（机械制造及其自动化专业论文）基于caxa的复杂曲面数控加工技术研究.pdf

摘要 摘要 随着我国科学技术的快速进步和制造业的快速发展，工业生产中自由曲面的 加工应用越来越广泛。现代化生产中常采用自动编程技术对复杂曲面进行数控加 工。c - u 认制造工程师软件是现代化生产中较为常用的c a d c a m 软件之一。 本文基于c 锐制造工程师对复杂曲面的数控加工技术进行了研究。研究的具 体内容包括以下方面： 一、基于c a x a 制造工程师环境，研究了复杂曲面粗加工方法、精加工方 法以及粗、精加工方法策略的选择问题，在c 吼制造工程师仿真模块创建数 控加工的复杂曲面的仿真图形，然后进行仿真加工比较，从中选出更适合的复杂 类曲面数控加工方法。 二、基于c 戕制造工程师环境，研究了加工复杂曲面时的数控切削用量 以及其它切削参数如何确定的问题。 三、基于c 戕制造工程师环境，创建针对复杂类曲面在f a n i ，c0 im d 型 数控系统的加工中心加工时的后置处理器，并生成新的后置处理模块。 四、基于c 伐制造工程师环境下的数控仿真和实际加工处理，验证了基 于c 锐气制造工程师环境下采用数控加工方式对复杂曲面进行加工可以获得更 好的加工质量和更高的加工效率，对提高传统数控加工的质量差、效率低的问题 具有指导意义。 本论文进行的基于c 成制造工程师的复杂曲面数控加工研究结果，对类 似的其它复杂型腔模具曲面加工也具有良好的借鉴意义。 关键词：复杂曲面，c a x a 制造工程师，数控加工，后置处理 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dp r o 伊e s so fs c i e n c ea 1 1 dt e c l l i l o l o g yi nc h i l l aa 1 1 dt l l ed e v e l o p m e n t o ft l l e m 锄u f a c m r i n gs e c t o r ，t l l ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o ni n t l l e6 e e f o 肋s u r f i a c e m a c m l l i n g 印p l i c a t i o n sa r em o r ea n dm o r e 诵d e l y 印p l i e d a u t o m a t i cp r o 伊a m m i n g t e c h i l i q u e sa r eo f t e nl l s e di nm o d e mp r o d u c t i o nc n cm a c h i m n go fc o m p l e xs u m l c e s c 伐m 锄u f a c t i l r i n ge n g i n e e ri so n es o 胁a r e 晰d e l yu s e di i lm o d e mp r o d u c t i o n c a d c j mf i e l d 1 1 1 ep a p e ri sb a s e do nc a x am a n u f - a c t u r i n ge n g i n e e rs t u d y i n g c n c m a c h i i l i n go fc o m p l e xs u f f a c e t h es p e c i f i cc o n t e n _ t so ft l l es t u d ya r ea sf o l l o w ： f i r s t ，b a s e do nt 1 1 ee n v i r 0 i n e n to fc a x a m 锄u f a c t u d n ge n g i n e e r s ，t os t u d y c o r n p l e xs u r f 配er o u g l l i n g ，f i i l i s l l i n gm a l l u f a c t u r i n gm e t l l o d s ，a n dc o a r s e ，f i i l i s h i l l gt h e c h o i c eo fm e t l l o d sa 1 1 ds t r a t e g i e s ，c n c m a c h i i l i n go fc o m p l e xs u r f a c es i m u l a t i o n 罂a p l l i c sc r e a t e di nc a ：k at l l em a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r ss i m u l a t i o nm o d u l e ，a n dt l l e n t h es i m u l a t i o np r o c e s s i n gc o m p a r ea n dc h o o s em o r es u i t a b l ef o rc o m p l e xc l a s s s u r f a c ec n cm a c l l i 血gm e m o d s s e c o n