弹翼模具CADCAM.doc

目 录1 引言11.1 cad/cam的应用11.2 课题研究的背景和意义21.2.1 本课题的来源21.2.2 研究现状和将要采用的方法21.2.3 本课题研究的目的和意义32 研究思路32.1 课题主要任务和拟采用的手段32.1.1 具体工作要求32.1.2 采用的方法和手段42.2 零件结构分析42.3 加工工艺方案的制定42.3.1 定位基准的选择42.3.2 加工方法的选择52.3.3 加工路线的确定52.4 夹具设计原则62.5 刀具和加工机床的选择62.6 cad/cam在本课题里的应用72.6.1 cad技术的应用72.6.2 cam技术应用83 研究内容83.1 利用autocad软件绘制弹翼草图93.2 利用pro/e做弹翼产品实体造型93.2.1 弹翼曲面的生成93.2.2 翼尖部分的曲面造型123.2.3 弹翼翼面实体的生成133.2.4 弹翼实体的生成133.3 模具的造型163.4 利用pro/e自动编程173.5 夹具设计233.5.1 工件在夹具上的定位233.5.2 工件在夹具上的夹紧243.5.3 具体夹具的设计254 创新点265 结论26附录28参考文献61致谢621 引言1.1 cad/cam的应用计算机的出现和发展实现了将人类从烦琐的脑力劳动中解放出来的愿望。从20世纪60年代初第一个cad系统问世以来，经过30多年的发展，cad/cam技术在理论上、实际应用上已日趋成熟，尤其进入20世纪80年代以后，硬件技术的飞速发展使软件在系统中占有越来越重要的地位 。目前cad/cam软件已经发展成为一个受人瞩目的高技术产业，并广泛应用在机械、电子、航空、航天、船舶、汽车、纺织、轻工、建筑等行业。据统计美国大型汽车业的100%，电子行业的60%，建筑行业的40%采用cad/cam技术，例如美国的波音777已经100%实现数字三维实体设计制造，实现了无图纸制造1。随着市场竞争的日夜激烈，用户对产品的质量、成本、研发时间提出了越来越高的要求，而cad/cam技术就是提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品生产成本的强有力手段。导弹弹翼作为导弹总体结构中关键零部件之一，其设计制造直接关系到整个导弹的质量、成本和研发周期。与传统的设计制造相比， cad/cam能准确设计制造出导弹弹翼，使其产品质量大大提高。导弹弹翼的cad/cam还缩短了设计制造周期，节约了大量人力劳动，从而降低了成本。事实证明cad/cam技术是加快产品更新换代，增强企业竞争力最有效的手段。目前cad/cam技术已经成为衡量一个国家工业现代化水平高低的主要标志。因此，我们应该抓紧时间，结合国情，积极开展cad/cam的研究和推广工作，提高企业竞争能力，加速企业现代化的进程2。cad/cam技术随着其推广应用和数字化设制造技术的发展，已逐渐从一门新兴技术发展成为一种高新技术产业，所以cad/cam技术也是未来工程技术人员必须掌握的基本工具。 现代制造技术是传统制造工艺技术不断吸收机电、信息、材料、能源及现代管理技术的最新成果，将其综合运用于制造全过程，实现优质高效、低耗、清洁、污物和灵活的柔性生产，从而取得理想的经济效果3 。近20年，随着科学技术特别是微电子技术和计算机技术的飞速发展，使得传统的机械制造技术发生了极为广泛和深刻的变化，表现为：1）新材料和难加工材料的不断涌现和使用，极大的刺激和推动了制造技术的发展，出现了一系列新工艺、新技术，解决了传统制造技术难以解决的加工问题；2）产品零件的加工精度和表明质量要求越来越高，使得超精加工得以迅猛发展，作用日益突出，实现超精加工的方法也日趋增多和完善；3）为适应日趋激烈的市场竞争，生产的自动化程度和适应能力得到空前提高。以成组技术（gt）、计算机辅助制造（cam）、柔性制造技术（fms）、计算机集成制造系统（cims）等为代表的机械制造系统自动化技术，已经成为当代举世瞩目的高新技术41.2 课题研究的背景和意义1.2.1 本课题的来源过去在cad/cam出现以前，产品从设计到加工都是靠人工完成，与现阶段采用的先进技术相比较，先前的产品完成方法在图纸绘制、设计计算、工艺设计、加工制造等每一步都存在很大误差，其叠加起来的总误差就可想而知了。