典型零件的数控加工与仿真论文文档格式.docx
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9.便于设计变更,加工设定柔性;
10.容易实现操作过程的自动化,一个人可以操作多台机床;
11.操作容易,极大减轻体力劳动强度
随着制造设备的数控化率不断提高,数控加工技术在我国得到日益广泛的使用,在模具行业,掌握数控技术与否及加工过程中的数控化率的高低已成为企业是否具有竞争力的象征。
数控加工技术应用的关键在于计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)系统的质量。
1.2数控机床
20世纪40年代末,美国开始研究数控机床,1952年,美国麻省理工学院(MIT)伺服机构实验室成功研制出第一台数控铣床,并于1957年投入使用。
这是制造技术发展过程中的一个重大突破,标志着制造领域中数控加工时代开始。
数控加工是现代制造技术的基础,这一发明对于制造行业而言,具有划时代的意义和深远的影响。
世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究的发展。
我国于是1958年开始研制数控机床,成功试制出配有电子数控系统的数控机床,1965年开始批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。
经过几十年的发展,目前的数控机床已经在工业界得到广泛应用,在模具制造行业的应用尤为普及。
数控机床种类繁多,模具制造常用数控加工机床有:
数控铣床、数控电火花成型机床、数控电火花线切割机床、数控磨床和数控车床。
数控机床通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其它辅助系统组成。
控制系统用于数控机床的运算、管理和控制,通过输入介质得到数据,对这些数据进行解释和运算并对机床产生作用;
伺服系统根据控制系统的指令驱动机床,使刀具和零执行数控代码规定的运动;
检测系统则是用来检测机床执行件(工作台、转台、滑板等)的位移和速度变化量,并将检测结果反馈到输入端,与输入指令进行比较,根据其差别调整机床运动;
机床传动系统是由进给伺服驱动元件至机床执行件之间的机械进给传动装置;
辅助系统种类繁多,如:
固定循环(能进行重复加工)、自动换刀(可交换指定的刀具)、传动间隙补偿(补偿机械传动系统产生的间隙误差)等等。
1.3数控加工
数控加工是将待加工零件进行数字化表达,数控机床按数字量控制刀具和零件的运动,从而实现零件加工的过程。
被加工零件采用线架、曲面、实体等几何体来表示,CAM系统在零件几何体基础上生成刀具轨迹,经过后处理生成加工代码,将加工代码通过传输介质传给数控机床,数控机床按数字量控制刀具运动,完成零件加工。
其过程如下图所示:
【零件信息】→【CAD系统造型】→【CAM系统生成加工代码】→【数控机床】→【零件】
1.零件数据准备:
系统自设计和造型功能或通过数据接口传入CAD数据,如STEP,IGES,SAT,DXF,X-T等;
在实际的数控加工中,零件数据不仅仅来自图纸,特别在广泛采用Internet网的今天,零件数据往往通过测量或通过标准数据接口传输等方式得到。
2.确定粗加工、半精加工和精加工方案。
3.生成各加工步骤的刀具轨迹。
4.刀具轨迹仿真。
5.后期处理输出加工代码。
6.输出数控加工工艺技术文件。
7.传给机床实现加工。
1.4数控编程系统
数控加工机床与编程技术两者的发展是紧密相关的。
数控加工机床的性能提升推动了编程技术的发展,而编程手段的提高也促进了数控加工机床的发展,二者相互依赖。
现代数控技术下在向高精度、高效率、高柔性和智能化方向发展,而编程方式也越来越丰富。
数控编程可分为机内编程和机外编程。
机内编程指利用数控机床本身提供的交互功能进行编程,机外编程则是脱离数控机床本身在其他设备上进行编程。
机内编程的方式随机床的不同而异,可以以“手工”的形式分行输入控制代码(手工编程)、交互方式输入控制代码(会话编程)、图形方式输入控制代码(图形编程),甚至可以语音方式输入控制代码(语音编程)或通过高级语言方式输入控制代码(高级语言编程)。
