（机械制造及其自动化专业论文）四缸电喷气管模具数控程序优化设计.pdf

箍誊 四缸电喷气管模具数控程序优化设计 机械制造及自动化专业 研究生吴剑峰指导教师罗红波 数控机床的不断发展，促进了自动编程技术突飞猛进的发展，在2 0 世纪 5 0 年代后期，美国首先研制成功了a p t 系统。由于它具有语言直观易懂、加 工精度高等优点，被许多国家所采用。2 0 世纪9 0 年代，计算机三维造型软件 的发展，使得各种复杂的三维曲面的加工程序由计算机自动生成，人们得以从 繁重编程工作中解放出来，把主要精力放到零件在计算机上进行数字建模。如 u g 、p r o ，e 、c i m a t o n 、m a s t e r c a m 等软件已在国内有了普遍的应用。 国产的c a x a 等软件也得到普及。 本文应用ct l m a t r o ne 4 软件对四缸电喷气管模具进行分析，并对其数控 加工程序进行了优化设计，同时对其加工过程进行了仿真及加工校验，最后进 行了后置处理，输出了n c 程序代码。 本文首先介绍了数控加工理论与编程技术，c a d c a m 技术及其在模具制 造中的应用，以及c f m a t r o n 软件的c a m 功能特色。接着，论述了模具零件 在n c 工艺中铣削加工方式、走刀路线、刀路轨迹尖角处理、和加工参数的优 化问题，并详细介绍了在c m 疽a t r o ne 4 环境下四缸电喷气管模具的数控铣削 工艺优化设计过程。最后，对模具数控加工进行仿真模拟，并通过后置处理输 出了n c 程序代码。完成的主要工作内容如下： 1 、学习c i m a t r o n 软件。在具备手工编程知识的基础上，学习c i m a l r o n 软件的交互式图形编程技术，其中，包括熟悉其c a d c a m 功能模块，重点掌 握其c a m 功能。 2 、刀轨尖角处优化的分析。对刀轨尖角处优化处理进行了分析。 3 、模具铣削加工的参数优化。分析了在c n 4 a t r o ne 4 环境下需要优化 i 网f 1 大学颐十学位论文 的加工参数，刀具的选择和加工平面的确定及切削速度和进给率的优化。 4 、电喷气管模具上模、下模、型芯1 的上模和下模以及型芯2 的上模和下 模总共六个模具的数控工艺优化设计。其中。重点介绍了上模、下模的工艺优 化过程。 5 、仿真模拟与校验。 6 、后置处理生成数控程序代码。 通过借助c l m a t r o ne 4 软件完成了上述工作，生成了四缸电喷气管模具 的数控加工程序，从而提高了加工效率，保证了加工质量。 关键词：数控四缸电喷气管漠具优化设计 c i m a t r o n a b s t r a e l n u m e r i c a lc o n t r o lo p t i m u md e s i g ni nm a k i n g a u t o m o b ile f o u r c y li n d e r i n t a k e p i p e m e c h a n i c a l m a n u f a c t u r i n g a n di t sa u t o m a t i o n c a n d i d a t e ：w u j i a n f e n g s u p e r v i s o t ：l oh o n g b o w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h en u m e r i c a lc o n t r o lm c h n o l o g y , t h en c p r o c e s sh a sg o tr a p i dd e v e l o p m e n tt o o i nt h e2 0 血c e n t u r y , a m e r i c ai n i t i a l l y d e v e l o p e da p ts y s t e m t h es y s t e mw a sr a p i d l ya c c e p t e db ym a n yc o u n t r i e sd u et o i t sm e r i t ss u c ha sh i 曲p r e c i s i o n , u n d e r s t a n d a b l el a n g u a g e ，a n ds oo n t h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt h r c e - d i m e n s i o n a ls o f t w a r ec a l lm a k ea l l k i n d so fn c p r o c e s so ft h r e e - d i m e n s i o n a l s u r f a c eb ec r e a t e da u t o m a t i c a l l y s op e o p l ec a r lb e r e l e a s e df r o mh e a v yp r o g r a m m e ，a n dc o n c e n t r a t em o r ea n dm o r