本章主要内容： ? CAD/CAM软件的交互式编程的基本实现过程 ? 常用CAD/CAM软件简介与Cimatron E的特点 ? 数控加工与数控程序基础 ? CAM自动编程的工艺设计 在学习Cimatron软件应用之前或者在学习过程中，需要了解一些CAD/CAM软件的常识、数控加工与数控程序的基础知识，特别需要了解在CAM数控编程中需要应用到的数控加工工艺知识，并在学习应用过程中不断积累与提高。 1.1 CAD/CAM软件的交互式编程的基本实现过程 数控编程技术包含了数控加工与编程、金属加工工艺、CAD/CAM软件操作等多方面的知识与经验，其主要任务是计算加工走刀中的刀位点（简称CL点）。根据数控加工的类型，数控编程可分为数控铣加工编程、数控车加工编程和数控电加工编程等，而数控铣加工编程又可分为2.5轴铣加工编程、3轴铣加工编程和多轴（如4轴、5轴）铣加工编程等。3轴铣加工是最常用的一种加工类型，而3轴铣加工编程是目前应用最广泛的数控编程技术。 数控编程经历了手工编程、APT语言编程和交互式图形编程3个阶段。交互式图形编程就是通常所说的CAM软件编程。由于CAM软件自动编程具有速度快、精度高、直观性好、使用简便、便于检查和修改等优点，已成为目前国内外数控加工普遍采用的数控编程方法。因此，在无特别说明的情况下，数控编程一般是指交互式图形编程。交互式图形编程的实现是以CAD技术为前提的。数控编程的核心是刀位点计算，对于复杂的产品，其数控加工刀位点的人工计算十分困难，而CAD技术的发展为解决这一问题提供了有力的工具。利用CAD技术生成的产品三维造型包含了数控编程所需要的完整的产品表面几何信息，而计算机软件可针对这些几何信息进行数控加工刀位的自动计算。因此，绝大多数的数控编程软件同时具备CAD的功能，因此称为CAD/CAM一体化软件。 由于现有的CAD/CAM软件功能已相当成熟，因此使得数控编程的工作大大简化，对编程人员的技术背景、创造力的要求也大大降低，为该项技术的普及创造了有利的条件。事实上，在许多企业从事数控编程的工程师往往仅有中专甚至高中学历。 目前，市场上流行的CAD/CAM软件均具备较好的交互式图形编程功能，操作过程大同小异，编程能力差别不大。不管采用哪一种CAD/CAM软件，NC编程的基本过程及内容可由图1-1表示。 图1-1 CAM编程的一般步骤 1.1.1 获得CAD模型 CAD模型是NC编程的前提和基础，任何CAM程序的编制必须以CAD模型为加工对象。获得CAD模型的方法通常有以下3种。 （1）打开CAD文件：如果某一文件是已经使用UG造型完毕的，或者是已经做过编程的文件，重新打开该文件，即可获得所需的CAD模型。 （2）直接造型：某些CAD/CAM软件，如UG、Cimatron本身就是一个功能非常强大的CAD/CAM一体化软件，具有很强的造型功能，可以进行曲面和实体的造型。对于一些不是很复杂的工件，可以在编程前直接造型。 （3）数据转换：当模型文件是使用其他的CAD软件进行造型时，首先要将其转换成UG专用的文件格式（.PRT文件）。通过UG的数据转换功能，可以读取其他CAD软件所做的造型。UG提供了常用CAD软件的数据接口，并且有标准转换接口，可以转换的文件格式有IGES、STEP等。 1.1.2 加工工艺分析和规划 加工工艺分析和规划的主要内容包括以下4点。 （1）加工对象的确定：通过对模型的分析，确定这一工件的哪些部位需要在数控铣床或者数控加工中心加工。数控铣的工艺适应性也是有一定限制的，尖角、细小的筋条等部位是不适合加工的，应使用线切割或者电加工来加工；而另外一些加工内容，可能使用普通机床有更好的经济性，如孔、回转体可以使用钻床或车床进行加工。 （2）加工区域规划：即对加工对象进行分析，按其形状特征、功能特征及精度、粗糙度要求将加工对象分成数个加工区域。对加工区域进行合理规划可以达到提高加工效率和加工质量的目的。 专家指点：在进行加工对象确定和加工区域规划或分配时，参考实物可以更直观地进行分析和规划。 （3）加工工艺路线规划：即从粗加工到精加工再到清根加工的流程及加工余量分配。 （4）加工工艺和加工方式确定：如刀具选择、加工工艺参数和切削方式（刀轨形式）选择等。 在完成工艺分析后，应填写一张CAM数控加工工序表，表中的项目应包括加工区域、加工性质、走刀方式、使用刀具、主轴转速及切削进给等。完成了工艺分析及规划可以说是完成了CAM编程80%的工作。同时，工艺分析的水平原则上决定了NC程序的质量。 1.1.3 CAD模型完善 对CAD模型做适合于CAM程序编制的处理。由于CAD造型人员更多的是考虑零件设计的方便性和完整性，并不顾及对CAM加工的影响，所以要根据加工对象的确定及加工区域的规划对模型做一些完善，通常有以下几个方面的内容。 （1）坐标系的确定。坐标系是加工的基准，将坐标系定位于适合机床操作人员确定的位置，同时保持坐标系的统一。 （2）隐藏部分对加工不产生影响的曲面，按曲面的性质进行分色或分层。这样一方面看上去更直观清楚；另一方面在选择加工对象时，可以通过过滤方式快速地选择所需对象。 （3）修补部分曲面。对于由不加工部位存在造成的曲面空缺部位，应该补充完整。例如，钻孔的曲面存在狭小的凹槽的部位，应该将这些曲面重新做完整，这样获得的刀具路径规范而且安全。 （4）增加安全曲面，如对边缘曲面进行适当的延长。 （5）对轮廓曲线进行修整。对于数据转换获取的数据模型，看似光滑的曲线可能存在断点，看似一体的曲面在连接处却不能相交，此时，就要通过修整或者创建轮廓线构造出最佳的加工边界曲线。 （6）构建刀具路径限制边界。对于规划的加工区域，需要使用边界来限制加工范围的，先构建出边界曲线。 1.1.4 加工参数设置 参数设置可视为对工艺分析和规划的具体实施，它构成了利用CAD/CAM软件进行NC编程的主要操作内容，直接影响NC程序的生成质量。参数设置的内容较多，主要包括如下4点。 （1）切削方式设置：用于指定刀轨的类型及相关参数。 （2）加工对象设置：是指用户通过交互手段选择被加工的几何体或其中的加工分区、毛坯、避让区域等。 （3）刀具及机械参数设置：是针对每一个加工工序选择适合的加工刀具并在CAD/ CAM软件中设置相应的机械参数，包括主轴转速、切削进给及切削液控制等。 （4）加工程序参数设置：包括进退刀位置及方式、切削用量、行间距、加工余量、安全高度等的设置，这是CAM软件参数设置中最主要的一部分内容。 1.1.5 生成刀具路径 在完成参数设置后，即可将设置结果提交给CAD/CAM系统进行刀轨的计算，这一过程是由CAD/CAM软件自动完成的。 1.1.6 刀具路径检验 为确保程序的安全性，必须对生成的刀轨进行检查校验，检查明显刀具路径有无过切或者加工不到位，同时检查是否会发生与工件及夹具的干涉。校验的方式有如下3种。 （1）直接查看：通过对视角的转换、旋转、放大、平移直接查看生成的刀具路径，适于观察其切削范围有无越界，及有无明显异常的刀具轨迹。 （2）手工检查：对刀具轨迹进行逐步观察。 （3）实体模拟切削，进行仿真加工：直接在计算机屏幕上观察加工效果，这个加工过程与实际机床加工十分类似。 对检查中发现问题的程序，应调整参数设置重新进行计算和检验。 1.1.7 后处理 后处理实际上是一个文本编辑处理过程，其作用是将计算出的刀轨（刀位运动轨迹）以规定的标准格式转化为NC代码并输出保存。 在后处理生成数控程序之后，还需要检查这个程序文件，特别要对程序头及程序尾部分的语句进行检查，如有必要可以修改。这个文件可以通过传输软件传输到数控机床的控制器上，由控制器按程序语句驱动机床加工。 在上述过程中，编程人员的工作主要集中在加工工艺分析和规划、参数设置这两个阶段，其中工艺分析和规划决定了刀轨的质量，参数设置则构成了软件操作的主体。 1.2 编制高质量的数控程序 1．NC程序的质量判断 NC程序的质量是衡量NC程序员水平的关键指标，其判定标准可归纳为如下几点。 （1）完备性：即不存在加工残留区域。 （2）误差控制：包括插补误差控制、残余高度（表面粗糙度）控制等。 （3）加工效率：即在保证加工精度的前提下加工程序的执行时间。 （4）安全性：指程序对可能出现的让刀、漏刀、撞刀及过切等不良现象的防范措施和效果。 （5）工艺性：包括进退刀设置、刀具选择、加工工艺规划（如加工流程及余量分配等）、切削方式（刀轨形式选择）、接刀痕迹控制以及其他各种工艺参数（如进给速度、主轴转速、切削方向、切削深度等）的设置等。 （6）其他：如对机床及刀具的损耗程度、程序的规范化程度等。 在评价NC程序质量的各项指标中，有一部分存在着一定程度的矛盾。例如，残余高度决定了加工表面的光洁度，从加工质量来看，残余高度越小，加工表面质量越高，但加工效率就会降低。所以，在进行NC编程时，不应片面追求加工效率，而应综合权衡各项指标，在满足产品的质量要求及一定的加工可靠性的基础上提高加工效率。 2．数控程序人员的基本要求 为了编制高质量的数控加工程序，数控编程人员必须掌握一定的与数控加工相关的基础知识，包括数控加工原理、数控机床结构、分类及机床坐标系等。作为一名数控编程工程师，有必要掌握一定的手工编程知识，包括程序结构和常用数控指令，这对于理解数控自动编程、后置处理等均有帮助。