔體邊廓最終可作輪廓銑削加工。臺肩平面可用大尺寸銑刀作面銑加工得到，若臺肩邊廓為異型，則最后需作輪廓銑削。正夾壓方式下斜坡面一般采用平底銑刀密層銑削，或用圓鼻刀及球刀作曲面銑削。若有合適角度的錐形銑刀，則可以通過輪廓銑削形式加工得到。若斜坡面要求表面光滑平整，則需通過夾具或多軸機床將其調整為垂直主軸方向后用平底銑刀銑削得到。與刀具規格尺寸同寬度的一般溝槽加工，可直接以鍵槽刀切入銑削；寬槽及高質量要求的溝槽，則應先用較小刀具分粗、精切加工得到。底部有圓弧轉角或為弧形曲面的槽形，可先用平底銑刀加工直壁段，底部再用圓鼻刀作輪廓銑削或用球刀作曲面加工得到。

上述各特征結構的棱邊有倒角或倒圓的，可直接用倒角刀或圓角成型銑刀作輪廓銑削得到，不合適角度或轉角半徑的可用平底銑刀或球刀作曲面加工得到。

如圖1.2.7所示為常見銑削表面特征的加工方法示意圖。圖1.2.7不同特征表面所用的刀具及加工方法

3)零件中圓孔

加工零件中的圓孔時，應根據其精度要求，參考圖1.2.8所示的加工方法。圖1.2.8孔加工方法及加工精度

4)曲面型體表面

對于曲面型體表面，從板塊狀坯料開始，需要先后經過粗、半精、精加工三個階段；若曲面型體表面有較高的要求，如塑料成型模腔曲面，最終還需要進行研磨拋光的光整加工階段。若從鑄鍛毛坯面開始，通常可省掉粗加工階段，直接由半精加工和精加工來實現。曲面粗加工一般采用平底銑刀或圓鼻銑刀，以高效去除余料為主；半精加工采用圓鼻刀或球刀，以均化精加工余量為主；精加工采用球刀，以達到型體全部或大部分表面尺寸為主；若型體表面因刀具尺寸原因，尚有局部殘料未能加工，如較小曲率半徑的表面、曲面交接邊界、無法進刀的加工盲區等，或者因為刀路方法的設計局限而出現局部質量不理想的狀況，則需要改用小尺寸球刀或平底銑刀再作曲面補加工。

3．工序順序的安排

機械零件的總體加工工藝一般為：備料→毛坯的前期處置→各表面的加工→檢驗→零件的后期處置→入庫或交付，其中毛坯準備、加工后的檢驗及后期處置等有相應的定式，各表面加工順序的安排隨著零件結構及加工條件而變化，是確定工序順序的重難點。工序順序的安排總體應遵循以下的原則。

(1)“基面先行”原則。從毛坯開始先期加工的表面，應該是后續工序選作為精基準的表面，然后再以該基準面定位，加工其他表面，如箱體零件常常先加工基準平面和其上的兩個孔，再以一面兩孔為精基準，加工其他表面。規則盒體零件前期處置時的六面或四面加工就是為后續工序精確加工準備裝夾基準表面，如鉗口夾壓時的兩側面、墊鐵支承的底面及敞口一側需要與擋塊定位貼靠的表面等。

(2)“先面后孔”原則。當零件上有較大的平面可以用來作為定位基準時，總是先加工平面，再加工面上的孔，保證孔和平面之間的位置精度，這樣定位比較穩定，裝夾也方便。同時若在毛坯表面上鉆孔，鉆頭容易引偏，所以從保證孔的加工精度出發，也應當先加工平面再加工該平面上的孔。

如果零件上并沒有較大的平面，它的裝配基準和主要設計基準是其他的表面，此時就可以運用上述第一個原則，先加工其他的表面，如變速箱撥叉零件就是先加工深孔，再加工端面和其他小平面的。

(3)“先主后次”原則。零件上的加工表面一般可以分為主要表面和次要表面兩大類。主要表面通常是指位置精度要求較高的基準面和工作表面；而次要表面則是指那些要求相對較低，對零件整個工藝過程影響較小的輔助表面，如鍵槽、螺孔、緊固小孔等。這些次要表面與主要表面間也有一定的位置精度要求，一般應先加工主要表面，再以主要表面定位加工次要表面。對于整個工藝過程而言，次要表面的加工一般安排在主要表面最終精加工之前。

