基于CADCAM技术的可乐瓶底模具型腔的数控加工 毕业论文(设计).doc

1 第一章 绪论 1.1 数控加工技术在模具制造的运用 数控加工的方式很多，包括数控铣加工、数控电火花加工、数控电火花线 切割、数控车削加工、数控磨削加工以及其他一些数控加工方式，这些加工方 式，为模具提供了丰富的生产手段。根据其特点，可以将模具分为许多类，每 一类模具，都有其最合适的加工方式。因此，在实际生产中，必须合理分类， 找到最适合的加工方式，以降低成本，提高生产率。 对于旋转类模具，一般采用数控车削加工，如车外圆、车孔、车平面、车 锥面等。酒瓶、酒杯、保龄球、方向盘等模具，都可以采用数控车削加工。对 于复杂的外形轮廓或带曲面模具，电火花成型加工用电极，一般采用数控铣加 工，如注塑模、压铸模等，都可以采用数铣加工。对于微细复杂形状、特殊材 料模具、塑料镶拼型腔及嵌件、带异形槽的模具，都可以采用数控电火花线切 割加工。模具的型腔、型孔，可以采用数控电火花成型加工，包括各种塑料模， 橡胶模、锻模、压铸模、压延拉深模等。对精度要求较高的解析几何曲面，可 以采用数控磨削加工。 在制造模具模板是的工艺分析，根具其特点，确定模板的加工方式和加工 工序，必要时可以采用特殊的加工方式，采用数控车床或加工中心，可以达到 一人操作几台或多台机床，只要完成对刀工作后就可以自动加工，利用数控加 工可以达到非规则曲面加工，有的数控机床可以达到多轴联动，与传统的机械 加工相比较，数控加工有着不可卓越的优点，当然，凡事有利必有弊，数控加 工需要专业的数控编程人员，需要专业的三维建模软件，培养专业的技术人才 可以有效地发展数控技术，提高公司的生产质量和产量。 模具在成型之后，其尺寸未能达到技术要求，根据其三维模型软件生成的 数控代码，将成形模具固定到数控机床上进行精确的数控加工已达到要求尺寸 和表面粗糙度，零件运用数控机床加工可以快速的实现准确的定位和精准的切 削，同时还可以实现提高效率。 2 1.2 cad/cam技术的发展及其在模具制造的运用 随着模具制造的技能化逐步向科学化发展，原来依靠主模型和绘制图形 制造物体模具的传统方法也逐步由 cad/cam 终端将数字描述物体形状转为加 工轨迹的方法所取代。用电话线路遥控加工过程则又将模具制造科学化的水平 推向一个新高度。 回顾以前，在加工物体时，必须绘制相近的蓝图和冲件精确尺寸制造的主 模型。可以说模型是设计和制造模具的母型。再用铸造方法制造模具时，首先 必须置备物体的样件。按照一定比例制成的模型称之为“靠模” ，常被用作仿形 加工中的母型，或作为现实铣床加工轨迹的辅助模型。仿形铣床上的靠模指沿 靠模轮廓形状移动，铣刀则按照靠模指的移动对模具材料进行铣削加工，仿出 所需的模具型腔。现在的加工方法的作用发生了根本性的变化。由客户所提供 的 cad 数据生成铣刀的切削加工轨迹，自动缴纳高出物体的冲压模具和进行 塑料板材模压成型和型腔模具。虽然用这种新工艺能比以往方法更精确地加工 出模具的两对合面，但对于压型还要进行试膜，并对试样进行测量。 本课题所使用的是 caxa 制造工程师这款 cad/cam 软件。它能够使实体设 计跨越了传统参数化造型在复杂性方面受到的限制，不论是经验丰富的专业人 员，还是刚接触 caxa 制造工程师的初学者，caxa 制造工程师都能为您提供 便利的操作。其采用鼠标拖放式全真三维操作环境，具有无可比拟的运行速度、 灵活性和强大功能，使您的设计更快，并获得更高的交互性能。caxa 制造工 程师支持网络环境下的协同设计，可以与 caxa 协同管理或者其它主流 cpc/plm 软件集成工作。利用 caxa 制造工程师，人人都能够更快地从事创新 设计。 caxa 制造工程师软件的功能特点： 1、 特征实体造型； 2、 nurbs 自由曲面造型； 3、 两轴到五轴的数控加工； 4、 三轴加工方式； 5、 四轴到五轴加工方式（可选配置） ； 6、 支持高速加工； 7、 参数化轨迹编辑和轨迹批处理； 8、 生成加工工序单； 9、 通用后置处理； 10、最新技术的知识加工； 3 第二章 可乐瓶底的三维造型 2.1 零件的原始数据和分析 本课题的原始数据如图 2-1 所示： 图 2-1 可乐瓶底曲面造型的二维图 这张图纸是一个可乐瓶底曲面图，它是在一个长 42.5，宽 37 的矩形，经 过 x 轴和 y 轴的偏移、裁剪、删除，再根据有效的尺寸进行画圆操作，修改到 要求的尺寸，最后经过平面镜像、曲线组合、阵列、网格面等命令做成。 