d ，b a s e do nm ee n v i r o n m e n to fc a x a m a l l u f a c t l l r i n ge n g i n e e r s ，t os t u d y t h ep r o b l e mo fh o wt od e t e n n i n ec n cc u t t i n gp 籼e t e r si nm a c l l i i l i n gc o i n p l e x s u r f a c e sa 1 1 do t l l e rc u t t i n gp a r a m e t e r s 7 r h i r d ，b a s e do nt l l ee n v i r o m e n to fc a x am a l l u f a c t u r i n ge n g i n e e r s ，t oc r e a t e p o s t p r o c e s s o rf a i l u c0 ic n cm a c h i i l i n gc e n t e rf o rc o m p l e xc l a s ss u r f a c em a c l l i n i n g ， a n dg e n e r a t ean e w p o s t - p r o c e s s i n gm o d u l e f o n l l ，b a s e do nm en cs i m u l a t i o na 1 1 da c t u a lp r o c e s s i n gu 1 1 d e rt h ee n v i r o r m l e n t o fc a 姒 m a l l u f a c t l l r i n ge n g i n e e re n v i r o i u l l e n t ， v e r i f i e dm a tt h ec a x a m a l l u f a c t 血n ge n g i n e e re n v i r o m e n tc n cm a c h i i l i n gp r o c e s s i n gc a l lg e tb e 仳r q u a l 时a i l d1 1 i 曲e rp r o c e s s i n ge 伍c i e n c yo ft h ec o r n p l e xs 删沁e - b a s e d ，t oi m p r o v et h e t r a d i t i o n a lc n cm a c m n i n go fp o o rq u a l i 吼l o we 街c i e n c yp r o b l e mo fg u i d i n g s i 鲥f i c a l l c e n i c a x a m a l l u f a c t l j r i n ge n g i n e e rc o r n p l e xs 眦f a c en cm a c l l i n i n gr e s u l t so ft l l i s t 1 1 e s i s ，a l s oag o o dr e f i e r e n c ef o ro t l l e rs i m i l a rm ec o m p l e xc a v i t ym o l ds u r f 犯e m a c h i n i n g k e y w o r d s ：c o r n p l e xs u r f a c e ，c a x a ，c n cm a c h i n i n g ，p o s t p r o c e s s i n g 第1 章绪论 第1 章绪论 随着我国由制造业大国向制造业强国的迅速迈进，工业生产中包含复杂曲 面特征的零件越来越多。如何既保证较高的加工效率又保证较好的加工质量是 提高产品竞争力的根本措施，所以，研究如何优质高效地加工具有复杂曲面的 零件，对现代制造业具有特别重要的现实意义和指导意义。本论文在基于c a x a 制造工程师这一广泛应用的c a d c a m 软件基础上，尝试对复杂曲面零件数控加 工技术进行研究。 1 1 课题研究的背景 进入9 0 年代以来，复杂型面在生产中几乎全部以高速切削的方式进行加 工，目的是为了提高生产效率，降低产品的成本，同时提高工件的形状精度和 降低表面粗糙度。自由曲面能否采取优质、高效的加工技术已成为提高企业产 品竞争力的关键因素n 1 。进入2 1 世纪，计算机辅助设计与制造技术( c a d c a m ) 得到愈来愈广泛的应用，它的出现使制造技术出现了根本性的变革，尤其是在 传统制造技术面对束手无策的复杂型面加工领域，c a d c a m 的先进性、适用性 以及高效性更是得到充分的体现。复杂曲面的数控加工程序一般在c a d c a m 专业软件上生成，c a x a 制造工程师就是近年来在我国应用日益广泛的c a d c a m 专业软件之一。鉴于现代制造业的发展现状及趋势，基于c a x a 制造工程师软件 的广泛应用，对自由曲面的数控加工技术加以研究，具有极其重要的现实意义 和指导意义。 1 1 1 数控编程及其发展简介 数控编程是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。