毕业设计（论文）-盘类零件加工工艺优化与仿真.doc

盘类零件加工工艺优化与仿真摘 要本课题重点包括三个方面的内容：常见盘类零件的数控加工工艺总结、盘类零件CAD/CAM仿真、以及在此基础上进行优化。在掌握了数控工艺的基本知识、能够熟练使用仿真软件且具备较强的分析优化能力的基础上完成对典型盘类零件的加工仿真与优化等一系列流程。本文仿真部分使用的软件为UG。首先在UG上进行典型盘类零件的建模。选择零件为一盘盖类零件，它基本包括盘类零件的所有工艺内容及特征。成功建模后分析工件的结构特点，进而选择合适的刀具、加工顺序、加工路线及切削用量等，在UG上加载并形成数控代码，完成最终的仿真。在优化部分使用软件为VERICUT，它可以继承UG软件的仿真内容，然后对刀具轨迹参数等内容进行修正，实现加工效率的最大化、加工质量的最优化，并最终给出优化结果，它可以作为操作人员进行实体加工的参考。关键词 盘类零件 数控加工 UG VERICUT全套图纸加扣 3012250582Process Planning and Optimization for plate partsABSTRACTThe focus of this project includes three aspects: the summary of CNC machining processes for common disk parts, CAD / CAM simulation of disk parts, and optimization on this basis. In the master of the basic knowledge of CNC technology, skilled use of simulation software and have a strong analytical and optimization capabilities to complete the typical disk parts processing simulation and optimization of a series of processes.The simulation software used in this article is UG. First, creating a typical disk part on UG. Select the part as a cover part, which basically includes the disk parts of all the process content and characteristics. After successful creating the model, analyze the structural characteristics of the workpiece, and then select the appropriate tool, the processing sequence, the processing route and the cutting amount. Then load and form the NC code on the UG to complete the final simulation. The optimization software used in this article is VERICUT, it can inherit the simulation of UG software content, and then modify the tool track parameters and other content to achieve the maximum processing efficiency, processing quality optimization, and ultimately give the optimization results. It can be used as a reference for the operator to perform physical processing.KEY WORDS disc parts nc machining ug vericut 目 录第一章 绪论11.1 选题背景和意义11.2 盘类零件介绍21.3 研究的内容及问题31.3.1 研究的基本内容31.3.2 拟解决的主要问题31.4 仿真软件介绍31.4.1 UG NX简介31.4.2 VERICUT简介41.5 本章小结4第二章 典型盘类零件的构造52.1 盘类零件结构分析52.2 UG上零件模型的构造52.3 本章小结7第三章 盘类零件的加工工艺分析83.1 零件工艺分析83.2 零件的毛坯选择83.3 装夹方案的选择93.3.1 定位基准的选择93.3.2 夹具的选择93.4 