完整版POWERMILL高速切削数控编程策略与实例研究毕业论文.docx
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完整版POWERMILL高速切削数控编程策略与实例研究毕业论文
诚信声明
标题：
POWERMILL高速切削数控编程策略与实例研究
本人郑重声明：
本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。
本人签名：
年月日
毕业设计任务书
设计题目：
Powermill高速切削数控编程策略与实例研究
系部：
机械工程系专业：
机械电子工程学号：
学生：
指导教师（含职称）：
专业负责人：
1．设计的主要任务及目标
Powermill高速切削数控编程策略与实例研究
分析PowermillCAM软件的高速切削CN编程的思路、方法和工艺处理等问题；熟悉软件的基本操作和常用造型指令的使用、各种刀轨形式的编程步骤、方法、参数设置及实用技巧；结合实例进行高速数控编程与模拟加工。
2.设计的基本要求和内容
（1）学习Powermill软件的基本操作和常用造型指令的使用。
（2）学习Powermill各种刀轨形式的编程步骤、方法、参数设置及实用技。
（3）采用其它三维软件，设计至少三个中等难度零件高速铣削数控编程与模拟加工实例研。
（4）AutoCAD绘制的零件图一张（A4）。
（5）外文资料翻译一篇。
（6）撰写设计说明书。
3．主要参考文献
[1]朱克忆。
Powermill数控加工编程实用教程[M]。
北京；清华大学出版社，2008。
[2]朱克忆。
Powermil多轴数控加工编程实用教程[M]。
北京；机械工业出版社，2010。
[3]朱克忆。
Powermil数控加工自动编程经典实例[M]。
北京；机械工业出版社，2011.
[4]中北大学新知培训中心。
PROEBGUBEER零件设计与工程图[M]。
[5]王积伟，吴振顺。
控制工程基础[M]。
高等教育出版社。
[6]张世昌，李旦，高航。
机械制造技术基础[M]。
高等教育出版社。
[7]汪木兰。
数控原理与系统[M]。
普通高等教育规划教材。
2004。
4．进度安排
设计各阶段名称
起止日期
1
进行调查研究，查阅资料，完成开题报告
2013.03.04—2013.03.20
2
拟定总体方案，学习有关课程、知识、软件
2013.03.20—2013.04.12
3
学习Powermill软件
2013.04.13—2013.04.22
4
零件建模，并进行实例练习
2013.04.23—2013.05.23
5
撰写并编制论文、打印，准备毕业答辩资料
2013.05.25—2013.06.05
基于POWERMILL的高速切削数控编程策略与应用研究
摘要：
高速切削是世界制造业中的一项综合性的高新技术。
从高速切削的特殊工艺性与自动控制出发，阐述了POWERMILL软件所特有的经典加工策略。
并通过具体实例分析和研究了基于POWERMILL软件的高速切削NC编程思路、操作方法、工艺处理、NC代码的编辑和调试，实现了一体化作业，更好的适应现代工程需要。
本毕业设计的研究结果表明：
通过对三个零件的工艺分析、造型、加工，深入了解了零件制造的全过程，加工完成后零件也达到了加工要求。
造型、轨迹及G代码的生成也以最简洁的方式做出，达到了预期的要求。
关键词：
高速切削；数控编程；POWERMILL；加工工艺
PowerMILL-basedNCProgrammingStrategiesandApplicationResearchonHigh-speedMachining
Abstract：
High—speedmachiningisacomprehensiveanddebuggingofNCcode，whichbasedonPowerMILL．IntegrativeOperationisrealizedandbetteraccommodatedformodeITiengineeringneeds．
Theresultsofthisgraduatedesignresearchindicatethat:
Throughthispartoftheprocessanalysis,modeling,processing,in-depthunderstandingofthewholeprocessofmanufacturingofparts,processingiscompletepartprocessingrequirementsaremet.Shape,trajectoryandGcodegenerationalsomadethemostsimplewaytoachievethedesiredrequirements.
