POWERMILL高速切削数控编程策略与实例研究毕业论文

标题：POWERMILL高速切削数控编程策略与实例研究

本人重声明：本论文与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

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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．设计的主要任务与目标

Powermill高速切削数控编程策略与实例研究

分析Powermill CAM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、参数设置与实用技巧；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、参数设置与实用技。 （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（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]。；清华大学，2008。 [2]朱克忆。Powermil多轴数控加工编程实用教程[M]。；机械工业，2010。 [3]朱克忆。Powermil数控加工自动编程经典实例 [M]。；机械工业，2011. [4]中北大学新知培训中心。PRO/EBGUBEER零件设计与工程图[M]。

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[5]王积伟，吴振顺。控制工程基础[M]。高等教育。 [6]世昌，旦，高航。机械制造技术基础[M]。高等教育。 [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 1 2 3 4 5 进行调查研究，查阅资料，完成开题报告 起止日期 2013.03.04—2013.03.20 2013.04.13—2013.04.22 2013.04.23—2013.05.23 2013.05.25—2013.06.05 拟定总体方案，学习有关课程、知识、软件 2013.03.20—2013.04.12 学习P owermill软件 零件建模，并进行实例练习 撰写并编制论文、打印，准备毕业答辩资料

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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、轨迹与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

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PowerMILL-based NC Programming Strategies and Application Research on

High-speed Machining

Abstract：High—speed machining is a comprehensive high—tech．With having considered the special processing technology and the complexity of automatic control of high-speed machining,the paper expounds the classical manufacturing strategies of PowerMlLL．Meanwhile，through S specific instance，it studies and analyses the NC programming ideas，the operational approach，processing technology，the modification and debugging of NC code，which based on PowerMILL．Integrative Operation is realized and better accommodated for modeITi engineering needs．

The results of this graduate design research indicate that:Through this

part of the process analysis, modeling, processing, in-depth understanding of the whole process of manufacturing of parts, processing is complete part processing requirements are met. Shape, trajectory and G code generation also made the most simple way to achieve the desired requirements.

Key words：high—speed machining；NC programming；PowerMILL；processing

technology

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目录

1.绪论1

1.1课题来源与研究的目的和意义1 1.1.1高速切削的介绍1

1.1.2高速铣削加工对数控编程的要求1 1.1.3研究 POWERMILL数控编程的意义2 1.2高速切削国外发展现状2

1.2.1高速切削技术发展现状与应用3 1.2.2高速切削技术在国发展现状3 1.2.3本文所做的工作4

2． Powermill CAM软件简介与策略分析5

2.1Powermill CAM软件简介5 2.1.1 CAM技术与PowerMILL软件5 2.1.2 Powermill软件的独特优势6 2.2 PowerMILL软件的主要功能与策略分析8 2.3 PowerMILL软件数控加工刀具路径质量10 2.3.1CAM软件对数学模型和要求10

2.3.2高质量和高效率刀具路径和衡量标准11

3．零件的建模与工艺分析与加工工艺注意事项11

3.1零件的建模与工艺分析12 3.1.1用PROE对零件进行三维建模12 3.1.2对如图3-4零件进行工艺分析15 3.2加工准备17 3.2.1基准的选择17 3.2.2定位基准的选择17 3.2.3确定装夹方法19 3.2.4确定工艺路线21 3.2.5确定进给路线23 3.2.6模型分中23

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3..2.7数控加工切削用量与其设置23

4. POWERMILL高速加工实例26

4.1高速加工对刀具路径的要求26

4.2 POWERMILL软件应用于数控编程的一般过程26 4.3 实例加工27

4.3.1零件一的加工过程27 4.3.2零件二的加工过程33 4.3.3零件三的加工过程38 程序一、43 程序二、43 程序三、44

5. 结论和展望45

5.1结论45

5.2学习POWERMILL的主要结论如下：46 5.3展望47

参考文献49 致51

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1.绪论

1.1课题来源与研究的目的和意义

1.1.1高速切削的介绍

高速切削加工技术是21世纪的一种先进制造技术，有着强大的生命力和广阔的应用前景。通过高速切削加工技术,可以解决在汽车模具常规切削加工中备受困扰的一系列问题。近几年来，在美国、德国、日本等工业发达国家高速切削加工技术在大部分的模具公司都得到了广泛应用，85%左右的模具电火花成形加工工序已被高速加工所替代。高速加工技术集高效、优质、低耗于一身，已成为国际模具制造工艺中的主流。[1]

高速切削加工作为机械制造中最为重要的一项先进制造技术，是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术。在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高速切削加工的应用得到了解决。其切削速度、进给速度相对于传统的切削加工，以级数级提高，切削机理也发生了根本的变化。与传统切削加工相比，高速切削加工发生了本质性的飞跃，其单位功率的金属切除率提高了30%～40%，切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%，留于工件的切削热大幅度降低，低阶切削振动几乎消失。

随着切削速度的提高，单位时间毛坯材料的去除率增加，切削时间减少，加工效率提高，从而缩短了产品的制造周期，提高了产品的市场竞争力。同时，高速切削加工的小量快进使切削力减少，切屑的高速排除，减少了工件的切削力和热应力变形，提高了刚性差和薄壁零件切削加工的可能性。由于切削力的降低，转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的表面粗糙度对低阶频率最为敏感，由此降低了表面粗糙度。 1.1.2高速铣削加工对数控编程的要求

高速铣削加工对数控编程的要求越来越高，价格昂贵的高速加工设备对软件提出了更高的安全性和有效性要求。高速切削有着比传统切削特殊的工艺要求，除了要有高速切削机床和高速切削刀具外，具有合适的CAM编程软件也是至关重要的。数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程，一个优秀的高速加工CAM编程系统应具有很高的计算速度、较强的插补功能、全程自动过切检查与处理能力、自动刀柄与夹具干涉检查、进给率优化处理功能、待加工轨迹监控功能、刀具轨迹编辑优化功能和加工残余分析功能等。高速切削编程首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次，要尽一

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切可能保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命；最后，要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影响刀具的寿命。[2、5]

（1）CAM系统应具有很高的计算编程速度

高速加工中采用非常小的切给量与切深，故高速加工的NC程序比对传统数控加工程序要大得多，因而要求计算速度要快，要方便节约刀具轨迹编辑，优化编程的时间。

（2）全程自动防过切处理能力与自动刀柄干涉检查能力

高速加工以传统加工近10倍的切削速度进行加工，一旦发生过切对机床、产品和刀具将产生灾难性的后果，所以要求其CAM系统必须具有全程自动防过切处理的能力。高速加工的重要特征之一就是能够使用较小直径的刀具，加工模具的细节结构。系统能够自动提示最短夹持刀具长度，并自动进行刀具干涉检查。