造型方案 可乐瓶底的曲面造型比较复杂，它有五个完全相同的部分。用实体造型不 能完成，所以利用 caxa 制造工程师强大的曲面造型功能中的网格面来实现。 其实我们只要做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 圆形阵列就可以得到其他几个突起和凹进的所有截面线。然后使用网格面功能 生成五个相同部分的曲面。可乐瓶底的最下面的平面我们使用直纹面中的点 曲线方式来做，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。 、 2.2造型步骤 2.2.1 绘制截面线 1、按下“f7 ”键将绘图平面切换到 xoz 平面。 4 2、单击曲线工具中的“矩形”按钮 ，在界面左侧的立即菜单中选择“中心_ 长_宽”方式，输入长度 42.5，宽度 37，光标拾取到坐标原点，绘制一个 42.537 的矩 形，结果如图 2-2 所示。 图 2-2 绘制矩形 3、 单击几何变换工具栏中的“平移”按钮 ，在立即菜单中输入 dx21.25，dz-18.5 ，然后拾取矩形的四条边，单击鼠标右键确认，将矩形 的左上角平移到原点（0,0,0） ，结果如图 2-3 所示。 图 2-3 平移后矩形道原点 4、单击曲线工具栏中的“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，结果 如图所示 2-4 所示。 图 2-4 绘制等距线 5、相同的等距方法，生成如图所示尺寸标注的各个等距线，结果如图 5 所示。 5 图 2-5 绘制各等距线 6、单击曲面编辑工具栏中的“裁剪”按钮 ，拾取需要裁剪的线段，结果 如左图所示，然后单击“删除”按钮 ，拾取需要删除的直线，按右键确认删 除，结果如图 2-6 所示。 图 2-6 剪切直线 7、作过 p1、p2 点且与直线 l1 相切的圆弧。单击 “圆弧”按钮 ，选择“ 点_半径”方式，拾取 p1 点和 p2 点，然后按空格键在弹出的点工具菜单中选择 “切点”命令，拾取直线 l1。 作过 p4 点且与直线 l2 相切，半径 r 为 6 的圆 r6。单击 “整圆”按钮 ， 拾取直线 l2（上一步中点工具菜单中选中了“切点”命令） ，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 6。 作过直线端点 p3 和圆 r6 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 r6 上一点，得到切点 p5，结果 如图 2-8 所示。 6 图 2-8 绘制圆和直线 8、作与圆 r6 相切过点 p5，半径为 6 的圆 c1。单击 “整圆”按钮 ， 选择“两点_半径”方式，切换点工具为“切点”命令，拾取 r6 圆；切换点工 具为“端点” ，拾取 p5 点；按回车键输入半径 6。 作与圆弧 c4 相切，过直线 l3 与圆弧 c4 的交点，半径为 6 的圆 c2。单击 “整圆”按钮 ，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；按回 车键输入半径 6。 作与圆 c1 和 c2 相切，半径为 50 的圆弧 c3。单击 “圆弧”按钮 ，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 2-9 所示。 图 2-9 绘制圆 c1 和 c2 相切的圆弧 c3 9、单击曲面编辑工具栏中的“裁剪”按钮 和“删除”按钮 ，去掉不需 要的部分。在圆弧 c4 上单击鼠标右键选择“隐藏”命令，将其隐藏掉，结果 如图 2-10 所示。 p1 l1 p2p3 p4 l2 p5 p1 l1 p2p3 p4l2 p5 l3 c2 c3c1 c4 r6 7 图 2-10 隐藏圆弧 c4 10、按下 f5 键将绘图平面切换到 xoy 平面，然后再按 f8 显示其轴侧图。 11、 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 41.6 度，拾取坐标原点为旋转中心点，然后框选所有线段， 单击右键确认，结果如图 2-11 所示。 