加工刀具的选择93.5 加工顺序的确定103.6 加工路线的确定103.6.1 顺铣和逆铣的选择113.6.2 铣削外轮廓的加工路线113.6.3 铣削内轮廓的加工路线113.6.4 铣削内腔的加工路线113.7 铣削用量的确定123.8 本章小结15第四章 盘类零件数控加工在UG上的实现164.1 UG数控加工仿真的一般步骤164.1.1 创建加工环境164.1.2 创建刀具164.1.3 创建几何体174.1.4 创建加工坐标系174.1.5 创建工序184.1.6 生成后处理代码184.2 UG加工盘类零件主要方式194.2.1 型腔铣194.2.2 标准钻孔214.3 本章小结23第五章 使用VERICUT进行仿真优化245.1 VERICUT优化原理及简介245.2 VERICUT仿真优化过程245.3 本章小结28第六章 总结29参考文献31致 谢32II北京邮电大学本科毕业设计（论文）第一章 绪论绪论部分主要介绍了一些背景相关的内容，包括课题的背景及意义、盘类零件的介绍、仿真和优化软件的介绍等，概括性地阐述了研究的基本内容和主要问题，为后面的具体叙述做好了铺垫。1.1 选题背景和意义现代机械加工制造技术发展迅速，各种加工设备不断升级完善，向着更快速更准确更智能的方向发展。在众多加工设备之中，数控机床扮演着重要的角色。这是一种装有程序控制系统的高度自动化机床，具有加工柔性高、精度高、可靠性高、适应性强、加工质量稳定、利于生产管理现代化等特点。其生产率和自动化程度均超过传统机床，能够较好地解决精密、复杂、多品种的零件加工问题。例如，数控机床在加工轴类、盘类零件等回转类工件时就有着非常高的效率，因而熟练使用数控机床并理解其内在机理对于现代工程师来说尤为重要。随着制造设备的自动化水平不断进步，数字化加工技术得到了广泛的关注与应用，并逐渐替代了传统普通机械加工。它使全球的制造业都发生了根本性变化，可以说，数控技术的水平及普及程度已成为衡量一个国家或企业工业现代化水准及核心竞争力的重要标准1。在国际市场上，美国、德国、日本等国家控制着中高端数控系统的市场。国外的大型数控系统制造商有西门子（Siemens）、发那科（FANUC）、海德汉（HEIDENHAIN）、三菱电机(Mitsubishi Electric)等。对于这些大型厂商来说，它们的数控机床功能已不仅仅局限于简单加工，而且还拥有着独立解决问题的能力，即向机器人的方向发展。随着人工智能技术研究的不断深入，数控系统的智能化程度也在不断提升。例如：使用自适应控制技术的数控系统可以检测到加工过程中的重要信息，继而自动修改系统中的相关参数，优化系统的运行状态；使用先进的伺服控制技术，伺服系统可以自动识别由切削力引起的振动，继而产生反向作用力以消除振动2。总而言之，国外的数控技术十分先进，不断向着高速化、高精度化、高可靠性、智能化的方向发展。反观国内，得益于市场需求旺盛，机械制造行业发展迅速，外商投资企业增长速度加快，近几年来我国机床发展势不可挡。然而，虽然我国的数控机床近年来在产品种类、质量产量、技术水平上都取得了很大进步，但数控系统的技术水平与国际一流水平的差距仍然很明显，差异仍存，问题仍存。我国数控系统基本占领了低端数控系统市场，经济型数控系统占较大比重。在中高端市场的开发上则稍显不足。在中高档及大型数控机床的研究开发上，超过70%的设备和部件均依赖进口，进口数控系统垄断的格局并未得到较大改观。总结起来就是我国数控系统始终处于低档膨胀迅速、中档进展缓慢、高档依赖进口的局面。造成这种局面的原因是多元化的，一方面我国在技术集成与应用方面的能力较差，很多技术急于从国外引进，却并未完全消化。对相关技术规范和标准的研究制定相对滞后。另一方面，我国缺少完善的专业人员技术培训体系，高素质专家人才极度缺乏，经营管理水平和市场营销水平也不高。同时，自主创新能力的缺失、知识产权保护意识的缺乏更是制约了国内数控机床产业的发展。针对此现象，相关从业人员应认清形势，承认不足，发展技术，自强不息，如此一来才能逐渐缩小与国际一流技术水平之间的差距。首先是加强技术创新。通过进口，我国确实获得了一些国外先进技术，却忽视了对基础性技术，如结构与精度、可靠性分析的研究。唯有在获得技术的同时不断进行优化，提升自主创新能力才能实现最终的超越。同时制造商们应当着眼于提升整体工艺与制造水平，提升相关功能部件的性能，以实现软硬件良好配合，达到理想状态。例如研发高性能的直线电机和电主轴；研发自动检测系统、高速防护和工具系统等。最后，最为关键的是加强对专业人员的培养。无论是熟悉机床操作、懂得维护懂编程的操作人员，还是熟悉机床机械结构及系统硬件知识、掌握CAD/CAM软件使用技巧的中级人才，亦或是精通机床结构设计，能够进行产品开发和技术创新的高素质专家，无不需要通过专业培训来习得高级从业技巧。唯有加大人才培养力度才能支撑起新时代数控机床的发展。数控加工技术应用的一大关键就在于计算机辅助设计与制造CAD/CAM技术。