（3）丰富的高速切削刀具轨迹策略

高速加工对加工工艺走刀方式比传统方式机能有着特殊要求，因而要求CAM系统能够满足这些特定的工艺要求。为了能够确保最大的切削效率，又保证在高速切削时加工的安全性，CAM系统应能根据加工瞬时余量的大小，自动对进给率进行优化处理，以确保高速加工刀具受力状态的平稳性，提高刀具的使用寿命。 1.1.3研究 POWERMILL数控编程的意义

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、刀具路径算法先进与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。同时高速加工是当前机械工业先进制造技术方面研究和应用的热点之一。在军工、模具、发动机等方面有良好的应用前景。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（如整车模），整体零件（如整体叶轮）制造业等。[3~6]

因此，采用POWERMILL软件系统实现复杂零件数控加工的研究和学习是非常有意义。

1.2高速切削国外发展现状

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1.2.1高速切削技术发展现状与应用

机械加工的发展趋势是高效率、高精度、高柔性和绿色化，切削加工的发展方向是高速切削加工，在发达国家，它正成为切削加工的主流。50年来，切削技术的极大进步说明了这一点：今天切削速度高达8000m/min，材料切除率达150～1500cm3/min，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高速切削技术在国发展现状

高速切削技术在国起步较晚，20世纪80年代中期开始研究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≤100～200m/min，高速钢刀具在40m/min以。 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

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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Powermill CAM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、参数设置与实用技巧；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Powermill CAM软件分别对它们进行模拟加工，自动编程并导出NC程序。

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2．Powermill CAM软件简介与策略分析

2.1Powermill CAM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、刀具路径算法先进与编辑功能强大等特色，根据

[10~12]

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。

2.1.1CAM技术与PowerMILL软件

自20世纪40年代诞生计算机以来，CAD/CAM技术（英文全写是Compurer Aided Design/Compurer Aided Manufacrure,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

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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。 2.1.2 Powermill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CAD/CAM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CAD/CAM一体化集成的桥梁，CAD/CAM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CAD/CAPP/CAM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。

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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，使用一样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

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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窗口（Powermill软件称之为表格）上，修改时极为方便。 2.2 PowerMILL软件的主要功能与策略分析

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、pro/E、CATIA、UG、IDEAS、Solidworks、Solidedge、Cimatron、AutoCAD和Rhink 3DM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

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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，可以极提高切削效率。 7．刀具路径安全检查与加工仿真功能

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与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

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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]

2.3 PowerMILL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与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

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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与加工工艺注意事项

POWERMILL CAM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

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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。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、pro/E、CATIA、UG、IDEAS、Solidworks、Solidedge、Cimatron、AutoCAD和Rhink 3DM输入到Powermill系统中。 3.1零件的建模与工艺分析

3.1.1用PROE对零件进行三维建模 1．PROE简介[13]

PROE是当今世界上最普与的三维CAD/CDE/CAM系统软件之一，其具有零件设计、产品装配、模具开发、钣金设计、NC开发、造型设计、机构仿真和铸件设计等强大强能，在航天领域、机械、电子、汽车、家电以与玩具等工程设计领域中有78.3%以上的设计任务是通过它来完成的。对各种三维造型有极其强大的功能和造型命令。参数化设计，全关联性数据库等特点和绝对主导地位使其己经成为工程设计人员的“入门标准语言”。因此在本次任务中选择PROE来进行三维建模。 2．分析零件并进行三维建模

如图所示为本次加工零件的二维CAD图纸，图一为拔叉板零件、图二为平板零件、图三为凸模零件。

3．用PROE对零件进行三维建模 （1）如图3-1所示的拔叉零件

一．进入草绘界面，画矩形如图示底板大小。完成后退出草绘进行实体拉升，拉升距离为10。

二．创建必要的平面，平面位置与板上孔中心和必要的载面相一致。

三．在一步创建好的板上画两圆，尺寸约束如图一，草绘完成后拉升后得到两圆柱面。

四．在二步所建的平面上画出如图一所示的载面，退出草绘后进行扫描混合得到圆柱间的平面。

五．在三步中所建的圆柱面打孔，并对大孔进行拔模，角度为12度。对四步所得的特征与图示必要的棱倒圆角。

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图3-1

（2）如图3-2所示的平板零件

一．进入草绘，画如图3-2所示的矩形大小，退出草绘进行拉伸。

二.在一所得平面上画孔并导圆角，退出草绘后拉伸，去除材料，得到二维图中的孔特征。

三．对二步骤所得的特征在平面上进行阵列，得到零件模型。 （3）如图3-3所示凸模零件

一．草绘如图3-3中的六边形，退出草绘后进行拉伸。

二．在一步中的特征平面上草绘一个直径为65的圆。构建化后，画轴参照，得到一个十二边形，退出草绘后进行拉伸。

三，在二步所得的平面上画四会之一圆，退出草绘后旋转得到半球实体，得到零件模型。得到的三维模型如图3-4所示。

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图3-2

图3-3

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3.1.2对如图3-4零件进行工艺分析

1.如图3-4拔叉板零件，其主要的特点为。没有变化较大的陡峭区域，大部会为平坦区域，还有两个孔以与一些需要倒圆的角落。对于这个零件采用粗加工、二次粗加工、精加工、导圆角与表面光化处理。

3-4(1)

其粗加工和二次粗刀具路径采用偏置区域清除策略进行加工，精加工刀具路径采用三维偏置策略进行加工，零件导圆角和光顺表面采用最佳等高精加工策略进行加工。

2.如图3-4中所示平板零件其加工区域为大平面和二十四个孔的加工，此零件拟采用粗加工、二次粗加工、平坦面的精加工、孔的精加工进行加工。其中粗加和二次粗加工刀具路径采用偏置区域清除进行加工，这样形成的表面余量便于精加工工。之后对要加工的平坦面刀具路径采用平坦平面的精加工刀具路径进行此零件的大平面的精加工，最后采用轮廊精加工策略对要加孔的二十四个孔进行精加工，最终完成零件的加工。

3.如图3-4中所示凸模零件，其为模具，要求加工所有的外表面，并且对表面有一定有表面要求。这个零件即有陡峭区域也有平坦区域，而且区分明显。对于加工拟

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图3-4(2)

图3-4(3)

采用粗加工，二次粗加工、精加工、清角光顺表面的加工顺序进行加工。其中粗

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加工和二次粗加工采用偏置区域清除的策略加工，精加工采用最佳等高精加工策略进行加工，最后的清角光顺表面采用最佳等高精加工的策略进行加工。