ee n e r g y0 1 1 c o m p u t e rm o d e l l i n g s o m es o f f w a r e ss u c ha su g ，c l m a t r o n ，a n dm a s t e r c a m h a v eb e e na p p l i e di no u rc o u n t r y i nt h ep a p e r , w eu s eas o r w a r ec a l l e dc 1 m a t r o nt od e s i g nt h en cp r o c e s so f a u t o m o b i l ef o u r - c y l i n d e r - i n t a k e p i p e a tt h es a m et i m e ，w ec h e c km a n u a l l y , s i m u l a t e a n dv e r i f yt h en c p r o c e d u r e f i n a l l y , w em a k ep o s tp r o c e s sa n do u t p u tt h en c c o d e i nt h ep a p e r , w ef i r s t l yi n t r o d u c et h ec o r r e l a t i v et e c h n o l o g yo fn ca n d d i e & m o l d ，a n dc l a r i f yt h ee s s e n t i a lf o rt h ec o r p o r a t i o na d o p t i n gc a d c a ms y s t e m t od e s i g nt h ed i e & m o l d t h e n , t h em e t h o do fo p t i m i z i n gn cm a c h i n i n gp r o c e s s f o ra u t o m o b i l e f o u r - c y l i n d e r - i n t a k e p i p e i s d e p i c t e d , a n ds o m eo p t i m i z a t i o n s t r a t e g i e s s u c ha st h ec u t t i n g m a n n e r , c u t t i n gt o o l , t o o l - p a t h a n dm a c h i n i n g p a r a m e t e r a r ei n t r o d u c e d f i n a l l y , w e d e s i g n t h en cp r o c e s s ，m a k ep o s t p r o c e s s i n g ，a n do u t p u tt h en c c o d e s t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 、l e a r nc i m a t r o nf a l e a r nt h ea l t e r n a t ea u t o m a t i cn cp r o c e s so f i “ 堕型查竺堡兰竺堡壅 c l m a t r o n , m a s t e r i t sc a d c a mf u n c t i o nm o d u l e ，e s p e c i a l l yi t sc a mm o d u l e 2 、o p t i m i z a t i o n o ft h e t o o l p a t h o fa u t o m o b i l ef o u r - c y l i n d e r - i n t a k e - p i p e ， e s p e c i a l l yo p t i m i z a t i o no f t h ec u t t i n gd i r e c t i o na n ds h a r pa n g l e 3 、o p t i m i z e t h em a c h i n i n g p a r a m e t e rf o rm i l l i n gp r o c e s so fa u t o m o b i l e f o u r - c y l i n d e r - i n t a k e p i p e t h em e t h o do fo p t i m i z a t i o no fm a c h i n i n gp a r a m e t e r , c u t t i n gt o o l ，c u t t i n gs p e e d ，a n df e e dr a t ei sa n a l y z e d 4 、d e s i g nt h ep r o c e s so ft h ea u t o m o b i l ef o u r - c y l i n d e r - i n