(4)“先粗后精”原則。如前所述，對于精度要求較高的零件，加工應劃分粗精加工階段。對于剛性較差的零件，這一點尤其不能忽視。對于具有矩形規則外形輪廓且帶內腔的多面加工的零件，因其具有較穩定的支承表面，便于使用通用夾具夾壓固定進行加工。其總體加工工藝一般為：備料→前期熱處理→銑、磨六面(或四面)→四側表面分工序加工→上下表面分工序加工→(中間工序去應力時效處理)→各面精加工及局部修補加工→檢驗→后期處理→入庫或交付。一些具有較大支撐表面但外形輪廓并不規則的零件加工，其工藝安排也大多與此類同。對于圓形外廓的規則零件，大多以車削方式為主，不在本單元討論范圍內，本單元主要就需要作多面加工的零件進行探討。

(二)典型盒體零件的多面綜合加工案例

1．充電器下殼體

充電器下殼體零件多面加工工藝簡卡見表1.2.2。

3．單葉片零件三軸加工

通常長薄形單葉片零件需要采用附加四軸的回轉加工，但本例寬平扁薄形單葉片零件因葉面尺寸太大，需要較大運動空間的四軸機床，且懸臂支承加工時存在剛性嚴重不足的缺陷，因此不太適合四軸加工方案，仍需考慮采用三軸數控銑床作多面接合加工。以三軸銑削方式進行正反兩面接合加工是相對簡單的方案，但該零件為異型曲面結構，作翻面加工時，因無穩定的支承表面，再加上隨邊較薄，極易產生彈性變形，造成葉背曲面錯位，有效葉厚將減小，整個葉型相對回轉中心會出現較大的葉型誤差。初期曾嘗試過采用此方案進行實際加工，結果葉背曲面在隨邊處向下錯位達1.5?mm，致使有效葉面減小近20%。另外，此方案下左、右兩側只能按曲面方式銑削，其加工質量不能很好地滿足使用要求。實踐證明，該正、反兩面簡單接合加工的工藝方案并不可取。主要改進如下：

(1)針對翻面加工無可靠支承和隨邊因壁薄容易變形的問題，采取正反兩面增設一定厚度及寬度的連接檐邊，加大毛坯寬度，增加工藝余量，以封閉框架盒體形式完成正反兩面的加工。檐邊與框架按球刀半徑大小呈圓弧過渡，以提高連接剛度，如圖1.2.9所示。待完成左、右兩側面加工后，采用線切割加工將導邊和隨邊與工藝廢料分離，最后由鉗工銼修去除導、隨兩邊的殘料。這既方便四面加工時的支承、夾壓及對刀找正，又可有效解決變形錯位的問題。圖1.2.9增加工藝余量的解決方案

(2)采用兩側分離的獨立加工方案，可以2D銑削方式，加工右側圓柱與左側弧榫的主要支承表面，其加工質量要比曲面加工方式更容易控制。

另外，在具體工藝實施的細節上還需進行如下改進：圖1.2.10谷點處刀柄下行的讓刀槽

(1)因進行正、反兩面的葉面與葉背曲面加工時，曲面谷點加工需要刀具懸伸長大于等于100?mm，這將降低刀具切削時的剛度，影響加工質量和加工效率。為此，先用平刀將谷點附近銑出近30?mm～40?mm深的臺階(如圖1.2.10所示)，留出刀柄下行的空間，刀具懸伸長度可減小到60?mm左右。

(2)在翻面進行葉背曲面加工時，以從中心向四周由內向外逐步環繞的走刀方式，在四周具有較大連接剛度時先將中間大部分曲面加工出來，最后再進行邊沿附近及連接檐邊部分的加工，盡可能減小變形帶來的不利影響。

(3)兩側支承端選擇臥式數控銑削方式，以方便夾壓并確保支承平穩。

單葉片零件多面加工工藝如表1.2.4所示。圖1.2.10谷點處刀柄下行的讓刀槽由以上典型多面加工零件工藝案例可知，多面綜合加工的順序安排并無固定模式，主要根據零件結構特征進行調整。前幾道工序因有厚實穩定的毛坯支撐表面，加工哪部分內容都不需過于關注夾壓變形的問題，但前述加工應考慮為后續加工留有方便夾壓的空間。比如前述充電器下殼體規則盒體零件將內腔加工安排在最后，就是為防止先加工內腔后再加工其他內容時容易產生夾壓變形；而護罩零件先加工內腔后再加工外側球面，是為使球面加工時具有穩定的支撐表面，兩側凹槽先行加工完成后可方便壓板螺釘的夾緊固定，不采用臺鉗裝夾是便于整個球面的走刀加工；對于無規則外形輪廓且無穩定支撐表面的單葉片零件加工而言，若采用三軸數控銑削加工方式，則必須考慮預設工藝余料的方法，以保證大部分型面的正常加工，最后可安排線切割進行工藝檐邊的分離。單元三多面綜合加工的CAM刀路設計