在对三个零件进行完仿真加工后，进行刀具路径的优化，之后对刀具路径进行后置处理生成NC程序，最终完成零件的加工。 3.2加工准备

在对零件进行加工前要对零件进行许多分析，如装夹方式、基准选择、对零件进行模型分中、加工工艺术路线的确定、数控加工切削用量与其设置等。 3.2.1基准的选择

基准就是确定生产对象上的某些点、线、面的位置所依据的那些点、线、面。基准的分类[14~15]

基准分为设计基准和工艺基准两大类。 （1）设计基准是设计工作图上所采用的基准

（2）工艺基准是加工过程中所采用的基准。又分为有工序基准、定位基准和测量基准等。

①工序图上用来确定本工序所加工表面加工后的尺寸、形状和位置的基准叫做工序基准。

②定位基准是在加工中用作定位的基准。

③测量基准是测量时所采用的基准。此外还有装配过程中用于确定零、部件间相互位置的装配基准。要求掌握基准的分类，定义，同等重要的是在训练中提高选择基准的能力。

3.2.2定位基准的选择

正确选择定位基准是制订机械加工工艺规程和进行夹具设计的关键。定位基准分为精基准和粗基准。在起始工序中，只能选用未经加上过的毛坯表面作为定位基准，这种基准称为粗基准。用加工过的表面所作的定位基准称为精基准。

在设计工艺规程的过程中，当根据零件工作图先选择精基准、后选粗基准。结合整个工艺过程要进行统一考虑，先行工序要为后续工序创造条件。[14~15]

在加工中，首先使用的是粗基准，但在选样定位基准时，为了保证零件的加工精度，首先考虑的是选择精基准，精基准选定以后，再考虑合理地选择粗基准。

选择精基准应掌握五个原则： （1）基准重合原则

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以设计基准为定位基准，避免基准不重合误差，调整法加工零件时，如果基准不重合将出现基准不重合误差。所谓调整法，是在预先调整好刀具与机床的相对位置，并在一批零件的加工过程中保持这种相对位置的加工方法。与之相对应的是试切法加工，即试切一测量一调整一再试切，循环反复直到零件达到尺寸要求为止。试切法适用于单件小批生产下的逐个零件加工。 （2）基准统一原则

选用统一的定位基准来加工工件上的各个加工表面。以避免基准的转换带来的误差，利于保证各表面的位置精度,简化工艺规程,夹具设计和制造缩短生产准备周期。典型的基准统一原则是轴类零件、盘类零件和箱体类零件。轴的精基准

为轴两端的中心孔，齿轮是典型的盘类零件，常以中心孔与—个端面为精加工基准，而箱体类常以一个平面与平面上的两个定位用工艺孔为精基准。 （3）自为基准原则

当某些精加工表面要求加工余量小而均匀时，可选择该加工表面本身作 为定位基准，以搞高加工面本身的精度和表面质量。 （4）互为基准原则

能够提高重要表面间的相互位置精度，或使加工余量小而均匀。

（5）装夹方便原则所选定位基准应能使工件定位稳定，夹紧可靠，操作方便，夹具结构简单。

以上每项原则只能说明一个方面的问题，理想的情况是使基准既“重合”又“统一”，同时又能使定位稳定、可靠，操作方便，夹具结构简单。但实际运用中往往出现相互矛盾的情况，这就要求从技术和经济两方面进行综合分析，抓住主要矛盾，进行合理选择。

还应该指出，工件上的定位精基准，一般应是工件上具有较高精度要求的重要工作表面，但有时为了使基准统一或定位可靠，操作方便，人为地制造一种基准面，这些表面在零件的工件中并不起作用，仅仅在加工中起定位作用，如顶尖孔、工艺搭子等。这类基准称为辅助基准。

选择粗基准时，重点考虑如何保证各个加工面都能分配到合理的加工余量，保证加工面与不加工面的位置尺寸和位置精度，同时还要为后续工序提供可靠精基准。具体选择一般应遵下列原则：

（1）为了保证零件各个加工面都能分配到足够的加工余量，应选加工余量最小的

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面为粗基准。

（2）为了保证零件上加工面与不加工面的相对位置要求，应选不加工面为粗基准。当零件上有几个加工面，应选与加工面的相对位置要求高的不加工面为粗基准。 （3）为了保证零件上重要表面加工余量均匀，应选重要表面为粗基准。零件上有些重要工作表面，精度很高，为了达到加工精度要求，在粗加工时就应使其加工余量尽量均匀。

以重要表面作粗基准，在重要零件的加工中得到较多的应用，例如机床主轴箱箱体的加工，通常是以主轴孔为粗基准先加工底面或顶面，再以加工好的平面为精准加工主轴孔与其他孔系，可以使精度要求高的主轴孔获得均匀的加工余量。

（4）为了使定位稳定、可靠，应选毛坯尺寸和位置比较可靠、平整光洁面作粗基准。作为粗基准的面应无锻造飞边和铸造浇冒口、分型面与毛刺等缺陷，用夹具装夹时，还应使夹具结构简单，操作方便。

（5）粗基准应尽量避免重复使用，特别是在同一尺寸方向上只允许装夹使用一次。因粗基准是毛面，表面粗糙、形状误差大，如果二次装夹使用同一粗基准，两次装夹中加工出的表面就会产生较大的相互位置误差。

本套件件一和件二的上、下平面都要加工，基准选择原则是互为基准。即上平面为基准加工下平面，工件重新装夹后，已加工的下平面为基准加工上平面。 3.2.3确定装夹方法 （1）找正法[16]

找正是用工具（或仪表）根据工件上的有关基准，找出工件在加工（或装配）时的正确位置的过程。用找正法装夹工件称为找正装夹。找正装夹又可分为划线找正法和直线找正法。

①划线找正法。划线找正法是用划针根据毛坯或半成品上所划分的线为基准找正它的机床上的正确位置的一种装夹方法。划线找正法定位精度低，一般在0.2～0.5mm之间，因为划线本身有一定的宽度，划线又存在划线误差。

划线找正法广泛用于单件小批生产中，尤其适用于形状复杂而笨重的工件，或毛坯的尺寸公差很大、无法采用夹具装夹的工件。

②直接找正法。直接找正法是用划针或仪表直接在机床上找正工件位置的装夹方法。例如，用千分尺找正套筒零件的外圆，使被加工的控与外圆同轴。直接找正法生产效率低，对工人的技术水平要求高，一般只适用于单件小批生产中。

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（2）用夹具装夹[17]

夹具是用以装夹工件（和引导刀具）的装置。数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求，一是要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；二是要能保证零件与机床坐标系之间的准确尺寸关系。依据零件毛料的状态和数控机床的安装要求，应选取能保证加工质量、满足加工需要的夹具。除此之外，还要考虑以下几点：