t a k e - p i p e e s p e c i a l l y i l l u m i n a t et h en cp r o c e s so f t o pm o u l da n db o t t o mm o u l d 5 、s i m u l a t i n ga n dv e r i f y i n g t h en c p r o c e s s 6 、m a k ep o s tp r o c e s s i n ga n do u t p u tt h en cc o d e s k e y w o r d s ：n c a u t o m o b i l ef o u r - c y l i n d e r - i n t a k e - p i p e o p t i m i z a t i o nd e s i g n c i m a t r o n l 绪论 1 绪论 1 1 数控加工与编程技术 1 1 1 数控加工技术特点与应用 数字控制( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 简称数控( n c ) ，是近代发展起来的一种自动控 制技术，是以数字的形式实现控制的一门技术“1 ，在数控加工技术方面得到了 广泛的应用，代表了先进的现代制造技术和机械制造的发展方向“。 随着科学技术的不断发展，社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更新 换代越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增加，复杂形状的零件越来 越多，精度要求也越来越高。此外，激烈的市场竞争要求产品研制生产周期越 来越短，传统的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形 状零件的高效、高质量加工要求。因此，近几十年来，能有效解决复杂、精密、 小批多变零件加工问题的数控加工技术得到了迅速发展和广泛应用，使制造技 术发生了根本性的变化。 数控n i 是根据被加工零件的图样和工艺要求，编制成以数码表示的程序 输入到机床的数控装置或控制计算机中，以控制工件和工具的相对运动，使之 加工出合格零件的方法“1 。与普通机床加工相比，数控加工具有如下特点“1 ： 1 自动化程度高。在数控机床上加工零件时，除了手工装卸工件外，全部 加工过程都可由机床自动完成。在柔性制造系统上，上下料、检测、诊断、对 刀、传输等也都可由机床自动完成，这样大大减轻了操作者的劳动强度，改善 了劳动条件。 2 具有加工复杂形状零件的能力。复杂形状零件在飞机、汽车、造船、模 具、动力设备和国防工业等部门的产品制造中具有十分重要的地位，其加工质 量直接影响整机产品的性能。数控加工运动的任意可控性使其能完成普通加工 方法难以完成或者无法进行的复杂型面加工。 3 生产准备周期短。在数控机床上加工新的零件，大部分准备工作是根据 零件图样编制的数控程序，而不是去准备靠模、专用夹具等工艺装备，而且编 程工作可以离线进行。这样大大缩短了生产的准备时间，因此应用数控机床十 分有利于产品的升级换代和新产品的开发。 4 加工精度高、质量稳定。目前，普通数控加工的尺寸精度通常可达正负 o 0 0 5 m m ，最高的尺寸精度可达正负o 0 1 m m 。数控机床是按预先编制好的加工 四川入学硕士学位论史 程序进行工作的，加工过程中无需人的参与或调整，因此不受操作工人的技术 水平或情绪的影响，加工精度稳定。另外，数控机床可以通过采用在线自动补 偿( 实时补偿) 技术来消除或减少热变形、力变形和刀具磨损的影响，使其加工 精度的一致性得到保证。这在传统机床上则是无法做到的，因此采用数控加工 技术可以提高零件的加工精度和产品质量。 5 生产效率高。数控机床的加工效率一般比普通机床高2 - - 3 倍，尤其在 加工复杂零件时，生产率可提高十几倍甚至几十倍，一方面是因为其自动化程 度高，具有自动换刀和其他辅助操作自动化等功能，而且工序集中，在一次装 夹中能完成较多表面的加工，省去了划线、多次装夹、检测等工序；另一方面 是加工中可采用较大的切削用量，有效地减少加工中的切削工时。数控机床在 配有适当的刀库、工件毛坯库、上下料装置和多种传感器的条件下，不仅具有 全自动的加工功能，而且具有对加工过程进行自动监控、检测、报警及修正误 差等功能。因此，数控机床可以实现白班有人看管和做好各种准备工作后，二、 三班则可以在“无人看管”的条件下( 国外称为“熄灯生产”) 进行2 4 小时乃至 7 2 小时的连续加工。这不仅改善了劳动条件，解决了晚上和节假日( 含周六、 周日) 连续工作的问题，也大大提高了劳动生产率、设备利用率，缩短了生产周 期，增加了企业的经济效益。 6 易于建立计算机通信网络。由于数控机床是使用数字信息，易于与计算 机辅助设计和制造系统联接，形成计算机辅助设计和制造与数控机床紧密结合 的一体化系统。另外，数控机床通过因特网、内联网、外联网现在已可实现远 程故障诊断及维修，已初步具备远程控制和调度，进行异地分散网络化生产的 可能，从而为今后进一步实现制造过程网络化、智能化提供了必备的基础条件。 