另外由于每一步都靠人工介入完成，使得产品误差大小的确定、产品质量一致性成了难以解决的问题。随着科学技术的发展，产品的制造技术越来越难以达到现代化产品的要求，落后的设计加工方法终将会被先进技术所取代5。cad、cae、capp、cam等辅助软件及系统的出现给传统制造业带来了具有重大意义的发展。到目前为止越来越多的企业采用计算机辅助生产过程，并取得相当好的成绩，为生产力的提高作出了巨大的贡献。但是沿用传统设计，加工方法的企业仍占有相当大的比例，新技术的应用还有待普及。传统设计、加工方法的弊端是显而易见的。例如在工艺设计方面，以前主要靠工艺师多年工作经验总结出来的经验来进行，因此，工艺规程的设计质量完全取决于工艺人员的技术水平和经验，编出来的工艺规程一致性差，也不可能得到最佳方安。这样的弊端在产品设计到加工过程中的其他环节也是普遍存在的6。也正是由于这反复们的原因阻碍了产品向高质量的发展。然而，从理论和实践中得到证明：cad/cam等辅助软件及系统的用可以削弱甚至消除某些弊端。由此可见，新技术的学习和研究对于制造业的工作人员是很有必要的。1.2.2 研究现状和将要采用的方法目前，我国大部分生产厂家都是用普通机床进行生产，这样的生产导致生产效率低，生产成本高，资源浪费大。本文所研究的曲面，在大部分生产厂家还是采用传统的靠模的加工方法，这种加工方法不光加工效率极低，成本极高，而且很难保证加工精度，这些因素就决定了这种加工方法必将被淘汰，而一种新的加工方法必将出现，以取代这种落后的加工方法7。cad/cam的出现就是趋于这种必然，它已成为提高产品质量和提高劳动生产率的一种必不可少的手段。本课题所研究的弹翼曲面加工精度要求高，是传统加工工艺很难加工的，为了提高产品的生产效率和加工精度，本课题将选用计算机辅助设计和制造的方法来完成弹翼模具的设计和加工，即采用cad/cam技术对弹翼进行设计制造。1.2.3 本课题研究的目的和意义cad/cam技术随着其推广应用和数字化设制造技术的发展，已逐渐从一门新兴技术发展成为一种高新技术产业，所以cad/cam技术也是未来工程技术人员必须掌握的基本工具。本课题选自学科的科研项目，目的是掌握先进的科学技术，并应用该技术进行实际工程设计制造，同时对导弹的关键零部件结构设计、自动编程技术和数控加工技术有一个初步的了解，加深对学过的专业知识巩固和应用，为以后参加实际工作打下良好基础。2 研究思路2.1 课题主要任务和拟采用的手段2.1.1 具体工作要求本课题主要研究弹翼模具的设计制造，其具体任务是：1） 以计算机三维实体仿真的形式完成弹翼模型。2） 利用pro/e完成弹翼模具的设计。3）以工程图纸的形式完成一套夹具设计，并附带设计说明（包括采用结构的理论依据，设计过程的分析计算步骤等）。4）利用pro/e自动编程并以书面形式完成nc编程代码（包括各工步刀具的选择、切削参数的计算或选择）。2.1.2 采用的方法和手段首先分析弹翼零件并了解其加工要求。学习设计弹翼模具所需要 cad/cam三维造型软件pro/e，利用autocad绘出弹翼的平面图，利用pro/e软件完成弹翼的实体造型和弹翼模具的设计，然后根据弹翼模具设计出其加工所需要的夹具，选择弹翼模具的数控加工路线和设置加工参数，利用pro/e完成自动编程并生成数控nc代码。2.2 零件结构分析导弹弹翼是导弹的重要零件，它对导弹的空气动力特性和导弹的总体性能有重要影，所以弹翼加工精度要求很高。由于弹翼截面型状呈流线型，翼面是不规则曲面，所以其加工工艺也比较复杂。而且弹翼翼面有很高的表面粗糙度要求。所有这些用传统的加工工艺，即靠模仿型的加工方法，是很难达到加工要求的，因此，需要采用数控机床加工该复杂曲面。2.3 加工工艺方案的制定从毛坯工件到零件的加工，一般分为粗加工，半精加工和精加工，对这些表面仅根据质量要求选择最终方法是不够的，应正确的确定从毛坯到最终成型的加工方案8。