Keywords：
，材料切除率达150～1500cm3min，超硬刀具材料硬度达3000～8000HV，强度达1000Mpa，加工精度从10µm到0.1µm。
干（准）切削日益广泛应用。
随切削速度提高，切削力降低大致为25～30%以上；切削温度增加逐步缓慢；加工表面粗糙度降低1～2级；生产效率提高，生产成本降低。
[6]
数控切削加工作为制造技术的主要基础工艺，随着制造技术的发展，在20世纪末也取得了很大的进步，进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。
它是制造业中重要工业部门，如汽车工业、航空航天工业、能源工业、军事工业和新兴的模具工业、电子工业等部门主要的加工技术，也是这些工业部门迅速发展的重要因素。
因此，在制造业发达的美、德、日等国家保持着快速发展的势头。
金属切削刀具作为数控机床必不可少的配套工艺装备，在数控加工技术的带动下，进入了“数控刀具”的发展阶段，显示出“三高一专”（即高效率、高精度、高可靠性和专用化）的特点。
显而易见，在21世纪初，尽管近净成形技术、堆积成形技术是非常有前途的新工艺，但切削加工作为制造技术主要基础工艺的地位不会改变。
从当前制造业发展的趋势中可以看到，制造业发展和人类社会进步对切削加工提出的双重挑战，这也是21世纪初切削加工技术发展的主要趋势。
当前以高速切削为代表的干切削、硬切削等新的切削工艺已经显示很多的优点和强大的生命力，成为制造技术提高加工效率和质量、降低成本的主要途径。
1.2.2高速切削技术在国内发展现状
高速切削技术在国内起步较晚，20世纪80年代中期开始研究陶瓷刀具高速切削淬硬钢并在生产中应用，其后引起对高速切削加工的普遍关注，目前主要还是以高速钢、硬质合金刀具为主，硬质合金刀具切削速度≤100～200mmin，高速钢刀具在40mmin以内。
但在汽车、模具、航空和工程机械制造业进口了一大批数控机床和加工中心，国内也生产了一批数控机床，随着高速切削的深入研究，这些行业有的已逐步应用高速切削加工技术，并取得很好的经济效益[7~9]。
高速切削加工技术是一项全新的、正在发展之中的先进实用技术，在工业发达国家已得到广泛的应用，取得巨大的经济和社会效益。
在我国高速切削加工技术的开发和应用还处于初步阶段，还有大量研究、开发工作需要进行。
但国内已进口了大批高速加工设备，也开发了多种高速机床和加工中心，还有许多可供应高速切削刀具系统的工具企业，只要充分认识高速切削加工技术的优越性和诱人的巨大经济效益的潜力，完全有可能迅速把我国高速切削加工技术的应用推进到一个新水平。
1.2.3本文所做的工作
（1）分析PowermillCAM软件的高速切削CN编程的思路、方法和工艺处理等问题；熟悉软件的基本操作和常用造型指令的使用、各种刀轨形式的编程步骤、方法、参数设置及实用技巧；结合实例进行高速数控编程与模拟加工。
（2）学习PROE软件的三维建模，并用PROE绘制三个中等难度零件的三维造型。
并分别描述其建模过程。
（3）对平板、凸模、拔叉板三个零件进行工艺分析、制定工艺路线、确定工艺方案、确定加工参数、选择加工策略最后用PowermillCAM软件分别对它们进行模拟加工，自动编程并导出NC程序。
2．PowermillCAM软件简介及策略分析
2.1PowermillCAM软件简介
POWERMILL是英国Delcam公司面向机加工行业推出的2~5轴高速数控加工自动编程软件。
该软件面向工艺特征，先进智能，基于工艺知识的积累进行编程优化，具有编程策略丰富、操作过程简单、刀具路径算法先进及编辑功能强大等特色，根据CIMDATA公司的统计数据，它己经成为数控加工行业市场增工率最高的CAM系统。