当然，数控加工在某些方面也有不足之处，这就是数控机床价格昂贵、加 工成本高、技术复杂、对工艺和编程要求较高、加工中难以调整、维修困难等。 在应用方面，目前的数控加工主要应用于以下两个方面： ( 1 ) 常规零件加工。如二维车削、箱体类镗铣等，其目的在于；提高加工 效率，避免人为误差，保证产品质量；以柔性加工方式取代高成本工装设备， 缩短产品制造周期，适应市场需求，这类零件一般形状较简单。实现上述目的 的关键：一方面在于提高机床的柔性自动化程度、高速高精加工能力、加工过 程的可靠性与设备的操作性能；另一方面在于合理的生产组织、计划调度、工 2 l 绪论 艺过程安排。 ( 2 ) 复杂形状零件加工。如涡轮叶片、模具型腔等。该类零件在众多的制造 行业中具有重要的地位，其加工质量直接影响以至决定着整机产品的质量。这 类零件型面复杂，常规加工方法难以实现，它不仅促使了数控加工技术的产生， 而且也一定是数控加工技术的主要研究及应用对象。由于零件型面复杂，在加 工技术方面，除要求数控机床具有较强的运动控制能力( 如多轴联动) 外，更重 要的是如何有效地获得高效优质的数控加工程序，并从加工过程整体上提高生 产效率。 1 1 2 数控编程技术 数控编程，即在数控机床上加工零件时，从分析零件图纸到获得数控机床 所需的控制介质的全过程。数控编程可以手工完成，即手工编程，也可由计算 机辅助完成，即计算机辅助数控编程。采用计算机辅助数控编程需要一套专用 的数控编程软件，现代数控编程软件主要分为以批处理方式为主的各种类型的 a p t 语言和以c a d 软件为基础的交互式c a d c a m n c 编程集成系统。一 般来说，数控编程过程主要包括：分析零件图样、工艺处理、数学处理、编写 程序单、输入数控系统及程序检验。数控自动编程包括以下几部分： 1 、建立零件的加工模型。用户可以利用c a d c a m 软件系统中提供的c a d 模块直接建立加工模块，也可通过文件转换从其他c a d c a m 系统获取零件几 何模型： 2 、生成刀具路径。根据工艺要求，合理编制数控加工工艺规程，包括选择 加工刀具和加工策略，生成各加工工序的刀具路径； 3 、前置处理。根据所规划的加工零件刀具轨迹结构特征、加工环境特征( 其 中包括机床一夹具一刀具一工件所组成的具体工序n i 系统的特征) ，结合工艺 决策( 包括刀具选择、进给量、加工速度等工艺参数的选择) ，生成描述加工过 程的刀位文件； 4 、加工模拟和校验。根据生成的刀具路径，通过计算机加工仿真技术，来 真实的模拟整个加工过程，再根据加工过程和仿真结果对刀具路径的合理性做 出判断，如果不满意可返回静两个步骤进行修改。刀具轨迹正向仿真是基于刀 位文件的模拟仿真，所产生的刀具运动轨迹用以检验刀位文件的正确性，保证 四川大学颂十学位论文 零件的加工质量。刀具轨迹反向仿真是基于n c 代码的模拟仿真，由于直接驱 动数控机床运动的足n c 代码，而不足刀位文件，刀具轨迹反向仿真比芷向仿 真更接近实际加工情况； 5 、后置处理。通过后置处理器读取刀具路径文件，从中提取相关的加工信 息( 刀位数据和工艺数据) ，并根据指定数控机床的特点及n c 程序格式要求进 行分析、判断和处理，最终生成数控机床所能直接识别的n c 程序。 1 1 3 数控编程技术现状与趋势 日益增多的复杂形状零件和高精、高效的加工对数控编程技术提出了越来 越高的要求，面向复杂形状零件、多轴加工和加工过程优化的数控编程技术越 来越重要。同时，为适应高速加工、c i m s 、并行工程和敏捷制造等先进制造技 术的发展，缩短产品研制生产周期，柔性且快速地响应市场需求，数控编程技 术呈现出进一步向集成化、智能化、自动化、易使用化和面向车间编程等方向 发展的趋势。 复杂形状零件的加工一直是数控编程技术的主要研究内容。对于三坐标加 工，目前的编程系统一般能较好地完成，达到较高的稳定性。但由于多轴加工 在加工复杂形状零件的能力、质量和效率等诸多方面的显著优势，多轴编程显 得越来越重要。但多轴加工编程较复杂，特别是出于零件形状的复杂多变，要 实现较通用的多坐标自动编程有较大难度。因此，目前编程系统中对多坐标加 上的处理一般采取面向专用零件方式。 数控加工的效率与质量极大地取决于加工方案与加工参数的合理选择，包 括合适的机床、刀具形状与尺寸、走刀路线、主轴速度、背吃刀量和进给速度 等，为了优化这些参数，必须知道在复杂的切削状态下这些参数与刀具受力、 磨损、加工表面质量及机床颤振等众多因素之间的关系。在复杂形状零件的加 工过程中，切削状态往往一直是变化的，其优化措施还必须具有动态自适应的 特点。对于加工方案与参数的自动选择与优化是数控编程走向智能化与自动化 的重要标志和待解决的关键问题，同时也是实现面向车间编程的重要前提。在 建立工艺数据库的基础上，采取自动特征识别和基于特征与知识的编程是解决 该问题的重要途径。 4 1 绪论 1 2 模具在工业发展中的重要地位 模具工业是国民经济的基础，是国际上公认的关键工业，工业发达国家称 之为“工业之母”。模具是工业生产的基础工艺装备，在电子、汽车、电机、仪 器、仪表、家电等产品中，6 0 8 0 的零部件部要依靠模具来成形“1 。模 具成形生产零件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低 消耗是其它加工方式所不能比拟的。