数控编程是目前 c a d c a p p c a m 系统中最能明显发挥效益的环节之一，其在实现设计加工自动 化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着重要作用。数 控编程最初是从手工编程起步的乜1 。 目前，对于复杂零件编程的方法主要有手工编程和自动编程两种。手工编 程就是编程员通过手工计算，使用基本编程指令、循环程序、子程序和变量等 方式进行编程。其优点是程序量小，可读性好，缺点是计算量大，编程繁琐、 费时，且容易出错，效率低等。自动编程是使用c a d c a m 软件，对加工零件进 行工艺分析，确定相应工艺参数，自动生成刀具轨迹和程序。其优点是编程方 便快捷、精度高、效率高，缺点是程序量大，可读性差。在复杂零件编程时， 自动编程具有手工编程无法比拟的优势，是复杂零件编程的主要方式。常用的 自动编程软件有u g 、p r o e n g i n e e r 、c a t i a 、c i m a t r o n 、m a s t e r c a m 和c a x a 等， 其中c a x a 是我国自主研发的c a d c a m 软件，具有三维轮廓造型、刀具设置、机 床设置、后置处理、生成程序、刀轨生成、后置处理等功能，使用方便、可靠。 复杂零件编程加工时，多采用c a d c a m 软件先对零件进行自动编程，再使 用虚拟仿真软件验证程序进行仿真加工，既能够真实地模拟在加工过程中刀具 的切削、加工零件、夹具、工作台及机床各轴的运动情况，又可以对加工过程 进行修改、优化，最后进行实际加工。本文介绍使用c a x a 制造工程师软件对复 杂曲面零件进行自动编程，使用v e r i c u t 软件对生成程序进行仿真加工的过程， 实践表明具有加工效率高、精度高和成本低等优点。 如今数控编程已经由最初的手工编程过渡到a p t 语言编程、自动编程。自 动编程的产生使复杂曲面的数控加工成为现实。为了解决数控加工中的程序编 制问题，5 0 年代，m i t 设计了一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言， 称为a p t ( a u t o m a t i c a l l y p r o g r a 姗e d t 0 0 1 ) 。到了8 0 年代，在c a d c a m 一体 化概念的基础上，逐步形成了计算机集成制造系统( c 工m s ) 及并行工程( c e ) 的概念。目前，为了适应c i m s 及c e 发展的需要，数控编程系统正向集成化和 智能化方向发展。 1 1 2 数控技术的发展趋势 计算机数控技术，是集传统的机械制造技术、计算机应用技术、电工电子 控制技术、传感与检测技术和信息处理技术等技术于一体的综合技术，是现代 制造技术的基础怕3 。 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程 度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本 2 第1 章绪论 的装备。当今，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达 国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，而且对国计民 生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用h 1 。从目前世界上数控技术及 其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面： ( 1 ) 高速、高精加工技术及装备 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效 率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力璐1 。 ( 2 ) 5 轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用5 轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削， 不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高1 。 ( 3 ) 智能化、开放式、网络化 智能化的内容包括在数控系统中的各个方面口1 ： ( a ) 为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制， 工艺参数自动生成； ( b ) 为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的 自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等； ( c ) 简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的 人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。 