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数控加工基本知识
1、CNC的基本含义
小疑问---什么是CNC？什么是电脑锣？学CNC主要学什么？
CNC是英文Computer Numberical Control的缩写，意思是“计算机数据控制”，简单地说就是“数控加工”，在珠江三角洲地区，人们称为“电脑锣”。
数控加工是当今机械制造中的先进加工技术，是一种具有高效率、高精度与高柔性特点的自动化加工方法。它是将要加工工件的数控程序输入给机床，机床在这些数据的控制下自动加工出符合人们意愿的工件，以制造出美妙的产品，这样就可以把艺术家的想象变为现实的商品。数控加工技术可有效解决像模具这样复杂、精密、小批多变的加工问题，充分适应了现代化生产的需要。大力发展数控加工技术已成为我国加速发展经济、提高自主创新能力的重要途径。
目前我国数控机床使用越来越普遍，能熟练掌握数控机床编程，是充分发挥其功能的重要途径。社会上急需一大批这样的人才。因此学好这门技术大有用武之地。
2、CNC机床的工作原理
小疑问---数控加工机床如何工作？CNC如何加工模具？
一般来说，数控机床由机床本体、数控系统（CNC系统是数控机床的核心，是台专用计算机）、驱动装置及辅助装置等部分组成。而数控系统的基本功能有输入功能、插补功能及伺服控制等。它的工作过程是：通过输入功能接收到数控程序后结合操作员已经在面板上设定的对刀参数、控制参数和补偿参数等数据进行译码，并进行逻辑运算，转化为一系列逻辑电信号，从而发出相应的指令脉冲来控制机床的驱动装置，使机床各轴运动，操作机床实现预期的加工功能。
模具设计师根据客户产品图，设计出3D模具（也叫分模）后，就需要对模具图档进行数控编程。确定加工刀具大小、切削走刀方式后，用UG即可编出数控程序。这个数控程序是个文本文件，里面是机床能识别的代码。机床操作员收到程序单及数控程序后，就要按要求在数控机床工作台上装夹工件，在主轴上装上刀具，按要求对刀，在机床面板中设定对刀参数，根据机床的具体情况修改个别指令后就通过网络DNC把数控程序传给机床。机床上的刀具在这些数控指令的控制下进行切削运动，其他冷却系统同步工作，这样一条接着一条的程序都执行完，模具就加工出来了。
3、CNC加工工艺的特点
小疑问---CNC数控加工工艺有何独特之处？
CNC数控加工工艺是机械加工的一种，也遵守机械加工切削规律，与普通机床的加工工艺大体相同。由于它是把计算机控制技术应用于机械加工之中的一种自动化加工，因而具有加工效率高、精度高等特点，加工工艺有其独特之处，工序较为复杂，工步安排较为详尽周密。
CNC数控加工工艺包括刀具的选择、切削参数的确定及走刀工艺路线的设计等内容。CNC数控加工工艺是数控编程的基础及核心，只有工艺合理，才能编出高效率和高质量的数控程序。衡量数控程序好坏的标准是：最少的加工时间、最小的刀具损耗及加工出最佳效果的工件。
数控加工工序是工件整体加工工艺的一部分，甚至是一道工序。它要与其他前后工序相互配合，才能最终满足整体机器或模具的装配要求，这样才能加工出合格的零件。
数控加工工序一般分为粗加工、中粗清角加工、半精加工及精加工等工步。
粗加工要尽量选用较大的刀，在机床功率或刀具能承受的范围内尽可能用较大切削量快速地切除大量的工件材料。为了防止粗加工时的切削振动使工件松动，在开粗后应该及时校表检查，必要时重新对刀。可以在开粗后进行基准面的精加工光刀，为以后校表检查做好准备。
对于具有复杂型腔的工件，由于开粗用了较大刀具，使得角落处残存大量的余量，必须用比粗加工时较小的刀具进行二次开粗或清角。加工面积比较大的情况下，为了减少刀具损耗可以进行半精加工。
以上各步为了防止过切都必须留足够多的余量，最后进行精加工工序。一般情况下，尽量在机床上检验，合格后才拆下，再准备下一件加工。
4、CNC刀具的选择和选购
小疑问---CNC常用刀具有哪些？如何选择刀具？
1）CNC刀具种类
常用的数控铣刀具按形状分为平底刀、圆鼻刀和球刀3种。
（1）平底刀