数控加工工艺分析和规划将影响数控加工的加工质量和加工效率，因此，工艺分析和规划是数控编程的核心工作。在CAM自动编程中，对数控工艺的分析和规划主要包括加工区域的划分与规划、刀轨形式与走刀方式的选择、刀具及机械参数的设置、加工工艺参数的设置。 3．CAM编程的学习 交互式图形编程技术的学习，也就是我们常说的CAM编程的要点包括以下3个方面： （1）学习CAD/CAM软件应重点把握核心功能的学习，因为CAD/CAM软件的应用也符合所谓的“20/80原则”，即80%的应用仅需要使用20%的功能。 （2）培养标准化、规范化的工作习惯。对于常用的加工工艺过程，应进行标准化的参数设置，并形成标准的参数模板，在各种产品的数控编程中尽可能直接使用这些标准的参数模板，以减少操作复杂度，提高可靠性。 （3）重视加工工艺的经验积累，熟悉所使用的数控机床、刀具、加工材料的特性，以便使工艺参数的设置更为合理。 1.3 CAD/CAM软件数控编程功能分析及软件简介 CAD/CAM软件发展到今天，已经变得相当成熟。各种CAD/CAM软件的功能十分繁杂多样，而且大多数软件所提供的核心功能基本上是相同的，只要掌握了这些基本功能，加上良好的操作习惯和一定的工艺经验，就完全能够编制出优良的数控程序。 1.3.1 CAD/CAM软件功能 对于2轴及3轴数控铣加工，在此将现有CAD/CAM软件所提供的基本功能组成进行概括的分类。 （1）三维造型功能：如前所述，加工表面的几何信息是CAD/CAM软件进行加工刀轨计算的依据。因此CAD/CAM软件至少能够提供基本的曲面造型功能。 （2）参数管理：参数（如加工对象、刀具参数、加工工艺参数等）的设置是交互式图形编程的主要操作内容，因此也是CAD/CAM软件数控编程的主要功能组成部分，包括参数输入、修改、管理、优化等。 （3）刀位点计算：根据用户设定的加工参数和加工对象计算出刀位点，由于刀位点计算是数控编程中最重要和最复杂的工作环节，因此它也是利用CAD/CAM软件进行交互式图形编程的最明显的优势。 （4）仿真：以图形化的方式直观、逼真地模拟加工过程，以检验所编制的NC程序是否存在问题。 （5）刀轨的编辑和修改：提供多种编辑手段（如增加、删除、修改刀轨段等），使用户对编制的数控刀轨进行修改。 （6）后处理：CAD/CAM软件计算出的刀轨包含了大量刀位点的坐标值，后处理的作用就是将这些刀位点坐标值按标准的格式“填写”到数控程序中，得到程序主体的内容，它实际上是一个文字处理过程。当然，还需要在程序的开头和结尾加上一些辅助指令，如在程序开始加上冷却液开、在程序结束部分加上冷却液关等。 （7）工艺文档生成：将机床操作人员所需要的工艺信息（如程序名称、加工次序、刀具参数等）编写成标准、规范的文档。这一功能虽然简单，但它对保证编程人员与机床操作人员的配合，避免失误有重要的作用。 1.3.2 常用CAD/CAM软件简介 目前，CAD/CAM软件种类繁多，基本上都能够很好地承担交互式图形编程的任务。下面仅对最常见的几种软件进行简单的介绍。 （1）Unigraphics（UG）：属于EDS公司，是世界上处于领先地位的、最著名的几种大型CAD/CAM软件之一，具有强大的造型能力和数控编程能力，功能繁多。最新版本为UG NX7。 （2）Cimatron：属于以色列Cimatron公司，该软件具有功能齐全、操作简便、学习简单、经济实用的特点，受到小型加工企业特别是模具企业的欢迎，在我国有广泛的应用。最新版本为Cimatron it 13和Cimatron E9。其中Cimatron E是基于Windows平台开发的。 （3）MasterCAM：是美国CNC Software公司研制开发的CAD/CAM系统，它从一开始就是在Windows平台下开发的软件，分成DESIGN设计模块、MILL铣床加工模块、LATHE车床加工模块和WIRE线切割加工模块，也是一种简单易学、经济实用的小型CAD/CAM软件。 （4）CAXA制造工程师：是我国北京数码大方科技有限公司开发的一款CAD/CAM软件，作为国产CAD/CAM软件的代表，充分考虑中国特色，符合国内工程师的操作习惯、高效易学（宣称“1天会编程”），为数控加工行业提供了从造型、设计到加工代码生成、加工仿真、代码校验等一体化的解决方案，支持2～5轴的数控加工中心编程。 其他常用的CAD/CAM软件还包括法国达索公司的CATIA、Delcam的PowerMILL、PTC公司的Pro/E、HZS公司的Space-E等，本书就不再一一介绍了。 1.3.3 Cimatron E的特点 Cimatron E是专门针对工模具行业设计开发的CAD/CAM软件。Cimatron E包括一套超强的、卓越的、易于使用的3D设计工具。该工具融合了线框造型、曲面造型和实体造型，允许用户方便地处理获得的数据模型或进行产品的概念设计。 Cimatron E提供了一套集成的模具设计工具，帮助用户实现模具的分型设计、进行设计变更的分析与提交、生成模具滑块与嵌件、完成工具组件的详细设计和电极设计。 针对模具的制造过程，Cimatron E支持具有高速铣削功能的2.5～5轴铣削加工、基于毛坯残留知识的加工和自动化加工模板，所有这些大大减少了数控编程和加工时间。Cimatron E让用户工作在一个集成的环境中，NC文档包含完整的CAD功能，并以交互式的NC向导条引导用户完成整个NC过程。 作为世界知名的CAD/CAM系统，Cimatron在数控编程方面一直处于世界公认的领先地位，主要体现在以下几个方面。 1．先进的加工功能 （1）粗加工功能 Cimatron的WCUT（业界公认的最优秀的）粗加工功能不仅可以高效地完成开粗工作，而且具有先进的层间加工能力，即在开粗的每一层上存在着斜面。如果为了最大效率地完成粗切（切削深度比较大），必然在斜面上存在较大的台阶，这对下一步的精加工是不利的（如刀具载荷过大、磨损严重、对机床也存在冲击和加工的表面质量差等）。Cimatron 的自动层间加工功能自动地对两层间的台阶实现再加工，解决了上述存在的问题，可以得到原来必须繁琐地使用传统方法才能达到的加工效果。 （2）精加工功能 Cimatron的精加工功能的独到之处在于既有通常的沿表面光刀的加工方法，又有先进的区域识别能力，即对零件的形状可以进行有效的斜率分析。在一个加工过程内部可以实现对垂直区域的等高线加工和对平坦区域实现沿表面光刀的加工，这些都可提高加工的效率和加工的质量。 （3）精细加工技术 Cimatron在精细加工方面功能丰富，提供了自动清根功能，能对零件进行区域识别和计算，自动检测需要清根的区域，并对垂直区域和平坦区域的清根采用不同的加工策略。对平坦区域采用沿零件拐角的轮廓式清根，对垂直区域采用等高线式清根。在前道工序留有较大余量的情况下，实现了具有针对性的加工策略，有效地保护了刀具，保证了加工结果的优良性。 2．基于智能的加工 Cimatron系统具有很强的智能性，在根据三维模型进行数控编程时，会考虑模型的特点和当前的加工状况，如刀具的类型等特点，自动合理地调整刀路轨迹的生成，使刀路轨迹更合理、更安全、更高效。Cimatron具有丰富的优化功能，包括自动地去除空走刀、实现特定深度的加工编程及在刀具过载的情况下进行自动的分层（分多刀）加工。 Cimatron是一个面向对象的编程系统，也是一个可以针对特定表面进行加工的系统。面向对象的编程，方便了加工编程的几何对象的定义，提高了技术人员编程的效率。针对特定表面的单独加工使得编程人员对特定区域的编程非常灵活，只要选择要加工的曲面，就可以得到所需要的加工轨迹，避免了像其他系统那样呆板、繁琐。 加工方法的灵活性还体现在工艺参数的设定上。在Cimatron中，工艺参数的设定可以采用参数化的方法完成，如在设定加工高度和加工的最深位置时，这些和零件几何相关的信息不需要用户去测量零件上点的坐标再根据测量结果输入数值，而可直接设定为系统的参数变量（Maxpz和Minpz）。 3．基于毛坯残留知识的加工 基于毛坯残留知识的加工是Cimatron系统的特色。Cimatron支持完全的基于毛坯残留知识的加工，使得系统在进行数控编程的计算时，能实时知道当前的毛坯状况，从而能自动地去除空走刀，进行真实的刀具卡头的干涉检查（采用卡头信息与零件上残留毛坯的校验，而不是与零件的理论模型进行校验），可以实现二次粗加工和进行刀具载荷的分析与优化，避免刀具过载并保护刀具，也使得加工轨迹更安全。特别是可以定义有形状的毛坯，这对于有特定形状零件的单件加工非常有效，因为Cimatron系统根据特定形状的毛坯只在有毛坯的地方产生刀路轨迹，不会像别的系统那样出现大量空走刀的现象而需要手工编辑、修改密密麻麻的刀路轨迹，不仅不方便，而且容易出错。另外，任何一道工序的完成，系统都清楚地知道当前加工结果的毛坯残留状况，如果毛坯存储后给其他编程人员作为下一步编程的基础，便可以有效地实现协同工作。 4．NC的自动化加工 Cimatron的自动化加工功能非常完善和优秀，可以根据不同的加工策略收集和积累典型的工艺过程及其参数而形成加工模板。该模板是根据使用单位的具体情况生成的，也是实际加工经验的总结。