①当零件加工批量不大时，应尽量采用组合夹具、可调夹具和其他通用夹具，以缩短生产准备时间，节省生产费用。在成批生产时可以考虑采用专用夹具，同时要求夹具的结构简单。

②装夹零件要方便可靠，避免采用人工调整的装夹方式，以缩短辅助时间，尽量采用液压、气动或多工位夹具，以提高生产效率。

③在数控机床上使用的夹具，要能够安装准确，能保证工件和机床坐标系的相对位置和尺寸，力求设计基准、工艺基准与编程原点统一，以减少基准不重合误差和数控编程中的计算工作量。

④尽量减少装夹次数，做到一次装夹后完成全部零件表面的加工或大多数表面的加工，以减少装夹误差，提高加工表面之间的相互位置精度，达到充分提高数控机床效率的目的。 （3）工件的定位

工件定位，就是要使工件在夹具中占据某个确定的正确加工位置。 ①六点定位原理

工件在空间有六个自由度，即沿X、Y、Z三个坐标方向的移动自由度和绕X、Y、Z三个移动轴的旋转自由度A、B、C。

要确定工件在空间的位置，需要按一定的要求安排六个支撑点也就是通常所说的定位元件，以限制加工工件的自由度，这就是工件定位的“六点定位原理”。需要指出的是，工件形状不同，定位表面不同，定位点的布置情况也各不一样。 ②限制自由度与工件加工要求的关系

根据工件加工表面的不同加工要求，有些自由度对加工要求有影响，有些自由度对加工要求无影响，对加工要求有影响的自由度必须限制，而不影响加工要求的自由度不必限制。

③完全定位与不完全定位

工件的六个自由度都被限制的定位成为完全定位，工件被限制的自由度少于六

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个，但不影响加工要求的定位，成为不完全定位，完全定位和不完全定位是实际加工中工件最常用的定位方式。

④工件安装的基本原则

在数控机床上工件安装的原则与普通机床一样，也要合理地选择定位基准和夹紧方案。为了提高数控机床的效率，在确定定位基准与夹紧方案时应注意以下几点：

a)力求设计基准、工艺基准与编程计算基准的统一。

b)尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位和装夹后就能加工出全部待加工表面。 c)避免采用人工调整式方案，以充分发挥数控机床的效能。 （4）工件的夹紧

金属切削加工过程中，为保证工件定位时确定的正确位置，防止工件在切削力、离心力、惯性力或重力等作用下产生位移和振动，必须将工件夹紧。这种保证加工精度和安全生产的装置称为夹紧装置。

①对夹紧的基本要求

a)工件在夹紧过程中，不能改变工件定位后所占据的正确位置。

b)夹紧力的大小适当，既要保证工件在加工过程中的位置不能发生任何变动，又要使工件不产生大的夹紧变形；同时也要使得加工振动现象尽可能小。

c)操作方便、省力、安全。

d)夹紧装置的自动化程度与复杂程度，应与工件的批量大小相适应。 ②夹紧力方向和夹紧点的确定

a)夹紧力应尽可能朝向主要定位基准，这样可以保证夹紧工件时不破坏工件的定位，影响工件的加工精度要求。

b)夹紧力方向应有利于减少夹紧力，要求能够在最小的夹紧力作用下，完成零件的加工过程。

c)夹紧力的作用点应选在工件刚性较好的方向和方位上，这一原则对刚性较差的零件特别重要，可以保证零件的夹紧变形量最小。

d)夹紧力作用点应尽量靠近零件的加工表面，保证主要夹紧力的作用点与加工表面之间的距离最短，可有效提高零件装夹的刚性，减少加工过程中的振动。

e)夹紧力的作用方向应在定位支撑的有效围，不破坏零件的定位要求。 3.2.4确定工艺路线 （1）工序的划分

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在数控机床上加工零件与普通机加工相比，工序可以比较集中。根据数控加工的特点，数控加工工序的划分有几种方法。

加工该零件按粗、精加工划分工序，根据工件的加工精度要求、刚度和变形等因素，将零件的粗、精加工分开，先粗加工，后精加工。 （2）工步的划分

划分工步主要是从加工精度和效率方面考虑。合理的工艺不仅要保证加工出符合图样要求的工件，同时应使机床的功能得到充分发挥。因此，在一个工序往往需要采用不同的刀具和切削用量，对工件的不同表面进行加工。对于比较复杂的工序，为了便于分析和描述，常在工序又细分工步。就本工件的加工而言，划分时应注意一下几点原则：

①同一加工表面按粗加工、半精加工、精加工依次完成，还是全部加工表面都先粗加工后精加工分开进行，主要要依据零件的精度要求考虑。

②对于既要加工平面又要加工孔的地方，可以采用“先面后孔“原则划分工步。先加工面可提高孔的加工精度，因为铣平面时切削力较大，工件易发生变形，而先铣平面后镗孔，则可使其变形有一段时间恢复，减少由于变形引起的对孔的精度的影响。反之，如先镗孔后铣面，则铣削平面时极易在孔口产生飞边、毛刺，进而破坏孔的精度。

③按所用刀具划分工步。某些机床工作台回转时间比换刀时间短，可采用刀具集中的方法划分工步，以减少换刀次数，缩短辅助时间，提高加工效率。

④在一次装夹中，尽可能完成所有能加工的表面，有利于保证表面相互位置精度的要求。

（3）加工顺序的安排

加工顺序的安排应根据零件的结构和毛皮状况，结合定位和夹紧的需要一起考虑，重点应保证工件的刚性不被破坏，尽量减少变形。加工顺序的安排应遵循一些原则：

①基准先行。上道工序的加工能为后面的工序提供精基准和合适的夹紧表面。 ②先面后孔，先简单后复杂。 ③先粗后精，粗、精分开。

④减少安装次数。以一样定位、夹紧方式安装的工序，最好接连进行，以减少重复定位次数、换刀和夹紧次数。[17]

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3.2.5确定进给路线

在数控加工中，刀具刀位点相对于工件运动的轨迹称为进给路线。进给路线不仅包括切削加工时的进给路线，还包括刀具到位、对刀、退刀和换刀等一系列过程的刀具运动路线。进给路线不仅反映了几个容，也说明了加工顺序。