本课题只讨论弹翼模具的精加工的内容，即将工件加工到零件具体要求的尺寸和精度。2.3.1 定位基准的选择基准是用来确定生产对象上集合要素之间是集合关系所依据的那些点、线和面。机械产品从设计、制造到出厂经常要遇到基准问题：设计时零件尺寸标准、制造时工件的大为、检查时尺寸的测量以及装配时零配件的装配位置等等都需要用到基准的概念。从设计和工艺两方面看基准，可以把基准分为设计基准和工艺基准两大类。在加工时的定位基准选择的一般原则是9：1） 选最大尺寸的表面为安装面（限制3个自由度），选最长距离的表面为导向面（限制来2个自由度），选最小尺寸表面为支撑面（限制1个自由度）。2） 首先考虑保证空间位置精度，再考虑保证尺寸精度。3） 尽量选择零件的主要表面为定位基准，因为主要表面是决定该零件其他表面的基准，也就是主要设计基准。4） 定位基准应有利于夹紧，在加工过程中稳定可靠。导弹弹翼模具的底平面为最大面，而且是主要面，为了保证弹翼截面的加工精度，应选弹翼模具的底平面为定位基准面。2.3.2 加工方法的选择一般情况下，根据零件的精度（包括尺寸精度，形状精度和位置精度以及表面加工粗糙度，考虑本车间现有工艺条件，考虑加工精度因素选择加工方法）查阅相关手册选择加工方法。在选择加工方法时应考的主要问题有10：1） 所选用的加工方法是否能够达到精度要求。2） 零件材料的加工性能如何。例如有色金属宜采用切削加工方法，不宜采用磨削加工方法，因为有色金属易堵塞砂轮工作面。3） 生产率对加工方法有无特殊要求。例如为满足大批大量的生产需求，齿轮内孔通常采用拉削成型的加工方法加工。4） 本厂的工艺能力和现有的加工设备的加工经济精度如何。技术人员必须熟练现有的加工设备种类、数量、加工范围和精度水平以及工人的技术水平，以充分里用现有资源，不断对原有设备、工艺设备进行技术改造，挖掘企业潜力，创造经济效益。在传统的加工中，像本课题所研究的不规则的复杂曲面绝大部分都采用靠模仿形加工的方法，在普通铣床上加工制造，由于此方法存在效率低，和很难保证加工精度的缺点，所以结合以上所述的加工方法选择要求，本课题选用三轴联动的数控铣床铣曲面的加工方法加工该零件。2.3.3 加工路线的确定在数控加工中，刀具刀位点相对于工件运动的轨迹叫做加工路线。编程时，加工路线的确定原则主要有以下几点11：（1） 加工路线应保证被加工零件的精度和表面质量，而且效率要高。（2） 使数值计算简单，以减少编程运算量。（3） 应使加工路线最短，这样既可以简化加工程序段，又可以减少空走刀时间。另外，确定加工路线时，还要考虑工件的加工余量和机床刀具的系统刚度等情况，确定是一次走刀还是多次走刀完成加工。铣削曲面的加工路线有多种。对于边界敞开的直纹曲面，加工时常采用球头刀进行“行切法”加工，即刀具与零件轮廓的切点轨迹是一行一行，行间距按零件加工精度要求而确定。对于弹翼模具曲面加工所使用的加工路线一般有两种，即沿直线的行切法和沿曲线的行切法。沿直线的行切法每次走刀是直线，刀位点计算简单，程序少，加工过程符合直纹面的形成，可以准确保证母线的直线度12。而采用沿曲线的行切法符合弹翼数据给出情况，便于加工后检查，曲面的准确度高，但程序较多。通过以上的比较，弹翼模具的加工路线应选用沿曲线的行切法进行加工。 2.4 夹具设计原则为了使工艺过程的任何工序保证质量、提高生产率、减轻工人劳动强度以及保证工作安全等的一切附加装置都称做夹具。它一般由定位件、夹紧装置、导向元件和对刀装置、连接元件、夹具体和其他元件和装置构成。因为夹具作为工艺过程中用到的一种工艺装备，用以保证工件质量和使工艺过程达到高效率的，所以夹具设计的原则是及时、高效、适用和经济。对夹具的设计要求有以下四个重要方面13：1） 保证工件位置精度。夹具的首要任务是保证工件上被加工表面的位置精度，同时对相关的尺寸精度和表面粗糙度的改善也起一定的作用。2） 保证使用方便和安全。对nc机床或数控加工中心，尤其是fmc或fms，夹具使用的方便性和安全是十分重要的。3） 夹具类型与其生产规模相适应并保证高效生产。