图 2-11 旋转拷贝 12、单击 “删除”按钮 ，删掉不需要的部分。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，将其组合一样条曲线，结果如图 2-12 所示。 图 2-12 生成第一条截面 至此，第一条截面线完成。因为作第一条截面线用的是拷贝旋转，所以完 整地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。 第一条截 面线 8 13、 按 f7 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右键选择“隐 藏”命令，将其隐藏掉，结果如图 2-13 所示。 图 2-13 显示圆弧 c4 并隐藏第一条截面线 14、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 6，对 p2、p3 两处进行过渡。 15、单击“曲线组合”按钮 ，拾取第二条截面线，选择方向，将其组合 一样条曲线，结果如图 2-14 所示。 图 2-14 生成第二条截面线 16、按下 f5 键将绘图平面切换到 xoy 平面，然后再按 f8 显示其轴侧图。 17、 单击 “圆弧”按钮 ，选择“圆心_半径”方式，以 z 轴方向的直线 两端点为圆心，拾取截面线的两端点为半径，绘制如图所示的两个圆，结果如 图 2-15 所示。 p2p3 第二条截 面线 9 图 2-15 以圆心_半径方式绘制两个圆 18、删除两条直线。单击“线面可见”按钮 ，显示前面隐藏的第一条截面线。 19、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 击右键确认,结果如图 2-16 所示。 图 2-16 旋转拷贝第二条截面线 可乐瓶底有五个相同的部分，至此我们完成了其一部分的截面线，通过阵 列我们就可以得到全部，这是一种简化作图的有效方法。 20、 单击“阵列”按钮 ，选择“圆形”阵列方式，份数为 5，拾取三条截 面线，单击鼠标右键确认，拾取原点（0,0,0）为阵列中心，按鼠标右键确认， 立刻得到如图 2-17 所示的结果。 10 图 2-17 圆形阵列 至此为构造曲面所作的线架已经完成。 2.2.2 生成网格面 按 f5 键进入俯视图，单击曲面工具栏中的“网格面”按钮 ，依次拾取 u 截面线共 2 条，按鼠标右键确认；再依次拾取 v 截面线共 15 条，按右键确 认，稍等片片刻曲面生成，结果如图 2-18 所示。 图 2-18 生成网格面 2.2.3 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。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）可以一同用参数线来加工，而面裁剪平面不能与非裁剪平面一起来 加工。 依次拾 取 v 截 面线共 15 条 依次拾取 u 截面线 共 2 条 11 1、单击曲面工具栏中的“直纹面”按钮 ，选择“点+曲线”方式。 2、按空格键在弹出的点工具菜单中选择“圆心”命令，拾取底部圆，得到 先圆心点，再拾取圆，直纹面立即生成，结果如图 2-19 所示。 图 2-19 生成直纹面 3、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，按右键确认， 就可以将线框全部隐藏掉，结果如图 2-20 所示。 图 2-20 隐藏线框 至此可乐瓶底的曲面造型已经作完。下一步的任务是如何选用曲面造型造 出实体。 2.2.4 曲面实体凹体混合造型 造型思路：先以瓶底的上口为准，构造一个立方体实体，然后用可乐瓶底 的两张面（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。多曲面裁剪实体是 caxa 制造工程师中非常有用的功能。 1、单击特征树中的“平面 xoy”，选定平面 xoy 为绘图的基准面，如图 2-21 所示。 12 图 2-21 选平面 xoy 为基准面 2、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。 