开放式是指数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最 终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象( 数控功能) ，形成系列化，并实现 满足对特定用户需求的不同产品。 网络化将使数控设备极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成 的需求。 ( 4 ) 重视新技术标准、规范的建立 数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。 1 1 3 对我国数控技术及其产业发展的基本估计 ( 1 ) 、我国数控技术的发展经历了以下几个阶段陋1 山东大学硕士学位论文 第一阶段是封闭式发展阶段。从1 9 5 8 年到1 9 7 9 年，由于国外的技术封锁 和我国的基础条件的限制，数控技术发展较为缓慢。 第二阶段是引进吸收阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及 研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国 产化方面都取得了长足的进步，初步建立起国产化体系。 第三阶段是走向市场化阶段。在国家的“八五”的后期和“九五”期间， 即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产 业化取得了实质性进步。 ( 2 ) 、我国数控技术面临的主要问题 尽管我国的数控技术经过几代人的不断努力取得了长足的发展，但是国产 数控系统与国外数控系统相比，仍然存在着很大的差距阳1 。主要表现在：基础 性技术研究层次较低；数控设备在世界范围内的市场占有率低，世界市场仍然 被德国的s i e m e n s 和日本的f a n u c 系统占领。 1 1 4c a d c 圳技术的发展概况 目前，c a d c a m 技术已经在许多领域中得到应用，它不仅促使了生产模式 的转变，同时也促进了市场的发展，是当今世界发展最快的技术之一n 0 f 。 ( 1 ) c a d c a m 的概念 c a d 即计算机辅助设计，是指根据产品开发计划和对产品功能的要求，运 用包括设计者本人和存储在计算机中的多种知识，在c a d 系统和数据库的支持 下进行工作，c a d 输出的结果也不仅仅是装配图和零件图，更重要的是输出包 括设计、制造过程中应用计算机所需的各种信息口。 c a m 即计算机辅助制造，c a m 技术主要是围绕着数控编程技术开始发展 的。数控加工是c a d c a m 发挥效益最直接、最明显的环节之一。 ( 2 ) c a d c a m 的组成 完善的c a d c a m 系统一般包括产品设计、工程分析、工艺过程规划、数控 编程、工程数据库以及系统接口等几个部分。 1 1 5c a ) ( a 制造工程师简介及其功能 ( 1 ) c a x a 制造工程师简介 4 第l 章绪论 c a x a 制造工程师是由北航海尔开发的我国第一款拥有完全自主的知识产 权的c a d c a m 产品。c a x a 制造工程师具有三维轮廓造型、刀具设置、机床设置、 后置处理、生成程序、刀轨生成、后置处理等功能，使用方便、可靠。目前已 推出c a x a 制造工程师2 0 1 3 版本。 ( 2 ) c a x a 制造工程师的功能 ( a ) 实体与曲面完美结合 c a x a 制造工程师提供了特征实体造型技术，可用特征术语来描述设计信 息，简便而准确；提供了从线框到曲面的丰富的建模手段，具有强大的n u r b s 自由曲面造型功能：具有灵活的曲面实体造型功能，使曲面融入实体中，形成 统一的曲面实体复合造型。 ( b ) 优质高效的数控加工 c a x a 制造工程师提供了从2 轴到5 轴的数控加工功能供编程时灵活选择； 支持高速切削工艺；提供了参数化轨迹编辑和轨迹批处理功能：具有独具特色 的加工仿真与代码验证功能，可以直观、准确地对加工过程进行模拟仿真、对 代码进行反读校验：提供了丰富的工艺控制参数，便于控制加工过程；具有通 用后置处理功能，全面支持多种主流机床控制系统。 ( c ) 卓越的工艺性与“知识加工” c a x a 制造工程师可将某类零件的加工步骤、使用的刀具、工艺参数等加 工条件保存为规范化的模板，形成标准的工艺知识库。 ( d ) w i n d o w s 界面操作 c a ) 【a 制造工程师基于计算机平台，采用w i n d o w s 菜单和交互，全中文界 面。 ( e ) 丰富的数据接口 c a x a 制造工程师是一个开放的c a d c a m 工具，提供了丰富的数据接口， 保证了能与世界流行的c a d 软件进行双向数据交换。 ( f ) 全面开放的2 d 、3 d 开发平台 c a x a 制造工程师具有专业且易于使用的2 d 、3 d 开发平台，更易实现个性 化和专业化，满足用户拓展c a x a 制造工程师功能的需求。 山东大学硕士学位论文 ( g ) 品质一流的刀具轨迹和加工质量 c a x a 制造工程师中加工路径的优化处理使刀具轨迹更加光滑、流畅、均匀、 合理，保证了工件表面的加工质量。 