复杂花瓣状零件加工--机械论文.docx

复杂花瓣状零件加工摘要本文主要利用Master CAM对机械复杂零件加工的应用。文中对零件加工的数控工艺进行分析，对工件的装夹与补偿、刀具选择、切削因素等方面的工艺分析进行设计。文中对零件的数控加工程序进行设计。并对加工工艺进行了仿真，仿真结果较为理想，顺利完成零件予以的各项要求。关键字:CAM软件、工艺参数、仿真加工、CNC程序Petal shaped complex parts processingAbstractThis paper mainly uses the Master CAM to the application of complex mechanical parts processing. Analysis of NC machining process on the machining in this paper, the workpiece clamping and compensation, tool selection, cutting factors and other aspects of the design process analysis. The NC program of the parts design. And the process is simulated. The simulation results are satisfactory, the successful completion of the parts to be required.Keywords: CAM software, process parameters, simulation processing, CNC program目录1 引言41.1引言41.2 Master CAM软件的功能51.3 Master CAM对硬件的一些要求和安装要点72 绘制零件加工图82.1绘制工件的底面图82.2绘制工件的上面图92.3完整的二维图102.4绘制底面的实体图102.5绘制上面的实体图112.6完整实体图123 工艺分析123.1工件的工艺分析123.2工件的装夹与定位133.3刀具选择133.4确定切削用量143.5数控加工工艺卡片144工件底面的CAM建模154.1确定毛坯尺寸和对刀点154.2底面轮廓加工刀具路径164.3底面加工刀具路径和仿真加工结果194.4上面部分加工194.5上面轮廓加工刀具路径204.6上面花瓣加工244.7上面加工刀具路径和仿真加工结果265 实际问题解决265.1生成NC代码265.2出现的问题及解决方法27全文总结27致谢27参考文献28 复杂花瓣状零件加工1 引言 1.1引言随着数控技术的迅速发展，数控机床的在工厂中的应用已日益普及，现代制造业广泛采用数控技术以提高工件的加工精度和生产率。随着数控机床的大量使用，社会对数控技术人才的需求也越来越大。由于加工的零件越来越复杂，相关软件的应用也越来越频繁了，因而CAD/CAM技术在数控加工领域中也显得越来越重要了。CAD/CAM技术对工业界的影响有目共睹，它极大地促进了产品质量、生产效益的提高和设计制造成本的降低，从一定角度来说，它甚至使设计和生产变得生动，大大减少了人们的重复和繁琐的简单劳动，使人能最大限度地运用自己的头脑来完成设计和生产工作，设计和生产成为了一种创造艺术品的过程。Master CAM软件是美国的CNC Software公司于1984年首次推出至今的CAD/CAM软件，经历了数十次的版本升级与换代更新，现在发展到了Master CAM9.0版，最新的一版。Master CAM软件是目前国内外工业和企业应用最广泛的软件。使用该软件可以帮助从事数控工作的人员完成产品的“设计-工艺规划和工艺分析-加工制造”这一过程中的最核心的一些问题，这一过程不仅轻松精确而且高效直观，让相关人员感觉到像一种艺术的享受。相关人员应该掌握此软件的一些使用方法和一些绘图技巧，能用此软件进行二维图形的绘制、三维曲面图形的绘制并进行相关数控加工，掌握数控加工的一些方法。此软件对计算机的硬件要求不是很高，而且操作起来非常灵活，是一个易学易用而且具有良好的性价比的软件，收到很多企业用户和技术人员的的喜爱，并且广泛的应用于机械加工、模具制造、汽车工业和航天工业等一些领域，是目前世界上应用最广泛的绘图软件之一。1.2 Master CAM软件的功能Master CAM9.0版中总共包含了四个模块：第一模块：Design-设计模块；第二模块：Mill-铣削模块；第三模块：Lathe-车削模块；第四模块：Wire-线切割模块。