该加工模板具有参数化自适应的功能，对已有加工模式的任何修改和与修改相关的其他工艺参数都能够随之修改，具有很好的适应性。加工的自动化技术将提高今后数控编程的效率与安全合理性。 以模具零件产品为例，单件小批量是其主要特点，有些零件（如叶片）形状和大小虽然不同，但所用材料及加工工艺是相同或类似的，则可以利用加工模板极大地缩短编程时间，提高工作效率，减少出错率。 5．高速加工技术 Cimatron提供了功能丰富、完善、安全和高效的高速铣削加工，在任何形式下都可以用NURBS插补输出来支持高速铣削；先进的高速铣削能力，包括如螺旋进刀，圆角走刀，层间、行间的圆弧连刀和摆线式加工，使走刀轨迹更加光滑，以适应高速铣削；在残留毛坯知识的基础上优化进给速率；通过自动调节进给速度和自动分层来确保恒定的刀具载荷，对高速铣削实现行间的圆弧连刀和螺旋式移刀等。 1.4 数控加工基础 1.4.1 数控加工基本原理 1．CAM系统简述 一个典型的CAM系统由两部分组成，即计算机辅助编程系统和数控加工设备，如 图1-2所示。 图1-2 CAM系统构成 计算机辅助编程系统的任务是根据工件的几何信息计算出数控加工的轨迹，并编制出数控程序，它由计算机硬件设备和计算机辅助数控编程软件组成。 计算机硬件设备主要有工作站和微机两种。一般而言，工作站的图形性能要优于微机，但随着微机性能的飞速提高，它与工作站的性能差别也越来越小。而且由于微机的价格要远低于工作站，因此在CAD/CAM系统中的应用越来越广泛，其普及率远高于工作站。 计算机辅助数控编程软件即通常所说的CAM软件，它是计算机辅助编程系统的核心。它的主要功能包括数据输入/输出、加工轨迹计算与编辑、工艺参数设置、加工仿真、数控程序后处理及数据管理等。目前常用的CAM软件种类较多，它们的基本功能大同小异，并在此基础上发展出各自的特色。 数控加工设备的任务是接受数控程序，并按照程序完成各种加工动作。数控加工技术可以应用在几乎所有的加工类型中，如车、铣、刨、镗、磨、钻、拉、切断、插齿、电加工、板材成型等。数控铣床、数控车床、数控线切割机是最常用的数控加工设备，其中又以数控铣床应用最为广泛。 2．数控加工基本原理 机床上的刀具和工件间的相对运动，称为表面成型运动，简称成型运动或切削运动。数控加工是指数控机床按照数控程序所确定的轨迹（称为数控刀具路径）进行表面成型运动，从而加工出产品的表面形状。如图1-3所示为一个平面轮廓加工和一个曲面加工的切削示意图。 数控刀轨是由一系列简单的线段连接而成的折线，折线上的结点称为刀位点，如图1-3（a）所示。刀具的中心点沿着刀轨依次经过每一个刀位点，从而切削出工件的形状。 刀具从一个刀位点移动到下一个刀位点的运动称为数控机床的插补运动。由于数控机床一般只能以直线或圆弧这两种简单的运动形式完成插补运动，因此数控刀轨只能是由许多直线段和圆弧段将刀位点连接而成的折线。 数控编程的任务是计算出数控刀轨，并以程序的形式输出到数控机床，其核心内容就是计算出数控刀轨上的刀位点。 在数控加工误差中，与数控编程直接相关的有如下两个主要部分。 （1）刀轨的插补误差：由于数控刀轨只能由直线和圆弧组成，因此只能近似地拟合理想的加工轨迹，如图1-4所示。 （2）残余高度：在曲面加工中，如图1-3（b）所示，相邻两条数控刀轨之间会留下未切削区域，如图1-5所示。由此造成的加工误差称为残余高度，它主要影响加工表面的粗糙度。 （a）平面轮廓加工切削 （b）曲面加工切削 1、5—刀具 2—刀位点 3、4—数控刀轨 图1-3 切削示意图 图1-4 刀轨的插补误差 刀具的表面成型运动通常分为主运动和进给运动。主运动指机床的主轴转动，其运动质量主要影响产品的表面光洁度；进给运动是主轴相对工件的平动，其传动质量直接关系到机床的加工性能，如图1-6所示。 进给运动的速度和主轴转速是刀具切削运动的两个主要参数，对加工质量、加工效率有重要且直接的影响。 1—刀位点 2—加工表面 图1-5 刀轨的残余高度 图1-6 刀具的表面成型运动 3．数控加工刀位计算 如前所述，数控编程的核心内容是计算数控刀轨上的刀位点。下面简单介绍数控加工刀位点的计算原理。 数控加工刀位点的计算过程可分为以下3个阶段。 （1）加工表面的偏置：如图1-6所示，刀位点是刀具中心点的移动位置，它与加工表面存在一定的偏置关系。这种偏置关系取决于刀具的形状和大小。例如，当刀具为半径R的球头刀时，刀轨（刀具中心的移动轨迹）应当在距离加工表面为R的偏置面上，如图1-7所示。由此可见，刀位点计算的前提是根据刀具的类型和尺寸计算出加工表面的偏置面。 1—偏置面 2—加工表面 3—刀轨 图1-7 加工表面的偏置 （2）刀轨形式的确定。刀位点在加工表面的偏置面上。刀位点在偏置面上的分布形式称为刀轨形式。图1-8所示是两种最常见的刀轨形式。其中，图1-8（a）为行切刀轨，即所有刀位点都分布在一组与刀轴（Z轴）平行的平面内。图1-8（b）为等高线刀轨（又称环切刀轨），即所有刀位点都分布在与刀轴（Z轴）垂直的一组平行平面内。 （a）行切刀轨 （b） 等高线刀轨 图1-8 刀轨形式图 显然，对于图1-8所示的两种刀轨来说，其刀位点分布在加工表面的偏置面与一组平行平面的交线上，这组交线称为理想刀轨，平行平面的间距称为刀轨的行距。也就是说，刀轨形式一旦确定下来，就能够在加工表面的偏置面上以一定行距计算出理想刀轨。 （3）刀位点的计算：如果刀具中心能够完全按照理想刀轨运动，其加工精度无疑将是最理想的。然而，由于数控机床通常只能完成直线和圆弧线的插补运动，因此只能在理想刀轨上以一定间距计算出刀位点，在刀位点之间做直线或圆弧运动，如图1-4所示。刀位点的间距称为刀轨的步长，其大小取决于编程允许误差。编程允许误差越大，则刀位点的间距越大，反之越小。 以上所描述的仅是刀位点计算的基本思路，而CAM软件中实际采用的计算方法要复杂得多，而且随着软件的不同会有许多具体的变化。 然而不管在哪种CAM软件中，刀位点计算有多么复杂多样，其技术核心都只有一点，即以一定的形式和密度在被加工面的偏置面上计算出刀位点。刀位点的密度不仅指刀轨的行距，还指刀轨的步长，它们是影响数控编程精度的主要因素。 1.4.2 数控机床 1．数控机床的发展 数控机床最早出现于20世纪50年代，是由美国麻省理工学院成功研制出的第一台数控铣床。1970年首次展出了第一台用计算机控制的数控机床（CNC）。 随着科学技术的进步，数控机床的发展将呈现以下趋势。 （1）高效率与复合化：数控机床加工的效率取决于以下两个因素。 ? 切削速度，其中包括主轴转速和进给速度。由于机构各组件分工的专业化，在专业主轴厂的开发下，主轴高速化日益普及。过去只用于汽车工业高速化的机种（每分钟1.5万转以上的机种），现在已成为必备的机械产品要件。加工中心的主轴转速一般都在15000～20000r/min，最高甚至达到了100000r/min以上。进给运动的速度目前也有大幅提高，可达20m/min，甚至达60m/min。 ? 非加工时间，如工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速等时间。由于减少非加工时间是提高加工效率的有效途径，因此复合功能的机床是近年来发展很快的机种，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、镗、攻丝、铰孔和扩孔等多种操作工序。 （2）高精度：由于各组件加工的精密化，微米的误差已不是问题。计算机辅助生产（CAM）系统的发展带动数控控制器的功能越来越多。 （3）安全与环保：凡是可能伤害人身的地方都加有安全警示装置。干切削和微量润滑剂切削方法因其可大大减少润滑剂的挥发而得到越来越广泛的应用，并且几乎所有的机床都是封闭起来的，这样，即使有过量的油雾和烟雾也容易收集。同时，机床的人机工效学明显增强，在加工过程中，操作者工作更舒适。此外，无污染的清洁加工技术也受到普遍重视，例如，磨料水射流切割技术就是应用较广的廉价加工方法，符合绿色制造的要求。 （4）外观：机床制造商更注重机床的人性化设计，造型美观、色调协调柔和，机床精品更向工艺品方向发展。 2．数控机床结构 数控机床主要由数控装置、伺服系统和机床本体3大部分组成，如图1-9所示。 数控装置是数控机床的“指挥系统”，其功能是接收数控程序，经处理后向伺服系统发出各种与数控程序对应的控制命令，使伺服系统执行相应的动作，带动机床按数控程序预定的轨迹运动。 数控机床的进给运动是由数控装置经伺服系统控制的。所谓伺服，是指有关的传动或运动参数均严格依照数控装置的控制指令实现。 数控机床的伺服系统按其控制方式，可分为开环、半闭环和闭环3类。其中，开环最为简单，如图1-9（a）所示。但如果负荷突变（如切深突增），或者脉冲频率突变（如加速、减速），则数控运动部件将可能发生“失步”现象，即丢失一定数目的进给指令脉冲，从而造成进给运动的速度和行程误差。故该类控制方式仅限于用于精度不高的经济型、小数控机床的进给传动。 半闭环和闭环系统都有用于检查位置和速度指令执行结果的检测（含反馈）装置。半闭环的检测装置安装在伺服电动机或传动丝杠上，如图1-9（b）所示。闭环则将其装在运动部件上，如图1-9（c）所示。