1 2 课题研究的目的、意义及内容 1 2 1传统复杂曲面加工存在的问题 复杂曲面的传统加工方法一般是靠精密铸造来实现的，其在加工过程中存 在以下问题n 2 3 ： ( 1 ) 精密铸造之后的后期加工需要很多手工处理，工作量大，工艺流程复 杂： ( 2 ) 精密铸造后加工周期长、效率低，不能满足现代化生产快节奏要求； ( 3 ) 精密铸造后期加工消耗大，无法保证节约成本，不符合节能降耗的要 求； ( 4 ) 制造精度低，难以满足设计要求。 总之，依靠传统的加工方式对自由曲面的加工不能适应现代化生产条件下 高效、高产以及高质量的要求。 1 2 2 课题研究的目的、意义 传统的手工编程已经不能满足高质量、高精度加工的要求，大量复杂曲面 的生产势必要求普及使用自动编程软件，自动生产加工程序，减少编程环节的 工作量，提高生产效率，同时，通过自动编程更好地满足加工零件对程序的要 求，提高加工质量。 本文通过基于c a x a 制造工程师软件，研究对复杂曲面数控加工技术，探 究加工复杂曲面的优质、高效、实用数控加工方法，解决传统加工方法制约复 杂曲面加工的“瓶颈”问题。 1 2 3 课题研究的内容 本课题研究的主要内容包括以下几个方面： 6 第1 章绪论 ( 1 ) 研究了数控编程技术的发展、数控技术的发展趋势以及我国数控技 术发展的基本评价。 ( 2 ) 研究了c a x a 制造工程师具有的强大功能，以及c a x a 制造工程师在 c a d c a m 中的应用前景及巨大优势。 ( 3 ) 研究了基于c a x a 制造工程师环境下，粗、精加工复杂曲面时加工方 法的选择问题。 ( 4 ) 研究了基于c a x a 制造工程师环境下，刀具、进退刀方式的选择问题 以及加工过程的控制问题。 ( 5 ) 在f a n u c0 im d 系统数控加工中心f v p 一1 0 0 0 a 上，通过加工具体曲 面零件验证研究课题的可行性和科学性。 1 3 本章小结 本章主要介绍了数控编程及其发展的过程、数控技术的发展趋势以及我国 数控技术发展现状的基本评价；随后，简单介绍了c a d c a m 技术的基本概念以 及c a d c a m 的发展概况，另外还介绍了国产的c a x a 制造工程师软件，以及c a x a 制造工程师软件在加工复杂曲面过程中具有的高效性和优质性。基于以上研究， 提出了在c a x a 环境下研究复杂曲面数控加工技术研究的设想。如何在c a x a 制 造工程师软件环境下，优化加工过程，优质高效进行生产是本课题的重点。 7 8 第2 章自由曲面数控加工方法研究 第2 章自由曲面数控加工方法研究 自由曲面的加工在机械制造行业中的应用会愈来愈广，但是的传统加工方 法很难甚至无法实现对自由曲面的完美加工，基于c a d c a m 环境下的自动编程 技术在对复杂曲面的加工无论从加工效率还是加工质量上实现了质的突破n 2 】。 c a x a 制造工程师是我国工业领域中常用的专业c a d c a m 软件之一，所以，基于 c a x a 制造工程师环境对复杂曲面的数控加工技术研究也就具有特别重要的现 实意义。 2 1 自由曲面加工方法的选择方案 在加工自由曲面时，数控加工工艺考虑不周是影响数控机床加工质量、生 产效率及加工成本的重要因素。本文从生产实践出发，探讨和总结一些数控加 工过程中的工艺问题。环切法和行切法是数控加工中最基本的两种走刀模式n 3 3 在c a x a 制造工程师软件中对自由曲面的连续铣削加工一般采用等高线法、平面 轮廓法和三维偏置法等加工方法。 2 1 1 行切法 行切法是指加工时刀具的切点轨迹呈行状分布，如图2 1 所示u 制。行切法 常用于粗加工。行切法在手工编程时多用于规则矩形平面、台阶面和矩形下陷 加工，对非矩形区域的行切一般用自动编程实现。 图2 1 行切法示意图 9 山东大学硕士学位论文 2 1 2 等高线法 等高线法包括等高线粗加工和等高线精加工两种加工方式。等高线粗加工 可以大量去除毛坯材料，生成分层等高式粗加工轨迹，每一层相当于一个平面 加工，使用范围广，是较常用的粗加工方式。等高线精加工可以用加工范围和 高度限定进行局部等高加工；可以自动在轨迹尖角拐角处增加圆弧过渡，保证 轨迹的光滑，使生成的加工轨迹适用于高速加工；还可以通过输入角度控制对 平坦区域的识别，并可以控制平坦区域的加工先后次序n5 1 。如图2 2 所示。 图2 2 等高线法加工示意图 2 1 3 环切法 环切法如图2 3 所示。环切法一般用于加工各类型腔曲面。环切法加工可 以减少刀具的抬刀次数，提高加工效率。环切主要用于轮廓的半精、精加工及 粗加工，用于粗加工时，其效率比行切低，但可方便的用刀补功能实现。 1 0 图2 3 环切法示意图 里， 纠。 匕 心ni a n心 n心 、。、i 、i i i 、一 厂 声卞1 ，l 警 嗲、乡 弋 第2 章自由曲面数控加工方法研究 2 2 自由曲面刀具轨迹的规划 刀具轨迹是系统按给定工艺要求生成的对给定加工图形进行切削时刀具进 行的路线，刀具轨迹一般是由一系列有序的刀位点和连接这些刀位点的直线或 圆弧组成。采用铣刀对自由曲面进行数控铣削加工时，c a d c a m 软件生成的刀 具轨迹是指球头刀具的球头中心( 即刀位点) 的运动轨迹。 2 2 1 加工步长与走刀行距的确定 零件的轮廓形状是由各种线型( 如直线、圆弧、螺旋线、抛物线、自由曲 线等) 组成的，因此，如何控制数控机床刀具或工件的运动，使加工出的零件 满足几何尺寸精度和粗糙度的要求，是机床数控系统的核心问题。