一、單元學習任務

(1)?CAM軟件的2D、3D刀路設計。

(2)按加工要求的刀路邊界組合構建。

(3)刀路方法的合理選用、組合和分解。

(4)刀路參數的設置，基于加工要求的尺寸數據控制，粗、精加工的刀路設計。

(5)基于工藝安排的刀路順序調整及刀路組合規劃。二、單元學習目標

(1)能利用CAM軟件進行各加工面的刀路設計。

(2)能合理地選用刀路設計類別，設置刀路參數和按要求控制刀路深度及分層加工。

(3)能正確地構建刀路邊界，進行加工內容的組合及分解。

(4)能按刀具使用順序，進行各刀路的組合排序。

(5)能識讀其他組設計的各面加工刀路，并分析其合理性。三、著重關注的引導性問題

(1)如何識讀一個零件已定義的刀路？主要需分析哪些信息？

(2)刀路定義所用邊界和零件圖樣邊界有什么區別？哪些刀路類型能直接使用圖樣邊界，哪些需要重構刀路邊界？

(3)敞口槽和封閉槽形的刀路定義有何不同？一般島嶼挖槽和島嶼深度挖槽的刀路定義有何區別？要加工一個帶不同島嶼高度的腔體，大致需要定義哪些刀路

(4)腔體槽精修加工時的刀路定義和粗切刀路定義有何區別？能使用復制粘貼后簡單修改參數設置實現粗精加工刀路的快速定義么？

(5)同樣的特征區域加工，可以使用不同的刀路類型，如何選擇合適的刀路類型？

(6)曲面形體的加工通常需要做哪些刀路定義？其工藝順序及參數大致如何設置？

(7)進行圖素分層管理對刀路設計有什么好處???如何進行基于不同刀路類型的分層管理?

(8)多面加工的刀路設計用多個圖檔文件易于管理，若使用同一圖檔文件實現多面加工的刀路定義管理該如何處理？

(9)一次裝夾中完成一個表面的所有加工時，其刀路的組合序化通常基于什么原則？

(10)刀路定義的參數通常應如何設置？有哪些需要特別注意的參數項？四、單元學習知識基礎

進入本單元學習之前，要求學習者應具有一定的工程圖識讀與繪制能力，會使用CAD/CAM軟件，具有利用CAM軟件進行2D刀路設計的基礎，且有較熟練的零件數控加工工藝設計經驗。

(一)充電器下殼體零件多面加工刀路設計

充電器下殼體零件如圖1.3.1所示，根據前述工藝方案，需要進行前后側面加工、左右側面加工、反面加工和正面腔體加工等多面加工的刀路設計。圖1.3.1充電器下殼體

1．前后側面加工的刀路設計

充電器下殼體零件前后側面的加工內容是一樣的，均為簡單裝飾筋槽的加工。由于這些筋槽都是敞口槽的形式，且槽距較近，因此可以將這些筋槽的邊界連接在一起進行加工刀路的定義，而不需要采用各單槽分別加工的刀路定義形式，以避免產生不必要的提刀和下刀動作，同時也可以使用立銑刀從毛坯外下刀切入。裝飾筋槽的加工可選用如下兩種刀路設計方案：

(1)若采用與槽寬尺寸一致的f?6立銑刀，應以各槽中線構建輪廓線銑削的刀路，如圖1.3.2(a)所示，刀路參數定義時采用關閉左右刀補的設置。

(2)若采用小于槽寬尺寸的銑刀，如f?5立銑刀，應以槽形邊界首尾連接，按敞口槽銑削或帶刀補設置的輪廓銑削進行刀路定義，如圖1.3.2(b)所示。圖1.3.2前后側面加工的刀路設計雖然前后兩側都是簡單筋槽的加工，但由于筋槽位置布局對左右側邊是非對稱的，因此，不能簡單地使用同一刀路程序進行前后側面的翻面加工。若使用同一程序，必須注意坐標原點位置數據的調整。

2．左右側面加工的刀路設計

左右側面是為安放充電器輸入輸出線纜的槽孔而設計的，兩側結構類似，其刀路設計內容相同。但由于線纜槽孔安裝位置的高度及孔形尺寸有所不同，可在設計好其中一面的刀路后，復制刀路數據然后重新修改孔形邊界的鏈接，以得到另一側面加工的刀路。

左右側面加工的基本刀路設計包括：

(1)敞口槽直壁主體的開放式挖槽。以直壁邊廓線為挖槽邊界，采用立銑刀從毛坯外部下刀，分層銑敞口槽，深度控制至底面圓弧轉角上緣，即右側深?－８?mm、左側深－6?mm處，如圖1.3.3(b)所示。圖1.3.3左右側面敞口槽加工的刀路設計