由于丝杠螺距误差，以及受载后丝杠、轴承变形等影响，半闭环对检测结果的校正并不完全，控制精度比闭环要低一些。但从自动控制原理上看，控制运动部件是一个质量元件，传动机构因有变形，可视为弹性元件，两者构成一个振荡环节。显然，半闭环不包含这些环节，因而一般不会引起进给振荡；而闭环如果系统参数选取不合适，则有可能产生进给振荡，即运动不稳定。 数控程序 → 数控装置 → 伺服系统 → 机床本体 （a） 数控程序 → 数控装置 → 伺服系统 → 机床本体 （b） 数控程序 → 数控装置 → 伺服系统 → 机床本体 （c） 图1-9 数控机床结构 目前，一般数控机床的进给系统多为半闭环控制，闭环则用于精度要求较高的机床，如高精度镗铣加工中心。 3．数控机床的分类 数控机床的分类有多种方式，下面分别进行介绍。 （1）按机床数控运动轨迹划分 ? 点位控制数控机床：是指在刀具运动时，只控制刀具相对于工件位移的准确性，不考虑两点间的路径，如数控钻床。 ? 点位直线控制数控机床：在点位控制的基础上，还要保证运动轨迹为一条直线，且刀具在运动过程中还要进行切削加工。 ? 轮廓控制数控机床：能对两个或更多的坐标运动进行控制（多坐标联动），刀具运动轨迹可为空间曲线。在模具行业这类机床应用最多，如三坐标以上的数控铣或加工中心。 （2）按伺服系统控制方式划分 ? 开环控制机床：价格低廉，精度及稳定性差。 ? 半闭环控制数控机床：精度及稳定性较高，价格适中，应用最普及。 ? 闭环控制数控机床：精度高，稳定性难以控制，价格高。 （3）按联动坐标轴数划分 ? 二坐标数控机床：只能完成X、Y轴的联动，完成平面轮廓加工。 ? 三坐标数控机床：可完成复杂型面的加工，数控铣床中以三坐标数控铣床最常见，在机械制造、模具制造中广泛应用。 ? 4轴联动数控机床。 ? 5轴联动数控机床。 （4）按主轴与工作台的相对位置关系划分 ? 立式数控机床：主轴相对于工作台垂直放置，它能完成铣削、镗削、钻削、攻螺纹等工序。立式加工中心多为3轴联动，可实现三维曲面的铣削加工；高档加工中心还可以实现4轴、5轴控制。立式加工中心适宜加工高度尺寸较小的零件。 ? 卧式数控机床：主轴相对于工作台水平放置。通常配置一个旋转坐标轴（回转工作台）。卧式数控机床特别适宜加工箱体类零件，可一次完成一系列的面加工和孔加工。 以上分类只作为参考，目前最常用的是配备半闭环伺服系统的三坐标轮廓控制数控铣床。 加工中心是在数控铣床上配置刀库，其中存放着不同数量的各种刀具或检具，在加工过程中由程序自动选用和更换，从而将铣削、镗削、钻削、攻螺纹等功能集中在一台设备上完成，使其具有多种工艺手段。 4．数控机床的坐标系 机床坐标系是机床上固有的坐标系，是机床加工运动的基本坐标系，是考察刀具在机床上的实际运动位置的基准坐标系。 机床上的刀具和工件间的相对运动，称为表面成型运动。对于具体机床来说，有的是刀具移动工作台（工件）不动，而有的则是刀具不动而工作台（工件）移动。然而不管是刀具移动还是工件移动，机床坐标系永远假定刀具相对于静止的工件而运动。同时，运动的正方向是增大工件和刀具之间距离的方向。 机床坐标系通常采用的是右手直角笛卡儿坐标系，一般情况下，主轴的方向为Z坐标，而工作台的两个运动方向分别为X、Y坐标。 如图1-10所示是典型的单立柱立式数控铣床加工运动坐标系示意图。刀具沿与地面垂直的方向上下运动，工作台带动工件在与刀具垂直的平面（即与地面平行的平面）内运动。机床坐标系的Z坐标是刀具运动的方向，并且刀具向上运动为正方向。当面对机床进行操作时，刀具相对工件的左右运动方向为X坐标，并且刀具相对工件向右运动（即工作台带动工件向左运动）时为X坐标的正方向。Y坐标的方向可用右手法则确定。若以X'、Y'、Z'表示工作台和刀具的运动坐标，而以X、Y、Z表示刀具相对工件的运动坐标，则显然有X'=-X、Y'=-Y、Z'=Z。 图1-10 单立柱立式机床运动坐标系示意图 对于龙门式机床，当从主轴向左侧立柱看时，刀具相对工件向右运动的方向为X坐标的正方向。 机床坐标系的原点也称机床原点或零点，其位置在机床上是固定不变的。关于数控机床坐标和运动方向命名的详细内容，可参阅JB3052-82部颁标准。 为了方便起见，在数控编程时往往采用工件上的局部坐标系（称为工件坐标系），即以工件上的某一点（工件原点）为坐标系原点进行编程。数控编程采用的坐标系称为编程坐标系，数控程序中的加工刀位点坐标均以编程坐标系为参照进行计算。 在加工时，工件安装在机床上，这时只要测量工件原点相对机床原点的位置坐标（称为原点偏置），并将该坐标值输入到数控系统中，则数控系统会自动将原点偏置加入到刀位点坐标中，使刀位点在编程坐标系下的坐标值转化为机床坐标系下的坐标值，从而使刀具运动到正确的位置。 1.5 数控程序基础 1.5.1 数控编程发展简况 数控编程技术经历了3个发展阶段，即手工编程、APT语言编程和交互式图形编程。由于手工编程难以承担复杂曲面的编程工作，因此自第一台数控机床问世不久，美国麻省理工学院即开始研究自动编程的语言系统，称为APT（Automatically Programmed Tools）语言。然而，由于APT语言是开发得比较早的计算机数控编程语言，而当时计算机的图形处理能力不强，因而必须在APT源程序中用语言的形式去描述本来十分直观的几何图形信息及加工过程，再由计算机处理生成加工程序。由于其直观性差、编程过程比较复杂、不易掌握，目前已完全被交互式图形编程系统所取代。 交互式图形编程是一种计算机辅助编程技术，它是通过专用的计算机软件来实现的。这种软件通常以机械计算机辅助设计（CAD）软件为基础，利用CAD软件的图形编辑功能将零件的几何图形绘制到计算机上，形成零件的图形文件，然后调用数控编程模块，采用人机交互的方式在计算机屏幕上指定被加工的部位，再输入相应的加工参数，计算机即可自动进行必要的数学处理并编制出数控加工程序，同时在计算机屏幕上动态地显示出刀具的加工轨迹。这种方法具有速度快、精度高、直观性好、使用简便、便于检查和修改等优点，已成为目前国内外先进的CAD/CAM软件所普遍采用的数控编程方法。 尽管交互式图形编程已成为数控编程的主要手段，但作为一名数控编程工程师，仍然有必要掌握一定的手工编程知识。这是因为： （1）手工编程是自动编程的基础，自动编程中许多核心的经验，都是来源于手工编程。掌握手工编程对深刻理解自动编程有重要的作用。 （2）掌握手工编程有助于提高程序的可靠性。尽管现有的CAD/CAM软件都具备对数控程序进行仿真的功能，但一些有经验的程序员往往还是会对编制好的程序进行一次人工检查，以确认其正确性。 （3）在某些特殊情况下无法实现自动编程，需要采用手工方式进行。 由于本书重点讲述的是交互式图形编程方法，因此仅对数控程序的基础知识做简要的介绍。有兴趣的读者可在其他数控编程教材中进一步学习相关的内容。 1.5.2 数控程序的结构 图1-11是一个数控程序结构示意图。 一般情况下，一个基本的数控程序由以下几个部分组成。 （1）程序起始符：一般为“%”，也有的数控系统采用其他字符，应根据数控机床的操作说明使用。程序起始符单列一行。 （2）程序名：单列一行，有两种形式，一是以规定的英文字母（通常为O）为首，后面接若干位（通常为2～4位）的数字，如O523，也可称为程序号。另一种是以英文字母、数字和符号“-”混合组成，比较灵活。程序名具体采用何种形式是由数控系统决定的。 （3）程序主体：由多个程序段组成，程序段是数控程序中的一句，单列一行，用于指定机床完成某一个动作。每个程序段又由若干个程序字（Word）组成，每个程序字表示一个功能指令，因此又称为功能字，它由字首及随后的若干个数字组成（如X100）。字首是一个英语字母，称为字的地址，它决定了字的功能类别。一般字的长度和顺序不固定。在程序末尾一般有程序结束指令，如M30，用于停止主轴、冷却液和进给，并使控制系统 复位。 （4）程序结束符：程序结束的标记符，一般与程序起始符相同。 以上是数控程序结构的最基本形式，也是采用交互式图形编程方式后处理所得到的最常见的程序形式。更复杂的程序还包括注释语句、子程序调用等，这里不作更多的介绍。 1—起始符 2—程序名 3—程序主体 4—程序结束符 5—功能字 6—程序段 图1-11 数控程序结构 1.5.3 常用的数控指令 数控程序字按其功能的不同可分为若干种类型，下面分别进行简单介绍。 1．顺序号字 顺序号字也称程序段号，在程序段之首，以字母N开头，其后为一个2～4位的数字。 专家指点：数控程序是按程序段的排列次序执行的，与顺序段号的大小次序无关，即程序段号实际上只是程序段的名称，而不是程序段执行的先后次序。 2．准备功能字 以字母G开头，后接一个两位数字，因此又称为G指令，它是控制机床运动的主要功能类别。常用的G指令如下。 （1）G00：快速点定位，即刀具快速移动到指定坐标，用于刀具在非切削状态下的快速移动，其移动速度取决于机床本身的技术参数。如刀具快速移动到点（100,100,100）的指令格式为： G00 X100.0 Y100.0 Z100.0 （2）G01：直线插补，即刀具以指定的速度直线运动到指定的坐标位置，是进行切削运动的两种主要方式之一。