时下，计算机软硬件的飞速发展使得计算机的图形处理功能日益增强，利用CAD/CAM技术进行模拟仿真的自动编程技术逐渐成为主流。这种方法精度高、速度快、便于操作、使用简单。与传统的手工编程方法相比，利用CAD/CAM技术可以轻松处理形状复杂工序繁多的零件。例如盘类零件，它在机械加工中十分普遍，加工工艺复杂，难以控制精度。如若摒弃数控仿真技术，使用手工编程方法，不光进行复杂的计算十分低效，精度还无法保证，错误不断。也正是为了避免这些状况的发生，CAD/CAM技术在工业领域得到了广泛应用并逐渐普及，成为现代工业制造的一大关键技术。1.2 盘类零件介绍盘类零件是机械加工中十分常见的一类零件，它的应用范围非常广泛，例如：夹具上的导向套、气缸套；支撑传动轴的各种轴承；齿轮、法兰盘、各类盘状接头等等。盘类零件主要起到支撑、连接、导向、传动的作用。它的主体一般为回转体或其他平板型，主要由端面、外圆、内孔等工艺内容组成，一般来说厚度方向的尺寸要小于其他两个方向的尺寸。绝大部分盘类零件的主要表面都是圆柱型的，它们有着较高的形状精度、尺寸精度、表面粗糙度和同轴度等要求，尤其是在有配合要求或用于轴向定位的表面上。盘类零件的材料一般选用钢、铸铁、青铜、黄铜等。孔径较小的盘一般选择热轧或冷拔棒料，根据材料的不同，也可以选用实心铸件。孔径较大时，可作预孔。盘类零件的加工以铣削为主，加工时有不同的安装方案。用三爪卡盘装夹外圆时常常采用反爪装夹，这样可以限制工件除去绕轴转动以外的共5个自由度，提升了装夹的稳定性与可靠性；装夹内孔时可利用卡盘的离心力作用完成对工件的定位和夹紧3。以外圆作径向定位基准时，可用定位环作定位件；以内孔作径向定位基准时，可用定位销作定位件。根据零件结构特征及加工位置的不同可以选择径向夹紧或者端面夹紧。生产批量较小时可以使用虎钳装夹。零件上非回转面的加工则应当根据加工表面的不同形状来选用合适的加工方法4。一般的工艺路线安排：下料 去应力处理 粗车 半精车 平磨端面（也可根据零件实际情况不作相应安排） 非回转面加工 去毛刺 中检 最终热处理 精加工主要表面（磨或精车） 终检。1.3 研究的内容及问题1.3.1 研究的基本内容1. 总结盘类零件的数控加工工艺，包括进行工艺性分析，确定基准、装夹方案、加工刀具、切削用量、进给路线，划分加工阶段和工序等。2. 利用UG NX应用软件进行盘类零件CAD仿真及编程，包括端面加工编程、内孔加工编程、螺纹加工编程、外轮廓加工编程，然后在此基础上使用VERICUT软件对仿真结果进行优化，实现加工效率的最大化，加工质量的最优化。3. 熟练操作数控铣床，能够进行简单工件的加工，完成盘类零件的铣削加工造型。1.3.2 拟解决的主要问题为了熟练使用数控机床，深入理解盘类零件的加工及仿真，加强对于数控技术及CAD/CAM仿真技术的认识，完成盘类零件的建模及加工造型，需要解决的主要问题有：1、常见的盘类零件有哪些？盘类零件的主要特点？数控加工特点？什么样的零件适合在数控机床上进行加工？完成常见盘类零件的数控加工工艺总结与分析，包括加工图样分析、零件的结构特点、工艺流程分析、零件的定位与装夹、加工方法及路线、注意事项等。2、进行盘类零件CAD/CAM仿真，调研国内外都是如何进行CAM/CAD仿真的，具体都使用了什么软件？这些软件都有什么优势劣势？调研后选择几款CAD/CAM仿真软件，CAXA、UG NX、EdgeCAM或VERICUT，制定数控加工程序方案，选择设备、刀具等。3、处理特殊的工艺性问题，例如对刀点、换刀点的选择，刀具补偿等。优化仿真效果，实现对编程误差的控制。同时处理数控机床上的工艺指令，编制工艺文件。1.4 仿真软件介绍1.4.1 UG NX简介UG是德国西门子公司推出的一款功能强大的三维CAD/CAM/CAE软件系统，其内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、计算分析、动态模拟与仿真、工程图输出，到生产加工成产品的全过程，应用范围涉及汽车、机械、航空航天、造船、通用机械、数控加工、医疗、玩具和电子等诸多领域5。对于用UG或者其他CAD软件构造出来的实体模型，UG都可以在加工模块中生成具体而精确的刀具路径，并给出仿真结果演示。而后可以使用其内在的后处理编辑功能自动生成后处理代码，适用于世界上主流的数控机床和加工中心，便于导入机床直接进行实体加工。目前UG的最新版本为11.0，应用比较广泛的版本有8.0，10.0等，本文使用的版本为UG NX 8.5。其创新性的用户界面能够把高端功能与易用性和易学性相结合在一起，同时软件还提供了完整统一的全流程解决方案。使用UG NX 8.5的用户可以在产品开发的过程中了解到产品及其设计制造过程的相关信息，然后将其利用到产品开发的过程中去，以此来实现产品开发流程的自动化，最大程度地重复利用知识，大大提升工作效率。