其中后三个模块都包含了第一模块Design模块的内容。Master CAM通常要完成三个方面的工作：1）二维方面的绘图和三维方面的造型 在二维空间（即平面上）里得到的图形的过程称为二维平面绘图，而在三维空间里得到的是一个虚拟的形体，这种的绘制过程我们通常称为三维曲面造型。 利用这个软件我们可以非常方便地完成各种平面图形的绘制工作，而且还能非常方便地对它进行一些尺寸的标注、图案的填充（比如如画剖面线）等一些工作。 利用这个软件我们还可以非常直观地用很多种方法来创建一些规则的曲面（比如圆柱面和球面等）和一些非常复杂的异形曲面（比如波浪形曲面和鼠标状曲面等），并且能够非常容易的修改。我们把利用这种方法创建的曲面模型的过程称为表面造型。 利用这个软件我们也能够非常随意地创建一些基本的实体，联合多种编辑的功能可以创建一些比较复杂的实体，并可非常灵活地进行一些修改。实体建模的方法采用的是现在最流行的Parasolid核心（另一种核心是ACIS）。创建实体模型的过程我们通常称为实体造型。 我们创建出来的三维表面模型或者是实体模型都是可以进行着色的，可以赋材料和设置一些光照效果的处理，通常我们把这个过程称为渲染，一些经过合理渲染的模型，加上能够非常容易地对模型进行任意旋转和移动，产生的效果非常逼真，是让工人非常振奋的操作。2）生成加工的刀具路径 利用Master CAM软件的最终的目的是要将我们设计出来的作品进行加工，我们仅能在电脑上完成设计的模拟加工，但是此软件能够产生在数控机床上实际加工时所需要的加工程序单。 加工时需要使用一些刀具，当然只要是被运动着的刀具所接触到的材料都将被切除，因此刀具的运动轨迹事实上决定了零件加工后的形状，所以设计刀具的运动轨迹是非常重要的，我们把刀具的运动轨迹统称称为刀具路径。 Master CAM软件能够生成二维的刀具路径，即刀具在连续的切削加工过程中不下降也不上升（这是对立式数控铣床而言的），只是简单的在X和Y方向进行联动，这样的刀具动作对Master CAM来说确实是大材小用了。需要进行这样的操作的有：刮平面，挖槽（包含刻字）、铣轮廓（如平面凸轮）等，钻孔当然也是属于二维的刀具路径，因为孔和孔之间的位置移动是属于在二维平面内的移动，钻孔的深度可以由工人设计（特别是一些通孔），但是Master CAM软件可以为它设计控制动作的一些相关的语句。 曲面或非水平的实体面的加工就需要同时控制X、Y、Z三个方向的运动了，我们称为三轴联动，例如铣削球面的操作，对于手工操作来说是不可想像的，但在数控机床上能够非常轻松的做到这一点，还可以四轴联动和五轴联动等（我们统称为多轴加工）。Master CAM软件中为三维面的加工设计了10多种的加工方法，如放射状的铣削、流线型的铣削、投影铣削、平行式的铣削、环绕等距式的铣削、插削式的铣削等等，利用刀具运动的不同轨迹加工出质量非常高的三维面。我们可以酌情的选择合适的加工方法，生成三维的刀具路径。 我们创建刀具路径时要对刀具进行选择，可以在软件中看到各种生产中常用的刀具，甚至还可以自创新刀具。刀具的规格尺寸可以自由选择或者自行设置，当然要与实际相符。另外，加工所需的工艺参数（速度、切削深度等等）都可以设置或者自动计算出来。3）生成加工所需要的数控程序，并进行模拟加工 上面的操作还只是完成了对刀具路径的规划，当在数控机床上正式进行加工时，还需要一份完整地对应于机床上的控制系统的程序-要符合ISO（国际标准化组织）或EIA（美国电子工业协会）标准规定的G代码程序。Master CAM软件能够在图形和刀具路径的基础上，自动而且迅速地生成加工所需要的程序，而且还允许我们根据工作经验或者是加工实际条件对它进行一些修改和调整。不同的数控机床采用的控制系统通常是不一样的，所以生成的程序是有一些差别的，Master CAM软件可以根据我们的选择生成符合系统要求的加工程序，我们把这样的过程称为“后置处理”，简称为后处理，系统中自带了一些国际上常用的数控系统的后处理程序，还可以进行一些扩充，以此来适应各种不同的数控系统的基本需要。 为了使我们更直观地观察加工过程、判断刀具轨迹和判断加工结果的正误，Master CAM软件中设置了一个功能非常齐全的模拟器，我们可以在屏幕上就能预见到“实际”的加工过程，具有真实感，我们还可以设置一些实际加工时做不到的效果（如进行透明处理、不同的刀具加工的表面设置不同的颜色等等），加工所需的机动时间也是可以统计出来的. 