确定进给路线。主要是确定粗加工与空行程的进给路线，因为精加工的进给路线基本上是按零件的轮廓进行的。在确定时还要注意一些问题：

（1）选择工件刚性破坏小的路线，以减少加工变形对加工精度的影响。 （2）寻求最短的进给路线，以提高加工效率。

（3）切入和切出的路线应考虑外延，以保证加工的表面质量。 （4）完工时的最后一刀应一次走刀连续加工，以免产生刀痕等缺陷。

此外，确定进给路线时，还要考虑工件的形状与刚度、加工余量大小、机床与刀具的刚度等情况，确定是一次进给还是多次进给来完成加工，确定刀具的切入与切出方向以与在铣削加工中试采用顺铣还是逆铣的铣削方式等。[3~5] 3.2.6模型分中

在实际加工中，为安全和对刀方便起见，某些时候常把工件坐标系设置在毛坯的上表面中心处（在对刀时，移动刀具寻找工件四边尽寸以求出模型上表面中心点在机床坐标系下的位置，这个过程在工厂称为“分中”，对刀坐标系即分中坐标系）。而CAD模型的设计坐标系不一定设置在模型上表面中心位置处，这就需要调整模型与坐标系的相对位置。[18]

POWERMILL2011有两种方法来实现模型分中。一种方法是，首先查看出模型在当前世界坐标系的极限坐标系尺寸（X、Y和Z轴的最大和最小尺寸），然后使用编程模型功能（即模型变换），将模型调整到X、Y坐标轴最大和最小尺寸绝对值相等的位置即完成分中操作。第二种方法是，创建一个位于毛坯上表在中心的用户坐标系，并使用该用户坐标系来计算刀具路径和后处理NC程序。 3..2.7数控加工切削用量与其设置

切削用量的选择取在机械加工过程中占据极其重要的地位，它的选择恰当与否直接关系到加工出的零件尺寸精度、表面质量以与刀具磨损、机床和操作人员的安全等。初学铣床削的新手对切削用量的选择很迷惑。一个要的观念是，切削用量的选择不断的切削经验来积累的。所谓有经验的加工人员，其经验大部分就是指使用不能刀具、不同材料和机床进行切削而积累的切削用量选择经验。[3~5]

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1.铣削用量的涵义

铣削用量是指在铣削过程中铣床削速度、进给量和背吃刀量、侧吃刀具和总称。 1）铣削速度：铣削速度是指铣削主运动（即刀具的旋转运动）的瞬时速度，它一般用主轴转速来表示。

2）进给量：在CAM软件和数控系统中，进给量一般有两种表示形式，一种是每齿进给量，指铣刀每转过一个齿时，铣刀与工件之间在进给方向上的相对位移量；另一种是每转进给量，指铣刀每转过一转时，铣刀与工件之间在进给方向 上的相对位移量。

3）背吃刀量：是指平行于铣刀轴线方向测量的切削层尺寸。 4）侧吃刀量：是指垂直于铣刀轴线方向测量的切削层尺寸。 2.数控加工切削用量选择的一般原则 （1）背吃刀量和侧吃刀量的选择

1）粗加工时，在条件允许的情况下，尽量一次切除该工序的全部余量。如果分两次走刀，则第一次背吃刀量尽量取大值，第二次背吃刀量尽量取小值。 2）半精加工时，背吃刀量一般为0.5到2。 3）精加工时，背吃刀量一般为0.1到0.4。 （2）进给量的选择

粗加工时，主要追求和是加工效率，要尽快将大部分余量去除掉，此时，进给量主要考虑工艺系统所能承受的最大进给量。因此，在机床刚度允许的前提下，尽量取大值。

精加工和半精加工时，最大进给量主要考虑加工精度和表面粗糙度值，另外还要考虑工件材料、刀尖圆弧半径和切削速度等因素综合来确定。

在编程时，除切削进给量外，还有刀具切入时的进给量，该值太大的话，刀具以很快的速度直接撞入工件，会形成栽刀，从而损坏刀具、工件和机床；该项值也不能太小，太小和话刀具从下切速度为切削速度时会形成冲击。一般可取切削进给量的60%~80。

（3）切削速度的选取

切削速度的选择比较复杂。一般而言，粗加工时，应选较低的切削速度，粗加工时选择较高的切削速度；加工材料强度、硬度较高时，选择较低的速度，反之取较高的切削速度；刀具材料的切削性能越好时，选择较高的切削速度，反之取较低的切

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削速度。[19~20]

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4.POWERMILL高速加工实例

4.1高速加工对刀具路径的要求

有关高速加工技术的研究可以追溯到20世纪30年代，则德国物理学家索罗门（Car,J.Salomon）博士所提出并获得德国专利的高速切削技术（Machine with High Cutting Speed），有的资料也称之为索罗门原理，即每一种被加工材料都有一个临界切削速度，在切削速度达到临界速度之前，切削温度和刀具磨损随着切削速度增大而增大，而当切削速度达到普通切削速度的5~6倍时，切削刃口的温度开始随着切削速度增大而降低，刀具磨损随切削速度的增大而减小。

在塑性材料粗加工过程中，传统的加工方式可以称为“重切削”方式，即设置较大的背吃刀量ap、较大的侧吃刀量ae 和较低的进给速度f，从而可以获得较大的材料去除率，提高加工效率。其不足之处在于，刀具磨损和耗损较大，对工具系统的强度和刚性要求较高。高速加工方式也被称为“轻切削”方式，即设置较小的背吃刀量ap、较小的侧吃刀量ae和较高的进给量f。实践证明，随着切削速度的提高，切屑形态从带状、片状到碎屑状演化，所需单位切削力在初期呈上升趋势，而后急剧下降，高速切削比常规切削要轻快，切削质量和对工具系统的保护都比较好。

到目前为止，理准线界还未能对高速加工形成一个一致的概念。在谈到是否达到高速加工时，一般用以下两个指标来衡量：一是高转速，主轴转速达到12000r/min；二是快进给量，每分钟几十米甚至几百米。[3~5] 4.2 POWERMILL软件应用于数控编程的一般过程

1）输入CAD模型：通过EXCHANGE模块输入CAD模型。

2）计算或调入毛坯：根据需要通过多种主式定义不同形状的毛坏。

3）创建或调用刀具：在POWERMILL系统中创建新刀具或调出刀具库中己定义好的刀具。

4）定义安全高度：根据零件形状定义刀具在加工时的安全高度。

5）定义刀具路径起始点和结束点：定义本次铣削工步刀具路径的起始点和结束点。

6）定义进给和转速：定义本次铣削加工工步所用的进给和转速。

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7）根据加工对象选择刀具路径策略，设定加工参数并计算出刀具路径。 8）校验刀具路径：检查刀具路径是否存在碰撞、过切等问题。 9）输出NC程序：通过后处理器计算出NC代码。 4.3 实例加工