1.4.2 VERICUT简介VERICUT是美国CGTECH公司开发的专用数控加工仿真软件，它采用先进的三维显示及虚拟制造技术，对数控加工过程的模拟达到了极其逼真的程度，并且能模拟机床的运动过程和虚拟的工厂环境，以检查数控加工过程中可能存在的问题6。本文使用VERICUT主要用到的是其优化路径模块，旨在继承UG NX后置处理的数控程序的基础上对其加工轨迹进行二次优化。该模块的多种优化方法非常独特，至今没有别的同类仿真软件可以与它相比。它有一个“学习模式”，可以自动创建优化库。对于每一把刀，优化模块算出最大体积切除率和切削厚度，然后将它们应用到该刀具的优化设定中。因此，它特别适合高速铣，可以使刀具的切削抗力始终恒定，同时极大地提高效率7。这也是本文优化部分采用VERICUT软件的原因所在。1.5 本章小结本章作为论文的开端，阐述了所调研的数控加工方面的背景知识，从中可以发现我国的数控加工水准相对落后，较国际领先水平仍有较大差距。缺乏高素质专业人员是造成这种现象的原因之一，因而培养更多能够熟练使用CAD/CAM技术的从业人员就成了重中之重。此外，本章还对盘类零件进行了概括性的介绍，方便后文展开更有深度的论述。第二章 典型盘类零件的构造该章从盘类零件的结构入手，通过零件图来分析盘类零件的工艺内容。然后根据具体的工艺特征在UG上进行建模，构造出典型盘类零件的模型使其基本包括所有需要用到的加工工艺，为后面的加工仿真打下基础。2.1 盘类零件结构分析如零件图2-1所示为一典型的回转体盘类零件，材料为灰铸铁，加工性能良好。该零件侧壁最薄处仅有4mm，内腔较大。上部内腔直径为56mm，深度为15mm。下部内腔直径为30mm，深度为20mm。总体来看径向尺寸大于轴向尺寸。底部外圆有四个直径为9mm的孔，中心距和垂直度要求较高。外圆直径为100mm，有阶梯外轮廓，且存在倒角。图2-1 盘类零件图2.2 UG上零件模型的构造使用UG中的CAD建模模块可以建立典型盘类零件的模型，在此基础上才可以使用UG软件的加工模块进行盘类零件的加工仿真。因为所选零件属于回转体盘类零件，故建立草图然后使用“回转”功能即可构造出模型，非常方便。具体过程如下：（1）创建草图打开UG软件后，点击“插入”“草图”，选择X-Y平面，创建草图，如图2-2所示。 图2-2 创建草图 图2-3 轮廓线（2）绘制盘类零件轮廓线在绘制草图的界面找到下方“直接草图”工具栏，单击“直线”按钮绘制零件的轮廓线。草图的起始位置需要特别注意，因为后面步骤中需要以Y轴为基准进行回转，故应以原点为起始点绘制轮廓线，找到相对尺寸。同时还要注意的是尺寸应符合零件图上的标注。零件的回转轮廓线如图2-3所示。（3）回转轮廓线建模在界面上部找到“拉伸”“回转”按钮，打开“回转”对话框。选择曲线为刚刚构造好的的草图，在“方向”“指定矢量”中选择Y轴，即草图绕Y轴转动，然后单击“确定”按钮，生成模型如图2-4所示。图2-4 模型图（4）倒角在UG界面上方单击“倒斜角”按钮，打开“倒斜角”对话框。选择边为模型上需要倒角的边，输入距离为2mm。倒圆角的操作也是一样，最终构造出完整的盘类零件模型。2.3 本章小结本章的重点在于盘类零件的建模，首先要设计出一个基本涵盖典型盘类零件特征的工件作为论文要讨论的对象，安排好具体尺寸，然后使用UG软件进行构造。这是论文的出发点与立足点。UG上的建模过程与一般CAD/CAM软件有许多相似之处，都是先建立草图然后通过回转、拉伸来实现。一些细节部位，例如倒角、孔等内容则要通过特定的工具栏来进行设定。第三章 盘类零件的加工工艺分析本章重点分析了盘类零件的加工工艺，内容包括选择毛坯、确定装夹方案、选用加工刀具、确定加工顺序及路线、指定铣削用量等。使用一般的工艺性分析方法确定各项硬性指标，方便后面在UG上进行加工的具体实现。3.1 零件工艺分析工艺性分析需要研究分析零件的精度。零件的加工精度，包括形状精度、尺寸精度、位置精度等能否保证，加工表面质量能否保证都是分析的关键内容所在。根据加工精度、表面质量等指标来选择是采用粗铣还是精铣，并且确定是否要进行多次进给8。要分析零件的刚性。零件的厚度如果太薄会引起加工变形。当加工薄壁而且面积较大的零件时，在其加工完后也易引起加工变形，很难保证精度9。要分析零件的定位精度。若是零件上有统一的定位基准，即可保证零件在多次装夹定位后各加工表面之间的位置精度。要分析零件的材料及毛坯。分析的对象有材料的加工性能、热处理状态、硬度等，同时还要检查毛坯的余量是否均匀且足够，其安装定位平面是否可靠且方便。如第二章所述，构造出来的零件属于典型回转体盘类零件，它基本包含所有盘类零件的主要特点，即包括阶梯面、凸台、圆孔、凹坑、内腔、倒角等工艺内容，由上下平面，阶梯外轮廓，上下内腔，孔系等组成，故可以作为典型加工实例进行分析。由此一来加工其他盘类零件时都可以在典型实例之上找到相关联的工艺内容及特征，再定位到具体的工序安排，进而使所有盘类零件的加工仿真及优化形成一个固有的套路，加快设计进程。