[10~12]
2.1.1CAM技术与PowerMILL软件
自20世纪40年代诞生计算机以来，CADCAM技术（英文全写是CompurerAidedDesignCompurerAidedManufacrure,翻译为计算机辅助设计计算机辅助制造技术）作为计算机技术主要应用分枝一直处于快速发展的状态。
在机械加工行业，最早应用计算机辅助制造技术是20世纪50年代美国麻省理工学院（MIT）利用数控装置实现控制三轴铣床加工复杂嵌面模型。
我们知道，简单零件（其结构要分要素主要为孔、槽、平面胶回转面等规则特征）在普通铣床上加工还是较容易完成的，但是一旦零件上包含自由曲面（即便是不规则曲面，如球面等）特征，其加工过程就难以实现。
这是因为加工此类曲面要求刀具作三坐标空间联合运动，而人工控制是很难实现二维以上的联合切削运动的，但这类曲面在飞行器、交通工具、家用电器等制造行业中却有极其广泛的应用。
正是在这样一种背景下，宇航制造业内的研发人员率先涉足于使用计算机来控制机床的三坐标甚至多坐标联合运动。
如何实现这一过程呢？
现代制造业加工带自由曲面零件的一般过程是，首先，利用计算机图形学原现和技术将零件的外形数字化，在特定坐标系下以点、线、面、体的形式将要加工的零件描述出来，这就是CAD技术。
有了这些几何元素之后，计算机可以根据几何公式计算出零件上任意点的坐标值来，再配合编程人员设定的毛坯、刀具、切削用量和切削方式等元素，即可计算出刀具要在毛坯上切削出零件外形的刀位点来，将这些刀位点经数据格式转换后规则地传输到机床数控系统，经过数控系统的插补运算实现机床的X,Y,Z坐标运动从而加工出零件来，这就是CAM技术。
[3~5]
上述过程表明，在现代机械加工流程中，CAM技术的有效实现是整个零件数控加工过程的关键步骤。
一款优秀的CAM软件应能帮助我们高效、高质量、安全地计算出机床所需要的坐标点数据。
Powermill软件是英国Decalm公司推出的一款主要面向三维自由曲面的2~5轴高速铣削加工CAM系统。
它的研发起源于世界著名学府剑桥大学，1977年英国Decalm公司正式成立，1991年Decalm公司产品正式进入我国。
Powermill软件的应用主要集中在一些要常常面对三维自由曲面的行业，典型应用领域包括汽车车身覆盖件模具制造业、塑料模具制造业、航空航天器异形结构件制造业、各类型整体模型（如整体车模），整体零件（如整体叶轮）制造业等。
2.1.2Powermill软件的独特优势
区别于主市面上其余众多的CAM软件，Powermill软件具有以下五个方面的独特优势。
[10~12]
1．独立运行，便于管理
一些传统的CAM软件基本上都属于CADCAM混合化的系统结构体系，CAD功能是CAM功能的基础，同时它又与CAM功能交叉使用。
这类软件不是面向整体模型的编程形式，工艺特征需要人工提取，或需进一步经由CAD功能处理产生，由此会造成如下一些问题：
1）不能适应当今集成化的要求。
通常情况下，我们希望软件的模块分布、功能侧重必须与企业的组织形式、生产布局相匹配，而系统功能混合化不等于集成化，更不利于网络集成化的实现。
2）不适合现代企业专业化分工的要求。
混合化系统无法实现设计与加工在管理上的分工，增加了生产管理与分工的难度，也极大地阻碍了智能化、自动化水平的提高。
3）没有给CAPP的发展留下空间与可能。
众所周知，CAPP是CADCAM一体化集成的桥梁，CADCAM混合化体系决定了永远不可能实现CAM的智能与自动化。
随着企业CAD、CAM等技术的成功应用，工艺库、知识库的完善，将来CAPP也会有相应的发展，逐步地实再科学意义上的CADCAPPCAM一体化集成。