3、 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 120，拾取坐标原点（0,0,0）为中心，得到一个 120120 的正方 形，结果如图 2-22 所示 图 2-22 绘制正方形 4、 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， 输入深度为 50，选中“反向拉伸”复选框，单击“确定”得到立方实体，结果 如图 2-23 所示。 图 2-23 反向拉伸 5、 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”项选中“加亮空间曲面” ，这样当鼠标移到曲面上时，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 ，退出真实咸 显示，进入线架显示，可以直接点取曲面的网格线，结果如图 2-24 所示。 13 图 2-24 线架显示 6、 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“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，结果如图 2-25 所示。 图 2-25 曲面裁剪除料 7、单击“确定” ，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 ，造型结果如图所示 2-26 所示。 图 2-26 真实感显示 14 第三章 可乐瓶底凹体加工 3.1 加工前的准备工作 3.1.1 设定加工刀具 1、选择“应用”“轨迹生成”“刀具库管理”命令， 弹出“刀具库管理” 对话框，如图 3-1 所示。 图 3-1 刀具库管理对话框 2、增加铣刀，这里可以任意增加刀具和删除刀具。单击“增加铣刀”按钮如图 3-2，在对话框中输入铣刀名称，刀具名称可以任意给，只要自己好识别就可以 了。 图 3-2 输入铣刀名称 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“d10，r3” ， d 代表刀具直径，r 代表刀 角半径。 3、设定增加的铣刀的参数。键入正确的数值，刀具定义即可完成。其中的刀刃 长度和刃杆长度与仿真有关而与实际加工无关，在实际加工中要正确选择吃刀 量和吃刀深度，以免刀具损坏。 3.1.2 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“应用”“后置处理”“后置设置”命令，弹出“后置设置”对话 15 框。 2、增加机床设置。选择当前机床类型，如图 3-4 所示。 图 3-4 增加机床设置 3、后置处理设置。选择“后置处理设置”标签，根据当前的机床，设置各参数， 如图 3-5 所示。 图 3-5 后置处理设置 3.1.3 设定加工毛坯 利用实体上表面的四个角点,做一个正方形，作为粗加工的轮廓，如图 3-6 所 示。 16 图 3-6 选取粗加工轮廓 3.2 可乐瓶底的常规加工 加工思路：等高粗加工、参数线加工。 根据加工零件的形状特点，难于用普通铣床进行粗加工，而用 caxa 制造工程师软件， 却是一件轻而易举的事。因为可乐瓶凹模型腔的整体形状较为陡峭，所以粗加工采用等高 粗加工方式。然而采用参数线加工方式对凹模型腔中间的曲面进行精加工。 3.2.1 等高线粗加工刀具轨迹 1、设置工艺参数。选择“应用”“轨迹生成”“等高粗加工” ，出现“粗 加工参数表”对话框，在“粗加工参数”选项中如图 3-16 所示设置各项参数。 注意毛坯类型选择“拾取轮廓” 。 2、设置切削用量。输入相应的主轴转速，f 进给速度，起止高度 60，安全 高度 50，单击“确定” ，设置切削用量如图 3-17 所示。 3、选择“进退刀方式”和“下刀方式”选项标签，设定进退刀方式和下刀切入 方式均为“垂直”如图 3-18 所示。 4、选择“铣刀参数”选项标签，选择铣刀为 r5 球刀，设定球刀的参数，如图 3-19 所示。 5、选择“清根参数”选项标签，设置清根参数，如图 3-20 所示。 