在设计加工路线时应当根据这些具体的工艺内容及特征安排详细得当的工序及加工步骤，这样才能在人为设计环节实现加工效率的最大化、加工质量的最优化。3.2 零件的毛坯选择在毛坯的选择上，盘类零件的材料一般选用钢、铸铁、青铜、黄铜等。孔径较小的盘一般选择热轧或冷拔棒料，根据材料的不同，也可以选用实心铸件。孔径较大时，可作预孔。通过上一章盘类零件的建模可以发现，零件的长、宽、高最大尺寸分别为100mm、100mm、35mm，为了留出加工余量并结合未处理过的毛坯尺寸，选择毛坯尺寸为103*103*56的立方体，这个尺寸的选择同样要根据数控机床的夹具等因素而慎重决定。若毛坯尺寸过大，一方面很浪费材料，造成加工余量增加，延长了加工时间。另一方面其过大的尺寸未必能与数控机床的夹具相匹配。若毛坯尺寸过小，一方面是装夹的稳定性有待商榷，另一方面是在进行粗加工和精加工时，加工余量的确定变得更难了。在UG中设定工件时，就有“指定毛坯”一项。在“类型”中选择包容块，然后指定各方位尺寸，就完成了毛坯的设定，如图3-1所示。最终粗加工的开端，同时也是整个加工过程的开端都将以此处设定的毛坯为准。 图3-1 毛坯的设定 图3-2 加工顺序3.3 装夹方案的选择3.3.1 定位基准的选择选择定位基准时应该考虑的是尽量减少装夹的次数，尽可能在一次装夹中把零件上的所有加工面都加工出来。一般选择零件上不需要铣削加工的面或者孔作为定位基准。针对薄壁的零件，选择的定位基准应当有利于提升加工的刚性，由此来减小切削变形，同时定位基准应和设计基准重合以减小定位误差对尺寸精度的影响8。3.3.2 夹具的选择选择夹具时有两个基本的要求。第一是要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；第二是要协调零件和机床坐标系的尺寸关系。在选择夹具时，最大的问题就在于刀具在加工时存在与夹具发生碰撞的可能。因此，该盘类零件的加工选择了两套夹具：台虎钳与三爪卡盘。首先用台虎钳夹紧毛坯下部，方便对盘类零件的下部，即直径最大的圆盘外轮廓进行粗加工。然后就可以使用三爪卡盘对圆盘进行反爪装夹。反爪装夹可以夹紧直径较大的零件。在加工的最后环节，即加工孔和圆盘外轮廓时，要对零件上部进行三爪卡盘正爪装夹。如此一来夹具便不会妨碍到机床对零件表面的加工，既保证了加工质量又不会过分影响到加工效率。3.4 加工刀具的选择加工刀具的选择是数控加工的重点，它不光会左右机床的加工效率，同时还直接影响零件的加工质量。刀具的选用取决于被加工零件的材料、形状、机床的夹具及其自身的刚性10。一般来说数控机床所用的刀具应当具有较长的寿命和较好的刚性，刀具材料抗脆性好，有良好的的断屑性和可调性，且易于更换。选择刀具时应考虑以下方面：1、根据零件材料的切削性能选择刀具2、根据零件的加工阶段选择刀具 加工阶段主要分为粗加工、半精加工和精加工。粗加工阶段以去除余量为主，一般选用刚性较好、精度较低的刀具。半精加工、精加工阶段以保证零件的加工精度及表面质量为主，一般选用寿命长、精度高的刀具11。3、根据加工区域的特点选择刀具根据这些原则及立铣刀有关参数的经验数据，确定一把铣刀尺寸的步骤如下：1.铣刀半径RD应小于零件内轮廓面的最小曲率半径Rmin，一般取RD=（0.8-0.9）Rmin。根据草图可以看到Rmin=15mm，故铣刀半径RD可取12mm左右。2.零件的加工高度H=（1/61/4）RD。考虑到铣削中一次加工高度最大为2mm，RD可取812mm。综上，确定铣刀半径RD为10mm。按照上面的步骤即可确定各加工刀具。从总体来看，加工需要用到8钻头、9铰刀、10立铣刀、20立铣刀等刀具。主要轮廓采用的加工方法为数控铣削，各部分加工一般分为粗铣和精铣，以最终达到尺寸精度、形状精度和表面粗糙度要求。3.5 加工顺序的确定加工顺序的选择十分重要，它将直接影响到零件的加工效率、成本及生产质量。在确定加工顺序时有几大原则可供参考：基面先行、先粗后精、先主后次、先面后孔。先粗后精：一般来说，铣削需要按照粗铣半精铣精铣的加工顺序进行，最终达到图样的要求。粗加工应当用最高的效率切除掉工件表面的大部分余量，为半精加工提高定位基准。半精加工需要为精加工做好准备，即达到一定的精度、表面粗糙度及合理的加工余量。精加工则会使各个表面均达到技术要求。先主后次：主要表面要先安排加工，一些次要表面可穿插在主要表面加工工序之间进行。先面后孔：先加工平面后加工孔。用平面定位十分可靠。加工完面后再加工孔可减少因毛坯凹凸不平而引起的钻头引偏，并可以防止铰孔时刀具崩刃，同时还易于对刀和进行调整。在UG上可以随时调整加工顺序，十分方便。如图3-2所示即为完整的加工顺序，十分清晰地显示在工序导航器中。3.6 加工路线的确定铣削加工路线的确定原则主要有以下几点：（1）加工路线应该保证零件的加工精度及表面粗糙度。2）应保证加工路线最短，这样既可以减少程序段，又可以减少空刀时间12。