平底刀也叫平刀或端铣刀，周围有主切削刃，底部为副切削刃。可以用于开粗及清角、精加工侧平面及水平面。常用的有ED20、ED19.05（3/4英寸）、ED16、ED15.875（5/8英寸）、ED12、ED10、ED8、ED6、ED4、ED3、ED2、ED1.5、ED1、ED0.8及ED0.5等。E是End Mill的第一个字母；D表示切削刃直径。
一般情况下，开粗时尽量选较大直径的刀，装刀时尽可能短，以保证有足够的刚度，避免弹刀。在选择小刀时，要结合被加工区域，确定最短的刀锋长及直身部分长，选择本公司现有的最合适的刀。
如果侧面带斜度叫斜度刀，可以精加工斜面。
（2）圆鼻刀
圆鼻刀也叫平底R刀，可用于开粗、平面光刀和曲面外形光刀。一般角半径为R0.1～R8。一般有整体式和镶刀粒式的刀把刀。镶刀粒的圆鼻刀也叫“飞刀”，主要用于大面积的开粗及水平面光刀。常用的有ED30R5、ED25R5、ED16R0.8、ED12R0.8及ED12R0.4等。飞刀开粗加工尽量选大刀，加工较深区域时，装刀长度先装短加工较浅区域，再装长加工较深区域，以提高效率且不过切。
（3）球刀
球刀也叫R刀，主要用于曲面中光刀及光刀。常用的球刀有BD16R8、BD12R6、BD10R5、BD8R4、BD6R3、BD5R2.5（常用于加工流道）、BD4R2、BD3R1.5、BD2R1、BD1.5R0.75及BD1R0.5。B是Ball Mill的第一个字母。
一般情况下，要通过测量被加工图形的内圆半径来确定精加工所用的刀具，尽量选大刀光刀、小刀补刀加工。
2）刀具材料
在金属切削加工中，刀具材料也就是切削部分，要承受很大的切削力和冲击，并受到工件及切屑的剧烈摩擦，产生很高的切削温度。其切削性能必须要有以下方面。
（1）高的硬度：HRC62以上，至少要高于被加工材料的硬度。
（2）高的耐磨性：通常情况下，材料越硬、组织中碳物越多、颗粒越细、分布越均匀，其耐磨性就越高。
（3）足够的强度与韧性。
（4）高的耐热性。
（5）良好的导热性。
（6）良好的工艺性和经济性。
为了满足以上要求，现在的数控刀具一般由以下材料制成：
（1）高速钢，如WMoAl系列。
（2）硬质合金，如YG3等。
（3）新型硬质合金，如YG6A。
（4）涂层刀具，如TiC、TiN、Al2O3。
（5）陶瓷刀具。在高温下仍能承受较高的切削速度。
（6）超硬刀具材料。
3）刀具的选购
现在刀具大多都商品化及标准化，选购时要索取刀具公司的规格图册，结合本厂的加工条件，选择耐用度高的刀具，以确保最佳的经济效益。如果本厂产品变化不大，那么刀具种类应尽可能少而精。
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数控编程基础
1、编数控程序的作用
小疑问---为什么要编写数控程序？
因为数控机床是一种自动化的机床，加工时，是根据工件图样要求及加工工艺过程，将所用刀具及各部件的移动量、速度和动作先后顺序、主轴转速、主轴旋转方向、刀头夹紧、刀头松开及冷却等操作，以规定的数控代码形式编成程序单，输入到机床专用计算机中。然后，数控系统根据输入的指令进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令，控制各部分根据规定的位移和有顺序的动作，加工出各种不同形状的工件。因此，程序的编制对于数控机床效能的发挥影响极大。
2、数控程序标准
小疑问---数控程序是什么样子？
数控机床必须把代表各种不同功能的指令代码以程序的形式输入数控装置，由数控装置进行运算处理，然后发出脉冲信号来控制数控机床的各个运动部件的操作，从而完成零件的切削加工。
目前数控程序有两个标准：国际标准化组织的ISO和美国电子工业协会的EIA。我国采用ISO代码。
3、加工坐标系与机械坐标系
小疑问---加工坐标系与机械坐标系是一回事吗？
大部分立式数控加工中心或数控机床规定：假设工作台不动，操作员站在机床前观察刀具运动，刀具向右为X轴，向里为Y轴，向上为Z轴，均为右手笛卡儿坐标系。机床各轴回零在某固定点上，此点为机床的机械零点。