但机内编程一般来说只适用于简单形体,而且效率较低。
机外编程也可以分成手工编程、计算机辅助APT编程和CAD/CAM编程等方式。
机外编程由于其可以脱离数控机床进行数控编程,相对机内编程来说效率较高,是普遍采用的方式。
随着编程技术的发展,机外编程处理能力不断增强,已可以进行十分复杂形体的灵敏控加工编程。
随着微电子技术和CAD技术的发展,自动编程系统也逐渐过渡到以图形交互为基础的与CAD集成的CAD/CAM系统为主的编程方法。
与以前的语言型自动编程系统相比,CAD/CAM集成系统可以提供单一准确的产品几何模型,几何模型的产生和处理手段灵活、多样、方便,可以实现设计、制造一体化。
虽然数控编程的方式多种多样,毋庸置疑,目前占主导地位的是采用CAD/CAM数控编程系统进行编程。
1.5CAD/CAM系统
20世纪90年代以前,市场上销售的CAD/CAM软件基本上为国外的软件系统。
90年代以后国内在CAD/CAM技术研究和软件开发方面进行了卓有成效的工作,尤其是在以PC机动性平台的软件系统。
其功能已能与国外同类软件相当,并在操作性、本地化服务方面具有优势。
一个好的数控编程系统,已经不是一种仅仅是绘图,做轨迹,出加工代码,他还是一种先进的加工工艺的综合,先进加工经验的记录,继承,和发展。
北航海尔软件公司经过多年来的不懈努力,推出了CAXA制造工程师数控编程系统。
这套系统集CAD、CAM于一体,功能强大、易学易用、工艺性好、代码质量高,现在已经在全国上千家企业的使用,并受到好评,不但降低了投入成本,而且提高了经济效益。
CAXA制造工程师数编程系统,现正在一个更高的起点上腾飞。
如图1-1所示;
图1-1(国产)CAD/CAM软件
2.数控加工步骤
2.1自动编程的基本步骤
CAM系统的编程基本步骤如下:
1.理解二维图纸或其它的模型数据
2.建立加工模型或通过数据接口读入
3.确定加工工艺(装卡、刀具等)
4.生成刀具轨迹
5.加工仿真
6.后期处理生成NC代码
7.输出加工代码
8.现在分别予以说明。
2.2加工工艺的确定
加工工艺的确定目前主要依靠人工进行,其主要内容有:
1.核准加工零件的尺寸、公差和精度要求
2.确定装夹位置
3.选择刀具
4.确定加工路线
5.选定工艺参数
2.3加工模型建立
利用CAM系统提供的图形生成和编辑功能将零件的被加工部位绘制计算机屏幕上。
作为计算机自动生成刀具轨迹的依据。
加工模型的建立是通过人机交互方式进行的。
被加工零件一般用工程图的形式表达在图纸上,用户可根据图纸建立三维加工模型。
针对这种需求,CAM系统应提供强大几何建模功能,不仅应能生成常用的直线和圆弧,还应提供复杂的样条曲线、组合曲线、各种规则的和不规则的曲面等的造型方法,并提供种过渡、裁剪、几何变换等编辑手段。
被加工零件数据也可能由其他CAD/CAM系统传入,因此CAM系统针对此类需求应提供标准的数据接口,如DXF、IGES、STEP等。
由于分工越来越细,企业之间的协作越来越频繁,这种形式目前越来越普遍。
被加工零件的外形不可能是由测量机测量得到,针对此类的需求,CAM系统应提供读入测量数据的功能,按一定的格式给出的数据,系统自动生成零件的外形曲面。
2.4刀具轨迹生成
建立了加工模型后,即可利用CAXA制造工程师系统提供的多种形式的刀具轨迹生成功能进行数控编程。
CAXA制造工程师中提供了十余种加工轨迹生成的方法。
用户可以根据所要加工工件的形状特点、不同的工艺要求和精度要求,灵活的选用系统中提供的各种加工方式和加工参数等,方便快速地生成所需要的刀具轨迹即刀具的切削路径。
CAXA制造工程师在研制过程中深入工厂车间并有自己的实验基地,它不仅集成了北航多年科研方面的成果,也集成了工厂中的加工工艺经验,它是二者的完美结合。
在CAXA制造工程师中做刀具轨迹,已经不是一种单纯的数值计算,而是工厂中数控加工经验的生动体现,也是你个人加工经验的积累,它人加工经验的继承,
为满足特殊的工艺需要,CAXA制造工程师能够对已生成的刀具轨迹进行编辑。
CAXA制造工程师还可通过模拟仿真检验生成的刀具轨迹的正确性和是否有过切产生。