除此以外，在确定加工路线时还需考虑工件的加工余量和刀具的刚度情况，确定是否采用多次走刀，采用顺铣还是逆铣等。3.6.1 顺铣和逆铣的选择当工件表面没有硬皮，机床的进给机构没有间隙时一般采用顺铣加工。采用顺铣加工出来的零件的加工表面质量高，刀具的磨损小。反之，如果加工表面有硬皮，进给机构有间隙，则应当采用逆铣来加工，刀具从已加工表面切入，不会产生崩刃12。3.6.2 铣削外轮廓的加工路线在铣削平面零件的外轮廓时，刀具应避免沿零件外轮廓的法向切入，这样可以避免产生刀痕。刀具应沿零件切削点的切向或者延长线切入零件以保证零件的平滑过渡12。刀具在切出零件时也是一样，如图3-3所示。 图3-3 铣削外圆的加工路线 图3-4 铣削内圆的加工路线3.6.3 铣削内轮廓的加工路线在铣削内轮廓时刀具也应避免沿法向切入和切出。作为替代，刀具应该沿着一个过渡圆弧切入或切出，如图3-4所示。3.6.4 铣削内腔的加工路线在铣削内腔时通常选用平底立铣刀来进行加工，加工刀具的半径应符合所加工内腔的要求。加工内腔的方法有三种：行切法（图3-5）、环切法（图3-6）、先行切法后环切法（图3-7）。行切法和环切法都可以去除内腔中要切削的部分，不同点在于行切法的加工路线较短，加工精度较差。因此，在加工内槽时通常先采用行切法后环切法的方式。这种方法既可以减少加工时间，又可以提高加工精度。 图3-5 行切法 图3-6 环切法图3-7 行切法加环切法3.7 铣削用量的确定铣削用量包括主轴转速、进给速度、铣削深度或宽度等。铣削用量的大小对铣削力、铣削速率、刀具磨损、加工质量及成本均有很大影响。对于不同的加工方法，需要选择不同的铣削用量13。下面是每道工序铣削用量的确定过程：（1）粗铣外轮廓加工余量为8mm，分多次铣削，确定每次铣削的吃刀量ap为2mm，外轮廓留出3mm的加工余量方便装夹；粗铣 根据经验查表，每齿进给量fz取0.2（工件硬度灰铸铁为180220）；铣刀齿数为4，铣削线速度Vc 60110m/min，粗铣取小值，取80m/min；主轴转速n=1000vc/d=318vc/d=1272r/min；进给速度f=nzfz=1017.6mm/min。（2）粗铣台阶面大量加工余量加工余量为27mm，分多次铣削，确定每次粗铣的吃刀量ap为2mm；最后精铣时，侧壁留出0.5mm的加工余量，大圆盘上表面留出2mm的加工余量；粗铣 查表得每齿进给量fz取0.2；铣削线速度Vc 60110m/min 粗铣取小值 取80m/min；主轴转速n=1000vc/d=318vc/d=1272r/min；进给速度f=nzfz=1017.6mm/min。（3）粗铣上表面加工余量为8mm，分多次铣削，确定每次粗铣的吃刀量ap为2mm，最后精铣留出0.5-1mm的加工余量；粗铣 查表得每齿进给量fz取0.2；铣削线速度Vc 60110m/min 粗铣取小值 取80m/min；主轴转速n=1000vc/d=318vc/d=1272r/min；进给速度f=nzfz=1017.6mm/min。（4）粗铣内腔上部加工余量加工余量为15mm，分多次铣削，确定每次粗铣的吃刀量ap为2mm；粗铣 查表得每齿进给量fz取0.2；铣削线速度Vc 60110m/min，粗铣取小值，取80m/min；主轴转速n=1000vc/d=318vc/d=1272r/min；进给速度f=nzfz=1017.6mm/min。（5）粗铣内腔下部加工余量加工余量为20mm，分多次铣削，确定每次粗铣的吃刀量ap为2mm；粗铣 查表得每齿进给量fz取0.2；铣削线速度Vc 60110m/min，粗铣取小值，取80m/min；主轴转速n=1000vc/d=318vc/d=2544r/min；进给速度f=nzfz=2035.2mm/min。（6）精铣台阶面加工余量为0.5mm，分多次铣削，确定精铣的吃刀量ap为0.5mm；精铣 查表得每齿进给量fz取0.1；铣削线速度Vc 60110m/min 精铣取大值，取100m/min；主轴转速n=1000vc/d=318vc/d=1590r/min；进给速度f=nzfz=636mm/min。（7）精铣上表面加工余量为0.5mm，一次铣削，确定精铣的吃刀量ap为0.5mm；精铣 查表得每齿进给量fz取0.1；铣削线速度Vc 60110m/min 精铣取大值，取100m/min；主轴转速n=1000vc/d=318vc/d=1590r/min；进给速度f=nzfz=636mm/min。（8）精铣内腔上部加工余量加工余量为0.5mm，侧壁及底面均有。因既要保证型腔内壁的粗糙度，同时还要注意上型腔底面的精度，故仍采取多次铣削，确定精铣的吃刀量ap为0.5mm；精铣 查表得每齿进给量fz取0.1；铣削线速度Vc 60110m/min 精铣取较大值，取100m/min；主轴转速n=1000vc/d=318vc/d=1590r/min；进给速度f=nzfz=636mm/min。