数控程序的优化

周升霞66

程序优化的目的是什么？标准是什么？如何去做？
目的是为了，加工出来的零件质量更高，加工的效率更高，加工的次序更合理，程序的体积更小。
数控程序的优化
质量更高，这是个比较含糊的概念，对具体某个零件来说，一般的区分是合格跟不合格之分，很少评价它是否质量更高。其实是有办法确定的，表面粗糙度度是质量的一个项目，它是一个连续的概念，对以一个具体的零件来说，一般认为粗糙度愈小愈好，两个零件所有尺寸都一样（这只是假设，实际是不可能的），只是粗糙度不同，会认为粗糙度小质量更高。对于薄壁零件的尺寸，两个都合格的放到一起，一般认为变形更小的那个质量更高，薄壁部分尺寸波动小的质量更高。加工过程中，工件难免变形，当然是愈小愈好。这也是区分质量更好的标准之一。

对于加工出的成批的零件，其中难免有不合格零件，同样一种零件，用不同的程序、刀具、工艺次序、机床（这里剔除人为因素），加工出来是有差别的，有不同的合格率，外观会有不同的刀纹，粗糙度，变形量（尤其是薄壁件）等。这些都是是用结果来区分程序质量那个更好，这是检验员常用的评价标准。

效率更高，同一零件的不同程序，它的效率是不同的，这里剔除机床、刀具、人等因素。当然是时间越短越好。这里的前提是合理的使用机床，而非牺牲机床寿命的野蛮操作（认为超出机床能力加大切削量、极限使用机床转速）。用效率评价程序这是管理人员的标准。
合理安排加工次序，切削量，优美的高效的刀路，最能体现编程者的技术和经验。这是编程者对不同程序的评价，也是同行之间的评价依据。
对于一个很复杂或有很多型腔的零件，加工先后的次序很重要，几乎直接关系关系的零件的质量，甚至能否加工出合格的零件。在这个次序的安排中（还有刀路），有很多的技巧、和经验在其中，程序的体积也是可以大幅度压缩的，

如何才能优化程序？具体的做法是什么？
质量更高，必须付出更高的成本，如需要更好的刀具，更好的机床，降低加工效率。这没有必要，也不是优化的主要目的。只要这个程序能加工出合格的成批零件就可以。不增加成本，不降低效率前提，纯粹优化程序实现提高加工质量、效率才是优化的目的。

以效率为目的的优化，这里的潜力很大。分析加工时间组成，一个加工循环是
准备（程序、工装准备）+装工装卸件时间+加工时间
加工时间是程序运行过程，加工时间=换刀时间+空走刀时间+加工时间。各个机床的换刀时间是固定的（出厂已经设定好的），程序中的换刀时间就是换刀次数X换刀时间，减少换刀次数，可以减少总的换刀时间。在编排次序时，同一把刀尽可能一次加工完所有的加工单元，合并需要相同的加工要素。一个简单的例子，加工一组孔，十个一排等距的孔，次序是，中心钻点孔——钻头钻孔——粗镗孔——精镗孔，第一种加工次序种安排是：逐个加工，先对第一个孔用中心钻点，然后换刀钻，再换刀镗，再换刀精镗，加工完第一个孔后，重复同样的步骤加工第二个孔，如此至完，这个过程需要换刀是40次，第二种方案是，中心转点完所有的孔（十个），换刀钻所有的孔，每把刀加工完所有的元素，这个方案是，换刀共4次。

一个复杂的程序，可能用到很多刀具，这些刀具中有些刀具需要反复调用，这时需要考虑合并相同的加工元素，减少换刀次数。减少换刀次数压缩时间是有极限的，一个程序的换刀次次数最低是刀具的个数，再者现在先进的机床换刀时间已经很短了。

路径优化（最短），空走刀时间，是刀具从一个加工单元走到下一个单元（程序中的G0），每个程序中都有大量的空刀路，尤其是有大量孔的时候。会更多。总空走刀的时间是：空走刀的路线长度X移动速度。刀具的快速移动（G0）是个固定值，减少路线长度可以缩短时间。合理的安排次序，可以大幅度减少这个值。还是以前面十个孔为例，加工完第一个孔，然后去最远的孔，也就是第十个，这个完后选剩下最远的孔第二个，如此循环，这个路线最长，（9+8+7+6+5+4+3+2+1），是45 ，若每次选择最近的孔，则是（1+1+1+1+1+1+1+1+1）9，最长路线和最短路线分别是45和9，这个差别非常大，当一个零件很复杂有大量的孔时，这里就有大量的空刀路需要压缩。这个空路线也是有极限的（寻求最短路线是个复杂计算过程需要花费时间）可以依靠CAM软件求解较优路线。
切削时间的长短有两种计算方法，一是需要切削总量除以单位切削率，二是：刀具路线长短除以走刀速度，对于粗加工来说，这两个计算公式有不同的应用范围，一般粗加工用第一种计算，具体某个零件来说，它需要去除的量是一个定值，减少时间就是要加大单位切削率，在允许的情况下尽可能用大刀具，选用齿数多的刀具。每个齿切削固定不变的情况下，提高转速，计算出进给，这种方法可参考刀具使用手册的参数。也要参考机床参数。
在铝材料盘类型腔零件，可推荐使用小盘刀，俗称的飞刀，这种刀具，直径大，齿数多，锋利，耐磨，长期使用成本低，缺点是一般刀长比较短，它的变种是镶齿刀，直径较小，齿数少，但刀长，两种可以配合使用提高效率。
第二种计算方法，适用半精加工、精加工，不是以去余量为目的。这个阶段要合理的安排加工次序，走刀路线、轨迹。防止工件变形。常见的走刀路线策略有三种，各有优缺点。可根据加工特点选择。
对于以去余量为目的的粗加工，有一种高效的加工方法，就是高速加工，高速加工现在应用越来越广泛, 它的优点很多：可以缩短生产周期、提高表面光洁度、难以加工的材料。相对与传统的工艺、加工，他的技术含量也提高不少，是零件加工的全新途径，是质的变化。它集成多种技术，不仅仅是高速主轴和快速精密进给在机床上的简单结合，而且是一个系统的工程，没有工艺、刀具的支持，是不能实现的。