图 3-16 设置粗加工参数表 图 3-17 设置切削用量 17 图 3-18 设置进退刀方式和切入方法 图 3-19 设置球刀参数 图 3-20 设置清根参数 6、根据左下方的提示拾取轮廓，然后拾取曲面。拾取曲面可以按 w 键，全 部选中。按右键确认以后系统开始计算，稍候，得出轨迹如图 3-21 所示。 图 3-21 拾取轮廓和曲面 7、拾取粗刀具轨迹，单击右键选择“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。 18 3.2.2 精加工参数线加工刀具轨迹 可以直接加工原始的曲面，这样会显得更简单一点。也可以直接加工实体。 但曲面截实体以后形成的实体表面比原始的曲面要多一些。本例内型腔表面为 5 张曲面。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、 放射性加工等。下面仅以参数线加工为例介绍软件的使用方法和注意事项。曲 面的参数线加工要求曲面有相同的走向、公共的边界，选取位置要对应。 1、选择“应用”“轨迹生成”“参数线加工”命令，弹出参数线加工 参数表，按照图 3-22 所示设置参数线加工参数。刀具和其他参数按粗加工的参 数来设定。完成后单击“确定”按钮。 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，拾取同一高度的二张曲面后，按鼠标右键确认，根据提示完成相应的工作， 最后生成轨迹，结果如图 3-23 所示。 3、 如果我把轨迹生成的功能灵活运用一下，也可以得到软件未提供的轨迹生 成方式。下面的放射状加工就是一例。用户可以试着去做，放射性加工如图 3- 24 所示。 19 图 3-22 设置参数线加工参数表 图 3-23 生成轨迹 图 3-24 放射状加工 3.2.3 轨迹仿真、检验与修改 1、单击“线面可见”按钮 ，显示所有已经生成的加工轨迹，然后拾取粗加工 轨迹，按右键确认。 2、选择“应用”“轨迹仿真”命令。在立即菜单中选择“拾取两点”方 式。拾取粗加工、精加工的刀具轨迹，按右键结束。 3、拾取两角点。拾取模具的两个对角点，系统立即将进行加工仿真结果如 图 3-25 所示。 20 3-25 加工仿真 4、仿真过程中，系统显示走刀速度。仿真结束后，拾取点观察仿真截面，结果 如图 3-26 所示。 图 3-26 观察仿真截面 5、单击鼠标右键，弹出“选择仿真文件”对话框，输入文件名，单击“保存” ， 存储可乐瓶加工仿真的结果。 6、仿真检验无误后，单击“文件”“保存” ，保存粗加工和精加工轨迹。 3.2.4 生成加工 g 代码 1、选择“应用”“后置处理”“生成 g 代码 ”命令，弹出“选择后置文件” 对话框，填写加工代码文件名“可乐瓶底加工粗加工” ，单击“保存” 。 2、拾取生成的粗加工的刀具轨迹，按右键确认，立即弹出粗加工代码文件保存 即可，结果如图 3-27 所示。 3、同样方法生成精加工 g 代码，结果如图 3-28 所示。 21 图 3-27 粗加工代码文件保存 图 3-28 生成精加工代码 3.2.5 生成工序单 1、选择“应用”“后置处理”“生成工序单”命令，弹出“选择 html 文件名”对话框，输入文件名“可乐瓶底加工” ，单击“保存” 。 2、左下角提示拾取加工轨迹，用鼠标选取或用窗口选取或按“w”键，选 中全部刀具轨迹，点右键确认，立即生成加工工艺单。生成和结果如图 3-29 所 示。 图 3-29 生成加工轨迹明细单 究竟用哪一种加工方式来生成轨迹，要根据所要加工形状的具体特点，不 能一概而论。对于本题来说，参数线方式加工效果最好。最终加工结果的好坏， 是一个综合性的问题，它不单纯决定于程序代码的优劣，还决定于加工的材料， 刀具，加工参数设置，加工工艺、机床特点等等。几种因素配合好了我们才能 够得到最好的加工结果。 22 结束语 在机床的后置处理、刀具的轨迹生成仿真和 g 代码生成的设计中，不仅要 有耐心和坚强的毅力，而且对以前所学的知识也是一个整体的把握。 在整个设计过程中，我深刻的体会到知识的缺乏与设计过程中的辛酸，花 费时间最多的是刀具轨迹生成和仿真过程，能否正确生成 g 代码，其中遇到的 各种问题，使自己努力的去寻求解决办法，查阅各种资料，以及季鹏老师的耐 心指导，才能完成整个过程。 总体来说通过这次毕业设计，留给我印象最