编程时在工件较方便找正的位置确定的零点为编程零点。模具厂的工件，因开始加工的坯料大多是长方体，一般零点选在工件的对称中心，也叫“四边分中”的位置，为X、Y轴的零点，Z值大多定在最高面处。
4、程序代码
在众多机床系统中，目前常用的数控程序代码是G代码。以下为FANUC系统指令中最为常用的且重要的指令。
1）运动指令
（1）G90为绝对值编程，G91为相对值编程。
（2）G00为刀具按机床设定的固定速度快速移动，也可写成G0。
如刀具从A(3.0,6.0,0.0)走到B(10.0,12.0,0.0)，则程序为N01 G90 G00 X10.0 Y12.0 Z0或N01 G91 G00 X7.0 Y6.0 Z0。
要指出的是，此程序不能用于切削，只能用于快速回刀，而且并不是按F值走直线AB，而是走折线ACB，如图1-1所示。
图1-1 沿ACB快速运动
要注意：正因为G00并不像计算机里显示的那样走直线，所以编程时移刀的安全高度要足够高，否则实际加工中可能出现过切，而计算机却查不出来。
（3）G01为按指定速度做直线运动，也可写成G1。
如刀具从A点(3.0,6.0,0.0)走到B点(10.0,12.0,0.0)，则程序为N01 G90 G01 X10.0 Y12.0 Z0 F500或N01 G01 G91 X7.0 Y6.0 Z0 F500。N01表示程序段号，可以省略，F500表示进给速度，每分钟走500mm。
（4）G02为顺时针圆弧，G03为逆时针圆弧，也可写成G2或G3。
如图1-2所示，在XY平面内，如刀具从A点(3.0，6.0，0.0)沿圆弧顺时针方向走到B点(10.0,12.0,0.0)，半径为6.0，圆心为C2(8.999,6.084,0)，则程序为G90 G02 X10.0 Y12.0 R6.0或G90 G02 X10.0 Y12.0 I5.999 J0.084。
图1-2 圆弧运动
如刀具从B点(10.0,12.0,0.0)沿圆弧逆时针方向走到A点(3.0,6.0,0.0)，半径为6.0，圆心为C2(8.999,6.084,0)，则程序为G90 G03 X3.0 Y6.0 R6.0或G90 G03 X3.0 Y6.0 I-1.001 J-5.916。R表示圆弧半径，I、J、K是圆心相对于起点的相对坐标。
这些都是模态指令，如前一程序段已指定，本条相同则可以省略。
知识拓展：有些机床的R指令可能是非模态，NC程序就不能轻易省略。有些机床的I、J、K要求是圆心绝对坐标值，则以上的NC程序就不能正常运行。刚接触新机床要注意这些问题。
2、坐标系设置
G54～G59一般为6个，但有些新机床可扩展到G540～G599。
3、补偿指令
G41为左补偿，G42为右补偿。沿着刀具前进方向看，刀具在加工轨迹的左边，就称作左补偿，否则为右补偿。G40为取消补偿。G43为刀具长度补偿，G49为取消长度补偿。
4、辅助功能
qM00为程序暂停，也可写成M0。
qM01为操作暂停，也可写成M1。
qM02为程序停，也可写成M2。
qM03为刀具正转，也可写成M3。
qM05为刀具停转，也可写成M5。
qM06为换刀，也可写成M6。在加工中心，刀具要根据在刀架中的排列位置确定刀号。如T5 M06，表示先选择T5刀，再用机械手将刀装上刀主轴中。
qM08为开冷却油，也可写成M8。
qM09为关冷却油，也可写成M9。
qM30为程序结束，纸带倒带或程序返回开始处。
注意：有些机床要求同一条语句只能有一个M指令，最后一个才起作用。为了保险起见，可把要加入的M指令分作不同的NC语句。其他不常用的代码不再介绍，如果今后工作中要用到，可参考机床说明书。
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编程软件简介
小疑问---复杂程序怎么编？编程软件有哪些？究竟哪个好用？
随着技术的进步，3D的数控编程一般很少采用手工编程，而使用商品化的CAD/CAM软件。