现在数控加工中心的刀路一般都是用CAM软件自动生成的，常用的CAM软件有UGS、Mastercam、Pro/E、Delcam、PowerMill、Cimatron E等。每种软件都有自己的特点和优势。高速加工因为其主轴转速很高，进给很快，所以其刀路有自己独特的要求，对于生成的刀路我们要判断他是否适合，最基本的要求是①刀路平滑、柔和、顺畅、连续，②不可以急剧改变、转向。③切削均匀，不可忽大忽小。下刀、出刀方式合适。常见的高速刀路如图，是一条首尾相连的圆弧曲线。
而仿形直线刀路的缺陷是，在拐弯处切削量突然变化。而且变化剧烈。如图，假设工件外形余量均匀，（直线刀路在挖槽时很多是仿外型走的）刀具在不同的位置，它切削扫过的面积是不同的，最大是131.8，最小是55.4，最大是最小的2.37倍，这只是一个简单的示意图，当加工余量不同，刀具大小不同，这些是有变化的，也有关联，刀具直径增大切削变化减小；余量减小，切削变化也在减小。高速切削时，刀具的转速非常高，走刀速度也非常高，在很短时间里，切削量在无规则的剧烈变化，刀具很容易断，而且因为刀路也在剧烈变化，机床的负载也在剧烈变化。在传统的低速切削时，这些因素可以不必太在意，但高速时就必须考虑了。而连续的圆弧刀路，则可以避免出现以上这些情况，一是他的刀路轨迹是一连串的圆弧，中间没有剧烈变化，二是的每次都有进刀和退刀，每次进刀的间距是固定的，退刀后根据工件的外行调整下一次的进刀位置、方向，保证个周期切削量固定。这种刀路也有缺点，就是有大量的冗余空刀路（没有切削工件），刀路轨迹很长，几乎是有一半是冗余，但是他的速度很快，单位时间的切削量

却是增加的。
这里以常用的MASTERCAM软件为例，介绍下常用的刀路，高速刀路一般有三种，

如图，第一种，全部刀路都是由圆滑的弧线首尾相连组成，第二是只有在曲率变化大的地方用圆弧替代，第三种就是两者结合，第一种，刀路很长，几乎有一般是没有切削的空刀路，程序也很大，优点是可以保证每个切削周期均匀，第二种，刀路最短，但是它做到了刀路平缓、柔和。
一般常用的CAM 软件都有这些相应的功能选项，应用时，可以根据实际需要来选择相应的参数选项。这里不赘述。




  对于道路的优化，目的是使道路更加合理，刀具每个齿的切削量均匀，每个周期的切削量变化尽可能的小，整个切削过程平稳。
  对于程序的优化，用宏程序来替代普通的程序，一个简单的例子，在平面上有个空的矩阵，孔的排列是规律的，可以用数学方程表达，这时就可用宏程序来解决，程序可以很短，可以控制在20句里，这个程序跟孔的数量没有关系，不管有多少孔，在程序里，只要关系逻辑表达正确，程序不用验证就可以直接应用，省去普通程序繁琐的逐点检查，可节约大量的首件加工时间。
对于有规律的曲面，可以用样条曲线程序，程序中直接表达的是样条曲线，（而不是传统的点到点的表述，）它的加工效率、精度更高。但是这种程序需要机床的支持，一般出现在高档设备
对于切削参数的获得，一般有如下几个途径，一，是个人在实践中获得经验，二是现有的切削库数据库获得，三是刀具厂家的提供的手册。这几种方式都有优缺点：第一种方式，他的数据是很安全可行的，应为经过了检验，但他是保守的，没有发挥最大的效率。第二种方式数据库有别人提供和自己单位建设的，现在有很多的CAM软件都提供了推荐数据，根据不同的刀具和被切削的材料，自动在程序生成过程中加入参数。这种方式缺点是没有考虑机床的性能，不可以把它直接应用，它是参数是刀具和材料是匹配的，效率很高。第三中和第二种的优缺点是相同的。
在最总的选择参数中应该以第二第三作为参考，在实践中变通。
程序的优化是有极限的，而且程序很大程度还跟刀具相关，要提高效率，就需要切削性能更好的新型刀具，这需要增加投入。