而混合化的系统从结构上为今后的发展留下了不可弥补的隐患。
Powermill软件是面向完整加工对象的CAM系统，它独立于CAD系统，并可接爱各类CAD系统的模型数据，因此可与CAD系统分开使用，单独运行于加工现场等，使编程人员得以清晰地掌握现场工艺条件，高效地编制符合加工工艺要求的加工程序，减少反复，提高效率。
2.面向工艺特征，先进智能
数控加工是以模型为结果，以工艺为核心的工程过程，应该采取面向整体模型、面向工艺特征的处理方式。
而传统的CAM系统以面向曲面、局部加工为基本处理方式。
这种非工程化概念的处理方式会造成如下一些问题：
1）不能有效地利用CAD模型的几何信息，无法自动提取模型的工艺特征，只能人工提取，甚至靠重新模拟计算来取得必要的控制信息，增大了操作的繁琐性，影响了编程质量与效率，导致系统的自动化程度与智能化程度很低。
2）局部加工计算方式靠人工或半自动进行过切检查。
因为不是面向整体模型为编程对象，系统没有从根本上杜绝过切现象产生的可能，因而不适合高速加工等新工艺在新环境下对安全的新要求。
Powermill软件系统面向整体模型加工，加工对象的工艺特征可以从加工模型的几何形状中获取，如浅滩、陡峭加工区域、残余加工区域和加工干涉区域等，各加工部位整体相，全程自动过切防护，具体表现在以下三个方面：
1）编程时，编程人员仅需考虑工艺参数，确定后Powermill可根据加工对象几何形状自动进行程序编程。
2）编程人员可根据工艺信息库，自动选取加工刀具、切削参数、加工步距等工艺信息进行编程。
2.具有极其丰富的刀具路径生成策略，粗、精加工合计三十多种刀具路径策略可供用户选择使用。
对于各类常用数控加工工步——粗加工、精加工、残余加工、清根等Powermill都把它们做得十分巾近加工，操作感觉就如同在现场控制加工，非常符合工程化概念，易于接受，易于掌握。
3.基于工艺知识的编程
Powermill系统实现了基于工艺知识的编程，具体体现如下
1）Powermill系统提供工艺信息库，信息库中包含刀具库、刀柄库、材料库、设备库等工艺信息子库，可在编程人员选择使用某一种设备、刀具、材料时，自动确认主轴转速、下切速率、进给速率、刀具步距等一系列工艺参数，大大提高了工序的工艺性，并利于标准化。
2）Powermill可记录标准工艺路线，制作工艺流程模板，使用相同工艺路线加工同类型工件。
3）当零件参数变化后，系统可全自动处理刀具的相关信息。
4．支持高速加工，技术先进
英国Delcam公司是唯一一家拥有模具加工车间的CAD\CAM软件开发商，公司先后购入多台高速加工设备，以进行高速加工工艺和CAM系统的实际加工研究，积累了丰富的工程经验。
1．刀具路径光顺化处理功能。
使用Powermill系统的优化处理功能可以计算出符合高速加工工艺要求的高效的刀具路径。
2．基于残余模型的智能化分析处理功能，大大减少了刀具路径中的空行程段（空刀），因而也就减少了不安全的切入和切出刀具路径段。
3．在CAM领域率先推出进给量（F值）优化处理功能，使设备效率很高。
工艺系统在最平稳的状态下工作，可提高加工效率30%以上。
4．支持NURBS（非均匀有理B样条曲线）插补功能，Powermill系统后处理出来的NC代码可用于所有提供NURBS插补功能的数控系统。
5.易学易用，能快速入门，界面风格简单，选项设置集中
Powermill软件的操作过程是完全模拟铣削加工工艺过程的。
从输入零件模型到输出NC程序，该软件操作步骤较少（通常是8个步骤左右），初学者可以快速掌握，有使用其他软件编程经验的人员更可以快速提高编程质量和效率。
Powermill软件的另一个明显特点是它的界面风格非常简单、清晰，令人耳目一新。