生成的数控程序（NC程序）能直接传送到与计算机相连的机床，数控机床将按照传入的程序进行加工，而加工的过程和结果与我们在屏幕上见到的是一模一样的。如果我么需要一份加工清单，也是能够做到的。 除了以上的一些主要功能，Master CAM软件还能够完成一系列的辅助工作，比如与别的一些软件进行数据交换（能够“看懂”别的软件中画出的图形，等等）、计算面积、查询坐标等等。对屏幕的状态、工作的环境、图形效果等的设置是灵活的。1.3 Master CAM对硬件的一些要求和安装要点运行Master CAM软件对计算机的要求不是很高高，现在家庭或单位购买的计算机都能够很好地满足使用要求，对一些常规的工作（绝大多数情况下如此，非常复杂的三维形体创建和加工的情况并不是很多见)而言，目前的购机配置是有点“奢侈”的。因为对计算机硬件的配置要求很低，再加上简易的安装方法和简单的设置，是很多用户所青睐的。Master CAM软件的安装方法是非常简单的，我们可以按照软件说明书或说明书文件的一些简单介绍成功的安装，对许多国内用户来说，要特别注意在安装过程中按照一些安装提示选择米制单位（Metric Units）进行安装。总之，Master CAM软件的性能非常优越，而且功能非常强大，运行相当稳定，易学易用，再加上对硬件的要求很低，是目前应用最广泛的，在实际应用和教学方面均适宜的，开发和推广非常成功的CAD/CAM集成软件，非常值得从事相关工作的人员学习并掌握。2 绘制复杂花瓣状零件加工图2.1绘制复杂花瓣状零件的底面图利用矩形命令、直线命令、圆弧命令、曲线命令和修剪命令绘制工件的底面和上面图形，见下图。 2-1底面的二维图 2-2底面的尺寸图2.2绘制复杂花瓣状零件的上面图 2-3上面的二维图 2-4上面尺寸图2.3完整的二维图 2.4绘制底面的实体图 通过拉伸实体命令(SolidsExtrude), 绘制工件底面基本框架。拉伸实体参数设定见下图。 2-5拉伸实体参数设定 2-6底面实体图 2.5绘制上面的实体图通过拉伸实体命令(SolidsExtrude), 绘制工件上面基本框架。拉伸实体参数设定见下图。 2-7拉伸实体参数设定 2-8上面实体图2.6完整实体图 2-9完整实体图3 工艺分析3.1工件的工艺分析 由图2-9可知，工件可以在立式的加工中心或者是立式的铣床上进行两次装夹加工完成。零件毛坯的尺寸为90mm90mm21mm。在数控加工工序中，要按照先粗后精的加工方法，即按照粗加工一半精加工一精加工的步骤进行加工，当然为了保证加工工件的质量和刀具的正常切削，其中，工件的底座要在线切割机床上进行初步的加工。在加工上面时，利用平行铣削方式进行粗加工，再采用平行铣削方式进行精加工。粗、精加工过程中，要注意干涉面的合理选择。3.2工件的装夹与定位 工件的外形是正方体，属于箱体类零件，要采用平口钳进行定位与装夹。平口钳要采用百分表进行校正，基准钳口与机床X轴要保持一致并且要固定在工作台上，预加工的毛坯装夹在平口钳上，上顶面露出钳口的部分至少要22。采用的对刀方式要能够找出毛坯在X和Y方向的中心点与机床坐标系中的坐标值，来作为工件坐标系的原点，Z轴坐标原点通常设定在毛坯的上表面，工件坐标系通常设定于G54。底面加工好以后，取下，换一面进行二次装夹，加工工件的上面轮廓和曲面，并校准，确保工件的坐标原点选择正确。3.3刀具选择根据工件的加工工艺分析，制定工件的加工工艺路线为：（1）加工底面 采用20的面铣刀进行毛坯的表面加工；采用12的平铣刀进行底面外形轮廓的加工；采用14的平铣刀进行底面内轮廓的加工；采用12的钻头进行底面孔的加工。（2）加工上面 采用12的平铣刀进行上面外形轮廓的加工；采用5的平铣刀进行曲面的粗加工；采用2的平铣刀进行曲面的精加工；采用5的平铣刀进行花瓣二维挖槽；采用2的牛头刀进行花瓣挖槽精加工。具体刀具选择见表3-1。 3-1数控加工刀具卡片序号刀具号刀具规格名称加工面1T0120面铣刀底面平面2T0212平铣刀底面外轮廓3T0314平铣刀底面内轮廓4T0412钻头底面孔5T0512平铣刀上面轮廓6T065平铣刀曲面7T072平铣刀曲面8T085平铣刀花瓣二维挖槽9T092牛头刀花瓣曲面挖槽精加工3.4确定切削用量在工件在进行铣削加工时，我们应该根据加工表面的粗糙度适当的留一些加工余量。对于一些铣削比较困难的地方，如果加工表面的粗糙度比较差，那么应该适当的多留一些余量；然而对于平面和沟槽曲面等非常容易加工的地方，应该尽量降低加工表面的粗糙度值，一方面可以减少工作量，另一方面还可以避免因为大面积的修锉而影响了工件的精度。