CAD/CAM是计算机辅助编程系统的核心，主要功能有数据的输入/输出、加工轨迹的计算及编辑、工艺参数设置、加工仿真、数控程序后处理和数据管理等。
目前，在我国深受用户喜欢的、数控编程功能强大的软件有Mastercam、UG、Cimatron、PowerMILL、CAXA等。各软件对于数控编程的原理、图形处理方法及加工方法都大同小异，但各有特点。因每种软件都不是十全十美，对于用户来说，不但要学习其长处，也要深入了解它们的短处，这样才能应用自如。
Mastercam是美国CNC Software，Inc公司开发的基于PC平台的CAD/CAM软件，最新版本为Mastercam X4，优点如下：
（1）研发团队开发加工功能的历史悠久。
（2）该软件能及时推出各种新的加工功能。
（3）该软件对系统运行环境要求较低。
（4）可以实现DNC加工。DNC（直接数控）是指用一台计算机直接控制多台数控机床，其技术是实现CAD/CAM的关键技术之一。
（5）利用Mastercam的Communic功能进行通信，而不必考虑机床的内存不足问题。
经大量的实践表明，用Mastercam软件编制复杂零件的加工程序较为方便，而且能对加工过程进行实时仿真，真实反映加工过程中的实际情况，是非常优秀的CAD/CAM软件。不足之处是：绘图功能没有UG、Pro/E及SolidWorks那样强大；新功能有时不够稳定。
Cimatron是以色列Cimatron软件有限公司开发的世界著名的CAD/CAM软件，它针对模具制造行业提供了全面的解决方案。Cimatron软件产品是一个集成的CAD/CAM产品，在一个统一的系统环境下，使用统一的数据库，用户可以完成产品的结构设计、零件设计，输出设计图纸，可以根据零件的三维模型进行手工或自动的模具分模，再对凸、凹模进行自动的NC加工，输出加工用的NC代码。优点是：基于知识的加工；基于毛坯残留的加工；实现完整意义上的刀具载荷的分析与速率调整优化；功能丰富、完善、安全和高效的高速铣削加工。不足之处是在模具加工中自动化功能有待完善和发展。
PowerMILL是一款独立运行的世界领先的CAM系统，它是Delcam的核心多轴加工产品。PowerMILL可通过IGES、VDA、STL和多种不同的专用直接接口接收来自任何CAD系统的数据。优点是：刀路稳定；五轴高速加工功能强大；计算速度较快，同时也为使用者提供了极大的灵活性。不足之处是添加辅助线或辅助面不太方便。
CAXA是Computer Aided X Alliance-Always a step Ahead（X：technology，product，solution and service …）的缩写，是联盟合作的领先一步的计算机辅助技术与服务。它是依托北京航空航天大学的科研实力，由北航海尔开发出的中国第一款完全自主研发的CAD产品。它是国人的骄傲，优点是按照中国人的思维和界面设计软件，易学易用。不足之处是普及程度不高。
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典型数控机床控制面板介绍
作为CNC数控编程员，首先要了解自己所编的程序是如何运行的，所以有必要学会某一种数控机床的操作，如果有条件，最好是能正确实际操机达到一定程度的水平，再学数控编程，这样可以使所编程序切合实际。
常用的典型数控系统有FANUC（日本）、SIMEMENS（德国）、FAGOR（西班牙）、HEIDENHAIN（德国）、MITSUBISH（日本）等公司的数控系统及相关产品，它们在数控行业中占据主导地位。我国数控产品以华中数控、航天数控为代表，也将高性能数控系统产业化。
如图1-5所示为某一个FANUC系统的控制面板。
图1-5 控制面板
其中，各功能键的作用如下。
（1）位置功能键POS：在CRT上显示当前位置坐标值。
（2）程序功能键PRGRM：在编辑（EDIT）方式下，进行存储器的编辑、显示；在手动数据输入（MDI）方式下，可方便用户手工输入数控指令；在自动方式（AOTO）下，进行程序和指令显示。