而且，创建某一工步（例如精加工）的刀具路径时，其各项参数设置基本上集中在同一张窗口（Powermill软件称之为表格）上，修改时极为方便。
2.2PowerMILL软件的主要功能及策略分析
1．能读取各类数握格式的CAD模型文件
Powermill软件通过调用同属于Delcam公司旗下的数据交换模块Exchange,可以将各类主流CAD系统产生的数据格式，包括EGES、VDA-FS、ACIS、Parasolid、proE、CATIA、UG、IDEAS、Solidworks、Solidedge、Cimatron、AutoCAD和Rhink3DM输入到Powermill系统中。
2．高效率的粗加工编程策略
在Powermill软件中，称粗重加工为区域清除。
区域清除功能要求尽可能快速地去除余量的同时保证刀具负载稳定，尽量减少切削方向的突然变化。
为实现上述目标，Powermill软件针对粗加工开发了完善的模型区域清除加工策略，该策略包括平行、偏置模型、偏置全部三种刀具路径生成方式。
3．二次粗加工编程策略
在Powermill软件中，称二次粗加工为残留加工。
残留加工刀具路径将切除前一大直径刀具未能加工到而留下的材料，小直径刀具将仅加工剩余材料，轻易地实现二次粗加工。
4．高质量和精加工编程策略
Powermill软件提供了二十多种高速精加工策略，如三维偏置、等高精加工、平行精加工、投影精加工等。
这些策略可以保证切削过程光顺、稳定，确保得到高精度、光滑的切削表面。
5．丰富的多轴加工编程策略
一般地，将使用轴数大于三根运动轴的加工方式称为多轴加工，多轴加工方式主要包括四轴加工和五轴加工。
Powermill系统具备丰富的刀具轴指向控制功能，同时系统提供刀具轴指向编辑、优化功能。
在多轴加工编程策略方面，通过配合使用恰当的刀具轴指向控制方式，系统的全部三轴加工策略均可应用于编制多轴加工刀具路径，同时，Powermill系统允许使用全系列的切削刀具进行五轴加工编程。
6．巧秒的刀具路径编辑和连接功能
Powermill系统提供了丰富的刀具路径编辑工具，可以对计算出来的刀具路径进行编辑和优化。
Powermill系统在计算刀具路径时，会尽可能地避免刀具的空程移动，通过设置合适的切入切出和连接方法，可以极大地提高切削效率。
7．刀具路径安全检查及加工仿真功能
Powermill系统提供的安全检查包括：
刀具夹持碰撞检查、过切检查。
碰撞检查功能可以检查碰撞出现的深度、避免碰撞所需的最小刀具长度以及出现碰撞的刀具路径区域，过切检查可以探测出过切区域。
系统提供的加工仿真功能包括：
刀具路径切削仿真、集成机床的完整加工仿真。
切削仿真功能可以检查过切、碰撞、顺铣、逆铣和加工质量等切削情况，机床加工仿真功能可以确何能最大限度地应用机床的功能，例如，读者可以知道将工件置放于机床工作台的不同位置或使用不同的夹具可能出现的加工状况，可以查看零件的哪种放置方向能得到最佳的切削效果等。
8．Powermill具有的特色功能
（1）变余量加工技术
Powermill系统具备实现变余量加工的能力，可以分别为加工工件设置轴向余量和径向余量。
访功能对所有的刀具类型均有效，可以用在三轴加工上。
变余量加工尤其适合于具有垂直角的工件，如平底型底部件。
另外，在航空工业中，加工这种类型的部件时，通常希望使用粗加工策略加工出型腔底部，而留下垂直的薄壁供后续工序加工。
Powermill系统除了可以设置轴向余量和径向余量外，还可以对单独曲面或一组曲面应用不同的余量。
（2）赛车线加工技术
Powermill系统中包含多个全新的高效粗加工策略，这些策略充分利用了最新的刀具设计技术，从而实现了侧刃切削或深度切削。