并可通过代码较核,用图形方法检验加工代码的正确性。
2.5后期G代码生成
在屏幕上用图形形式显示的刀具轨迹要变成可以控制机床的代码,需进行所谓后期处理。
后期处理的目的是形成数控指令文件,也就是平我们经常说的G代码程序或NC程序。
CAXA制造工程师提供的后期处理功能是非常灵活的,它可以通过用户自己修改某些设置而适用各自的机床要求。
用户按机床规定的格式进行定制,即可方便地生成和特定机床相匹配的加工代码。
2.6加工代码输出
生成数控指令之后,可通过计算机的标准接口与机床直接连通。
CAXA制造工程师可以提供我们自己开发的通信软件,完成通过计算机的串口或并口与机床连接,将数控加工代码传输到数控机床,控制机床各坐标的伺服系统,驱动机床。
随着我们国家加工制造业的迅猛发展,数控加工技术得到空前广泛的应用,CAXA的CAD/CAM软件得到了日益广泛的普及和应用。
我们相信当你认识了CAXA制造工程师以后,CAXA制造工程师一定会走到你的身边,成为你身边的不可多得的造型能手,忠实可靠的编程高手,数控加工工艺的良师益友。
3.课题学习目的
由上可以看出数控加工发展的迅速,它以其多方面的优点得到越来越广泛的应用,本次课题的设计就是应用典型零件的数控加工及特点分析,其中包括:
1.了解并掌握铣削类零件加工工艺特性及特点;
2.了解数控铣床功能特点,掌握常用铣削刀具使用要求及选择方法;
3.掌握CAXA制造工程师数控加工;
4.掌握数控程序的编程。
主要的四个方面的内容,以可乐瓶底的造型和加工为例对其中对各个方面又进行具体的分析、介绍。
4.可乐瓶底机构分析
可乐瓶底的表面主要由曲面构成,造型比较复杂。
由于直接用实体造型不能完成,所以先利用CAXA制造工程师2004强大的曲面造型功能作出曲面,再利用曲面裁剪除料生成凹模型腔。
可乐瓶底的侧表面可以用网格面来生成,因为是由5个完全相同的部分组成的,我们只要作出一个突起的两根截面线和一个凹进的一根截面线,然后进行环形阵列就可以得到其他几个突起和凹进的所有截面线,最后使用网格功能生成曲面。
可乐瓶底的最下面的平面使用直纹面中的“点+曲面”方式来做,这样做的好处是在做加工时两张面(直纹面和网格面)可以一同用参数线加工。
最后以瓶底的上口为准,构造一个立方体实体,然后用可乐瓶底的两张面把不需要的部分裁剪掉,就可以得到我们要求的凹模型腔。
5凹模型腔的造型
5.1绘制截面线
1.按下F7键
2.将绘制平面切换到XOZ平面。
3.单击“矩形”按钮
,在立即菜单中选择“中心-长-宽”方式,输入长度42.5,宽度37,输入(21.25,0,-10.5)为中心店,绘制一个42.5×
37的矩形,如图5-1所示。
图5-1矩形
4.单击“等距线”按钮
,在立即菜单中输入距离3,拾取矩形的最上面一条边,选择向下箭头为等距方向,生成距离为3的等距线。
相同的等距方法,生成如图5-2所示尺寸标注的各个等距线。
图5-2等距线
5.单击“裁剪”按钮
,拾取需要裁减的线段,然后单击“删除”按钮
,拾取需要删除的直线,单击鼠标右键确认删除,结果如图5-3所示。
图5-3裁剪
6.作过P1`P2点且与直线L1相切的圆弧。
单击“圆弧”按钮
,选择“两点半径”方式,失去P1点和P2点,然后按空格键在弹出的点的工具菜单中选择“切点”命令,拾取直线L2。
7.作过P4点且与直线L2直线相切,半径为10的圆R5。
单击“整圆”按钮
,拾取直线L2,切换点工具为“缺省点”命令,然后拾取P4点,按回车键输入半径10。
8.作过直线端点P3和圆R5的切点的直线。
单击“直线”按钮
,拾取P3点,切换点工具菜单为“切点”命令,拾取圆R5上一点,得到切点P5。
结果如图5-4所示。
图5-4绘制小圆
9.作与圆R10相切国过电P5,半径为10的圆C1。
,选择“两点半径”方式,切换点工具为“切点”命令,拾取R10圆:
切换点工具为“端点”,拾取P5点;
按回车键输入半径10。
10.作与圆弧C4相切,过直线L3与圆弧C4的交点,半径为10的圆C2。
,选择“两点半径”方式,切换点工具为“切点”命令,拾取圆弧C4;
切换点工具为“交点”命令,拾取L3和C4得到它们的交点;