夹具结构与元件的标准化，模块化，并可以重复使用，以保证低成本加工时需要固定工件，而本课题研究的是弹翼模具，根据弹翼模具的形状和尺寸，为了满足上述要求，将其夹紧固定就要设计专用夹具。本文将结合弹翼形状，设计出加工此弹翼的专用夹具，具体设计见下文夹具设计。2.5 刀具和加工机床的选择刀具的选择是数控加工工艺中的重要内容之一，不仅影响机床的加工效率，而且直接影响加工质量。编程时，选择刀具通常考虑机床的加工能力，工序内容，工件材料等因素。选择刀具时，要使刀具尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应。生产中，平面零件的周边轮廓加工和曲面加工，常采用硬质合金的立铣刀，加工槽和凸台常采用高速钢立铣刀。对于曲面加工常采用球头铣刀，但加工曲面较平坦的部位时，刀具以球头顶端刃切削，切削条件较差，因而采用环形刀。在本课题中，弹翼曲面曲率较大，所以可以选用球头铣刀。在数控机床上加工零件，一般有以下两种情况。一是有零件图样和毛坯，要选择适合加工零件的数控机床，另外一种是已经有了数控机床，要选择适合该机床加工的零件。无论哪种情况，考虑的因素主要有毛坯的材料和类型，零件轮廓形状复杂程度，尺寸大小，加工精度，零件数量和热处理要求。概括起来机床的选用要满足以下要求：保证加工零件的技术要求，能够加工出合格的产品；有利于提高生产率；可以降低生产成本14。本课题研究的是弹翼模具的加工制造，其尺寸已定，所以是根据零件和毛坯，选择适合加工零件的数控机床。机床根据床身与零件的相对运动可以分为两轴半联动，三轴联动，四轴联动和五轴联动机床。两轴半联动是指三坐标行切法加工x，y，z三轴中任意两轴作联动插补，第三轴作单独的周期进刀。三轴联动加工时，x，y，z三轴可以同时作联动插补，它也经常用于行切法加工曲面。四轴联动通常用于加工侧面为直纹的扭曲面15。五轴联动则通常用于加工螺旋桨的叶片。通过以上分析，为了满足机床选用的基本要求，在本课题中应选用两轴半联动或三轴联动的数控铣床，对导弹弹翼模具的曲面进行铣削加工。2.6 cad/cam在本课题里的应用cad/cam技术是计算机科学、信息技术与现代制造技术相结合的产物。是实现产品设计和制造自动化的关键技术，是当代先进的生产力。引入cad/cam技术进行产品的设计、工程与结构分析、工艺规程和数控编程能大大提高产品的性能和质量，缩短产品的开发周期，增强产品的竞争力，创造显著的效益。以下是对cad、cam的简要介绍和在本文中的应用。2.6.1 cad技术的应用 cad（computer aided design）计算机辅助设计，是指工程技术人员一计算机为工具，用各自的专业知识对产品进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。一般认为cad的功能可以归纳为4大类：几何建模、工程分析、模拟仿真和自动绘图。因而，一个完整的cad系统应由科学计算、图形系统和工程数据库等组成16。在本课题的研究过程中主要将应用cad相关软件实现其几何建模功能和对其其他功能的学习。具体过程是利用autocad软件作弹翼零件和夹具装配图以及其零部件的而维草图，然后利用pro/e软件做弹翼的实体造型和弹翼模具的实体造型，对该过程的讨论，旨在对autocad做进一步的熟悉应用和对pro/e的学习掌握，以及对cad在机械工程中的应用加以了解。2.6.2 cam技术应用cam（computer aided manufacturing）计算机辅助制造，cam目前尚无统一的定义。一般而言，cam是指计算机在产品制造领域中有关应用的总称。广义cam是指利用计算机辅助完成从毛坯到产品全部制造过程中的各种直接和间接的活动，包括工艺准备（计算机辅助工艺设计，计算机辅助工装设计与制造、nc自动编程、工时定额和材料定额编制等）、生产作业计划、物流过程的运行控制（加工、装配、检测、运输和存储等）、生产控制、质量控制等。狭义的cam是指计算机辅助机械加工，更确切的说是指数控程序的编制，包括刀具路线的规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及后置处理和nc代码的生成等等。