其中最独特的技术是Delcam公司拥有专利权的赛车线加工策略。
在些策略中，随着刀具路径切离主形体，粗加工刀具路径将变得越来越平滑，这样可以避免刀具路径突然转向，从而降低机床负荷，减少刀具磨损，实现高速切削。
9．摆线粗加工是Powermill系统推出的另一种全新的粗加工方式。
这种加工方式以圆形移动方式指定路径运动，逐渐切除毛坯中的材料，从而可以避免刀具的全刀宽切削。
10进给量优化功能
Powermill系统使用PS-oprifeed模块来优化刀具路径进给率，从而得到高效和稳定的材料切削率。
使用PS-oprifeed模块可以节省多达50%的加工时间，提高生产效率。
同时，PS-oprifeed模块还可以降低刀具和机床的磨损，改善加工表面质量，降低机床操作人员的劳动强度。
[7~9]
2.3PowerMILL软件数控加工刀具路径质量
2.3.1CAM软件对数学模型和要求
刀具路径信据待加工对象的数学模型生成，如果数学模型有问题，例如存在交叉面、破烂面等，那么系统就有可能算出错误的刀具路径，或者是要花相当长时间才能计算出刀具路径，有时其至计算不出刀具路径。
高质量的数学模型是实施数控编程的前提和必要条件。
在生产过程中，产品建模误差一般包括数据输入的随机误差、曲线和曲面的逼近误差、曲线和曲面光顺处理公差以及构造曲面方法不当而产生的误差。
在进行数控编程的前期，要确保数学模型达到如下要求。
a）产品数学模型必须是一个完善的、统一的数学模型，不能有遗漏的曲面或多余的曲面存在。
如果曲面存在破孔，应该先用CAD软件将这些有问题的曲面修补完整。
b）产品数学模型不能有数据错误和曲面形状错误存在。
c）产品数学模型必须满足严密的几何拓扑关系，不允许出现曲面重叠、未修剪曲面、曲面间缝隙过大、曲面间不满足切线连续或曲率连续等几何拓扑错误。
d）产品数学模型应是光滑连续的顺畅模型，在两个曲面的交线处，应当采用适当的圆角进行过渡处理，确保数学模型的连续光滑性。
e）数学模型中的曲面要求等参数曲线分布合理、均匀，曲面不能有异常的凸起和凹坑。
[3~5]
2.3.2高质量和高效率刀具路径和衡量标准
对于同一个加工对象，往往可以用多种加工策略来计算刀具路径，那么哪一种加工策略对该加工对象的编程加工而言是产品质量最优、加工效率最高的呢？
一般可以从以下几个方面来衡量所生成的刀具路径质量和效率和优劣。
1）刀具路径应无碰撞现象：
CAM软件生成的刀具路径，应该绝对避免机床主轴、铣头或刀具碰撞到工件，从而致使操作人员、机床受损伤或工件被破坏。
2）刀具路径应无过切现象：
刀具运动（即刀具路径）应该准确无误，无过切、扎刀等带有加工危险的问题刀路。
3）刀具路径应分布均匀：
生成的刀具路径应该分布均匀、整齐，各条刀具路径之间的行距要均匀，不能在零件平坦面处行距均匀而在零件陡峭部分变得稀疏。
这样加工出来的零件其尺寸和表面都会达不到要求，同时也会增加钳工修整的困难程度。
4）生成和刀具路径应尽量保证刀具在加工过程中吃刀量和吃刀宽度均匀、一致，避免刀具在零件陡峭部件吃刀量突然增加，避免刀具在零件的狭窄长槽部分吃刀宽度突然增加。
要尽量确保刀具在加工过程中受力均匀，工件和刀具变形小，以确保零件的加工精度。
5）提刀次数少、刀具的空行程少：
生成的恨具路径应避免空走刀轨迹的产生，尽量减少抬刀、进退刀的次数，以提高加工效率。
3．零件的建模与工艺分析及加工工艺注意事项
POWERMILLCAM软件是独立的CAM软件，在其中进行加工和模拟仿真时。
必须先用其它的CAD软件先对零件进行三维建模，然后把做好的三维零件导入到POWERMILL中进行模拟加工。
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