(2)圓弧轉角內側槽底平面的銑削加工。如圖1.3.3(c)所示，以圓弧轉角內側邊廓線為挖槽邊界，進行開放式挖槽的刀路設計，以實際右側深－9?mm、左側深－7mm為槽底加工控制深度，槽底圓弧轉角留待后續作曲面加工或用球刀作輪廓加工。

(3)槽底型孔的銑削加工。建議先鉆引孔后再作孔形輪廓加工，最后換小直徑刀具進行殘料清角補加工，深度控制至超越內腔處，其加工刀路設計如圖1.3.4(a)所示。

(4)槽口與槽底圓弧轉角加工。槽口圓弧轉角曲面可采用內R刀作輪廓銑削加工，槽底圓弧轉角曲面在具有合適結構尺寸球刀的情形下作輪廓銑削加工即可，但不適宜使用成型刃與刀桿間呈錐度變化的加強型短刃球刀。在沒有合適成型刀具的情形下，可采用平底銑刀或球刀作曲面加工，其刀路設計如圖1.3.4(b)所示。圖1.3.4左右側面型孔及轉角曲面加工的刀路設計

3．反面槽孔加工的刀路設計

充電器下殼體的反面主要是與前后兩側相接的裝飾筋槽加工，還有一個與筋槽連接的沉孔加工及角部四個螺釘沉孔的加工。由于筋槽大多是兩側敞口，更利于進行首尾接續的往復走刀設計，可直接用槽形中線延伸連接后作關閉刀補的外形銑削刀路設計。但對于與沉孔連接的窄槽部分，則必須改用小直徑銑刀進行局部加工的刀路設計。反面加工的刀路設計如圖1.3.5所示。圖1.3.5反面槽孔加工的刀路設計

4．正面腔體加工的刀路設計

正面加工主要是腔體部分的加工、口部筋臺加工及鉆孔加工。腔體部分的加工可分為上部無島嶼的矩形封閉挖槽、底部帶島嶼的挖槽加工兩大部分。正面加工總體工步順序為：鉆預孔→大直徑銑刀粗銑口部筋臺、矩形槽(至深?-23.3處，階臺頂面留0.2的余量)→島嶼挖槽粗銑至腔底(深?-27.8處，底面留0.2的余量)→小直徑合金銑刀精修口部筋臺、矩形槽壁(輪廓銑削，至深?-23.5)→島嶼挖槽精修至腔底(深?-28)，精修各階臺頂面到尺寸→更小尺寸刀具對各轉角部位作殘料清角→點各孔中心(相對深度-1.5)→鉆各孔及螺紋底孔→攻絲。正面加工各刀路設計見圖1.3.6和圖1.3.7。圖1.3.6正面腔體加工的刀路設計(一)圖1.3.7正面腔體加工的刀路設計(二)口部筋臺加工的刀路可直接以筋臺外邊界作輪廓銑削刀路設計，小直徑銑刀精修時可根據筋臺面最寬處徑向分次設計，或以稍大于毛坯邊廓繪制島嶼挖槽的外邊界后，按島嶼挖槽進行刀路設計；腔體上部以腔體內側矩形槽為邊界作一般挖槽的刀路設計，控制挖槽深度至腔內階臺頂面；腔體下部以腔體內側矩形為外邊界、各階臺輪廓為島嶼，作帶島嶼的一般挖槽刀路設計。若希望減少刀路定義的次數，可按各階臺頂面實際深度繪制階臺輪廓作為島嶼邊界，以腔底深度的內側矩形為槽形邊界(如圖1.3.7(d)所示)，直接按“使用島嶼深度挖槽”的刀路設計作粗銑，按“邊界再加工”作精修刀路設計。

(二)護罩零件多面加工刀路設計

護罩零件如圖1.3.8所示，根據前述工藝方案，需要進行前后側面加工、正面腔體型面加工和外側球形曲面加工等多面加工的刀路設計。圖1.3.8護罩零件

1．前后側面加工的刀路設計

護罩零件前后側面的加工內容是一樣的，均為簡單半月槽的加工。該兩側半月槽為封閉槽形且無島嶼，可先在槽內鉆引孔后使用立銑刀從引孔處下刀，或采用螺旋式下刀設置，也可使用鍵槽銑刀或底刃過中心的平底銑刀直接下刀進行挖槽加工。由于槽形面積較大，建議先用大直徑刀具挖槽粗切后再改用小直徑刀具作槽形邊界的精修。若采用鉆引孔后挖槽的加工順序，為確保每深度層均能從引孔處下刀，刀路設計時應先選取引孔位置點后再選取半月槽形邊界。前后側面加工刀路設計如圖1.3.9所示。圖1.3.9護罩零件前后側面加工的刀路設計