模具生产水平己经成为衡量一个国家工艺 水平高低的重要标志。“模具就是产品质量”、“模具就是经济效益”的观念己经 被越来越多的人所认识和接受。在中国，人们已经开始认识到模具在制造业中 的重要基础地位，认识到模具技术水平的高低，在很大程度上决定着产品的质 量、生产效益、产品更新换代的速度、新产品的开发能力，进而决定着企业的 市场应变能力和市场竞争能力。 工业发达国家模具工业发展很快，已经摆脱了其从属地位成为工业体系中 基础工业的重要组成部分。目前，世界模具市场总体上供不应求，市场量维持 在6 0 0 6 5 0 亿美元年”。工业发达国家的模具制造业的产值已经超过了刀具 制造业的产值和机床制造业的产值，如日本从1 9 5 9 年至1 9 7 9 年2 0 年的时间内， 国民经济总产值增长了4 5 倍，汽车业产值增长了2 l 倍，机床业产值增长了1 1 倍，而模具制造业的产值增长了3 1 倍。1 9 8 1 年日本机床制造业的产值为5 1 7 4 亿日元，仅为模具制造业的产值的三分之二左右，到1 9 9 1 年日本模具制造业的 产值己升至1 8 3 3 0 亿日元，以年增长率1 0 的速度增加。2 0 世纪8 0 年代以来， 中国模具制造业发展十分迅速。国民经济的快速发展为模具制造业的发展提出 了越来越高的要求，同时也为模具制造业的发展提供了巨大的动力。近年来， 中国模具制造业一直以1 3 左右的年增长率快速发展，1 9 9 9 年中国模具工业 总产值己经达到2 4 5 亿元人民币，2 0 0 0 年中国模具工业总产值约为2 6 0 2 7 0 亿元人民币，2 0 0 1 年模具工业总产值约为3 0 0 亿元人民币，“十五”期间国内 模具产量年均增长率达到1 5 ”。 1 3 伽c 棚技术及其在模具制造中的应用 1 3 1 c d c a l l 技术 计算机辅助设计与计算机辅助制造( c a d c a m ) 技术是近2 0 年来迅速发 展起来的计算机应用方面的新兴技术，是电子信息技术发展的杰出成果，它具 网大学硕卜学位沧史 有高智力、知识密集、综合性强、效率高等特点，它的应用与发展水平已成为 衡量国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。c a d c a m 技术的应 用，不仅改变了人们设计、制造各种产品的常规模式，有利于发挥没计人员的 创造性，还将提高企业的管理水平和市场竞争能力。 c a d c a m 技术从根本上改变了过去的手工绘图、发图、凭图纸组织整个 生产过程的技术管理方式，将它变为在图形工作站上交互设计，用数据文件发 送产品定义，在统一的数字化产品模型下进行产品的设计打样、分析计算、工 艺规划、工艺装备设计、数控加工、质量控制、编印产品维护手册、组织备件 订货，供应等等。 c a d c a m 技术本身是一项综合性的、技术复杂的系统工程，涉及许多科 学领域，如计算机科学与工程、计算数学、几何造型、计算机图形显示、数据 结构与数据库、仿真、数控、机器人和人工智能学科和技术以及与产品设计和 制造有关的专业知识等。c a d c a m 技术从广义上说一般包括二维绘图、三维 几何设计、有限元分析、数控加工、仿真模拟、产品数据管理、网络数据库以 及上述技术的集成技术等。 近几十年来，c a d c a m 技术发展几经更新换代，最初的c a d 系统只能 用于二维绘图、标注符号和尺寸；第二代c a d 系统将绘图系统与几何数据管 理结合起来；第三代c a d 系统包括了三维图形描述和其他软件包( 如优化计 算、有限元分析等) 的接口；第四代c a d 系统以数据库为核心，并包括了曲 面和实体造型技术的集成化系统；第五代c a d 系统足智能化的系统。 c a d c a m 技术未来的发展趋势是建立在开放式、分布式网络上的，支持 并行工程、电子审批和无纸化设计与制造的集成化系统“”1 ，具体表现在： l 、支持并行工程的c a d c a m 系统，直接面向产品全生命周期的数据模 型，协调产品的整个开发过程； 2 、国外的c a d c a m 技术在朝向支持逆向工程方向发展，使得c a d ( ：a m 系统可以根据实物测得的数据建立几何模型并能对原有设计再做改进，而后进 行加工，实现测量、设计、造型、加工、再测量的全封闭产品设计制造过程； 3 、面向制造现场的c a d c a m c n c 一体化。随着微机平台性能的提高， 在微机上实现c a d c a m c n c 集成化成为可能，以彻底解决现场的造型、编程、 修改和加工的问题； 6 l 绪论 4 、建立在开放式、分布式客户服务器网络环境下，实现异种网络通 c a d ，c a m 集成系统是9 0 年代c a d 技术的发展趋势； 5 、支持“虚拟设计”与“虚拟制造”的c a d c a m 集成系统，使企业可 在计算机上实现产品设计制造的全过程。一旦市场需求兴旺，可完成整个产品 的工程设计、工程图纸、全套技术文档，从而实现“虚拟企业”的管理模式。 1 3 2c a d c 棚在模具制造中的应用 模具制造业中c a d c a m 技术的应用，无论是提高生产率，改善质量方面， 还是降低成本、减轻劳动强度方面，c a d ，c a m 技术的优越性是传统的模具 设计制造方法所不能比拟的“”。