如果要求刀 具的运动轨迹完全符合工件的轮廓形状，会使算法变得非常复杂，计算机的工 作量也将大大增加。在实际加工过程中，常常用小段直线或圆弧来逼近( 拟台) 零件的轮廓曲线，在有些场合也可以用抛物线、椭圆、双曲线来逼近。所谓插 补，就是指数据密化的过程，即对输人数控系统的有限坐标点( 例如起点、终 点) ，计算机根据曲线的特征，运用一定的计算方法，自动地在有限坐标点之间 生成一系列的坐标数据，以满足加工精度的要求。 加工步长一般是切削的总路程就是刀具走的路线。设置的加工步长太小或 太大，会导致刀具轨迹上刀位数据的密度会变得很大或很小，造成加工效率过 低或加工表面粗糙。 走刀行距就是用于铣削时，刀具铣削第一行后，开始铣第两行时，离第一 行的距离叫行距。一般情况下，走刀行距是刀具直径的0 6 0 9 倍，走刀行距 过小或过大会直接影响加工效率或加工质量。 由此可见，必须根据实际生产的技术要求综合考虑，确定合理可行的加工 步长和走刀行距。在实际数控编程中，一般采用等残留高度法和经验法n 卜1 5 3 来 确定加工步长和走刀行距。 2 2 2 刀具轨迹研究 刀具轨迹是指刀具在加工过程中相对于工件的运动路线，即走刀模式。控 制刀具路线的基础，关键是计算出正确数控加工刀具轨迹n6 l 。c a x a 系统的刀具 山东大学硕士学位论文 轨迹是按刀尖位置进行计算和显示的。 c a x a 制造工程师不同的加工功能下的刀具轨迹介绍如下：( 本文只重点介 绍精加工的刀具轨迹生成) ( 1 ) 平面轮廓精加工 属于二轴加工方式，由于它可以指定拔模斜度所以也可以做二轴半加工。 主要用于加工封闭的和不封闭的轮廓。适合2 2 5 轴精加工，支持具有一定 拨模斜度的轮廓轨迹生成，可以为生成的每一层轨迹定义不同的余量。生成轨 迹速度较快。在c a x a 制造工程师软件中的创建如图2 4 所示，生成的刀具轨迹 如图2 5 所示。 刀具轨迹 系统坐 确酾酾畦埔越一 ! ”1 1 一 加工蕾舞擅近麓回 t 7 玷式j 埘一用置坐悸系；7 珥# 几问 蛆工蕾矗 m i - & ! 三一厦吕碾她j 蝴科噻p 最嘲pn 7 1 le f 陴矗“ 挥角矧i 寿蔓、走7 】方置_ “安角。船弹x 向” + 珊w j 日 秆定史万贰 “特莲方贰疗鹿 5 m 二$ 置p r 量e 盘 + 一 抽檀疆薯呈日走月 。扁暑幅寰霹e 檀毫糖哇叠 刀4 住 t刀 “! 7 i 镕妣r 苫# 墨 一盂m t t 玛i 目l 她j ，。，。j 二：照：。i 赎i 釜l：! i 图2 4 平面轮廓精加工参数表 图2 5 平面轮廓精加工刀具轨迹示意图 ( 2 ) 轮廓导动精加工 生成矩形轮廓的导动精加工刀具轨迹。在c a x a 制造工程师软件中的创建如 图2 6 所示，生成的刀具轨迹如图2 7 所示。 第2 章自由曲面数控加工方法研究 鲢一j 受l j n 兰：。i 曼一j 图2 6 轮廓导动精加工参数表 雷矗瑟 图2 7 导动面加工刀具轨迹 ( 3 ) 曲面轮廓精加工 生成沿一个轮廓线加工曲面的刀具轨迹。在c a x a 制造工程师软件中的创建 如图2 8 所示，生成的刀具轨迹如图2 9 所示。 蝴啦撬彗工勰震雾 加工i 盘l 近蠢回 硼鼍甩量l 坐标幕 刀，啦矗j 胸； 曼壅l 墼苎：兰 图2 8 曲面轮廓精加工参数表 山东大学硕士学位论文 图2 9 曲面轮廓刀具轨迹示意图 ( 4 ) 曲面区域精加工 生成加工曲面上的封闭区域的刀具轨迹。在c a x a 制造工程师软件中的创建 如图2 1 0 所示，生成的刀具轨迹如图2 一1 1 所示。 1 4 堡枣j 一墼苎 ，i ! j 二 图2 一1 0 曲面区域精加工参数示意图 图2 11 曲面区域精加工刀具轨迹示意图 ( 5 ) 参数线精加工 第2 章自由曲面数控加工方法研究 生成沿参数线加工轨迹。在c a x a 制造工程师中的创建如图2 1 2 所示。 秭辅雌盖t 静。簿 自n 工套盘 i 衄四j 下7 拂芷| 0 帅量；生标不l 订鼻铸i 几伺l ，场入方式 一诎e 方盎 f 不咨定 r 张定 r 雕长鏖i “t 蜮长童 o r 暇丰旺弦 t 矾 ef r * “rf 蛆，2p 产p产p r 厂。= 厂 r 删”yt ：删一；1 1 s ，r f 两汛 g 霎定义。! 棼警譬：照e ? 黛| ! _ = 鼾# 蕾8 擅刀；躺 i 螽i ! 季，勰! 苎：! 走劢盖口龃r 帕 千煳# 苦墨 ；= = = = 二；= ：o = ； 加工tp “姐瑚p 千芳刮席po ： 定i取消l 证。暑 图2 一1 2 参数线精加工参数示意图 ( 6 ) 投影线精加工 将已有的刀具轨迹投影到曲面上而生成刀具轨迹。在c a x a 制造工程师中的 创建如图2 1 3 所示，生成的刀具轨迹如图2 1 4 所示。 壁；_ _ _ 图2 1 3 投影线精加工参数示意图 有轨i 查一 图2 1 4 投影线精加工刀具轨迹示意图 投影轨迹- t ( 7 ) 轮廓线精加工 根据模型轮廓形状生成轨迹。轮廓线精加工主要对垂直于水平底面的侧壁 表面进行分层加工，不支持具有一定拔模斜度的轮廓加工。加工时，多采用刀 具半径与过渡面相适应的端铣刀。这种加工方式在毛坯和零件形状几乎一致时 最能体现优势。当毛坯和零件形状不一致时，使用这种加工方法会出现很多空 行程，反而影响加工效率。在c a x a 制造工程师软件中的创建及刀具轨迹如图 2 1 5 所示。 