（9）精铣内腔下部加工余量侧壁上加工余量为0.5mm，采用多次铣削，确定精铣的纵向吃刀量为1mm；精铣 查表得每齿进给量fz取0.1；铣削线速度Vc 60110m/min 精铣取较大值，取100m/min；主轴转速n=1000vc/d=318vc/d=3180r/min；进给速度f=nzfz=1272mm/min。（10）精铣下表面加工余量为4mm，分多次铣削，确定精铣的吃刀量ap为1mm；精铣 查表得每齿进给量fz取0.1；铣削线速度Vc 60110m/min 精铣取大值，取100m/min；主轴转速n=1000vc/d=318vc/d=1590r/min；进给速度f=nzfz=636mm/min。（11）钻9孔 背吃刀量为8mm，fz=0.2；Vc=30m/min；主轴转速n=1000vc/d=318vc/d =1192.5r/min；进给速度f= nzfz=954mm/min。（12）铰9孔 背吃刀量为0.5mm，fz=0.1；Vc=50m/min；主轴速度n=1000vc/d=318vc/d=1766.7r/min；进给速度f= nzfz=706.7mm/min。（13）精铣外轮廓外轮廓上加工余量为3mm，多层铣削，确定精铣的纵向吃刀量为1mm；精铣 查表得每齿进给量fz取0.1；铣削线速度Vc 60110m/min 精铣取大值，取100m/min；主轴转速n=1000vc/d=318vc/d=1590r/min；进给速度f=nzfz=636mm/min。总体工序如图所示：表3-1 总体工序参数工序号内容刀具号刀具规格/mm主轴转速/rpm进给速度/mmpm背吃刀量/mm01粗铣外轮廓T012012721017.6202粗铣台阶面T012012721017.6203粗铣上表面T012012721017.6204粗铣上内腔T012012721017.6205粗铣下内腔T021025442035.2206精铣台阶面T012015906360.507精铣上表面T012015906360.508精铣上内腔T012015906360.509精铣下内腔T021031801272110精铣下表面T01201590636111钻9孔T0381192.5954812铰9孔T0491766.7706.70.513精铣外轮廓T0120159063613.8 本章小结本章算是论文的一个过渡部分，主要是为后面的仿真与优化进行基本参数与方法的确定，它是仿真加工的前提所在。其设计核心理念在于提升加工的合理性，在保证加工质量的基础上尽可能在人为设计环节提高加工效率，缩短加工时间，毕竟再强大的CAD/CAM软件也不可能对毛坯尺寸、加工刀具、装夹方案、加工顺序等信息进行筛选。本章要做的就是搭建数控加工的基本框架，完成人工设计的内容。第四章 盘类零件数控加工在UG上的实现本章是整个课题的重点内容：通过使用UG软件对盘类零件的加工进行仿真。本章介绍了UG仿真的一般步骤，即创建加工环境、刀具、几何体、加工坐标系、工序并最终生成后处理代码。随后着重阐述了盘类零件仿真的步骤，通过型腔铣和标准钻孔这两个最具代表性的工序来介绍盘类零件特殊的工艺内容是如何在UG上实现的。4.1 UG数控加工仿真的一般步骤4.1.1 创建加工环境启动UG软件，加载已经构建好的工件模型。选择左上角“开始”“加工”选项，弹出加工环境对话框，在CAM设置中选择mill_planar，单击确定后进入加工环境，如图4-1所示。图4-1 进入加工环境4.1.2 创建刀具 在UG上通过“插入”“刀具”即可选择刀具并设定相关参数，如图4-2所示。一般来说在指定了铣刀之后，需要设定的参数只要关注直径就好，但同时也要注意刀具号一项，这对于UG的后处理以及后面VERICUT继承后处理代码来说都非常重要，明确的刀具号可以完美映射到VERICUT的刀具寄存器中去。建立完刀具之后，在完善每步具体工序时即可指定要使用的刀具。完成整个工艺路线的规划之后，换刀等命令将会自动添加到后处理代码中。 图4-2 设置刀具参数 图4-3 型腔铣设置4.1.3 创建几何体找到UG软件左侧的工序导航器，选择几何视图，双击“WORKPIECE”弹出工件对话框。在这里可以设置几何体部件、毛坯等内容，如图4-4所示。一般来说工件可以直接选择构造好的模型，毛坯则应当选择包容块，按照工艺规划时设定的毛坯尺寸或实际加工时的尺寸而定。 图4-4 工件对话框 图4-5 设定基准坐标4.1.4 创建加工坐标系同样是在上面提到的工序导航器中，双击几何试图中的“MCS_MILL”选项，弹出“MCS铣削”对话框，选择CSYS，设定基准坐标。将MCS原点移动到上表面的轴中心位置，如图4-5所示。4.1.5 创建工序依旧是在工序导航器中，右键“WORKPIECE”或者直接选择下拉菜单“插入”“工序”都可以创建工序。在“创建工序”对话框中，需要对程序、刀具、几何体、方法等先前添加好的信息进行选择，如图4-6所示。在此之中，最重要的就是选择加工类型及工序子类型。