l 、c a d c a m 可以提高模具质量，计算机 系统内存储了各有关专业的综合性技术知识，为模具的设计和工艺制定提供了 科学的依据，计算机和设计人员之间的交互作用，使模具的设计制造工艺更加 合理化，系统采用优化设计方法有助于某些工艺参数和模具结构的优化。2 、 c a d c a m 可以节省劳动时间，提高生产率。设计计算和图样绘制的自动化 大大缩短了设计周期。3 、c a d c a m 可大幅度的降低成本。计算机高速运算 和自动绘图大大节省了劳动力，优化设计带来了原材料节省，采用c a m 可加 工传统方法难以加工的复杂模具型面，可减少模具的加工调试时间，使制造成 本降低。此外，采用c a d c a m 技术，生产准备时间缩短，产品更新换代快， 大大增强了产品的市场竞争力。 由于模具c a d ca m 技术具有传统方法无法比拟的优越性，所以许多模 具公司开始重视c a d ca m 技术，1 9 6 4 年美国通用汽车公司就研制了一种车 身c a d c a m 系统，英国p s f 公司于1 9 6 6 年前后实现了车身制造一体化技术 改革；1 9 7 3 年美国的d i e c o m p 公司研制成功了p d d c 连续模c a d 系统，设 计人员可以选择模具的结构形式，方便地设计凸模模芯和模架等，该系统提 高了设计质量，缩短了设计周期，设计一套模具的时间由原来的手工设计的8 周缩短至2 周；1 9 7 7 年，捷克金属加工工业研究所研制成功了a k t 系统，可 用于简单、复合和连续冲截模的设计制造，周期从原来的一月缩至8 天，成本 降低一半，经济效益十分显著；1 9 7 7 年美国o b e r g 公司采用c a d 系统，同 时应用计算机数控编程：1 9 7 8 年日本机械工程实验室建立的m e l 连续模设计 系统和1 9 7 9 年日本旭光学工业公司研究成功的设计冲模的p e n l ：a x 系统，可 四川大学颐十学特论史 使摸具的设计效率提高4 1 0 倍；1 9 8 0 年丰田汽车公司开始采用馍具c a d ， c a m 系统，此系统的三维图形功能较强，能在屏幕上反复修改曲面形状，使 工件在冲压成型时不至于产生各种工艺缺陷，从而保证模具的加工质量，该系 统还可从产品结构中获得数据，输入计算机后，可在荧光屏上从三个方向检查 零件的形状和翻转位置，从而生成一个模具的整体数据，将这些数据输入 t r n c a 软件，便能对零件进行数控加工；1 9 8 2 年日立公司建立的冲模c a d 系 统使一副连续模的设计时间由2 0 天缩至5 天；1 9 8 2 年日本三菱摩托公司的车 身c a d c a m 系统用来设计制造冷冲模；1 9 8 5 年日本日新精密机器公司的模 具c a d ，ca m 系统能够进行自动数控编程，并能二次开发软件。 我国模具c a d ，c a m 的开发，是7 0 年代末才开始的。我国的模具c a d ， c a m 起步较晚，与先进的工业国家相比尚存在很大的差距，到目前为止，先 后通过有关部门鉴定的有1 9 8 4 年的精密冲模c a d ca m 系统，1 9 8 5 年北京 机电研究院开发的冲截模c a d c a m 系统，1 9 9 7 年华中科大的h s c 2 0 注射 模c a d ，c a m c a e 集成系统和上海交通大学模具研究所开发的冷冲模c a d c a m 系统，另外，浙江大学、清华大学、西安交通大学等在模具c a d c a m 系统方面取得了可喜的成果，特别是国家把模具c a d ，ca m 系统列为“八五” 重点科研项目后，有力地推动了模具c a d c a m 的发展，目前我国模具行业 推广应用c a d ，c a m 技术尚存在的主要问题是：c a d c a m 支撑软件的生产 能力落后，价格昂贵；c a d c a m 应用水平落后，目前我国先进单位的总体水 平还处于用总控程序来驱动数据库c a d ca m 系统，一般单位则需要借助操 作系统控制下的c a d 系统与a p t 语言连接起来进行n c 加工；曲面加工中， 曲面的加工质量与刀具轨迹的优化仍然是一个没有很好解决的问题。今后几年， 我国的c a d c a m 技术将会得到更快的发展，国家对模具业，特别是汽车工 业的重点扶植，为c a d ca m 技术的发展提供了更好的环境。 1 4 课题研究意义与主要任务 1 4 1 课题研究意义 本课题零件主要来源于一横向科研项目。 目前，国内对于二维计算机辅助设计( c a d ) 的应用比较普遍，且经较长 时间的使用打下了良好的基础并产生了较好的效果。但是，对于制造企业来说， i 绪论 这仅仅是一个起点，随着m p r i i 制造资源管理系统应用工作的全面展开，以及 对c a d c a m c a p p 技术的应用的日益深入，如何将c a d 由二维向三维发展， 进一步提高设计效率；如何尽快将c a m c a p p 技术应用于数控编程及工艺设 计上，提高c n c 设备的应用水平，提高工艺设计及工艺管理的计算机应用水 平将成为制造企业在今后一段时间所面l 晦的问题。 在数控技术的发展和生产应用需求拉动下，c a m 技术不断发展，从语言 编程发展为图形交互编程，进而实现c a d c a m 一体化。