2．正面腔體型面加工的刀路設計

由于口部檐邊在翻面加工時難以加工到位，所以在正面時就需要進行口部輪廓加工的刀路設計，如圖1.3.10所示。圖1.3.10護罩零件正面腔體型面加工的刀路設計(一)對腔體曲面而言則可先鉆引孔，然后用平刀作曲面挖槽的粗切加工刀路，以去除余料；再用球刀或圓鼻刀做等高半精修加工刀路，為精加工均化余量；最后用球刀做平行式精修的刀路，完成腔體曲面的加工，如圖1.3.11所示。圖1.3.11護罩零件正面腔體型面加工的刀路設計(二)對腔體側面與底部曲面交接處，還需要用小球刀做殘料清角的補加工，然后還需要做正面腔體中各處孔的鉆孔攻絲加工刀路設計，如圖1.3.12所示。圖1.3.12護罩零件正面腔體型面加工的刀路設計(三)

3．外側球形曲面加工的刀路設計

護罩零件的外側主要就是球形曲面和兩側沉孔的加工。為使球面加工刀路連續順暢，應先將球面上的沉孔凹槽修補起來(MasteCAMX版提供了對曲面實施槽孔自動填補的功能)，以免做刀路設計時在這些部位出現不必要的沉降刀路，待球面加工完后再單獨做沉孔銑鉆的刀路。外側球面刀路設計時可將毛坯矩形輪廓作為刀路限制邊界，以刀具中心允許超出邊界值小于刀具半徑進行設置，避免設置為內側后造成曲面邊界處加工不到，或設置為外側后刀具會下行加工前后側面而造成與夾具干涉的狀況發生。如圖1.3.13所示，護罩零件外側曲面型體加工刀路設計順序大致為：用較大直徑平底銑刀作挖槽粗切(去除余料為主，留余量0.5)→稍小直徑圓鼻銑刀或球刀作等高半精修(為精加工均化余量，留余量0.2)→較小直徑球刀作平行式或環繞等距曲面精修(余量0)→更小直徑球刀或平刀作殘料清角、交線清角局部補加工。圖1.3.13護罩零件外側球面加工的刀路設計

(三)單葉片零件多面三軸加工刀路設計

一般地，長薄形單葉片的加工是采用附加四軸的回轉加工，但本例寬平扁薄形單葉片零件因葉面尺寸太大，需要較大運動空間的四軸機床，且在使用懸臂支撐時，由于扁薄的導、隨邊距回轉軸心線較遠，加工時極易產生受力變形，因此，仍需考慮采用三軸數控銑床作多面接合加工。

1．葉面曲面加工的刀路設計

葉面部分是從矩形實心坯料開始的，根據工藝方案設計，葉面外框需留有足夠的坯料，并且導、隨兩邊設計有一定厚度的工藝檐邊，因此葉面需按凹槽曲面設計刀路，右側柱面和左側弧榫的成型面也需作部分加工。為此，在刀路設計前必須對葉型曲面及其邊界進行適當的處理，其處理過程大致如下：

(1)邊界曲面的延伸。邊界曲面的延伸包括葉片導邊、隨邊兩側工藝檐邊的構建和左右兩側預切曲面的構建。利用曲面曲線的邊界曲線構建功能提取出導邊和隨邊的邊界曲線及左右兩側棱邊曲線，分別如圖1.3.14(a)、圖(b)所示；然后分別將這些曲線沿法向水平拉伸為延伸曲面,拉伸長度15mm～20mm，如圖1.3.14(c)所示，并將導、隨邊延伸曲面作上下各1?mm的平移復制，為正反面加工時在這兩側保留約2?mm厚的連接檐邊，待全部曲面加工完成后再用線切割將這兩側的檐邊分離。為此，尚需將導邊和隨邊的邊界曲線向水平面投影，以獲得線切割分離加工用的編程輪廓線。圖1.3.14葉面曲面加工的前期準備

(2)構建葉面凹槽曲面加工的邊界。利用曲面邊線構建功能將上述延伸后的曲面外邊線提取出來，投影到水平面內再進行修剪編輯，可以得到一封閉的葉面加工的凹槽邊界，如圖1.3.14(d)所示。

(3)葉面曲面的加工刀路設計。以超出導、隨兩邊最大尺寸線30?mm為寬度尺寸，左右兩側直接以柱面及弧榫頂邊為長度尺寸，以葉片最大厚度為高度尺寸準備毛坯。引孔鉆削深度以葉面凹陷谷點處為參考，先做出鉆引孔的刀路；由于曲面谷點加工需要刀具懸伸長接近100?mm，這將降低刀具切削時的剛度，影響加工質量和加工效率。為此，可先用平刀將谷點附近銑出近30?mm～40?mm深的臺階(如圖1.3.15所示)，留出刀柄下行的空間，則刀具懸伸長度可減小到60?mm左右。如圖1.3.16所示，葉面曲面加工刀路設計順序大致為：較大直徑平底銑刀作挖槽粗切(留余量0.5)→稍小直徑圓鼻銑刀或球刀作等高半精修(留余量0.2)→較小直徑球刀作平行式或環繞等距曲面精修(余量0)。圖1.3.15葉面曲面加工的讓位槽加工圖1.3.16葉面曲面加工的刀路設計

