CimatronE数控铣削加工编程的关键技术及应用

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CimatronE是一款面向高速铣削加工的CAM软件，本文对CimatronE系统提供的数控铣削加工编程涉及的关键技术及其应用进行了较为详细的介绍，并配以相应的实例。文章既有理论又有实践，图文并茂不可不读。
CimatronE提供了从产品设计、模具设计到工装工具制造的解决方案，使制造循环流程化。其丰富的数据交换接口，可直接对CimatronE、Pro/ENGINEER、Catia进行数据导入导出，同时可以与IGES、Step、STL、DXF、DWG、Parasolid等数据格式进行交换；参数化混合数字建模二维图形输出，零件装配、标准模架等功能模块；快速电极设计，可针对曲面分模，无需实体转换；强大的曲面功能，可方便各种模具的设计，尤其是注塑模设计，系统提供的快速电极设计和MouldDesign注塑模具设计，能自动完成产品的加载装配、分模和标准模架的选用装配。基于Windows的CimatronE软件操作方便快速，易学易用。
智能化2～5轴数控加工编程，支持高速的NURBS程序输出功能。CimatronE支持数控铣削、车削、线切割加工编程，五轴数控铣削加工包括五轴底刃、侧刃、五轴曲线和钻孔等加工编程，基于残留毛坯的加工和数控编程模板的切削加工编程，基于变速和高速切削加工功能。CimatronE SDK提供了基于VisualC＋＋和VisualBasic二次开发语言的丰富函数库，用于利用Microsoft Visual Studio为集成开发环境，利用这些函数库可以很方便地开发出自己专用的应用程序，为系统功能模块的扩充提供了较好的平台。本文针对某产品零件的数控铣削加工编程，介绍了其在结构产品数控铣削加工编程中的应用。
二、CimatronE数控铣削加工关键技术
CimatronE数控编程由三维建模、刀具轨迹设计、刀具轨迹编辑修改、加工仿真、后置处理、数控编程模板、二次开发功能接口和数据文件交换等几个重要组成部分。以下从相关方面进行介绍。
1. CimatronE数控编程基本流程
! S6 e; ?/ j0 B" J% ]6 J1 u6 dCimatronE用于产品零件的数控加工，其流程一般如图1所示。首先是调用产品零件加载毛坯，调用系统的模板或用户自定义的模板、设计刀具；然后分别创建加工的程式、定义工序、加工的对象、定义加工的方式生成相应的加工程式；用户依据加工程式的内容来确立刀具轨迹的生成方式，如加工对象的具体内容，刀具的导动方式、切削步距、主轴转速、进给量、切削角度、进退刀点、干涉面及安全平面等；对刀具轨迹进行仿真加工，进行相应的编辑修改、拷贝等操作，以提高编程的效率；待所有的刀具轨迹设计合格后，进行后处理，生成相应数控系统的加工代码进行DNC传输与数控加工。
CimatronE的数控编程流程。系统界面严格遵循实际产品的数控加工流程来设计，因此其操作简单，在整个刀具轨迹设计规划过程中，可任意修改加工对象、切削参数等内容。值得注意的是，由于其相关性，在进行刀具轨迹流程设计时，对于加工对象的定义，最好有一个总体的规划。可对刀具轨迹和加工程式进行拷贝、粘贴、删除和隐藏等操作能，同时可以对具体的刀具轨迹方案进行编辑修改，如下刀、转角速度的调整等。系统数控加工编程模块提供如下功能：在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况、进行图形化修改，具有刀位文件复制、编辑、修改、刀具定义、机床和切削参数数据库等功能，如对刀具轨迹进行延伸、缩短或修改等、按用户需求进行灵活的用户化修改和剪裁等功能。
0 s. z$ s. }5 L- rCimatron's Simulator切削模拟仿真模块，它采用人机交互方式模拟、检验和显示NC加工程序，是一种方便的验证数控程序的方法。由于省去了试切样件，可节省机床调试时间，减少刀具磨损和机床清理工作。通过定义被切零件的毛坯形状，调用NC刀位文件数据，就可检验由NC生成的刀具路径的正确性。可以显示出加工后并着色的零件模型，用户可以容易地检查出不正确的加工情况。作为检验的另一部分，该模块还能计算出加工后零件的体积和毛坯的切除量，因此就容易确定原材料的损失。它提供了许多功能，其中有对毛坯尺寸、位置和方位的完全图形显示，可模拟2～5轴联动的铣削和钻削加工、车削中心和线切割加工。可对NC G代码文件、APT格式的文件、SurfCAM平台的INC文件等进行模拟仿真加工。其模拟速度可根据需要进行设定，在同类软件中，该模拟器速度较其他的略快。后处理程序可选用Cimatron公司的GPP和Intelligent Manufacturing Software Inc公司的IMSPost两种后处理方式，生成数控机床可识别加工的程序代码文件。