cam是先进制造技术的重要部分，是提高制造水平的重要举措17。本课题的讨论主要是对狭义cam的学习，主要学习利用pro/e软件对弹翼模具的曲面加工进行工艺分析和自动数控编程。 3 研究内容在以上内容中，结合导弹弹翼的结构特点和相关的理论知识，对弹翼翼面的加工做了简要分析。以下内容将对弹翼的实体造型以及自动数控编程的具体应用。3.1 利用autocad软件绘制弹翼草图在本课题中，首先需要对袄但弹翼进行二维图形绘制，这是产品设计cad技术中应用的一部分。零件二维图形绘制的目的在于：表达零件的基本尺寸、形状和位置公差以及表面粗糙度等加工要求。在零件图的绘制中，每一步都应该严格按照国标的要求完成对零件图的绘制和尺寸标注。本课题所研究的零件图如下：图3.1 弹翼零件图弹翼的上下翼面的曲面是由数据表生成，详细零件图及数据表见附图弹翼。3.2 利用pro/e做弹翼产品实体造型实体造型是通过简单体素的几何变换合并、交、差的集合运算生成各种复杂的造型技术。实体模型能够包括完整的形体集合信息和拓扑信息，已经成为目前cad/cam几何造型的主流技术。本课题是利用pro/e软件对该弹翼做产品实体造型。pro/e软件的功能非常强大，它可以完成从产品的设计到制造的全部过程，可运用于工业设计、机械设计、模具设计、机构分析、有限元分析、加工制造及关系数据库管理等领域，是先进cad/cam软件代表。利用pro/e软件造型可以给出直观的零件三维实体模型，而且可以为后续的capp、cam系统的应用提供必要的信息，这在产品设计中是不可缺少的。pro/e软件功能模块多，应用范围广，在本课题中所应用到的只不过是一些简单功能，现将pro/e软件零件实体造型模块在本课题中的应用作一些简要介绍。3.2.1 弹翼曲面的生成弹翼曲面是本课题要研究的重点，用pro/e软件做弹翼曲面的实体造型简单方便。首先将上翼面的数据分别用记事本格式编辑并保存，其具体格式如图3.2。图中第一列为x轴的数据，第二列为y周上的数据，第三列为z轴上的数据。3.3 模具的造型模具的设计可以通过弹翼实体在pro/e软件中通过程序自动生成模具实体，也可以先设计模具的尺寸再用pro/e软件进行实体造型。本设计选用后者，即先设计模具的具体尺寸再用pro/e软件进行实体造型。由于弹翼翼面是分为上下两个曲面的，所以模具的上下模分别为弹翼上下翼面的曲面形状凹模，上下模的分型面为弹翼上下曲面的交线所在的平面，即弹翼的弦翼面。模具的上下模的高度一样，模具总高度为150mm，所以上下模分别为75mm，弹翼的长和宽为1000mm370mm，查表选凹模宽度方向上的边缘厚度为50mm，长度方向上的边缘厚度为100mm，由上述可以知道弹翼翼面上下模具的总体尺寸均为1200mm470mm75mm。用pro/e软件造型过程如下：3.4 利用pro/e自动编程pro/e软件属于cad/cam集成软件，利用pro/e软件不仅可以做产品实体造型，而且可以用于自动编程。在利用pro/e软件自动编程功能过程中，其主要流程为：导入模型并定位选用恰当的机床及确定零件的基准坐标系设置刀具参数设置制造参数选取加工曲面计算刀位数据刀具轨迹运动仿真后置处理输出nc代码。以下将具体操作过程作简要介绍。1） 导入模型及定位利用pro/e软件的pro/nc模块可以直接调用某个三维实体模型文件。将实体模型导入后需要对零件进行定位。导入零件实体模型以前若已经导入了夹具模型，此时可将零件定位在夹具上。本课题所研究的只是单个零件的导入，选用缺省的定位即可。如图3.22。图3.222） 机床的选用及坐标系的确定 由第二章的论述可以知道，此模具曲面的加工机床选用三轴两动的数控铣床。在导入了需要加工的零件以后，需要选用机床和确定坐标系。因为加工的是曲面，所以要选用三轴联动的机床。点击加工弹出图3.23的菜单，选择机床名为mach01的三轴联动的数控铣床。再在零件上选一个z轴与翼面垂直的坐标系作为零件的加工零点，图3.23如果零件上没有这样的坐标系存在的话，就按照pro/e造型坐标系的创建方法新建一个这样的坐标系。