11.作与圆C1和C2相切,半径为50的圆弧C3。
,选择“两点半径”方式,切换点工具为“切点”命令,拾取圆C1和C2,按回车键输入半径50,结果如图5-5所示。
图5-5绘制半径50的圆
12.单击“移动”按钮
,选择“拷贝”方式,复制一条圆弧C4;
在圆弧C4上单击鼠标右键选择“隐藏”命令,将一条隐藏。
13.单击“裁剪”按钮
和“删除”按钮
,去掉不需要的部分,结果如图5-6所示。
图5-6裁剪
14.按下F5键将绘图平面切换到XOY平面,然后再按F8键显示其轴测图。
15.单击“平面旋转”按钮
,在立即菜单中选择“拷贝”方式,输入角度41.10度,拾取坐标原点为旋转中心点,然后框选所有线段,单击鼠标右键确认,结果如图5-7所示。
图5-7旋转
16.单击“删除”按钮
,删除不需要的部分。
按下Shift+方向键旋转视图,观察生成的第一条截面线。
单击“曲线组合”按钮
,拾取截面线,选择方向,将其组合为一条样条曲线。
结果如图5-8所示。
图5-8删除
17.至此,第一条截面线完成。
因为作第一条截面线用的拷贝旋转,所以完整的保留了原来绘制的图形,我们只需要稍加编辑就可以完成第二条截面线。
18.按F7键将绘图平面切换到XOZ面内。
单击“线面可见”按钮
,显示前面隐藏掉的圆弧C4,并拾取确认。
然后拾取第一条截面线单击鼠标右键选择“隐藏”命令,将其隐藏掉。
结果如图5-9所示。
图5-9隐藏
19.单击“删除”按钮
,删掉不需要的线段。
单击“曲线过渡”按钮
,选择“圆弧过渡”方式,半径为10,对P2`P2两处进行过渡。
单击“曲线组合”按钮,拾取第二条截面线,选择方向,将其组合为一样条曲线。
结果如图5-10所示。
图5-10组合
20.按下F5键将绘图平面切换到XOY平面,然后再按F8键显示其轴测图。
,选择方式“圆心半径方式”以轴方向直线两端点为圆心,拾取截面线的两端点为半径,绘制如图5-11所示的两个圆。
图5-11绘制两个圆
21.删除两条直线。
,显示前面隐藏的第一条截面线。
22.单击曲面编辑工具栏中的“平面旋转”按钮
。
在立即菜单中选择“拷贝”方式,输入角度11.2度,拾取坐标原点为旋转中心点,拾取第二条截面线,单击鼠标右键确认。
结果如图5-12所示。
图5-12平面旋转
可乐瓶底有5个相同的部分,至此完成了一部分的截面线,通过阵列就可以得到全部,这是一种简化作图的有效方法。
23.单击“阵列”按钮
,选择“圆形”阵列方式,份数为5,拾取3条截面线,单击鼠标右键确认,拾取原点(0,0,0)为阵列中心,单击鼠标右键确认,立刻得到如图5-13所示结果。
图5-13阵列
至此为构造曲面所作的线架已经完成。
6型腔造型
6.1生成网格面
按F5键进入俯视图,单击曲面编辑工具栏中的“网格面”按钮
,依次拾取U截面线共两条,单击鼠标右键确认;
再依次拾取V截面线共15条,如图所示。
单击鼠标右键确认,稍等片刻曲面生成。
结果如图6-1所示。
图6-1网格面
6.2生成直纹面
底部中心部分曲面可以用两种方法来做:
裁剪平面和直纹面(点+曲线)。
这里用直纹面“点+曲线”来做,这样的好处是在做加工时,两张面(网格面和直纹面)可以一同用参数先来加工,而面裁剪平面不能与非裁剪平面一起来加工。
1.单击曲面编辑工具栏中的“直纹面”按钮
,选择“点+曲面”方式。
按空格键在弹出的点工具菜单选择“圆心”命令,拾取底部圆,先得到圆心点,再拾取圆,直纹面立即生成,结果如图6-2所示。
图6-2直纹面
2.选择“设置”“拾取过滤设置”命令,取消图形元素的类型中的“空间曲面”项。
然后选择“编辑”“隐藏”命令,框选所有曲线,单击鼠标右键确认,就可以将线框全部隐藏掉。
至此可乐平地的曲面造型已经作完。
在CAXA制造工程师2004中利用曲面裁剪是使实体获得曲面表现的重要方法。
先以瓶底的上口为基准面,构造一个立方体实体,然后用可乐瓶底的两张面(网格面和直纹面)把不需要的部分裁剪掉,得到我们要求的凹模型腔。
1.单击特征树中的“平面XOY”,选定平面XOY为绘图的基准面。
单击“绘制草图”按钮
,进入草图状态,在选定的基准面XOY面上绘制草图。
2.单击曲线工具栏中的“矩形”按钮