2．右側柱面加工的刀路設計

如圖1.3.17所示，右側可用毛坯矩形邊框為邊界，先后做平刀的曲面挖槽粗切、球刀的環繞等距精修的刀路設計即可。圖1.3.17右側柱面加工的刀路設計

3．左側弧榫型面加工的刀路設計

如圖1.3.18所示，左側和右側一樣，用毛坯矩形邊框為邊界，先后做平刀的曲面挖槽粗切、球刀的環繞等距精修的刀路設計。圖1.3.18左側弧榫型面加工的刀路設計

4．葉背曲面加工的刀路設計

葉背曲面加工時可借用葉面的邊界曲線，參照葉面的刀路設計，分別做平刀的曲面挖槽粗切、球刀或圓鼻刀的曲面等高半精修、球刀的曲面環繞等距精修。和葉面加工時的情形不同的是，因為反面為已經加工過的葉面部分，坯料裝夾僅靠兩邊的工藝余料來支承，因此，最后精修時不能采用平行式，應采用由內向外的環繞等距式，使較薄的連接檐邊在最后時刻實施切削，以保證葉背曲面主體加工時有足夠的連接強度。葉背曲面加工刀路如圖1.3.19所示。圖1.3.19葉背曲面加工的刀路設計

5．與坯料間的線切割分離加工

如圖1.3.20所示，待所有曲面加工完成后，可利用前述圖1.3.14(c)所示獲得的線切割輪廓邊界，編制數控線切割加工的程序，用線切割加工方式實現葉片零件與坯料間的分離。圖1.3.20線切割分離加工

單元四刀路檢查及工藝調整

一、單元學習任務

(1)利用CAM軟件的仿真功能檢查刀路干涉碰撞、過切及欠切的情況，并做好記錄。

(2)分析刀路干涉及過、欠切產生的原因，并修正。

(3)檢視記錄各面刀路仿真結果，檢出重復設計刀路的特征結構，分析對其進行加工的合理時機及其分解或組合的邊界范圍，重新進行刀路安排和設計。

(4)全面考量零件整體加工的刀路，合理安排刀路順序。

(5)記錄各面加工所用刀具規格及數目，編制刀具使用清單。二、單元學習目標

(1)能正確檢查各面加工刀路中出現的刀路干涉碰撞情況。

(2)能從刀路執行細節核對刀路過切及欠切的可能性，并分析產生原因。

(3)能正確分析某特征加工的刀路在各面加工的可行性，對重復加工的特征確定其合適的加工時機，并就其加工難點進行記錄和說明。

(4)能綜合安排各面刀路的加工順序，合理調整刀路工藝數據。

(5)能正確分析并進行工藝刀路的優化。三、著重關注的引導性問題

(1)線架仿真和實體仿真有什么不同?分別能進行哪些

檢查？

(2)加工仿真的毛坯一般應如何設置?MasterCAM-X版可以使用哪些毛坯形式？如何才能設置正確的毛坯?

(3)刀具總在毛坯里面切削是什么原因?如何避免？

(4)多面加工仿真時，如何將上一工序的加工結果作為毛坯？翻面加工時，毛坯調用的步驟大致如何？

(5)銑削輪廓時主要需進行哪些仿真檢查?如何避免過切的產生？

(6)挖槽加工時主要需進行哪些仿真檢查?環切時槽腔內出現欠切的原因是什么，如何調整？島嶼深度挖槽刀路定義時一般會產生哪些欠切現象，如何調整才可避免殘料?

(7)鉆孔加工時主要需進行哪些仿真檢查?翻面加工時對已加工的通孔進行孔口倒角時出現錯位的原因是什么?

(8)曲面加工時主要需進行哪些方面的仿真檢查？干涉曲面是如何設置的？如何檢查加工時與夾具干涉碰撞的情形?

(9)如何檢查刀柄夾頭在加工中的干涉?如何控制刀具長短從而避免刀柄干涉?