4.3.1零件一的加工过程

零件一是个结构较简单的零件，主要则曲面，平面，圆柱，孔，圆角构成。简要的编程工艺表4-1。 工 名称 步工步1 粗加工 加工区域 加工策略 偏置区域清除 偏置区域清除 三维偏置 最佳等高加工 刀具 部分切削参数 转速 进给量行距 /（R/MM） （MM/MIN） /MM 1000 700 10 1000 2000 3000 700 3000 4000 5 0.5 0.5 零件整体 2 二次粗加零件整工 体 3 精加工 零件整体 4 清角光顺 零件整体 表4-1

D18R0端铣刀 D10R0端铣刀 D8R0端铣刀 D8R4球头刀 加工步骤：1.（1）转换零件一模型后，将零件输入到POWERMILL软件中并设定毛坯，如图4-2所示。

图4-2 27 / 58

（2）设定刀具，并设置第一把刀具的夹持和刀柄部分如图4-4。 （3）设置开始点和结束点的位置。如图4-3所示。

图4-3

图4-4

（4）单击快进高度按钮，设置参数计算刀具安全高度。

（5）单击进给和转速按钮，设置进给和转速按钮如图4-5所示。 （6）单击刀具路径按钮，打开刀具路径选项，选择偏置区域加工并设置相关参数，如图4-6所示。

（7）右击刀具路径进行刀具的过切和碰撞检查，并确定无误。 （8）进行刀具路径的加工仿真。

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图4-5

图4-6

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图4-7

粗加工完成后，粗加工使得毛坏的大量余量被清除为后面的半精加工、精加工打下了很好的毛坯基础，使得后面的加工更加顺利。其加工刀具路径如图4-7，加工完成后如图4-8所示。

图4-8

2.用偏置区域清除进行二次粗加工加工完成后其刀具路径如图4-9，加工完成后的图形如图4-10所示。

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图4-9

图4-10

3.粗加工完成以后采用三维偏置精加工策略对零件进行精加工，按步骤设计完参数并仿真加工后得到如图4-11所示加工刀具路径，加工结果如图4-12。

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图4-11

图4-12

4.进行最后一步的清角光顺加工，采用最佳等高加工策略进行精加工，按步骤高计完参数并仿真加工后得到如畋4-13所示的刀具加工路径，最终加工得到如图4-14所示的表面质量较好的零件。

合并刀具路径并得到NC程序一。

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图4-13

图4-14

4.3.2零件二的加工过程

零件二为一个平板类零件，加工主要区域为大平面和二十四个孔腔。其加工工艺简要过程如表4-15

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工 步 1 名称 加工区域 零件整体 零件整体 大平面精加工 加工策略 偏置区域清除 偏置区域清除 平行平坦面加工 轮廊精加工 刀具 粗加工 2 二次粗加工 3 精加工 4 清角光顺 孔的精加工 D10R0端铣刀 D8R0端铣刀 D8R2刀尖圆角端铣刀 D6R3球头刀 部分切削参数 转速 进给量行距 /（R/MM） （MM/MIN） /MM 1000 700 6 1000 2000 1500 3000 5 2

3000 4000

表4-15

加工步骤：1.（1）转换零件一模型后，将零件输入到POWERMILL软件中并设定毛坯，如图4-16所示。

图4-16

（2）设定刀具，并设置第一把刀具的夹持和刀柄部分。 （3）设置开始点和结束点的位置。

（4）单击快进高度按钮，设置参数计算刀具安全高度。 （5）单击进给和转速按钮，设置进给和转速按钮。

（6）单击刀具路径按钮，打开刀具路径选项，选择偏置区域加工并设置相关参数。 （7）右击刀具路径进行刀具的过切和碰撞检查，并确定无误。

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（8）进行刀具路径的加工仿真。

图4-17

图4-18

经过粗加工后得以后得到如图4-17所示的刀具路径，得到如图4-18所示的加工结果。 2.粗加工完成以后，去除了大量的毛坯，接着进行二次粗加工，选用偏置区域清除加

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工策略，设置好相关参数后，对零件进行二次粗加工。进行加工仿真后得到进一步的刀具路径并且得到更加接进零件的加工结果。

图4-19

图4-20

3.二次粗加工完成以后，对零件的大平面进行精加工。采用平行平坦面精加工对其表面进行精加工，设置好相关参数后对零件进行模拟加工仿真。最终得到如图4-19所示的刀具路径和图4-20所示的加工结果。

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4.最后进行零件的也精加工，采用轮廓精加工策略，设置好相关参数后对零件进 行加工仿真最终得到如图4-21所示的刀具加工路径，并且得到如图4-22所示的加工结果，其表面光顺，加工精度较高。最后经后置处理得到零件加工NC程序二。

图4-21

图4-22

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4.3.3零件三的加工过程

零件三为一个凸模零件，其加工区域为零件的所有表面，并且其浅滩区域与陡峭区域区分明显。它的加工工艺过简要过程如表4-23所示。 工 名称 步工步1 粗加工 加工区域 加工策略 偏置区域清除 偏置区域清除 最佳等高加工 最佳等高加工 刀具 部分切削参数 转速 进给量行距 /（R/MM） （MM/MIN） /MM 1000 700 6 1000 2000 3000 1500 3000 4000 3 0.5 0.5

零件整体 2 二次粗加零件整工 体 3 精加工 零件整体 4 清角光顺 零件整体 D10R0端铣刀 D6R0端铣刀 D4R2球头刀 D2R0球头刀 表4-23

加工步骤：1.（1）转换零件一模型后，将零件输入到POWERMILL软件中并设定毛坯，如图4-24所示。

图4-24

（2）设定刀具，并设置第一把刀具的夹持和刀柄部分。 （3）设置开始点和结束点的位置。

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（4）单击快进高度按钮，设置参数计算刀具安全高度。 （5）单击进给和转速按钮，设置进给和转速按钮。

（6）单击刀具路径按钮，打开刀具路径选项，选择偏置区域加工并设置相关参数。 （7）右击刀具路径进行刀具的过切和碰撞检查，并确定无误。 （8）进行刀具路径的加工仿真。

经过粗加工后得以后得到刀具路径，得到如图4-25所示的加工结果。

图4-25

2.粗加工完成以后，去除了大量的毛坯，接着进行二次粗加工，选用偏置区域清除加工策略，设置好相关参数后，对零件进行二次粗加工。进行加工仿真后得到进一步的刀具路径并且得到更加接进零件的加工结果如图4-26和4-27。

3.两次粗加工完成以后对零件进行精加工，采用最佳等高策略对其进行精加工，设置好相关参数后对其进行仿真加工，加工结果刀具路径如图4-29所示，加工结果如图4-30所示。