通过实际操作和经验可以发现，除去孔的加工，使用最多的加工类型就是“mill_contour”轮廓铣下面的型腔铣和“mill_planar”平面铣下面的平面轮廓铣。点击确定之后，进入到相应的具体工序对话框，如图所示。在这里需要对具体的工序内容进行设定。在几何上要对切削区域、修建边界等进行指定，在参数上要对切削层深度、每刀深度、进给率和速度、非切削移动进行设定，同时还要选择切削模式、切削顺序等。在本章后面会有对几类主要盘类零件加工类型的介绍及相对应的具体设置。图4-6 创建工序对话框4.1.6 生成后处理代码在UG加工环境中可直接选择“后处理”打开后处理页面，选定后处理器及输出文件信息，生成数控代码，如图4-7所示。需要注意的是UG软件默认后处理单位为英寸，使用系统默认的后处理文件生成的数控代码也是英寸制的，故需要自己添加后处理器或使用后处理构造器进行更改。后处理构造器如图4-8所示，可设定为3轴数控铣床，在“Post Output Unit”一项中将单位改为毫米，生成的后处理代码即可适用于大部分机床或是其他数控仿真软件。这对于后面使用VERICUT软件进行仿真优化来说尤为重要，只有在单位正确的前提下UG的仿真 结果才能在VERICUT上完美继承。在使用VERICUT软件继承UG仿真内容的时候，若出现加工流程不正确的情况则很有可能是两者单位不统一所致。 图4-7 后处理对话框 图4-8 后处理构造器4.2 UG加工盘类零件主要方式盘类零件无法根据单一具体的工艺特征进行分类，因而不能粗略地为所有盘类零件划分具体的加工方式。文中所取的盘类零件较为典型，它基本包括所有盘类零件的特征，故可以根据这些特征来确定不同的加工方法。例如平面铣通常用于粗加工带竖直壁的棱柱部件上的大量材料；精加工壁一般用于精铣侧壁，同时留出余量防止刀具与底面接触；固定轮廓铣是一种用于精加工由轮廓曲面所形成区域的加工方式，通常用于精加工轮廓形状一个完整盘类零件的加工成型往往由多种加工方式共同实现。在UG上面，创建工序并指定其加工方式的步骤大同小异，有的仅仅是细微的参数及刀路变化。下面以最为典型的型腔铣和标准钻孔为例，讲解如何具体创建各种加工方法。4.2.1 型腔铣型腔铣一般用于粗加工，可以切除大量毛坯材料，几乎适用于加工任意形状的几何体。创建型腔铣工序的步骤如前所述，进入加工环境后分别创建几何体、刀具、程序等内容，然后在创建工序对话框内选择类型为“mill_contour”，子类型为“型腔铣”。（1）指定切削区域打开型腔铣对话框后，首先指定切削区域。此步骤直接指定切削面即可，需要注意的是根据工序顺序的不同，切削会从此型腔铣步骤的上一工序完成模型开始加工，因此安排型腔铣并指定切削区域时由外向内，由大变小就显得十分重要。（2）设置刀具路径参数指定完切削区域后，开始设置刀具路径参数。在“型腔铣”对话框中“切削模式”的下拉菜单中选择“跟随部件”选项。该切削模式可以根据部件的外轮廓生成刀轨，也可以根据岛屿和型腔的外围环生成刀轨，十分适合带有岛屿和内腔零件的粗加工，一般优先选择此切削模式。确定切削模式后开始设定步距。步距是两个切削路径之间的水平间隔距离，在环切法中指的则是两个环之间的距离。在型腔铣中选择“刀具平直百分比”，输入值为50，即在连续切削刀路的固定距离为刀具直径的50%。然后设定每刀的公共深度，即每一层切削的公共深度为恒定，最大距离为2mm，如图所示。（3）设置切削参数选择“型腔铣”对话框中的“切削参数”按钮，随即打开“切削参数”对话框，选中“策略”选项卡。切削方向如第三章所述，选择顺铣。切削顺序选择为层优先，即每次切削完工件上所有同一高度的切削层再进入下一层的切削，如图4-9所示。切换到连接选项卡，选择加工顺序中的区域排序为“优化”，如图4-10所示。其加工原则是抬刀后横越运动最短，以此来确定加工顺序。其效率比“标准”的根据切削区域的创建顺序来确定加工顺序要高，因而优先选择。 图4-9 设定切削顺序 图4-10 设定区域排序此外，在“余量”选项卡中还可以设定加工余量，例如在粗加工的工序中即可设定加工余量为0.5mm，为精加工留出空间。（4）设置非切削移动参数在“型腔铣”对话框中单击“非切削移动”按钮，打开“非切削移动”对话框，如图4-11所示。在“进刀”选项卡中进刀类型选择“螺旋”，即刀具沿螺旋线切入工件，刀具轨迹为一螺旋线。这种进刀方式可以减少切削时对刀具的冲击力。设定斜坡角为5，即刀具斜进刀进入部件表面的角度为5，如图4-12所示。退刀与进刀相同。 图4-11 非切削移动对话框 图4-12 进刀方式（5）设置进给率和速度点击“型腔铣”对话框中的“进给率和速度”按钮，打开对话框如图4-13所示。在这里即可设定3.7中提到的各铣削用量。主要有每齿进给量（刀具每个切削齿切除材料量的量度）、表面速度（即铣削线速度，刀具在旋转时与工件的相对运动速度）、主轴转速、进给率几项参数，按照3.7的计算结果逐个工序设置即可。图4-13 进给