(10)針對自己所設計的刀路，進行多面加工仿真的檢查，從而發現設計中存在的問題。準備如何改進設計?四、單元學習知識基礎

學習本單元之前，要求學習者應具有熟練的CAM刀路設計經驗、扎實的工藝知識基礎，對零件加工的總體工藝非常清晰，對CAM軟件刀路參數設置的各項功能有足夠的了解。

(一)?CAM軟件的刀路仿真功能

大多數CAM軟件都具有軌跡線仿真和實體仿真驗證的刀路模擬功能，通過仿真模擬可以很方便地對所定義的刀路結果進行檢查，并由此發現刀路設計中過切、欠切及刀具碰撞的可能性，以指導刀路設計者合理地調整和優化加工刀路。MasterCAM在軌跡線架仿真模式下，還可以根據所設置的進給速度對切削加工的時間進行估算，可為工藝編制時定制加工工時、預算加工成本等提供參考。

1．基于軌跡線架的仿真

采用線架形式的仿真，是以刀具刀位點按刀路定義計算的刀路軌跡動態運動的模擬過程，模擬動作的快慢可通過設置步長大小進行調節。如圖1.4.1所示，還可以設置刀具的顯示以及刀具覆蓋痕跡的顯示，以核查刀具的有效切削范圍，判斷欠切和過切的可能。線架仿真可以獲得較快的模擬速度，而且還可以通過多視窗設置，達到從多個角度同時觀察的效果，如圖1.4.2所示。另外，還可以設置成單步運行的模擬切削方式，以進行更細致的刀路分析。圖1.4.1線架刀痕仿真圖1.4.2多重視窗設置下的多視角仿真

2．基于初始規則毛坯的實體仿真

和線架仿真相比，實體驗證的模擬生動逼真，既可以看到實際加工的效果，也可以直觀地查驗刀具過切、碰撞以及因刀長不夠后刀柄夾頭引起的干涉現象。但當零件結構形狀復雜時，其模擬速度稍慢。圖1.4.3所示是實體模擬驗證的操控界面，它是通過一個動畫播放器來控制的，可以非常方便地調節模擬動畫的速度。播放前應設置好毛坯形式、毛坯材料的控制方式等，毛坯的形式可選矩形塊料、圓棒料、以STL文件保存的坯料及CAD繪制的實體模型。圖1.4.3實體驗證的仿真模擬若選擇矩形或圓形初始坯料，則有三種定義毛坯尺寸的形式可供選擇。

(1)?NCI文件中讀取：選用此項，則系統會自動掃描刀路定義后所生成的NCI文件，從中提取出X、Y、Z三坐標中最大的數值來作為毛坯的數值。

(2)由工件設定中提取：若進行過工件毛坯設定，點選此項，即可從工件設定中復制毛坯數據作為此處的毛坯尺寸。工件毛坯的預設定可借助邊界盒定義功能以自動獲取屏幕顯示的零件CAD圖樣中最大XYZ尺寸，此時應隱藏可能超出欲設定毛坯邊界的輔助圖素，否則會導致毛坯設定的不正確。

(3)手動設定：點選此項，系統即切換到圖形顯示區，可臨時根據顯示區所顯示的圖形大小確定毛坯大小范圍。

3．基于STL文件半成品毛坯的多面加工仿真

每次實體仿真模擬完成后，均可將其仿真模擬的結果保存為STL毛坯文件，供后續加工使用。若預先已將CAD構建的零件實體保存成了STL文件，則可將本次加工的結果與預存的STL文件進行比較，并借助測量功能檢查刀路加工的過切量和殘留量。盡管在MasterCAM中，通過設置新的刀具平面和工件原點的方法，可將俯視面中所做的刀路變換到前/后/左/右等視圖面上，從而實現多面綜合加工的仿真，但其所涉及的參數設

置較為復雜，對設計者的3D空間感要求較高。為此，自MasterCAM-X版起，新增了STL模型轉換的功能。利用該功能可將上一工序所保存的半成品STL文件調入后進行平移、旋轉等幾何變換，再保存為新的STL文件，以供下一工序作為毛坯選用，這為實現多面綜合加工的實體仿真驗證提供了方便。同時，STL模型的轉換過程，可幫助設計者深入了解多面翻轉加工時毛坯在裝夾定位方面的要求。如針對于表1.2.2中充電器下殼體零件，在工序6底面槽孔加工仿真的結果保存的(如圖1.4.4(a)所示)STL模型基礎上，要完成如圖1.4.4(b)所示裝夾方位的工序7正面深腔加工仿真，可進行如下STL模型轉換。圖1.4.4充電器下殼體零件半成品STL模型轉換前后的位置關系在MasterCAM-X版的轉換菜單中選擇“STL轉換”功能，調入工序6仿真加工后保存的STL文件，即如圖1.4.5(a)所示三角形面片圖；將構圖面設為側視圖，選擇“旋轉”變換方式，輸入繞原點旋轉的角度為180°，即可得到圖1.4.5(b)所示翻轉后的STL三角形面片圖；繼續選擇“平移”變換方式，輸入側視面中的平移距離y-31.5，即可將翻轉后的毛坯在實際坐標系(世界坐標系)中沿Z向下移一個毛坯厚度(如圖1.4.5(c)所示)，使新毛坯的原點與工序7刀路設計的原點相一致；轉換完成后將毛坯備存為新的STL文件，即可在工序7實體仿真加工時引用。圖1.4.5下殼體正面深腔加工的STL毛坯模型轉換通常，實體仿真用于加工結果的直觀檢查，而線架仿真用于刀路軌跡的細致分析。實體仿真檢查時，因快速移動導致的干涉碰撞痕跡是以紅色顯示的(可設置修改)，容易直觀地發現，而工進時產生的過切和欠切則必須通過與設計圖樣進行比對作出判斷。