（3）刀具补偿功能键MENU/OF SET：坐标系、补偿量及变量的设定与显示，包括G54、G55等工件坐标系、刀具补偿量和R变量的设定等。
（4）参数设置功能键OPR/ALARM：在CRT操作面板上显示和报警显示。
（5）图形功能键AUX/GRAPH：结合扩展功能软键可进入动态刀路显示、坐标显示以及刀具路径模拟等有关功能。
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数控机床操作要领及注意事项
下面介绍典型数控铣床的机床操作面板的操作要领。
（1）电源接通。要检查各电表是否正常、气压表是否正常、油水仪表是否正常。如无问题可按POWER ON按钮接通电源，几秒钟后机床自检，CRT显示坐标。如出现报警信息，先自己分析排除，解决不了的，立即报告上级请专业人员处理。如正常可进行接下来的操作。
（2）机床回参考零点，手动或自动，以便使机床正常运转。
（3）分析数控程序单，对照编程图形，了解整个走刀情况、对刀方式及装夹方式；准备刀具、量具及夹具；在机床上按要求装夹工件。
（4）工件分中找正，将工件坐标系零点的机械值输入到G54、G55等存储器。
（5）装上刀具对刀，将长度补偿值输入到H值。
（6）复制数控程序，根据现有的刀号、补偿号修改程序的头部及尾部。
（7）开高压气吹风。
（8）在DNC状态下通过DNC网络传送数控程序。
（9）一开始要慢慢进刀，等待刀切入工件时，切削平稳正常时才将进给倍率开关调到正常速度。调转速开关，使声音洪亮，切削平稳时为止。根据要求确定合适的转速S及进给F，使每刃切削量达到合理高效的要求。
（10）如果加工钢件，开粗时要密切关注刀粒的磨损程度，发现有问题要及时调整或更换。
（11）要对自己所使用的机床精度、刀具转动精度及加工误差有所了解，要和编程员密切沟通，使光刀时留足够多的余量。
（12）加工完成要在机床上对照编程图形进行测量。如不合格，要分析原因。要通过调整编程余量重新编程或调整补偿数再加工，直到合格为止。合格后才拆下。清理机床，准备加工下一件。
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数控技术的发展趋势
根据国内外的有关资料得知，当今数控技术的发展方向如下：
1）具有更高精度、更高速度的高速机床不断地普及、发展和完善。
2）多功能化并配有自动换刀机构的各类加工中心在多个CPU和分级中断控制方式下可实现“前台加工，后台编辑”，还可实现多台机床联网，对多台机床进行群控。
3）采用人工智能专家诊断系统，对机床进行自我控制、自诊断、自修复，以实现无人化作业。
4）CAD/CAPP/CAM集成技术的运用使编程不再依赖于编程员个人水平的高低而是直接从数据库调用成熟的工艺参数。
5）通过改进结构，机床的可靠性能大大提高。
6）控制系统的小型化。
但是目前只有少数发达国家和地区部分工厂可达到以上水平。在我国要全面达到上述水平，还需要科技人员经过很长时间的努力。
我们的工程技术人员必须立足于各公司目前的现状，学好数控技术，才能充分发挥设备的功效，努力提高生产效率和应用水平。
小疑问---先进制造技术发展了，将来CNC编程员会失业吗？
将计算机技术运用于工程制造，这是工业界的一次革命。现代制造除了数控加工外，还有很多先进的制造手段先后出现，如立体光固化（SLA）、熔融沉积造型（FDM）、分层实体制造（LOM）、选择性激光烧结（SLS）、三维打印（3DP）等，最有发展前途的是SLA激光快速成型技术。
SLA激光快速成型技术已经开始应用于产品开发及制模行业中，它是利用计算机软件把产品3D图（一般转化为STL文件格式）按水平面切成一系列截面，计算机控制激光头按照产品截面图向感光树脂照射，导致它凝固成约0.1mm的薄层。这样一层接着一层凝固，就形成一个与3D图相同的立体零件。
目前，这项技术主要用于快速首板（也叫手板）的制造。对于金属成型也已出现，但成本高，精度差，还处于试验阶段，未能普及。所以未来相当长的一段时间内，至少20年内，数控加工仍是制模行业的主要加工手段。