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图4-27

图4-28

4.最后进行零件的也精加工，采用最佳等高加工策略，设置好相关参数后对零件进行加工仿真最终得到如图4-31所示的刀具加工路径，并且得到如图4-32所示的加工结果，其表面光顺，加工精度较高。最后经后置处理得到零件加工NC程序三。

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图4-29

图4-30

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图4-31

图4-32

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程序一、

% G90 T1 S1500M3

刀具路径名称: 1 输出: 单位: MM 刀具坐标: 刀尖 刀具编号: 1 刀具ID: d18r0 冷却: Standard 标距长度: 150.000 毛坯:

最小X: -137.500 最小Y: -50.000 最小Z: -37.500 最大X: 137.500

.00

程序二、

%G90 T1 S1000M3

刀具路径名称: d10r0--chu 输出:

单位: MM

刀具坐标: 刀尖 刀具编号: 1 刀具ID: d10r0 冷却: Standard 标距长度: 80.000 毛坯:

最小X: -125.000 最小Y: -85.000 最小Z: -50.000 最大X: 125.000 最大Y: 85.000

最大Z: 10.000

坐标系: 激活用户坐标系 开始点 - 刀尖: X: 0.000 Y: 0.000

最大Y: 50.000

最大Z: 0.000

坐标系: 激活用户坐标系 开始点 - 刀尖: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 55.500

建议长度： 100.000 槽数: 1 刀具: 端铣刀 直径: 18.000 安全:

刀具切削移动: 安全无过切 刀具切入切出: 安全无过切 刀具连接: 安全无过切 夹持切削移动: 安全无碰撞 夹持切入切出: 安全无碰撞 夹持连接: 安全无碰撞 Z: 25.000

建议长度： 60.000 槽数: 1 刀具: 端铣刀 直径: 10.000 安全:

刀具切削移动: 安全无过切 刀具切入切出: 安全无过切 刀具连接: 安全无过切 夹持切削移动: 安全无碰撞 夹持切入切出: 安全无碰撞 夹持连接: 安全无碰撞 刀具路径: 偏置区域清除 行距: 6.000 公差:0.500 余量:3.000 刀具路径状态: 长度: 54828.407 时间: 1/13/12 提刀: 244 G0X0Y0Z25.M8 Y-90.25 Z13.375 G1Z8.375F250.

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刀具路径: 偏置区域清除 行距: 10.000 公差:0.100 余量:1.000 刀具路径状态: 长度: 48656.910 时间: 0/40/30 提刀: 131 G0X0Y0Z55.5M8 X-63.986Y2.194 Z3.229 G1Z-1.771F500.

G3X-65.993Y.187I0J2.006F1000.

X-61.98Y.187I-2.006J0 X-63.986Y2.194I2

Y-90.F700. X.394Y-88.019 X1.516Y-86.34

G3X0Y-82.679I1.516J-1.516 G1X-120.679

G2X-122.679Y-80.679I0J-2. G1Y80.679

G2X-120.679Y82.679I-2.J0 G1X120.679

G2X122.679Y80.679I0J2. G1Y-80.679

G2X120.679Y-82.679I2.J0 G1X0

G3X0Y-88.559I0J2.94 X0Y-75.359I0J-6.6 G1X-113.359

G2X-115.359Y-73.359I0J-2. G1Y73.359

G2X-113.359Y75.359I-2.J0 G1X113.359

G2X115.359Y73.359I0J2. G1Y-73.359

G2X113.359Y-75.359I2.J0 G1X0

G3X0Y-81.239I0J2.94 程序三、

% G90 T1 S1500M3

刀具路径名称: d10r0--chu 输出: 单位: MM 刀具坐标: 刀尖 刀具编号: 1 刀具ID: d10r0_1 冷却: Standard 标距长度: 85.000 毛坯:

最小X: -50.000 最小Y: -43.301 最小Z: -65.000 最大X: 50.000 最大Y: 43.301 最大Z: 0.000

坐标系: 激活用户坐标系 开始点 - 刀尖: X: 0.000 Y: 0.000

Z: 15.000

建议长度： 60.000 槽数: 1 刀具: 端铣刀 直径: 10.000 安全:

刀具切削移动: 安全无过切 刀具切入切出: 安全无过切 刀具连接: 安全无过切 夹持切削移动: 安全无碰撞 夹持切入切出: 安全无碰撞 夹持连接: 安全无碰撞 刀具路径: 偏置区域清除 行距: 6.000 公差:0.500 余量:3.000 刀具路径状态:

长度: 42808.825 时间: 0/33/20 提刀: 333 G0X0Y0Z15.M8 X29.135Y48.551 Z3.083 G1Z-1.917F500. Y48.301F1000. X28.741Y46.32 X27.619Y44.641

G3X29.135Y40.981I-1.516J1.516 G1X45.679

G2X47.679Y38.981I0J2. G1Y-38.981

G2X45.677Y-40.981I2.J0 G1X11.041Y-40.948 G2X9.044Y-39.019I-.002J-2.

G1X8.538Y-24.7 X8.632Y-24.018 X8.952Y-23.409 X16.962Y-13.009

G3X-.85Y21.226I16.855J-12.982

G1X-1.129Y21.214

G3X-15.87Y-14.342I-.955J21.23

G1X-7.018Y-24.042 X-6.655Y-24.607 X-6.499Y-25.261 X-5.619Y-38.885

G2X-7.617Y-41.014I1.996J.129

G1X-45.681Y-40.981 G2X-47.679Y-38.981I-.002J-2.

G1Y38.981

G2X-45.679Y40.981I-2.J0 G1X29.135

G3X29.135Y46.861I0J-2.94 X29.135Y33.66I0J6.6

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G1X38.359

G2X40.359Y31.66I0J2. G1Y-31.654

G2X38.355Y-33.654I2.J0 G1X18.129Y-33.609 X17.351Y-33.449 X16.696Y-32.999

G2X17.745Y-30.419I-1.095J-1.058

G3X19.752Y-28.488I.062J-2.073

G1X19.478Y-27.145 X18.554Y-26.134 X17.693Y-25.022 X17.755Y-23.617 X23.507Y-9.8394Y27.066

5.结论和展望

5.1结论

有关高速加工技术的研究可以追溯到20世纪30年代，则德国物理学家索罗门（Car,J.Salomon）博士所提出并获得德国专利的高速切削技术（Machine with High Cutting Speed），有的资料也称之为索罗门原理，即每一种被加工材料都有一个临界切削速度，在切削速度达到临界速度之前，切削温度和刀具磨损随着切削速度增大而增大，而当切削速度达到普通切削速度的5~6倍时，切削刃口的温度开始随着切削速度增大而降低，刀具磨损随切削速度的增大而减小。