c a m 核心是计算机 数控加工自动编程系统( n c p ) ，目的是按照c a d 软件所设计的零件和c a p p 所规划的工艺流程，产生数控加工代码并进行仿真，控制数控机床上加工出符 合图样要求的、高质量的零件。由于生产需求的驱动，国内外部对数控自动编 程技术进行了深入的研究，并取得了丰硕的成果。近年来，在软件方面，在a p t 的基础上，国内外的研究人员，相继开发出了许多适用于各种小型机、微型机 的自动编程系统。数控编程与c a d 和c a p p 的集成，是近年来数控自动编程 发展的一个重要方向，数控编程与c a d 的集成是指在c a d 系统提供的图形信 息基础上，直接进行编程。目前，这种集成方式主要有三种。一种是集成数控 编程，即把n c a 模块作为c a d 系统的个组成部分，可以对零件设计和加工 中的信息进行集成处理；第二种是将c a d 输出的数据以标准接口的方式传递 给数控编程系统：第三种是通过c a d 系统直接产生一个针对特定数控语言的 专用零件源程序，然后由后置处理系统生成数控程序。数控编程与c a p p 的集 成是n c 自动编程技术发展的一个非常重要的方面。通常，这种集成主要有两 种：一种是后置处理系统将此a p t 程序翻译成数控程序；另一种方式是直接将 刀具路径计算的结果( 即刀位文件) 转换成为特定的数控系统的指令代码，从 而生成数控程序。 目前，数控编程技术在模具行业得到广泛应用，但是，由于数控加工工艺 设计方法落后，导致加工效率的提高受到较大限制。优化设计是近年来发展起 来的一门新的设计方法学，它为工程设计提供了一种新的科学设计方法，从而 在解决复杂问题时，可以在众多设计方案中找到尽量完善的、适合的方案。本 文运用数控加工工艺优化理论、方法，对四缸电喷气管摸具的数控加工程序进 行分析和优化设计，从而提高其数控加工效率。 9 四川大学颂 学位论文 1 4 2 主要任务 针对模具数控j ；7 - 的问题，查阅一定数蕈国内外相关文献，以此为基础展 开数控编程的优化研究，本论文共分六章，具体内容安排如下： 介绍了模具行业的工业地位，模具c a d c a m 技术的研究现状及发展， 以及论文的内容与安排； 介绍c i m a t r o n 软件的编程技术及在摸具加工中的应用与软件c a m 系 统的特色： 论述数控加工自动编程工艺优化设计内容，并具体针对四缸电喷气管 模具上模、下模、上芯盒和下芯盒的工艺优化过程进行了详细的阐述； 论述数控加工的虚拟仿真与校验，重点介绍仿真原理及在c i m a t r o n 环 境中的具体应用； 介绍了后置处理技术现状及系统概况，并具体介绍了四缸电喷气管模 具后置处理过程； 总结与展望，对本论文的工作进行了总结，并对下一步工作进行了展 望。 2c m a t r o n 软件产品搬述受吣功能介绍 2 c i m a t r o n 软件产品概述及n c 功能介绍 2 。1c i m a t r o n 软件产品概述 c i m a t r o n 是以色列c i m a t r o n 软件有限公司的旗舰产品，在全球制造业中得 到了广泛的应用。作为世界上著名的c a d c a m 软件供应商，c i m a t r o n 一直致 力于为制造行业提供先进的c a d c a m 系统，特别是为工模具行业提供完整的 c a d ，c a m 解决方案。 c i m a t r o n 是一个集成的c a d c a m 产品，在统一的系统环境下，使用统一 的数据库，用户可以完成产品的装配设计、零件设计及生成设计图纸；可以根 据零件的三维模型进行手工或自动的模具分模，并进行模具的结构设计；分模 后形成的凸、凹模等模具零件可直接进行n c 加工编程，输出n c 加工代码， 并可进行加工过程的模拟仿真及加工校验。 1 、完整的c a d ，c a e c a m p d m 体系结构 c i m a t r o n 具有完整的c a d c a m 功能，c a d 部分包括线框造型、曲面造 型和参数化实体造型功能，支持全关联的工程图的自动生成，并具有模具分模、 制作电极和模架库等专门支持模具设计的功能。c a m 部分支持全面的n c 编程 功能，可完成数控铣床、加工中心、数控车床、线切割机、数控冲床的辅助编 程。同时c i m a t r o n 还具各支持有限元分析的前后处理系统，结合a n s y s 等c a e 分析软件可直接对c a d 环境下设计的零件进行有限元分析。结合s m a r t e a m 软件可直接在统一的环境下进行产品数据管理。c i m a t r o n 采用了基于模块化应 用层次的结构，整个软件分为m o d e l i n g 、n c 、d r a f t i n g 、f e m 四个主要模块， 采用统一的数据库。其中m o d e l i n g 是其基础模块，主要是用来定义零件的几何 模型。该模块下建立的模型数据可以被其他的模块作为一个中心数据库来引用。 在此模块下对几何模型所做的任何改变，都将影响到其他模块中的模型数据， 但在其他模块中所做的任何改变则不会影响到m o d e l i n g 模块中的模型数据。这 样的设计非常适合模具行业在模具设计制造过程中对模型数据的要求。 