虹基矬j g 域蕾精j 连接参数l 坐 i 系 删i 幸j ! 千嚣世童：切田置 7 弭量觳2 几阿 加工隽贰 i 侄i 加工方向 濑接 加工晒庠二二= = = = = = = ：= = = = 二二= | 越里向外 系量和精度 加工采量 o 衄工精度帅：墨妍i j 仑鲫儡量方芷蛆量方f 神7 王 幛锺。剃# ：嚣 月女旷一 图2 一1 5 轮廓线精加工参数设置及刀具轨迹 ( 8 ) 等高线精加工 等高线精加工可以完成对曲面和实体的加工，轨迹类型为2 5 轴，可以用 加工范围和高度限定进行局部等高加工。在c a x a 制造工程师软件中的创建及刀 具轨迹如图2 1 6 所示。 1 6 第2 章自由曲面数控加工方法研究 舡铋| 蹦馈l l 蛳系l 删i 千凇 蝴量l 隅德i 脯 舡椎 | 在i 加工方向 一 两百 广卓坦霸撑瓣袖旺 6 一 鳖i 曼曼 i ：|! l 图2 1 6 等高线精加工参数设置及刀具轨迹 ( 9 ) 等高线精加工2 等高线精加工2 主要用于加工侧壁陡峭或底部不平整的复杂曲面。该加工 方式的参数设置和刀具轨迹综合了等高线精加工和等高线精加工2 的优点，可 以对层高进行调整，支持抬刀自动化。 ( 1 0 ) 扫描线精加工 扫描线精加工在加工表面比较平坦的零件时能取得较好的加工效果，其走 刀方式与扫描线粗加工类似。该加工方式能自动识别陡斜面并对其进行补加工， 具有较高的效率。在c a x a 制造工程师软件中的创建及刀具轨迹如图2 1 7 所示。 io 确日，i 女t in l ；抛t i t m n h ，n 口5 鬻i l 一! 曼一j 二。一 ： 图2 1 7 扫描线精加工参数设置及刀具轨迹示意图 ( 1 1 ) 平面精加工 浅平面精加工能自动识别零件模型中的平坦区域，针对这些区域生成精加 工刀路轨迹，大大提高平坦部分的精加工效率，加工时多采用球头铣刀或牛鼻 铣刀。在c a x a 制造工程师软件中的创建及刀具轨迹如图2 1 8 所示。 山东大学硕士学位论文 垭i e 釉：吲l 替 t 鲁a ：坐# ；月喇 淳b 熏：t n 帅瞳l d l 嘴n 何 廊8 j i * *一 ：oo ll ! 一一! 一，一一一 图2 1 8 平面精加工的加工参数设置及刀具轨迹示意图 ( 1 2 ) 限制线精加工 限制线精加工利用一组或两组曲线作为限制，可在零件某一区域内生成精 加工轨迹。也可用此方法生成特殊形状零件的刀具轨迹，适用于曲面分布不均 或加工特定形状的场合。 ( 1 3 ) 三维偏置加工 生成边界面的三维偏置精加工轨迹。在c a x a 制造工程师软件中的创建及刀 具轨迹如图2 1 9 所示。 加工 娃区域整数j 连接彗懿 坐怿亲：7 铀! 创；千苦龃 切| i 用量刀景棼齄! 几何 加工方式 ；硅重- ； 加工方向 加工嚼茸 髓墒 ；左啊 。一右儡 + 豫向 牟星祀* 加工泉置 加工精度 竹跚兢霹薯最 行距 残留高度 ；抒毫 o 左力寰 o ：矗婚i 0 堕己。j 望l 一二j 图2 1 9 三维偏置精加工参数表设置及刀具轨迹示意图 ( 1 4 ) 深腔侧壁精加工 深腔侧壁精加工根据加工轮廓或检查面生成深腔侧壁轨迹，主要用于深腔 模型的垂直侧壁加工。如果模腔底面为非平面，则可以添加干涉曲面控制侧壁 的加工深度。 第2 章自由曲面数控加工方法研究 2 2 3 铣削行距间残留高度的确定 铣削行距间残留高度是影响表面粗糙度的重要因素，很多学者都在研究残 留高度及各种刀具轨迹规划方法n 7 伽。 在c a x a 制造工程师中，打开创建等高线精加工窗口，在【加工参数】设置 栏中，设置行距为0 3 4 6 ，残留高度数值o 0 0 3 m m 。如图2 2 0 所示。 图2 2 0 等高线精加工残留高度的设置 根据设定好的残留高度，进行实际加工，得到的加工零件如图2 2 1 所示。 图2 2 1 第一次加工 第二次加工：在【加工参数】设置栏中，将残留高度设置为o 0 0 1 5 姗，行 距设置为o 2 4 5 ，如图2 2 2 所示。 山东大学硕士学位论文 图2 2 2 等高线精加工残留高度的设置 第三次加工：在【加工参数】设置栏中，将残留高度设置为0 0 0 1 哪，行 距设置为o 2 0 0 ，如图2 2 3 所示。 图2 2 3 等高线精加工残留高度的设置 通过观察发现：当把残留高度设置为0 0 0 3 m m 进行的第一次加工得到的零 件的表面粗糙度较大，表面光洁度效果不好；当把残留高度设置为0 0 0 1 姗进 行的第二次加工得到的表面粗糙度过小，表面光洁度过于光洁；只有当残留高 度设置为o 0 0 1 5 m m ，即第二次加工出来的零件的表面粗糙度值最为合适，加工 效果最好，如图2 2 4 所示。 第2 章自由曲面数控加工方法研究 图2 2 4 加工样品 经过对三次加工效果的分析，总结出以下几点： ( 1 )每一次加工后的零件表面整体表面粗糙度没有出现大的变化，基本 上趋于一致。 ( 2 )由于刀具和机床固有因素的影响，实际得到的残留高度与理论上的 残留高度相比会有偏差，一般是实际值要大于理论值。 ( 3 )当刀具不变、残留高度值不变时，增加主轴转速和降低刀具的进给 速度都会减小实际残留高度。 ( 4 )增加刀具的切削刃数量会减少实际残留高度。 ( 5 )加工环境的变化、工艺选取的不同以及加工中出现的变形都会影响 实际残留高度。 