$ b. n) e7 ^; Q. @2. 数控编程模板
: e' |, P  z3 y5 K使用数控编程模板有利于利用已有的经验和专家知识，达到企业内部资源共享的目的。系统提供了加工程式模板、刀具模板、加工对象模板和刀具轨迹模板。在模板中不断注入数控编程员、加工工艺师和技术工人的知识、经验和习惯，建立起规范的数控加工工艺过程，为强化企业生产管理、提供产品的加工效率和质量打下良好的工艺技术基础。CimatronE系统创建用户自己的模板，可以将预先的加工顺序、工艺参数、切削参数设置好，针对相似的零件加工对象，应用模板可以大幅度提供数控编程的效率和质量，尤其是在模具行业及形似的成组零件的加工，如在制造模具时对加工凸模和凹模时的最佳工艺过程，并将其定义为加工模板，在加工新的产品对象时，只需调用模板文件，选择所需的几何体，并启动这个流程即可。用户通过加工向导非常容易地从模板中获得专家级的制造过程指导，全部内容可非常简单而有效地提供给缺乏经验的用户，有利于吸收别人的经验，通过向导，预先定义的模板可以被激活，并通过简单的交互快速生成数控加工刀具轨迹。加工程式模板与刀具轨迹模板分别以*.pct、*.tpt和 *.mtt的文件格式保存。
3. 等体积变速切削
CimatronE系统提供的等体积恒功率变速切削功能，尤其适合在普通数控机床上加工余量比较大的难加工材料产品的切削，以充分发挥刀具和机床的性能。由于普通数控机床在现有企业所占的比重较大，因此采用变速切削的刀具轨迹策略可以很好地降低制造成本，提高加工的效率。如图2所示为系统提供的变速切削功能设置。CimatronE的高速铣削加工功能同时支持等高分层的粗加工和曲面的精加工，通过在转角处以圆角的形式过渡，避免90°急转（高速场合对导轨和电机容易损坏），同时采用螺旋进退刀配合进给速度的自动调节功能，非常适合于高速切削加工，系统还提供环绕等距等多种方式支持高速加工刀具轨迹的生成策略。如图8所示分别为其高速环绕切削刀具轨迹的示意图与实例。
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4 u' ?7 Y3 f, H; T& o# o图2 等体积变速切削设置
, I* N4 _& j' K* ]  b/ x4. 刀具轨迹的生成控制方式
系统提供了钻孔、攻丝和镗孔循环等点位加工编程，具有多种轮廓加工、等高环切行切以及岛屿加工平面铣削编程功能。其提供3～5坐标复杂曲面多轴联动加工编程功能，具有基于残留毛坯、曲面轮廓、等高分层、环绕等距、曲面流线、角落清根和曲线五轴等多种刀具轨迹控制方式。刀具轨迹的主要加工策略有：
5 x; `+ h. |+ C(1) Volume Milling体积铣削  提供如平行铣削、环绕、等高、深孔钻削和基于毛坯等多种形式的体积粗加工铣削，主要用于大余量的粗精加工切削。
+ U, y/ T! e, _- `, w(2) Contour Milling轮廓加工  主要用于对开口或封闭的轮廓侧面进行精加工切削，同时可进行3轴和5轴曲线加工。
(3)Surface Milling曲面加工  对空间曲面进行粗精加工，刀具轨迹形式可以采用曲面流线、平行、等高分层、环绕螺旋、放射状等形式进行曲面加工。
(4)Cleanup残余加工  对上道工序粗加工的刀间残留毛坯和工件角落进行残留加工。
% Z4 h" c2 J, S3 c& c% _" j(5)Pencil角落清根  针对曲面之间的相交区域或角落部位进行一次或多次清根加工。
  u9 i  V# }: y2 G5 y+ d(6)Drill钻孔循环  对工件的孔位进行3轴或5轴钻削、镗孔加工。
+ n% p4 V' u1 H$ x(7)Flow Line曲面流线  主要针对复杂曲面进行粗精加工，其刀具轨迹的控制方式通过空间曲面导动来控制，因而轨迹可以根据需要来挑战。同时可进行空间曲面的五轴底刃和侧刃铣削加工编程。
针对每一种加工策略，其刀具轨迹生成控制方式有多种，对于大余量的型腔和空间曲面的加工，其刀具轨迹的控制方式有：基于残留毛坯的螺旋循环加工（Stock Spiral）；空间曲面平行等距铣削（Parallel Cut，其轨迹平行于XY平面上某直线）；以平面上的某点为圆心，轨迹沿径向以放射状加工（Radial）；等高分层铣削加工（By Layer）；曲面轮廓三维环绕等距（3D Step）；轨迹沿曲面的外形按环绕轮廓的形式进行固定Z轴的XY平面内的等距加工（Profile）；深孔钻削粗加工排量（Plunge Mill）；空间曲线三轴或五轴加工(Curve 3x & Curve 5x)。系统的刀具轨迹策略与刀具轨迹控制方式如图3和4所示。
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图3 刀具轨迹策略与控制界面
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a)曲面水平域                       b) 曲面垂直域