知识拓展：SLA也俗称RP，现主要用于快速手板制造。开发产品时可以先找来类似的产品用激光3D扫描，生成3D图，修改产品外形，然后转化为STL文件格式，用此文件就可以制作快速手板。完成后再进行外观丝印喷油，装上电子元件就成为有实际功能的仿真机交由客户在市场上推广、宣传或展览以寻求订单。这样可以大大缩短产品开发周期。
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模房编程师的编程过程
1、CNC团队的运作流程
首先接收客户产品设计的3D图，进行制模及注塑的可行性分析，若无问题就进行模具设计，分模得到模具3D图及镶件铜公图，根据这些3D图进行数控CNC编程，生成数控CNC程序，传送给数控CNC车间，加工模件，
2、数控程序质量的标准
小疑问---什么样的NC程序才算最好？
衡量数控程序好坏的标准是：最少的加工时间、最小的刀具损耗及加工出最佳效果的工件。这3项指标是相互矛盾的，但又相互依存，需要在实践中找到其平衡点，达到效益最佳化。
3、规范化及标准化在编程中的作用及意义
在一个车间可以根据总公司的质量政策来建立一系列标准工作制度，规定图形的命名规则、数控程序的命名规则、刀具切削参数的选取规范、工件检查标准及装夹定位规范等，大家共同遵守，可以避免很多错误。
可以在UG中建立标准模板，建立公共的工艺参数。使编程质量不再依赖于编程员个人水平的高低而是直接从数据库调用成熟的工艺参数。发挥集体的聪明才智，提高效率减少出错。
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塑料模具制造
1、制模流程
首先接收客户产品图形，评估报价，接收PO（即订单）后就确定开模；紧接着就进行模具设计、订料、数控编程、数控加工、EDM电火花放电加工、EDW线切割加工、模件抛光（也叫省模）、组装模件、试模及交板给客户等，如图1-8所示。
2、CNC在制模中的重要性
在整个制造流程中可以清楚地看到，CNC加工是关键环节，一旦出现问题，延误时间，那么整个制模周期就会拉长，模具就不能按时试模，不能按时向客户交付，影响很大。CNC加工占整个加工工作量的比例很大，所以CNC在制模中是非常重要的。而CNC程序的好坏直接对CNC的加工效率、加工效果及制模成本影响很大，所以各模厂的老板一般都不惜重金聘请高水平的CNC编程工程师。
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对初学者的忠告
小疑问---只有初中文化程度，能学好CNC吗？
1、学好UG数控编程应具备的知识
CNC编程是一项综合性的技能，要学好，单有热情是不够的，还必须事先学好一定的基础知识，这样才能真正理解并能灵活运用于实际工作。
要能用UG或其他软件进行基本的3D绘图和基本的操作。因为要使刀路优化必须要整理图形、修改图形，有时还要增加或减少辅助线、辅助面。
机械加工及制图的基本知识。这是干好这一行的基础知识，建议大家边工作边学。
能使用Windows操作系统及Office软件。
有初中或初中以上的几何知识。因为本书所阐述的就是几何图形，要多联系所学的几何知识，这样能使问题的理解简单化。
在工厂中，有不少是只具有初中毕业程度的朋友，他们经过了不懈努力，掌握了以上基础知识就到电脑培训班学习UG编程或自学，后来有机会就到工厂从事数控编程，通过努力，最终成为老板眼里的“香饽饽”。
2、将学到哪些内容
对初学者的建议是可将知识分类学习。
1）一般性了解的内容
CNC的基本工作原理。
CNC加工工艺。
编程的基本知识——NC程序格式及手工编程。
针对机床的后处理制作。
UG NX7在数控编程方面增强的功能介绍。
2）一般性理解的内容
UG软件的编程加工参数介绍。这部分内容可多次阅读，逐步理解。
3）重点掌握各种模件编程步骤
铜公数控编程。
前后模编程。
模胚编程。
行位编程。
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