如刀具以250mm/min的速度直线插补运动到点（100,100,100）的指令格式为： G01 X100.0 Y100.0 Z100.0 F250 （3）G02、G03：顺时针和逆时针圆弧插补，即刀具以指定的速度以圆弧运动到指定的位置。G02/G03有两种表达格式，一种为半径格式，使用参数值R，如G02 X100. Y100. R50. F250表示刀具以250mm/min的速度沿半径为50的顺时针圆弧运动至终点（100,100），其中R值的正负影响切削圆弧的角度，R值为正时，刀位起点到刀位终点的角度小于或等于180°，R值为负值时刀位起点到刀位终点的角度大于或等于180°。另一种为向量格式，使用参数I、J、K给出圆心坐标，并以相对于起始点的坐标增量表示。例如，G02 X100. Y100. I50. J50. F250表示刀具以250mm/min的速度沿一顺时针圆弧运动至点（100,100），该圆弧的圆心相对于起点的坐标增量为（50,50）。 （4）G90、G91：绝对指令/增量指令。其中G90指定NC程序中的刀位坐标是以工作坐标系原点为基准来计算和表达的。而G91则指定NC程序中每一个刀位点的坐标都是以其相对于前一个刀位点的坐标增量来表示的。 （5）G41、G42、G40：刀具半径左补偿、右补偿和取消半径补偿。用半径为R的刀具切削工件时，刀轨必须始终与切削轮廓有一个距离为R的偏置，在手工编程中进行这种偏置计算往往十分麻烦。如果采用G41、G42指令，刀具路径会被自动偏移一个R距离，而编程只要按工件轮廓去考虑即可。在G41、G42指令中，刀具半径是用其后的D指令指定。所谓左补偿，是指沿着刀具前进的方向，刀轨向左侧偏置一个刀半径的距离。 在交互式图形编程中，由于刀轨是在工件表面的偏置面上计算得到的，因此不需要再进行半径补偿，即一般不使用G40～G42指令。 （6）G54、G92：加工坐标系设置指令。G54是数控系统上设定的寄存器地址，其中存放了加工坐标系（一般是对刀点）相对于机床坐标系的偏移量。当数控程序中出现该指令时，数控系统即根据其中存放的偏移量确定加工坐标系。G92是根据刀具起始点与加工坐标系的相对关系确定加工坐标系，其格式示例为： G92 X20.0 Y30.0 Z40.0 表示刀具当前位置（一般为程序起点位置）处于加工坐标系（20,30,40）处，这样就等于通过刀具当前位置确定了加工坐标系的原点位置。 3．辅助功能字 辅助功能字一般由字符M及随后的两位数字组成，因此也称为M指令。它用来指定数控机床的辅助装置的接通和断开（即开关动作），表示机床各种辅助动作及其状态。常用的M指令如下。 （1）M02、M30：程序结束。 （2）M03、M04、M05：主轴顺时针转、主轴逆时针转、主轴停止转动。 （3）M06：换刀。将预置的刀具（T_）换到主轴上。 （4）M08、M09：冷却液开、关。 （5）M98：调用子程序。 （6）M99：子程序结束返回主程序。 4．其他功能字 （1）尺寸字：也称为尺寸指令，主要用来指定刀位点的坐标位置。如X、Y、Z主要用于表示刀位点的坐标值，而R用于表示圆弧的半径（参见G02、G03指令中的内容）。 （2）进给功能字：以字符F开头，因此又称为F指令。用于指定刀具插补运动（即切削运动）的速度（称为进给速度），单位是毫米/分钟（mm/min）。 （3）主轴转速功能字：以字符S开头，因此又称为S指令。用于指定主轴的转速，以其后的数字给出，单位是转/分钟（r/min）。 （4）刀具功能字：用字符T及随后的号码表示，因此也称为T指令。用于指定加工时采用的刀具号，该指令在加工中心使用。 以上介绍的是最基本的数控指令，使用它们已能够完成普通的数控编程任务。若要了解其他更多的数控指令，可参阅附录A中的相关内容或相关参考书。 1.5.4 手工编程示例 尽管交互式图形编程已成为当前数控编程的主流方法，但在某些场合手工编程仍有其应用的必要性。本节仅对手工编程作简单的介绍，并给出一个简单程序的示例。 手工编程的基本步骤如下： （1）零件图分析。 （2）刀具加工路径规划和刀位计算。 （3）工艺分析。 （4）程序编制与校验。 进行手工编程时，应注意以下几个问题和细节： （1）注意机床所使用的单位。部分机床设置默认使用脉冲当量为单位，一个脉冲当量通常为1μm 即0.001mm，而加上小数点后的值被认为是尺寸，单位为mm，所以在编程时一定不要忘记坐标值后的小数点。 （2）注意参数值的正负，选择正确的切削方向和刀具补偿方向。 （3）结合使用G90/G91可以减少计算量，但一定不能混淆。 （4）编制程序时，刀具最好在同一平面内运行，避免3轴同时运动，如将Z轴运行列为单独的一个单节，这样可以有更好的安全性。 （5）在程序末尾加工完成时，建议先使用M05停止主轴转动，再由M02或M30结束程序。M02/M30也将停止主轴，但主轴所受的扭力较大，会使机床主轴齿轮寿命受损。 （6）对较长的程序，建议使用CAD/CAM自动编程软件进行编程，或者在计算机上书写完整并检验后再传输到数控机床，这样可以避免或减少错误，同时减少机床待机时间，提高机床利用率。 下面是一个简单的手工编程示例，其中的刀位点已分别在图1-12中和程序（如表1-1所示）中对应标出。 图1-12 刀位点 表1-1 加工程序及说明 程 序 程序段说明 刀 位 点 N1 G54 G90 G00 X0 Y0; 选择坐标系，并移动到原点O O N2 S800 M03 ; 主轴转速设定及主轴顺时针转 N3 G90 G00 X-5.5 Y-7. ; 采用绝对坐标系编程，速移至P1。由于Z坐标不变，因此在G00后省略该坐标值的尺寸字 P1 N4 Z-1.2 M08 ; 刀具速降到工件表面以下1.2mm处，X、Y坐标不变。打开冷却液（G00为模态指令，可省略） N5 G41 G01 X-5.5 Y-5. D03 F250 ; 刀具左补偿启动，并以250mm/min的速度进行第一次带左补偿的直线插补运动，此后各段左补偿将持续有效。D03中存放了补偿量 P2 N6 Y0 ; 直线插补移动（与前一指令相同，故G01可省略不写）至P3，这是进刀段 P3 N7 G02 X-2. Y3.5 R3.5 ; 顺时针圆弧切削运动到P4 P4 N8 G01 X2. Y3.5 ; 直线插补 P5 N9 G02 X2. Y-3.5 R3.5 ; 顺时针圆弧切削运动 P6 N10 G01 X-2. Y-3.5 ; 直线插补 P7 N11 G02 X-5.5 Y0 R3.5 ; 顺时针圆弧切削运动 P8 续表 程 序 程序段说明 刀 位 点 N12 G01 X-5.5 Y5. ; 直线插补 P9 N13 G40 G00 X-5.5 Y7. M09 ; 取消半径补偿功能 P10 N14 Z10. M05 ; 刀具上升到安全位置 N15 X0 Y0 ; 刀具回原点 O N16 M30 ; 程序结束 1.6 CAM数控加工工艺 1.6.1 数控加工的工艺特点 数控加工与通用机床加工相比，在许多方面遵循的原则基本一致。但由于数控机床本身自动化程度较高，控制方式不同，设备费用也高，使数控加工工艺相应形成了以下几个特点。 （1）工艺的内容十分具体：在通用机床加工时，许多具体的工艺问题，如工艺中各工步的划分与顺序安排、刀具的几何形状、走刀路线及切削用量等，在很大程度上都是由操作工人根据自己的实践经验和习惯自行考虑而决定的，一般无须工艺人员在设计工艺规程时进行过多的规定。而在数控加工时，上述这些具体工艺问题，不仅成为数控工艺设计时必须认真考虑的内容，而且还必须做出正确的选择并编入加工程序中。也就是说，本来是由操作工人在加工中灵活掌握并可通过适时调整来处理的许多具体工艺问题和细节，在数控加工时就转变为编程人员必须事先设计和安排的内容。 （2）工艺的设计非常严密：数控机床虽然自动化程度较高，但自适性差。它不能像通用机床那样，加工时可以根据加工过程中出现的问题，比较灵活自由地适时进行人为调整。即使现代数控机床在自适应调整方面做出了不少努力与改进，但自由度也不大。例如，数控机床在做镗盲孔加工时，它就不知道孔中是否已挤满了切屑，是否需要退一下刀，而是一直镗到结束为止。所以，在数控加工的工艺设计中必须注意加工过程中的每一个细节。同时，在对图形进行数学处理、计算和编程时，都要力求准确无误，以使数控加工顺利进行。在实际工作中，由于一个小数点或一个逗号的差错酿成的重大机床事故和质量事故屡见不鲜。 （3）注重加工的适应性：也就是要根据数控加工的特点，正确选择加工方法和加工 内容。 由于数控加工自动化程度高、质量稳定、可多坐标联动、便于工序集中，但价格昂贵、操作技术要求高等特点均比较突出，加工方法、加工对象选择不当往往会造成较大损失。为了既能充分发挥出数控加工的优点，又能达到较好的经济效益，在选择加工方法和对象时要特别慎重，甚至有时还要在基本不改变工件原有性能的前提下，对其形状、尺寸、结构等做适应数控加工的修改。 一般情况下，在选择和决定数控加工内容的过程中，有关工艺人员必须对零件图或零件模型做足够具体与充分的工艺性分析。在进行数控加工的工艺性分析时，编程人员应根据所掌握的数控加工基本特点及所用数控机床的功能和实际工作经验，力求把这一前期准备工作做得更仔细、更扎实一些，以便为下面要进行的工作铺平道路，减少失误和返工。 