c)等距分层                       d)等高分层铣削
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e) 沿面层铣                          f)三维等距(3D Step)
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/ A, [7 i% o/ k) {g)五轴钻削加工                      h)三轴直纹面切削

i) 直纹面五轴切削
1 B; ^$ X  T5 W2 R! `6 t( G* w图4 典型刀具轨迹策略
$ I: r" X7 t% X; M5.后处理工作模式
CimatronE系统提供的后处理程序可选用GPP和IMSPost两种后处理方式，生成数控机床可识别加工的程序代码文件。利用IMSPost后处理可以非常方便地对相应的数控系统进行设置，IMSPost提供了如Fanuc、Siemens、DeckelMaho、Heidenhain和Centurion等数控系统的后处理程序，同时充分利用其提供的宏程序功能，可根据需要定制自己的数控系统。用户宏程序由一些变量和控制语句语法组成，可以完成用户需求和特定数控系统的功能。IMSPost同时可以处理包括UnigraphicsNX、MasterCAM、Catia、Pro/ENGINEER、SurfCAM、Euclid、DelCAM和MetalCAM等CAD/CAM软件的数控刀具轨迹源文件，生成用户可以使用的数控程序代码。图5为IMSPost进行Heidenhain407数控系统进行设置的界面。

图5 Heidenhain407数控系统后处理功能设置
% f$ w6 @9 ?0 }! c1 d三、CimatronE数控铣削加工编程实例
- N6 l1 {0 I. \5 e" r如图6所示为某薄壁结构产品零件，其加工特征为一空间曲面，且包含众多不同平面的岛屿。利用CimatronE系统的数控铣削加工编程功能，分别设计出如图7～图9所示的平行铣削加工、高速环绕加工和角落清根的刀具轨迹加工示意图。
图10和图11分别为其切削加工仿真示意图和部分NC程序文件源代码。从刀具轨迹示意图和程序代码中可以看出，使用CimatronE设计的刀具轨迹适合于高速、变速恒功率切削加工场合，使用系统提供的功能可有效地提高加工的效率和数控程序的质量。
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图6 产品加工示意图
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图7 平行切削加工示意图
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- y+ I1 |  V  a图8 高速环绕切削示意图

图9 根部清根加工示意图

: c' X' h. u% s" r! k3 X3 ?& n" S图10 仿真加工示意图
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; S% ?- B$ m1 v3 y; l图11 NC代码示意图
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