本工件加工过程中，外轮廓和内轮廓以及孔都不需要精加工，只有曲面要留余量0.3mm，然后再精加工去除余量，达到生产要求。3.5数控加工工艺卡片为了更好地编程和加工操作，把该零件的加工顺序、所有刀具和切削用量等参数编入表3-2的数控加工工艺卡中。 3-2数控加工工艺卡片工步号工步内容刀具号刀具规格主轴转速/（r/min）进给速度/（mm/min）切削深度（mm）1铣平面T0120800500-12底面外形轮廓加工T02121000600-113底面内轮廓加工T03141000600-114钻孔T0412800500-115上面轮廓加工T05121000600106曲面粗加工T0658005000.77曲面精加工T0728005000.38花瓣挖槽T0858005009花瓣挖槽精加工T09280050024工件底面的CAM建模4.1确定毛坯尺寸和对刀点 利用Master CAM系统提供的创建毛坯命令（ToolpathsJob setup）,来确定加工工件所需的毛坯尺寸为（90mm90mm21mm），然后将中心移到系统坐标的原点，以便于加工时用工件中心进行对刀。设定工件参数见下图。 4-1工件参数设定4.2底面轮廓加工刀具路径（1）选择ToolpathsFaceChain命令，进行底面平面铣削加工。 点击边框，单击Done命令，系统弹出对话框。单击“Tool parameters”选项卡，从刀具库中选出20的面铣刀，单击“OK”，设置刀具加工参数见图4-2。 4-2设置刀具参数 4-3 设置Face parameters 参数（2）单击“Face parameters”选项卡，设置参数见图4-3。（3）单击“确定”，生成平面加工刀具路径和加工结果。（4）选择ToolpathsContourChain命令，进行底面外形轮廓铣削加工。 点击边框，单击Done命令，系统弹出对话框。单击“Tool parameters”选项卡，从刀具库中选出12的平铣刀，单击“OK”，设置刀具加工参数见图4-4。 4-4设置刀具参数 4-5设置Contour parameters 参数（5）单击“Contour parameters”选项卡，设置参数见图4-5。 （6）单击“确定”，生成底面外形轮廓加工刀具路径和加工结果。（7）选择ToolpathsContourChain命令，进行底面内轮廓铣削加工。 点击边框，单击Done命令，系统弹出对话框。单击“Tool parameters”选项卡，从刀具库中选出14的平铣刀，单击“OK”，设置刀具加工参数见图4-6。 4-6设置刀具参数 4-7设置Contour parameters参数(8)单击“Contour parameters”选项卡，设置参数见图4-7。(9)单击“确定”，生成底面内部轮廓加工刀具路径和加工结果。(10)选择ToolpathsDrillChain命令，进行底面孔加工。点击孔，单击Done命令，系统弹出对话框。单击“Tool parameters”选项卡，从刀具库中选出12的钻头，单击“OK”，设置刀具加工参数见图4-8。 4-8设置刀具参数 4-9设置Simple drill-no peck参数(11)单击“Simple drill-no peck”选项卡，设置参数见图4-9。(12)单击“确定”，生成底面孔的加工刀具路径和加工结果。4.3底面加工刀具路径和仿真加工结果 4-10刀具路径 4-11仿真加工结果4.4上面部分加工 利用Master CAM系统提供的创建毛坯命令（ToolpathsJob setup）,来确定加工工件所需要的毛坯尺寸为（90mm90mm20mm），然后将加工的中心移动到系统坐标的原点，以便于加工时用工件中心进行对刀。设定工件参数见下图。 4-12工件参数设定4.5上面轮廓加工刀具路径(1)选择ToolpathsContourChain命令，进行上面外形轮廓铣削加工。点击边框，单击Done命令，系统弹出对话框。单击“Tool parameters”选项卡，从刀具库中选出12的平铣刀，单击“OK”，设置刀具加工参数见图4-13。 4-13设置刀具参数 4-14设置Contour parameters 参数(1)单击“Contour parameters”选项卡，设置参数见图4-14。(2)单击“确定”，生成上面外形轮廓加工刀具路径和加工结果。(3)选择ToolpathsContourChain命令，进行上面上部外形轮廓铣削加工。 点击边框，单击Done命令，系统弹出对话框。单击“Tool parameters”选项卡，从刀具库中选出12的平铣刀，单击“OK”，设置刀具加工参数见图4-15。 