2 3 自由曲面数控加工策略研究 2 3 1 自由曲面粗加工策略研究 曲面的加工，一般情况下都是通过刀具切削轨迹包络方法来实现。 曲面的粗加工应以快速去除材料为主要目的，进行粗加工时应采取高切削 速度、大进给量的方式进行。在c a x a 制造工程师软件环境下可选择等高线粗加 工，其特点可以高效地去除毛坯的大部余量，并可根据精加工要求留出余量。 在c a x a 制造工程师设置参数时要注意以下问题： ( 1 ) 加工方向 山东大学硕士学位论文 加工方向设定有以下2 种选择：顺铣和逆铣。 ( 2 ) 加工顺序 加工顺序设定有2 种选择：区域优先和深度优先。 ( 3 ) 层高和行距 层高：z 向每加工层的切削深度； 行距：输入x y 方向的切入量； 插入层数：两层之间插入轨迹； 拔模角度：加工轨迹会出现角度。 ( 4 ) 精度和余量 加工精度：输入模型的加工精度。加工精度越大，模型形状的误差也增大， 模型编码越粗糙。加工精度越小，模型形状的误差也越小。 加工余量：输入相对加工区域的残余量。也可以输入负值。加工余量的含 义如图2 2 5 所示。 j ：规下余貔 图2 2 5 加工余量定义示意图 2 3 2 自由曲面精加工策略研究 由于球头刀具的端部切削速度为零，所以在进行自由曲面精加工时，为保 证加工精度，切削行距一般取得很密，故常用球头铣刀对曲面进行精加工。 本课题采取c a x a 制造工程师软件提供的等高线精加工、三维偏置精加工等 方法对复杂曲面进行精加工。 2 4 数控加工刀具的选择与切削的确定 刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容，它不仅影响 第2 章自由曲面数控加工方法研究 数控机床的加工效率，而且直接影响加工质量。数控加工中的刀具选择和切削 用量确定是在人机交互状态下完成的，这与普通机床加工形成鲜明的对比，同 时也要求编程人员必须掌握刀具选择和切削用量确定的基本原则，在编程时充 分考虑数控加工的特点。 2 4 1 数控加工常用刀具的种类及特点 ( 1 ) 数控加工常用刀具的种类及特点 数控加工刀具必须适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点，一般 应包括通用刀具、通用连接刀柄及少量专用刀柄。刀柄要联接刀具并装在机床 动力头上，因此已逐渐标准化和系列化。 数控刀具的分类有多种方法。 根据刀具结构可分为： 整体式； 镶嵌式，采用焊接或机夹式连接，机夹式又可分为不转位和可转位两种： 特殊型式，如复合式刀具，减震式刀具等。 根据制造刀具所用的材料可分为： 高速钢刀具； 硬质合金刀具； 金刚石刀具； 其他材料刀具，如立方氮化硼刀具，陶瓷刀具等。 从切削工艺上可分为： 车削刀具，分外圆、内孔、螺纹、切割刀具等多种： 钻削刀具，包括钻头、铰刀、丝锥等； 镗削刀具； 铣削刀具等。 数控刀具与普通机床上所用的刀具相比，有许多不同的要求，主要有以下 特点： a 、刚性好( 尤其是粗加工刀具) ，精度高，抗振及热变形小； b 、互换性好，便于快速换刀； 山东大学硕士学位论文 c 、寿命高，切削性能稳定、可靠； d 、刀具的尺寸便于调整，以减少换刀调整时间； e 、刀具应能可靠地断屑或卷屑，以利于切屑的排除； f 、系列化，标准化，以利于编程和刀具管理。 ( 2 ) 铣削加工常用刀具 a 、平底铣刀和端面铣刀 平底立铣刀是铣削加工的主要刀具之一，如图2 2 6 ( a ) 所示。 b 、圆角铣刀 圆角铣刀结合了球头铣刀和平底铣刀的共同点，是粗精铣削加工常用刀具 之一，如图2 2 6 ( b ) 所示。 c 、球头铣刀 球头铣刀的刀头呈球形，在自由曲面的数控加工中应用最为普遍乜2 】。如 图2 2 6 ( c ) 。 m阳m ( a ) 平底铣刀 ( b ) 圆角铣刀( c ) 球头铣刀 图2 2 6 数控铣削刀具 d 、鼓形刀 鼓形刀形状类似鼓形，如图2 2 7 所示。它的切削刃分布在半径为r 的圆弧 面上，端面无切削刃。加工时控制刀具上下位置，相应改变刀刃的切削部位， 可以从工件上切出从负到正的不同斜角，见图2 2 8 所示。 2 4 第2 章自由曲面数控加工方法研究 f i l 够磊 l 一。) 图2 2 7 图鼓形铣刀图2 2 8 鼓形铣刀分层铣削变斜角面 e 、成形铣刀 成型铣刀一般是为特定形状的工件或者加工内容专门设计制作的。如图 2 2 9 所示。 晷暂 广 锄 】【 夕绷 j) 图2 2 9 成型铣刀 2 4 2 数控加工刀具的选择原则 选择刀具总的原则是：安装调整方便，刚性好，耐用度和精度高。在进行 刀具选择时需要注意以下问题乜副： ( 1 ) 刀具的尺寸要与被加工工件的表面尺寸相适应。实际生产中，立铣 刀常用来加工平面零件周边轮廓；硬质合金刀片铣刀常用来铣削平面；高速钢 立铣刀常用来加工凸台、凹槽；球头铣刀常用来加工立体型面和变斜角轮廓外 形。 ( 2 )由于球头刀具的端部切削速度为零，切削行距一般取得很浓密，因 此，球头铣刀常用于曲面的精加工来保证加工精度。 ( 3 ) 必须采用标准刀柄，以便换装刀具。 ( 4 ) 平衡好刀具成本和加工成本之间的关系。 2 4 3 切削用量的确定 ( 1 ) 确定合理切削用量的意义 切削用量包括背吃刀量口。、切削速度圪、进给量厂等。 2 5 山东大学硕士学位论文 数控加工对同一加工过程选用不同的切削用量，会产生不同的切削效果。 合理的切削用量应能保证工件的加工质量和刀具所有寿命，