这个坐标系是加工时刀具容易找到的坐标零点。在导弹弹翼模具的分型面上，以弹翼翼面的边做为参照，创建一个坐标系，而且这个坐标的z轴设置成和模具的分型面垂直。这样的坐标系能保证加工精度，所以就选这个坐标系作为加工零点。%o0001n0010t1m06s1000m03g00g43z50.h01m08x42.8105y-999.9918z29.7242g01z24.2242f300.x162.1459x162.2817z24.2308x163.7204z24.2979x165.1734z24.3622x166.64z24.4234x168.1211z24.4814x169.6177z24.5362x171.1304z24.5876x172.6602z24.6353x174.2079z24.6793x175.7742z24.7192x177.3579z24.7548x178.9576z24.7859x180.5742z24.8123x182.2082z24.8336x183.8603z24.8498x185.531z24.8606x187.2214z24.8658x188.9321z24.8652x190.6619z24.8585x192.4092z24.8455x194.175z24.8261x195.9601z24.7999x197.7652z24.7667x199.5919z24.7262x201.4413z24.6778x203.314z24.6212x204.2589z24.5896x205.2089z24.5559x206.1641z24.5198x207.1246z24.4814x208.0904z24.4405x209.0617z24.3972x210.0386z24.3513x211.0212z24.3028x212.0095z24.2515x212.5136z24.2242x371.8024y-998.992x212.5567x212.1125z24.2488x210.425z24.3354x209.0747z24.3996x207.3652z24.4745x205.9974z24.5294x204.2561z24.593x202.8629z24.639x201.0866z24.6912x199.6655z24.728x197.8521z24.7687x196.4013z24.7962x194.5485z24.8251x193.0662z24.8431x191.1974z24.8593x189.3285z24.8684x187.4597z24.8705x185.9646z24.867x184.0795z24.8562x182.1945z24.8382x180.6865z24.8187x178.7884z24.7878x177.2699z24.758x175.3497z24.714x173.8137z24.6738x171.8598z24.6163x170.2968z24.5653x168.3053z24.494x166.7123z24.432x164.6831z24.3467x163.06z24.2735x162.0369z24.2242x42.7553x42.7001y-997.9921x161.9104x162.6265z24.2592x164.6786z24.3524x166.2872z24.4205x168.2982z24.4994x169.8775z24.5564x171.8518z24.6214x173.4032z24.6676x175.3428z24.719x176.8679z24.7545x178.7744z24.7925x180.2836z24.8176x182.1702z24.8427x184.0569z24.8606x185.9437z24.8714x187.4388z24.8748x189.3076z24.8728x191.1765z24.8636x193.0453z24.8473x194.5276z24.8293x196.3804z