4-15设置刀具参数 4-16设置Contour parameters 参数(4)单击“Contour parameters”选项卡，设置参数见图4-16。(5)单击“确定”，生成上面上部外形轮廓加工刀具路径和加工结果。(6)选择ToolpathsContourChain命令，进行上面底部外形轮廓铣削加工。 点击边框，单击Done命令，系统弹出对话框。单击“Tool parameters”选项卡，从刀具库中选出12的平铣刀，单击“OK”，设置刀具加工参数见图4-17。 4-17设置刀具参数 4-18设置Contour parameters参数(7)单击“Contour parameters”选项卡，设置参数见图4-18。(8)单击“确定”，生成上面上部外形轮廓加工刀具路径和加工结果。(9)选择ToolpathsSurfaceRoughParallelUnspecifiedSolidsFaces命令，进行上面曲面粗加工。 单击Done命令，系统弹出对话框。单击“Tool parameters”选项卡，从刀具库中选出5的平铣刀，单击“OK”，设置刀具加工参数见图4-19。 4-19设置刀具参数 4-20设置Surface parallel参数 4-21设置Rough parallel parameters参数(10)单击“Surface parameters”选项卡，设置参数见图4-20。(11)单击“Rough parallel parameters”选项卡，设置参数见图4-21。(12)单击“确定”，选择刀具边界轮廓，点击Done命令，生成上面曲面粗加工刀具路径和加工结果。(13)选择ToolpathsSurfaceFinishParallelSolidsFaces命令，进行上面曲面精加工。 单击Done命令，系统弹出对话框。单击“Tool parameters”选项卡，从刀具库中选出2的平铣刀，单击“OK”，设置刀具加工参数见图4-22。 4-22设置刀具参数 4-23设置Surface parameters参数 4-24设置Finish parallel parameters参数(14)单击“Surface parameters”选项卡，设置参数见图4-23。(15)单击“Finish parallel parameters”选项卡，设置参数见图4-24。(16)单击“确定”，选择刀具边界轮廓，点击Done命令，生成上面曲面精加工刀具路径和加工结果。4.6上面花瓣加工(1)先在曲面上方（构图深度150）画花瓣(2)按二维刀具路径中挖槽的方法对花瓣内区域进行挖槽刀具路径的创建，刀具直径为5mm的平铣刀，创建时不要受曲面的影响，切削深度也不必设置（只要刀具运动轨迹，其它不管），要注意的是：将第三个标检页中的Stepover（切削间距）设的小些，比如15%，则生成的刀具路径会密一些，后面投影到曲面上的刀具切痕也会细密一些，加工质量就显得较好。参数如下图 4-25设置刀具参数 4-26设置Pocketing parameters参数 4-27设置Roughing/Finishing parameters参数(3)选择ToolpathsSurfaceFinishProject命令点曲面点菜单中的Done项弹出对话框。选一把2mm的牛头刀。在第二个标签页中，设置参数。在第三个标签页中，选中NCI项，再点右边大框中的操作6中的最后一行，表示选择这个NCI文件进行投影。会自动退出对话框，同时菜单处发生变化，按键盘上的ESC键直接返回上一级菜单，又回到前对话框，点确定按钮，退出对话框，则屏幕上可以看到投影刀具路径创建成功。参数如下图 4-28设置刀具参数 4-29设置Surface parameters 参数 4-30设置Finish project parameters参数4.7上面加工刀具路径和仿真加工结果 4-25刀具路径 4-26仿真加工结果5 实际问题解决5.1生成NC代码 利用Master CAM软件的Post后处理功能，生成工件的NC代码，并修改成CNC能够识别的代码。NC代码详见附录。5.2出现的问题及解决方法（1）上部曲面画不出来 解决方法：查阅相关书籍，画辅助线，改Z平面的位置，最后画了出来。 （2）曲面加工不出来 解决方法：修改余量，设置参数，最后加工出来了。30全文总结我通过使用Master CAM9.0软件，成功的造出了零件的模型，对Master CAM9.0软件有了一定的了解。该软件的造型功能是非常的强大，而且具有多模块，虽然