在塑性材料粗加工过程中，传统的加工方式可以称为“重切削”方式，即设置较大的背吃刀量ap、较大的侧吃刀量ae 和较低的进给速度f，从而可以获得较大的材料去除率，提高加工效率。其不足之处在于，刀具磨损和耗损较大，对工具系统的强度和刚性要求较高。高速加工方式也被称为“轻切削”方式，即设置较小的背吃刀量ap、较小的侧吃刀量ae和较高的进给量f。实践证明，随着切削速度的提高，切屑形态从带状、片状到碎屑状演化，所需单位切削力在初期呈上升趋势，而后急剧下降，高速切削比常规切削要轻快，切削质量和对工具系统的保护都比较好。

到目前为止，理准线界还未能对高速加工形成一个一致的概念。在谈到是否达到高速加工时，一般用以下两个指标来衡量：一是高转速，主轴转速达到12000r/min；二是快进给量，每分钟几十米甚至几百米。

作为切削加工的一和种极具潜力的发展趋势，高速加工方式具有如下优势。 1）切削效率高。高速切削的材料去除率通常是常规切削和3~5倍。

2）刀具切削状况好。切削力小，主轴轴承、刀具和工件受力均小。慢于切削速度高，吃刀量很小，剪变形区窄，变形系数减小，切削力降低大概30%~90%. 3）刀具和工件受热影响小。切削产生的热量大部分被高速流出的切屑带走，故工件和刀具热变形小，有效地提高了加工精度。

4）工件表面质量好。首先被吃刀量与侧吃刀量小，工件表面质量好，其次切削线速度高，机床激振频率远高于工艺系统的固有频率，因而工艺系统振动很小，容易获得较高的表面质量。

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5） 可完成硬度高达40~62HRC淬硬钢的加工。如采用带有特殊涂层（TIALN）的硬质合金刀具，在高线转速、大进给和小切削量的条件下，完成高硬度材料和淬硬钢的加工，不仅效率高出电加工的3到6倍，而且可以获得较 高的表面质量（Ra0.4），基本上不用钳工抛光。

高速加工所涉与的不仅仅是数控编程的问题。事实上，高速切削技术是一个非常庞大而复杂的系统工程，它涵盖了机床材料的研究与选用技术、机床结构设计和制造技术、高性能CNC控制系统、通信系统、高效冷却、高精度和大功率主轴系统、高精度快速进给系统、高性能刀具夹持系统、刀具结构设计和制造技术、高效高精度测试测量技术、高速切削机理、高速切削工艺以与适合高速加工的编程软件与编程策略等诸多相关的硬件和软件技术。只要在这些技术充分发展的基础上，建立起来的高速切削技术才具有真正的意义。所以，要发挥出高速切削的优越性能，必须是CAD/CAM系统、CNC控制系统、数字通信、机床、刀具和工艺等技术的完美结合。 在数控编程方面，具备以下特征的刀具路径才能满足高速加工的要求。

1）保持恒定的刀具切削负载，即刀具路径的铣削用量是没有突变的、均匀的。 2）保持恒定的切削和切宽。

3）保持机床许可的加工速度和加速度。 4）控制切削方向。

5）避免尖角转向。保证最小的空程时间。保持最小的切削时间。 5.2学习POWERMILL的主要结论如下：

1.光顺余量刀具路径

即赛车线加工刀具路径，在远离零件轮廓区域生成赛车线走刀路径。与传统的刀路相比，优势在于：

（1） 减少了轮廓偏置路径，机床走刀路径简单化； （2） 路径光顺化处理，适于高速机床走刀。 2.轮廓光顺刀具路径

在零件外轮廓的拐角处，刀具路径倒圆处理。与传统刀路相比，优势在于； （1） 避免了刀具路径各段锐角连接，减少机床运行时的加减速；

（2） 路径拐角倒圆角，适于高速机床走刀，同时减少刀具切削负载的突变。 摆线移动刀具路径

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3. 在零件的狭窄槽、腔区域，变单线条刀具路径为螺旋线路径。与传统刀路相比，优势在于：

（1）螺旋线路径实际上减少了行距，避免发生全刃切削； （2）路径光顺化处理，适于高速机床走刀。 修圆拐角刀具路径

4.在精加工零件外轮廓的拐角区域时，刀具路径倒圆处理。与传统刀路相比，优势在于：

（1） 路径光顺化，零件加工表面质量优良； （2） 光顺的恨具路径，适于高速机床走刀。 5.参数偏置刀具路径

刀具路径沿指定的开始参考线向结束参考线三维偏置。与传统刀路相比，优势在于： （1） 刀路根据曲面特征轮廓线生成，走刀痕迹满足要求； （2） 提刀少，刀路光顺。

6.优化刀具路径可以通过设置刀具路径的切入切出和连接来进行设置。 7.边界是一条或多条封闭的、二维或三维的曲线。边界的作用如下：

（1）限制刀具路径径向加工围，实现局部加工。限制加工围可以用限制毛坯大小以与使用边界两种方法来实现，而后一种方法的应用更加广泛。 （2）边界可以用于裁剪刀具路径。 （3）边界可以转换为参考线。

8.参考线上一条或多条封闭或开放的用来辅助计算刀具路径的二维或三维线框。参考线可以被称为引导线，用来引导产生刀具路径，从而控制加工方向和顺序。 9.零件经过经加工以后，在角落部位会因为刀具直径过大无法切入而留下余量待清除。很自然的会想到，要用一把较小直径的刀具进行角落处的精中工，这就是清角策略。

10.可以对刀具路径进行编辑，变换刀具路径允许对刀具路径进行平移、旋转、和镜像、阵列等操作。 5.3展望

本文只是对POWERMILL高速数控加工编程软件的一部分进行了研究，对于其中的某些方面，如宏的产生和应用、多轴加工、机床和选项文件和模拟仿真、机床和刀具

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加工中磨损等问题，限于时间和精力未予研究，希望广大学者们对这些课题能加以重视，也能从更加优化刀具路径的方面上对其进行深入研究。中国的先进制造业还在继续发展中，希望广大学者的研究能将中国先进制造业提到更高的水平。

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参考文献

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致

本设计的完成是在我的指导老师武文革教授的细心指导下进行的。在每次设问题时老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。从设计的选题到资料的搜集直到最后设计的修改的整个过程中，花费了武老师很多宝贵的时间和精力，在此向武老师表示衷心地感！武老师严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益终生！

在此我还要感和我同一设计小组的几位同学，是你们在我平时设计中和我一起探讨问题，并指出我设计上的误区，使我能与时的发现问题把设计顺利的进行下去，没有你们的帮助我不可能这样顺利的结稿，在此表示深深的意。

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