(二)各類刀路的仿真檢查及工藝調整

1．輪廓銑削刀路的仿真檢查及調整

在輪廓外形銑削刀路定義時，若選擇由控制器(機床數控系統)刀徑補正，直接以選擇的輪廓線為刀心軌跡生成程序，且程序內將自動添加G41/G42的刀補控制代碼，則實際刀補后的刀心軌跡計算由機床數控系統決定。由于各數控系統的刀補算法不同，此時由CAM軟件所進行的仿真檢查不具真實性，本單元不對此進行探討。對于選擇由電腦刀徑補正的設定，CAM軟件將按刀具半徑偏置距離計算出補正后的刀心軌跡節點，并由此進行程序輸出，程序中不再有G41/G42的刀補代碼，此時得到的刀路軌跡就是刀心軌跡，其仿真檢查不受機床刀補算法的影響，刀路軌跡將直接決定加工效果。圖1.4.6(a)所示是合理選用刀具直徑大小，啟用了輪廓銑削刀路設計中干涉檢查(相關性檢查)功能，并對尖角進行了圓整后得到的刀路，可以看出，該刀路不存在干涉問題，是理想的設計狀況；圖1.4.6(b)所示是啟用了輪廓銑削刀路設計中干涉檢查功能，但沒有選擇尖角圓整所得到的刀路，此刀路亦局部存在欠切和過切的可能；圖1.4.6(c)所示是選用了稍大直徑的刀具，且沒有啟用輪廓銑削刀路設計中干涉檢查功能和尖角圓整處理所得到的刀路，由此可知，使用不合適的刀具大小而又不進行刀路干涉檢查所得到的刀路將會產生嚴重過切的可能。當外形輪廓結構復雜多變的時候，難以對其所產生的刀路一一進行分析檢查，或多或少地會在一些刀路設計過程中忽略干涉檢查功能的啟用。圖1.4.6輪廓銑削刀路定義的干涉檢查對于如圖1.4.1所示的外輪廓臺肩的銑削，由于臺肩面在各處的余量不等，因選用的刀具直徑不足以覆蓋臺肩面最寬處，僅作一次外形銑削的刀路設計，將會有部分臺肩面出現欠切，通過仿真模擬可直觀地檢查出這一問題，為此，可按最寬臺肩尺寸選用刀具作一次銑削，或者通過徑向分次的外形銑削刀路設定，調節余量及次數直至銑削痕跡覆蓋所有臺肩面。圖1.4.7所示是采用T型槽刀對某背銑加工特征結構進行局部輪廓銑削的刀路設計，此時若下刀、提刀位置及引入、引出軌跡段設計不合理，則容易產生過切及碰撞的可能。此背銑特征若將兩段輪廓首尾相接后一起進行輪廓銑削的刀路定義，則對向要保留的臺階將被切掉，因此應分兩段輪廓定義刀路。為確保T型槽刀的大端不至于與口部邊界碰撞，并避免過切到保留臺階，應通過設置引入引出線長及引入引出切弧的弧心角的大小，保證其引入線與下刀點、引出線與提刀點在無障礙區。圖1.4.7背銑加工的防干涉刀路設計圖1.4.8所示槽內斜臺的斜面及窄槽特征加工同樣可局部采用輪廓銑削的刀路設計方法，其輪廓線段的構建應適當延伸，延伸長度應考慮上一刀具已加工的位置，以能夠完全消除刀痕為原則，引入引出的設置同樣必須延伸至無障礙區。圖1.4.8槽內斜臺及溝槽輪廓銑削刀路設計以上采用徑向分次輪廓銑削刀路定義時，因分次過多以及引入引出參數不合適而可能導致補償延伸后的刀具覆蓋痕跡與其他臺肩或夾具間產生干涉，或者出現很多空刀軌跡而影響效率等問題。可將這些干涉邊界作為挖槽的邊界之一，進行挖槽的刀路定義，從而有效規避這些問題。

2．挖槽加工刀路的仿真檢查及調整

挖槽加工若使用單向或雙向行切而不進行精修槽形邊界(包括內外形邊界)，則兩行之間必然存在犬齒交錯的欠切現象，如圖1.4