根据大量加工实例分析，数控加工中失误的主要原因多为工艺方面考虑不周和计算与编程时粗心大意，因此，在进行编程前做好工艺分析规划是十分必要的。 1.6.2 工艺分析和规划 交互式图形编程工艺分析和规划的主要内容包括加工对象及加工区域规划、加工工艺路线规划、加工工艺和切削方式规划3个方面。 1．加工对象及加工区域规划 加工对象及加工区域规划是将加工对象分成不同的加工区域，分别采用不同的加工工艺和加工方式进行加工，目的是提高加工效率和质量。 常见的需要进行分区域加工的情况有以下几种： （1）加工表面形状差异较大，需要分区加工。例如，加工表面由水平平面和自由曲面组成。显然，对这两种类型的加工表面可采用不同的加工方式以提高加工效率和质量，即对水平平面部分采用平底铣刀加工，刀轨的行间距可超过刀具的半径，以提高加工效率；而对曲面部分则应使用球头刀加工，行间距远小于刀具半径，以保证表面光洁度。 （2）加工表面不同区域尺寸差异较大，需要分区加工。例如，对于较为宽阔的型腔可采用较大的刀具进行加工，以提高加工效率。而对于较小的型腔或转角区域则大尺寸刀具不能进行彻底加工，应采用较小刀具以确保加工的完备性。 （3）加工表面要求的精度和表面粗糙度差异较大时，需要分区加工。例如，对于同一表面的配合部位要求精度较高，需要以较小的步距进行加工；而对于其他精度和光洁度要求较低的表面可以以较大的步距加工，以提高效率。 （4）为有效控制加工残余高度，应针对曲面的变化采用不同的刀轨形式和行间距进行分区加工，相关内容在本章后续小节中专门介绍。 2．加工工艺路线规划 在数控工艺路线设计时，首先要考虑加工顺序的安排，加工顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位安装与夹紧的需要来考虑，重点是保证定位夹紧时工件的刚性和加工精度。加工顺序安排一般应按下列原则进行： ? 上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧，应综合考虑。 ? 加工工序应由粗加工到精加工逐步进行，加工余量由大到小。 ? 先进行内腔加工工序，后进行外形的加工工序。 ? 尽可能采用相同定位、夹紧方式或同一把刀具加工的工序，减少换刀次数与装夹次数。 ? 对于在同一次安装中进行的多道工序，应先安排对工件刚性破坏较小的工序。 另外，数控加工的工艺路线设计还要考虑数控加工工序与普通工序的衔接。数控加工的工艺路线设计常常仅是几道数控加工工艺过程，而不是指毛坯到成品的整个工艺过程。由于数控加工工序常常穿插于零件加工的整个工艺过程中，因此，在工艺路线设计中一定要全面，瞻前顾后，使之与整个工艺过程协调吻合。如果协调衔接得不好就容易产生矛盾，最好的办法是建立下一工序向上一工序提出工艺要求的机制，如要不要留加工余量，留多少；定位面与定位孔的精度要求及形位公差；对校形工序的技术要求；对毛坯的热处理状态要求等。目的是达到相互能满足加工需要，且质量目标及技术要求明确，交接验收有 依据。 例如，模具数控加工一般可分为粗加工、半精加工和精加工3个基本的工序，其中，在粗加工之后往往还需要进行调质热处理，使工件产生较大的变形，因而要求粗加工的加工余量足够大（往往在2mm以上），以保证后续加工的顺利进行。 3．加工工艺和切削方式规划 加工工艺和切削方式规划是实施加工工艺路线的细节设计。其主要内容包括如下几点。 ? 刀具选择：为不同的加工区域、加工工序选择合适的刀具。刀具的正确选择对加工质量和效率有较大的影响。 ? 刀轨形式选择：针对不同的加工区域、加工类型、加工工序选择合理的刀轨形式，以确保加工的质量和效率。 ? 误差控制：确定与编程有关的误差环节和误差控制参数，保证数控编程精度和实际加工精度。 ? 残余高度的控制：根据刀具参数、加工表面特征确定合理的刀轨行间距，在保证加工表面质量的前提下尽可能提高加工效率。 ? 切削工艺控制：切削工艺包括切削用量控制（包括切削深度、刀具进给速度、主轴旋转方向和转速控制等）、加工余量控制、进退刀控制和冷却控制等诸多内容，是影响加工精度、表面质量和加工损耗的重要因素。 ? 安全控制：包括安全高度、避让区域等涉及加工安全的控制因素。 工艺分析规划是数控编程中较为灵活的部分，受到机床、刀具、加工对象（几何特征、材料等）等多种因素的影响。从某种程度上可以认为，工艺分析规划基本上是加工经验的体现，因此要求编程人员在工作中不断总结和积累经验，使工艺分析和规划更符合其实际工作的需要。本书中将尽可能多地介绍一些常规的工艺规划要点。 1.7 CAM自动编程的工艺设计 参数设置可视为对工艺分析和规划的具体实施，即工艺分析和规划结果在CAM软件上实施的过程，它构成了利用CAD/CAM软件进行NC编程的主要操作内容。参数设置主要包括切削方式设置、加工对象及加工区域设置、刀具参数设置、切削方式设置以及加工工艺参数设置等。 1.7.1 切削方式设置 切削方式是指数控刀轨形式和走刀方式，是影响数控加工效率和效果的重要因素，需要根据加工对象的几何形状特征、刀具特性等进行合理的选择。 1．2.5轴加工的刀轨形式介绍 多数交互式图形自动编程软件可以对绘制的2D轮廓直接加工，特别是对于以AutoCAD为主要制图工具的企业，只需读入DWG图形即可进行快速编程，无疑是加工作业的最佳选择。在3D模型加工作业过程中，有些程序若使用2D的加工模式来完成，会更简易且更有效率，可以直接撷取3D模型的边线，来制作出2D的加工程序，并且可以直接参考加工轮廓的Z值作为加工高度限制的依据。而且2D及3D作业流程都可以在单一作业环境中，可以整合成单一NC程序。常见的2轴或2.5轴加工的刀轨形式主要有钻孔加工、切槽加工和外形加工。 （1）钻孔加工 钻孔加工直接以图形上的点图素定义加工点位置，通常支持各种标准钻孔、搪孔及攻牙方式；并支持各种控制器的标准循环输出模式。钻孔加工特别适用于大量孔加工的程序编制。 （2）切槽加工 切槽加工可称为口袋加工，属于层铣粗加工的一种。其特点是移除封闭区域里的材料，其定义方式由外轮廓与岛屿组成。切槽加工在实际应用中，主要用于一些形状简单的，图形特征是二维图形决定的，侧面为直面或者倾斜度一致的粗加工，如模具的镶块槽等。使用这种方法可以以简单的二维轮廓线直接进行编程，快捷方便。对于2D的图素只要定义加工侧面的角度，就可以球刀、平刀或圆鼻刀进行斜面加工的计算，即可生成带锥度槽穴加工的程序。 （3）外形加工 外形加工也称为轮廓加工，是生成沿轮廓线的2轴刀具轨迹，轮廓加工属于层铣精加工的一种。它主要用于加工外形或开槽，图形特征是二维图形决定的，侧面为直面或者倾斜度一致的工件，支持多层次及多圈次的进给。对于2D的图素，只要定义加工侧面的角度，即可生成带锥度外形轮廓加工的程序。 某些软件还提供特殊规格螺纹的加工及精密孔径的铣削，还提供螺旋下插的铣削方式，如螺纹加工、螺旋扩孔加工。 2．3轴加工的刀轨形式 3轴加工的刀轨形式比较多，一般软件都提供10种以上的刀轨形式，而且在3轴加工中包括了2轴和2.5轴的全部刀轨形式。按其切削的加工特点来分，可将其分为等高切削（层铣）、沿面切削（面铣）、曲线加工（线铣）、插式铣削、清角加工和混合加工几类。 1）等高切削 等高切削通常也称为层铣，它按等高线一层一层地加工来移除加工区域的加工材料。等高切削在零件加工上，主要用于需要刀具受力均匀的加工条件下，以及直壁或者斜度不大的侧壁的加工。应用等高切削可以完成模具数控加工中约80%的工作量。在粗加工时，一般刀具受力极大，因此使用等高切削能以控制切削深度的方式，将刀具受力限制在一个范围内。 此外，在半精加工或精加工时，在外形比较陡峭时，通常用等高加工的方式进行侧面的精加工。通过限定高度值，只做一层切削。等高切削可用于平面的精加工以及清角加工。特别是在加工部位太陡、太深，需要延长、加长刀刃的情形，由于刀具太长，加工时偏摆太大，往往也用等高切削的方式来减少刀具受力。目前最流行的高速切削机使用的也是等高切削。 下面用一实例来说明等高切削的应用。如图1-13所示的零件，毛坯为六面平整的长方体，脱模斜度为1°，用手工编程方法计算量太大，而利用交互式图形自动编程软件编程加工，可以用等高切削完成所有的加工。 ? 粗加工：利用等高切削的粗加工进行毛坯切削，保留精加工余量，使用圆鼻刀进行环绕切削。 ? 精加工侧面：利用等高切削的精加工对侧面进行精铣。 ? 精加工底平面：用等高切削的粗加工方式，选择平行切削方式，选择所有面为加工面，定义顶面的边线为刀具中心限制轮廓，定义起始高度与终止高度为-40。 ? 清角：用平底的端铣刀加工，用等高切削的精加工定义起始高度与终止高度均为-40，即可在侧面的底部做一刀清角加工。 图1-13 数控加工零件 等高切削功能不仅提供多样化的加工方式，同时允许刀具在整个加工过程中能在均匀的受力状态下做最快、最好的切削。 （1）刀具使用没有限制：NC程序设计师可以综合考虑工具机的性能、工件材质、夹持方式及切削效率，自由选用平刀、球刀、圆鼻刀等刀具进行等高切削。Cimatron利用所选用的刀具，分层沿等高加工面计算，所以能产生准确的刀具路径。 （2）能自动侦测倒推拨区域：大部分CAM软件能自动侦测加工范围内的倒推拨区域，并自动计算出最佳的刀具路径，不会产生刀柄与工件干涉的路径。 （3）提供多样化的刀具路径形式：等高切削一般提供平行切削、环绕切削、沿边环绕切削等走刀方式，而且每种切削方法还可以选择单向、双向切削或者顺铣、逆铣的指定。各种不同的切削方式的应用主要取决于所加工工件的形状。 （4）产生刀具受力均匀的加工路径：数控加工时，NC程序设计师或机台操作员往往为了避免NC程序中局部刀具受力过大而造成刀具严重损耗的情形，就降低了整体路径的进给速率，从而影响了整个加工效率。等高切削可以提供多样的进给速率设定方式来解决这个问题。使用者可以设定刀具局部受力的进给率，如第一刀切削、刀具路径往复时、刀具路径转角时降低进给速度。 （5）具有加工素材及成品体的观念：加工素材及成品体的运用让使用者在不修改CAD模型的情形下，能便利地进行等高粗加工及精加工的计算。这对于加工已经经过初处理的工件，使用非常方便。 （6）可对不同的面设定不同的加工余量：在模具设计中，由于成品几何形状的规范，往往需定义不同壁厚、合模面、靠破面及一般成品面。而在切削加工时，经常会遇到因侧面与平面有不同的精度要求而设置不同的余量。为了方便NC程序设计师在单一CAD模型上设定NC程序，在等高切削中，NC设计师可在个别加工曲面上设定不同的预留量（正值及负值），以提高NC程序的设计效率。加工如图1-13所示的零件时，平面可以一次加工到位，而侧面需做精加工时，可以将侧面选成一组，余量为0.3，而将平面选成另一组，余量为0。这样在粗加工时，平面将直接加工到位。 （7）提供多种进/退刀方式：等高切削提供垂直方向的直接进刀、螺旋进刀和斜线进刀等方式，改善刀具初始切削的受力情况。可以由使用者指定进刀点，软件也能自动决定系统认为的最佳进刀点。例如，进行型芯加工时，系统通常会在工件以外下刀，再水平进入切削。等高切削在水平方向可以设定为法向进刀和切向进刀，同时对全周轮廓的加工提供螺旋降层的方式，即每一层的进刀并不与上层在同一位置，确保没有进刀痕的产生，改善进刀点的加工质量。 （8）可以进行负余量的切削：使用球头刀或者有圆角的平底刀进行等高切削时，可以设置加工余量为负值，这对加工电极设置放电间隙极其方便。 （9）提供陡峭程度的自动判别：层铣精加工适合于做侧壁较为陡峭的侧面，而对于较平缓的表面，在两层之间留下的残余量会较大。某些软件提供了在做精加工时自动判断陡峭度是否在用户限定的范围之内的功能，对于超出该范围的，软件不产生刀轨或者按面铣的方式进行加工。 2）曲面铣削 曲面铣削简称为面铣，包括各种按曲面进行铣削的刀轨形式，通常有沿面加工、沿线投影、沿面投影等方式，不同的软件有不同的称呼方法，但基本的原理及定义方法相类似。大多数曲面铣削是按一定的方式将刀具路径投影到曲面上生成的。 （1）沿面加工：这种加工方式允许选取数个曲面作为参考依据，加工路径将沿着该曲面的UV参数线方向产生刀具路径。用这样的刀具路径加工出的零件更光滑。也可以对多个曲面进行加工，但要求曲面必须是相接的，而且其参数线方向最好保持一致，以保证产生的刀具轨迹是连续的。 （2）平行轴向投影加工：这种加工方法将会直接对整个曲面群以刀轴方向将切削线投影在加工表面上，并且进行刀具的半径补偿，产生刀具路径。可以定义多个复杂的边界作为加工区域的限制，也提供了多种下刀方式。 （3）曲面轮廓加工：提供封闭的边界线素，系统将以平行边界环绕的方式，对整个加工表面铺上3D间距均等的刀具路径，可以完成等量、等方向的切削。通常用于整体表面的精修，可应高速加工的需求，得到最有效率的加工路径。 （4）曲面区域加工：生成在曲面上封闭区域内的刀具轨迹，在指定范围内，刀轨按指定的角度、步距，将加工路径均匀分布于3D模型上，如此可达成等切削量、等切削方向的加工。 如图1-14所示为鼠标凸模零件，以下几个部分的加工使用沿面切削，这样可以使零件在最短的加工时间内获得较高的表面光洁度。 ? 整体半精加工：用曲面区域加工，指定切削方向为45°，保留精加工余量，使用圆鼻刀切削。 ? 精加工顶面浅色部分：用曲面轮廓加工，选择浅色的边缘为限定轮廓，使用圆鼻刀切削。 ? 精加工圆角深色部分：用沿面加工，按其垂直方向的参数线方向进行切削，使用球头刀加工。 图1-14 鼠标凸模零件 沿面切削不仅提供多样化的刀轨方式选择，在很多情况下，会出现各种加工都可以用的情形，而且在某些条件下，不同的刀轨方式生成的刀具路径可能是相同的，但在另一些情形下，不同的刀轨形式生成的刀具路径可能有很大的差别。 （1）刀具使用没有限制：NC程序设计师可以综合考虑工具机的性能、工件材质、夹持方式及切削效率，自由选用平刀、球刀、圆鼻刀等刀具进行沿面切削。较为普遍的是使用球头刀对有凹凸的曲面进行精加工。 （2）控制精铣后零件表面的光洁度：沿面切削提供多种方法控制精铣后零件表面的光洁度。其中，用残余高度来控制加工误差、用刀路间距控制刀具路径密度的方法加工的零件，其表面光洁度无论在平缓处还是在陡斜处，都是一致的。而使用固定步距来加工，则可以取得一致的刀路方向，刀痕比较漂亮。 （3）提供多样化的走刀方式：沿面切削一般提供平行切削、环绕切削、放射切削等走刀方式，而且每种切削方法还可以选择单向或双向切削。不同切削方式的应用主要取决于所加工工件的形状。 （4）提供多种进/退刀方式：沿面切削提供在水平方向法向、切向、圆弧等多种进/退刀方式，来满足实际加工的需要。在垂直方向可以直接进刀，也可以使用扩展进/退刀，圆弧进/退刀等进/退刀方式。使用者可以同时结合指定进刀点，合理使用进/退刀方式确保加工的安全性和表面质量。 （5）可以进行负余量的切削：使用球头刀或者有圆角的平底刀进行等高切削时，可以设置加工余量为负值，这对加工电极设置放电间隙极其方便。 3）插式铣削 插式铣削也称钻铣加工或直捣式加工，当加工较深的工件时可以使用两刃插铣以钻铣的方式快速粗加工，这是加工效率最高的去除残料的加工方法。钻铣完成后，可以同时选用以插刀的方式对轮廓进行精铣。如图1-15所示是一插铣加工的实例。 图1-15 插式铣削 4）曲线加工 曲线加工是生成切削三维曲线的刀具轨迹，也可以将曲线投影到曲面上进行沿投影线的加工。通常应用在生成型腔的沿口以及刻字等。由于其直接沿曲线进行插补，所以路径长度最短。 5）残料清角加工 清角加工可自动侦测大刀具铣削后的残留余料区域，再以小刀具针对局部区域进行后续处理。此刀轨形式可以自动分析并侦测母模穴的角落及凹谷部分，针对复杂的模型也有能力运算。自动清角刀具路径主要分为3种，即单刀清角、单刀再加以左右补正的多刀清角和参考前一把刀的多刀清角。多刀清角的路径可指定为由外而内或由内而外铣削，让刀具避免一次吃料太深而产生不良的加工现象。多刀清角具备两阶段的路径编修过滤动作，且涵盖上述投影功能的各种优势设定，是最实用的清角功能之一。 ? 自动残料交线清角加工：残料加工，只需要指定前一步骤所使用的刀具大小，即可直接计算残留余料的区域，再针对此区域进行沿面多刀精修，同时自动分析加工表面的倾斜度，将以等高的方式先行解决陡峭区域的加工困扰。 ? 自动残料多刀清角加工：这种工法能够自动辨识加工件凹处的残料区域，直接对曲面的交线处以最快的方式一刀走过清除材料。用户只要指定一个想象参考刀具直径，系统就能够知道哪些是必须要再加工的位置，刀具在执行加工动作的过程中，对于相邻的表面及进/退刀的路径，都会有过切保护的处理；工件中存在险峻的角落时，如果只顾判断顺逆铣的加工，会经常在由下而上的加工过程中造成刀具的断裂，这时用户可以自由指定一倾面角度，来执行倾面加工模式，系统将自动判别较陡峭的区域，一律采用先行由上而下只插刀的方式加工。如图1-16所示为自动残料多刀清角加工的刀具轨迹。 6）混合加工 某些软件利用等高环绕加工及投影式加工这两种刀轨形式的互补特性，以指定的限制倾角，系统将自动对3D模型划分出平缓或陡峭的区域，较陡峭的表面进行等高降层环绕加工，较平坦的表面进行投影式加工，得到最适宜的加工方式。另外，某些软件在等高加工中对层间的曲面提供二次加工的方法，可以是等高加投影加工，针对多曲面以等高方式做半精加工或精修，在设定限制铣削角度范围内进行口袋投影来加工；也可以是等高加水平夹角加工，针对多曲面以等高方式做半精加工或精修。如图1-17所示为混合加工刀轨的局部。 图1-16 清角加工 图1-17 混合加工的刀轨 3．走刀方式的选择 针对相同的刀轨形式还可以选择不同的走刀方式，通常走刀方式有平行切削、环绕切削、螺旋切削和放射切削等，如在等高加工的粗加工中，有平行切削、环绕切削和素材环切等选择，而在投影加工中一般会有平行切削、环绕切削和放射切削等选择。合理地选择走刀方式，可以在付出同样加工时间的情况下，获得更好的表面加工质量。 （1）平行切削 平行切削也称为行切法加工，是指刀具以平行走刀的方式切削工件，可以选择单向或往复两种方式，并且可以指定角度（角度指生成的刀位行与X轴的夹角）。