2 、灵活丰富的线框、曲面造型 灵活丰富的线框、曲面造型是c i m a t r o n 软件的一大特色，源于设计开发喷 气式战斗机等尖端产品的设计造型技术，在w i r e - f r m 环境中得到了很好的体 现。通过由点到线，再由线到面的造型方式，可处理非常复杂的自由曲面造型 问题。 参数化实体造型功能足当今c a d 技术的上流，c i m a t r o n 在s o l i d 环境中 采用了这种技术，可以很好地支持零件参数化实体造型，虽然与p r o e 等高端 c a d 软件在功能及技术上尚有一定差距，但简洁的界面下实现了上述软件9 0 以上的常用功能。结合w i r e - f i l m 模块下生成的草图，及w i r e - f r m 模块 下模型的实体转化功能，能很好的解决一般的实体造型问题。 4 、支持混合造型，充分发挥曲面及实体造型的优势 c i m a t r o n 可支持混合造型，在零件造型过程中可在s o l i d 模块与 w i r e f r m 模块之间自由切换，一个图形文件中也可同时包含线框、曲面和实 体，并支持线框、曲面与实体间的互相转化。w i r e f r m 模块下的造型功能比 较丰富，适合复杂曲面的构造，生成的曲面与线框之间不存在关联，处理比较 灵活。在s o l i d 环境下的造型功能比较简单，适合规则零件的造型。由于采用 参数化特征造型技术，生成的参数化模型便于通过修改参数来实现模型的修改， 同时在实体环境下处理倒圆、拔模等操作也有一定的优势。由于c i m a t r o n 在 w i r e f r m 及s o l i d 模块下的造型能力的互补性，因此采用混合造型极大地 提高了c i m a t r o n 的造型能力及灵活性。 5 、独特的模具设 十功能 作为当今工模具行业c a d c a m 技术的领导者之一，c i m a t r o n 不断在开发 具有鲜明应用特色的专业模具设计功能，以c i m a t r o n 的快速分模，快速电极， 快速比较为代表的q u i c k 技术，通过直接对分摸零件的曲面模型进行处理， 避开了其他软件对分模零件一定要进行实体化处理所带来的一系列问题，较好 地解决了面向制造的模具设计问题。三维模架库功能能支持注塑模具设计的自 动化，不仅支持各种工业标准目录，如d m e 、h a s c o 、f u t a b a 、p c s 、 p e d r o t t i 、r a b o u r d i n 、s i d e c o 、e o c 等，也可由用户自定义目录。模 板及模具零件可直接采用各标准目录中的标准尺寸，也可根据需要进行修改， 设计的模具零件及冷却水道采用参数化实体技术，不仅可快速修改，还可自动 与模板进行布尔运算。型芯、型腔等工作零件的定义不仅支持实体模型，也可 支持直接由快速分模生成的曲面模型。 6 、全面的n c 编程功能 c i m a t r o n 的数控加工技术一直处于世界领先的地位，被世界普遍认为是最 1 2 2 c l v a t r o n 软件产品磷述厦虻功能介耋珥 杰出的数控编程系统之一。特别对工模具制造中所涉及的各种n c 加工技术均 有很好的支持，可支持数控铣床、加工中心的3 5 轴加工，数控车床、数控冲 床及2 或4 轴线切割的n c 编程，并具有良好的加工模拟与仿真功能。高速铣 削与多轴加工是工模具行业n c 加工今后发展的两个方向。c i m a t r o n 中提供了 非常丰富的支持高速加工的策略，并在原有的多轴加工策略上不断进行丰富与 完善。另外，在后置处理方面，除了继续支持原有的g p p 后置处理外，还新增 了对世界一流的专业后置处理d d s p o s t 的支持。 2 2c i m a t r o n 的帕功能特色 1 、基于知识的加工 c i m a t r o n 系统具有很强的智能性，在根据三维模型进行数控编程时，会考 虑模型的特点和当前的加工状态，如刀具的类型等特点，自动合理的调整刀路 轨迹的生成，使刀路轨迹更合理、更安全和更高效。 2 、基于毛坯残留知识的加工 基于毛坯残留知识的加工是c i m a t r o n 系统的特色。c i m a t r o n 支持完全的基 于毛坯残留知识的加工，使得系统在进行数控编程的计算时，能实时知道当前 的毛坯状况，从而能进行自动的去除空走刀，进行真实的刀具卡头的干涉检查 ( 采用卡头信息与零件上残余毛坯的校验，而不是与零件的理论模型进行校 验) ，可以实现二次粗加工和进行刀具载荷的分析与优化，避免刀具过载并保护 刀具，也使得加工轨迹更安全。特别是可以定义有形状的毛坯，这对于加工有 特定形状的零件的单件加工非常有效，因为c j m a t r o n 系统根据特定形状的毛坯 只在有毛坯的地方产生刀路轨迹，不会象别的系统那样出现大量的空走刀现象， 而需要手工编辑、修改密密麻麻的刀路轨迹，不仅不方便，而且容易出错。另 外，任何一道工序的完成，系统都清楚的知道当前加工结果的毛坯残留状况， 如果毛坯存储后给其他编程人员作为下一步编程的基础，便可以有效地实现协 同工作。 3 、n c 的自动化加工 c i m a t r o n 的自动化加工功能非常完善和优秀，我们可以根据不同的加工策 略收集和积累典型的工艺过程及