,选择“中心-长-宽”方式,输入长度120,宽度120,失去坐标原点(0,0,0)为中心,得到一个120*120的正方体,如下图6-3所示。
图6-3绘制矩形
3.单击特征生成工具栏中的“拉伸”按钮
,在弹出的拉伸对话框中,输入深度50,选中“反向拉伸”复选框,单击确定按钮得到立方体。
4.选择“设置”“拾取过滤设置”命令,在弹出的对话框中的“拾取时的导航加亮设置”选项中“加量空间曲面”,这样当鼠标移到曲面上是,曲面的边缘会被加亮。
同时为了更加方便拾取,单击“显示线架”按钮
,退出真实感显示,进入线架显示,可以直接选取曲面的网格面,结果如图6-4和6-5所示。
图6-4拾取过滤器
图6-5线框显示
5.单击特征生成工具栏中的“曲面裁剪除料”按钮,拾取可乐瓶底的两个曲面,选中对话框中的“除料方向选择”复选框,切换除料方向为向里,以便得到正确的结果。
6.单击“确定”按钮,曲面除料完成。
选择“编辑”“隐藏”命令,拾取两个曲面将其隐藏掉。
然后单击“真实感显示”按钮
,造型结果如图6-6所示。
图6-6造型
7可乐瓶底凹模模型腔加工
因为可乐瓶底凹模型腔的整体形状较为陡峭,所以粗加工采用等高线粗加工方式。
然后采用参数线近精工方式对凹模型腔中间曲面进行精加工。
7.1加工前的准备工作
设定加工毛配
选择加“工定”“定义毛配”命令,弹出“定义毛配”对话框。
选择“参照模型”,单击“确定”按钮,完成毛配的定义,如图7-1所示。
图7-1设定毛坯
7.2后置设置
用户可以增加当前使用的机床,给出机床名,定义适合自己机床的后置格式。
系统默认的格式为FANUC系统的格式。
1.选择“加工”“后置处理”“后置设置”命令,弹出“机床设置”对话框如图7-2所示。
图7-2机床后置处理
2.增加机床设置。
选择当前机床类型。
3.后指出里设置,选择后置设置选项卡,根据当前的机床,设置参数,如图7-3所示。
图7-3后置设置
7.3等高线粗加工
单机“加工”“粗加工”“等高线粗加工”或单击“等高线粗加工”按钮,弹出“等高线粗加工”对话框。
1.按表所示设置各项参数。
如果刀具库没有要选择的刀具,可以单击“增加刀具”按钮,弹出“刀具定义”对话框,输入刀具名称,设定增加的道具的参数。
输入正确的数值,刀具定义即可完成。
刀具名称一般都是以铣刀的直径和刀角半径来表示,刀具名称尽量和工厂中用刀的习惯一致。
刀具名称一般表示形式为“D20,r5,D代表刀具直径,r代表刀角半径。
道具的参数要与实际的相同,其中的刀刃长度与仿真有关而与实际加工五官。
2.根据左下方的提示拾取曲面·
拾取轮廓。
单击鼠标右键确认以后系统开始计算,稍候,得出轨迹如图所示。
3.拾取粗加工刀具轨迹,单击鼠标右键选择“隐藏”命令,将粗加工轨迹隐藏掉,以便观察下面的精加工轨迹。
如图表格7-1所示
加工参数
切削用量
加工方向
顺铣
主轴转速
1500
层高
2
慢速下刀速度
50
行距
1
切入切出连接速度
800
切削模式
环切
切削速度
400
行间连接方式
直线
退刀速度
1000
加工顺铣
Z优先
下刀方式
加工精度
0.1
安全高度
20
加工余量
0.5
慢速下刀距离
15
区域切削类型
抬刀切削混合
退刀距离
起始点坐标
X=0,Y=0,Z=60
切入方式
垂直
毛坯类型
参照模型
刀具参数
零件类型
模具型腔
刀具名
R5球铣刀
其他参数
不设定
刀具半径
5
加工边界
最大最小
-50/0
7.4参数线精加工
本例精加工可以采用多种方式,如参数线·
等高线+等高线补加工等。
下面仅以参数线加工为例介绍软件的使用方法。
曲面的参数线加工要求曲面有相同的走向·
公共的边界,选区位置要对应。
选择“加工”“精加工”“参数线精加工”命令或单击按钮,弹出“参数线精加工”对话框。
1.按照表中内容设置参数线精加工的加工参数
2.根据状态栏提示拾取曲面,当把鼠标移到型腔内部时,曲面自动被加亮显示,拾取同一高度的两张曲面,单击鼠标右键确认,根据提示完成相应的工作,最后生成轨迹。
如表格7-2所示。
1600
切出方式
100
3
遇面干涉
抬刀
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