单向切削在刀具进行切削加工时，始终朝一个方向进行切削加工，在到达加工边界（一行刀位的终点）后，抬刀到安全高度，再沿直线快速走刀到下一行的首点，再以给定的进刀方式进刀，并沿着相同的方向进行下一刀位行的切削，如图1-18（a）所示；往复加工时，刀具以顺逆铣混合的方式加工工件，即刀具进行切削加工时，并不是始终朝一个方向进行切削加工，而是一行顺铣，到达加工边界后直接转向进行下一行的切削加工，变成逆铣，而再一行又变成顺铣，如此交错进行。利用往复加工可以节省抬刀时间，如图1-18（b）所示。 平行切削可以灵活地设定加工角度，以最合适的角度对工件进行加工。在粗加工时，平行切削具有最高的效率，一般其切削的步距可以达到刀具直径的70%～90%。在精加工中，平行切削具有很广泛的适应性，其获得的刀痕一致，整齐美观。但是对边界不规则的凸模或型腔，平行切削在零件侧壁的残余量很大。 （a）单向 （b）往复 图1-18 平行方式走刀 （2）环绕切削 环绕切削以绕着轮廓的方式清除素材，并逐渐加大轮廓，直到无法放大为止。这种方式可减少提刀，提高铣削效率。刀具以环绕轮廓走刀方式切削工件，可选择从里向外或从外向里两种方式。使用环绕切削方法，生成的刀路轨迹在同一层内不抬刀，并且可以将轮廓及岛屿边缘加工到位，在进行粗加工或精加工时都是比较好的选择。如图1-19所示为环绕切削刀轨的示意图。 （3）毛坯环切 毛坯环切在等高加工的粗加工中应用，它按照成型部分等距离偏移，直至到达中心或边界。毛坯环切提供高效率的粗坯料加工路径，轮廓部分留料均匀有利于精加工，同时 其切削负荷相对固定，也是深陡加工面加工的良好选择。如图1-20所示为毛坯环切的刀轨实例。 图1-19 环绕方式走刀 图1-20 毛坯环切方式走刀 （4）螺旋切削 刀具路径从中心以螺旋方式向内或向外移动，螺旋切削与其他走刀方式的不同之处在于：其他走刀方式在每一道路径之间有不连续的横向进刀，造成刀具路径方向的突然改变；螺旋切削的横向进刀则是平滑地向外部螺旋展开，没有路径方向上的突然改变。由于此导向方式保持固定的切削速度及平滑的刀具运动，可以得到较好的精加工表面，并使刀具负载相同，适用于高速切削。螺旋切削与环绕切削相似，可选择从里向外或从外向里两种方式。由于没有由一个环向相邻一环过渡的刀痕，表面具有更好的质感。如图1-21所示是螺旋方式走刀的示意图。 图1-21 螺旋方式走刀 （5）放射切削 放射切削也称为放射加工，刀具由零件上任一点或者指定的空间点沿着向四周散发的路径加工零件。这种走刀方法适合于加工在接近放射中心点的部位曲率比较大，而远离放射中心的部位曲率比较小的零件，如半球形零件。使用放射切削可以获得较为平均的残余量以及较高品质的加工表面。如图1-22所示是放射方式走刀的示意图。 图1-22 放射方式走刀 1.7.2 加工对象及加工区域的设置 所有CAM软件都是根据加工对象的几何信息来进行刀轨计算的，这就是为什么CAM必须以CAD为前提的主要原因。CAD的工作是在计算机中建立加工对象（产品）的几何模型，称为产品的三维（或二维）造型，其中包括了该产品的完整的几何信息（包括显示信息）。而交互式图形编程的第一步就是要在CAM软件中明确指定加工对象的几何造型，即“通知”CAM软件有哪些加工对象（几何造型）需要数控加工，以便进行数控编程计算。 需要注意的是，加工对象（或编程对象）与加工工序密切相关，并不仅仅是指产品（成品）的几何造型。如粗加工工序的编程对象不仅包括产品的几何造型，而且还必须包括毛坯的几何造型。 另外，对于同一个加工对象，往往需要进行分区加工，因此需要进行区域的划分和设置，并针对各个区域分别进行数控编程计算。 在CAM软件中所使用的几何造型一般有以下3种表达方式。 （1）实体造型：包含了物体的三维几何信息，是最完整的表达方式，既可用于表达产品的几何信息，也可用于表达毛坯的几何信息。 （2）曲面造型：包含了物体表面的几何信息，主要用于表达产品，但不适于作为毛坯的表达方式。 （3）边界轮廓：由封闭的平面曲线段组成，用于表达截面形状不变的柱状形体，一般用于表达毛坯的几何信息或具有多个水平平面的加工对象的几何信息。 在CAM软件中，加工对象的几何造型有以下两个基本来源。 （1）直接从CAD软件中调入：这是最常用的方式，产品的几何造型（曲面造型或实体造型）一般采用这种方式。 （2）临时生成：一是指CAM软件在粗加工数控程序生成之后自动生成半成品的几何造型，用于后续的数控编程；二是指编程人员临时构造用于表达毛坯的边界轮廓（平面封闭曲线）。 在调入或生成了加工对象的几何造型之后，编程人员必须在CAM软件中以交互的方式选择加工对象的几何造型以及加工区域进行数控编程计算。当然，这一过程应按照所制定的工艺规划进行，一般包括如下的几个操作环节。 （1）指定产品的几何造型：用于各加工工序的编程计算。 （2）指定毛坯的几何造型：用于粗加工编程计算。 （3）指定半成品的几何造型：用于中间加工工序（如半精加工）计算。这一步骤一般在完成粗加工计算之后，往往由CAM软件自动生成半成品的几何造型，或者在产品造型的基础上设置一个加工表面偏置量（相当于上一工序的余量）。 （4）指定加工区域：用于分区局部加工的计算。区域的表达有两种方式，一是产品几何造型的局部，二是表达该区域的边界轮廓线。当然，还可以指定某一区域作为非加工区域或避让区域（相当于指定其他区域作为加工区域）。 1.7.3 刀具的选择及参数设置 在数控加工中，刀具的选择直接关系到加工精度的高低、加工表面质量的优劣和加工效率的高低。选用合适的刀具并使用合理的切削参数，可以使数控加工以最低的加工成本、最短的加工时间达到最佳的加工质量。 1．数控加工刀具的选择原则 加工中心所用的刀具由通用刀具（又称工作头或刀头）与加工中心主轴前端锥孔配套的刀柄等组成。选择刀具应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其他相关因素正确选用刀具及刀柄。刀具选择总的原则是适用、安全、经济。 （1）适用是要求所选择的刀具能达到加工的目的，完成材料的去除，并达到预定的加工精度。例如，粗加工时选择有足够大并有足够切削能力的刀具能快速去除材料；而精加工时，为了能把结构形状全部加工出来，要使用较小的刀具，加工到每一个角落。再如，切削低硬度材料时，可以使用高速钢刀具，而切削高硬度材料时，就必须要用硬质合金刀具。 （2）安全指的是在有效去除材料的同时，不会产生刀具的碰撞、折断等。要保证刀具及刀柄不会与工件相碰撞或者挤擦，造成刀具或工件的损坏。如使用加长的、直径很小的刀具切削硬质的材料时，很容易折断，选用时一定要慎重。 （3）经济指的是能以最小的成本完成加工。在同样可以完成加工的情形下，选择相对综合成本较低的方案，而不是选择最便宜的刀具。刀具的耐用度和精度与刀具价格关系极大，必须引起注意的是，在大多数情况下，选择好的刀具虽然增加了刀具成本，但由此带来的加工质量和加工效率的提高，则可能使总体成本比使用普通刀具更低，产生更好的效益。例如，进行钢材切削时，选用高速钢刀具，其进给只能达到100mm/min，而采用同样大小的硬质合金刀具，进给可以达到500mm/min以上，这就大幅缩短了加工时间，虽然刀具价格较高，但总体成本反而更低。通常情况下，优先选择经济性良好的可转位刀具。 选择刀具时还要考虑安装调整方便，刚性好、耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下，使刀具的悬伸长度尽可能地短，以提高刀具系统的刚性。 在加工中心，各种刀具分别装在刀库上，按程序规定随时进行选刀和换刀动作。因此必须采用标准刀柄，以便使钻、镗、扩、铣削等工序用的标准刀具能够迅速、准确地装到机床主轴或刀库上。编程人员应了解机床上所用刀柄的结构尺寸、调整方法以及调整范围，以便在编程时确定刀具的径向和轴向尺寸。 2．数控加工刀具种类 数控刀具的分类有多种方法。 根据刀具结构可分为： （1）整体式。 （2）镶嵌式，采用焊接或机夹式连接，机夹式又可分为不转位和可转位两种。 （3）特殊型式，如复合式刀具、减震式刀具等。 根据制造刀具所用的材料可分为： （1）高速钢刀具。 （2）硬质合金刀具。 （3）金刚石刀具。 （4）其他材料刀具，如立方氮化硼刀具、陶瓷刀具等。 根据切削工艺上可分为： （1）车削刀具，分外圆、内孔、螺纹、切割刀具等多种。 （2）钻削刀具，包括钻头、铰刀、丝锥等。 （3）镗削刀具。 （4）铣削刀具等。 根据铣刀形状可分为： （1）平底刀。 （2）球头刀。 （3）锥度刀。 （4）T形刀。 （5）桶状刀。 （6）异形刀。 为了适应数控机床对刀具耐用、稳定、易调、可换等要求，近几年机夹式可转位刀具得到了广泛的应用，在数量上达到整个数控刀具的30%～40%，金属切除量占总数的80%～90%。特别是可转位铣刀已广泛应用于各行业的高效、高精度铣削加工，其种类已基本覆盖了现有的全部铣刀类型。由于可转位刀具切削效率高，辅助时间少，因此能极大提高工效；可转位刀具的刀体可重复使用，可节约钢材和制造费用，因此其经济性好；可转位刀具大多可以进行干切削，能节省冷却液的费用，并可保持机床整洁，减少辅助时间；同时可转位刀体的系列化、标准化又使其具有广泛的适用性。因此在数控加工中被最广泛地应用。所以，在实际加工中，应优先考虑使用可转位刀具。 3．加工不同形状工件的刀具选择 加工中心用的立铣刀主要有3种形式：球头刀（R=D/2），端铣刀（R=0）和R刀（R