（机械工程专业论文）壳体零件型腔加工的自动编程系统设计.pdf

摘要 论文题目： 学科专业： 研究生： 指导教师： 壳体零件型腔加工的自动编程系统设计 机械工程 嵇宁签名： 黄玉美教授签名： 摘要 针对企业数控机床部分编程和操作人员c a d c a m 软件不熟悉和加工工艺知识不丰富， 编制数控加工程序比较困难的状况，论文以壳体零件的型腔加工为对象，研究了准自动编 程问题。根据壳体型腔加工的特点，分析了其在数控加工中的编程问题，提出了解决问题 的方法一 1 确定了加工工艺的基本参数，立铣刀直径、行距、层降，以及刀具转速和进给量。 给出了参数选择的依据，自动选择工艺参数的方法，及选择工艺参数自动编程系统的流程 框图。 2 分析了用m a s t e r c a m 自动编程软件生成型腔加工的刀具运动轨迹，以及挖槽参数的 选择，加工图形的生成，给出了参数化生成的图形导入m a s t e r c a m 的方法。 3 论述了m a s t e r c a m 的后置处理功能，分析了不同数控系统的指令区别，对后置处理 过的程序进行修改，给出了自动编程系统修改加工程序的框图。 4 通过壳体零件的加工，验证了运用自动编程系统提高编程效率，使参数合理化的可 能性。 论文的研究结果，为提高壳体型腔的数控加工编程效率，提供了设计壳体零件的型腔 加工自动编程系统的可行性分析，为对c a d c a m 软件不熟悉和加工工艺知识不丰富的人能 够顺利的编制数控加工程序做了一些有意义的研究工作。 关键词；型腔加工自动编程工艺参数刀具轨迹后置处理 a b s t r a c t t i t i e ：d e s i g no fa u t o m a t l cp r o g r a m m i n gs y s t e m f o r p r o c e s s i n gs h e l lp a r t s c a v i t y m a j o r ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：n i n gj i s u p e r v i s o r ：p r o f y u m e ih u a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e s i g n a t u r e ： i n d i v i d u a l ss c a r c i t yo rp r o c e s s i n ga c q u i s i t i o ns t r e s s e do nu n f a m i l i a r i t yi nc a d | c 鼬嗵 r e v e a l e di ne n t e r p r i s e s n cl a t h ep r o g r a m m e r sa n do p e r a t o r s a n dd i l e m m ai nn c p r o g r a m m i n g , t h ep a p e rr e s e a r c h e di s s u e so i la u t o m a t i cp r o c e s s i n gp r o g r a mr e s t so nc a v i t yo f s h e np a r t s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i cf o rp r o c e s s i n gc a v i t yo fs h e l lp a r t t h ep r o b l e mo f p r o g r a m m i n g t on c p r o c e s s i n g w a sa n a l y e d , a n dm e t h o dt os o l v ep r o b l e mw a sg i v e n 1 t h ep a r a m e t e r sf o rt e c h n o l e g i c a lp r o c e s s i n g , i n c l u d et o o ld i a a n ds t e p o v e rd i s t a n c ea n d f l o o rd e p t ha n dr o t a t i o n a ls p e e da n df e e ds p e e d , w e r od e f i n e d i ti sp u tf o r w a r dt ot h eb a s i st h a t c h o o s ep a r a m e t e r s ，t h em e t h o dt h a tc h o o s ep a r a m e t e r sa u t o m a t i c a l l y , a n dt h ef l o wc h a tt h a t c h o o s ep a r a m e t e r sf o ra u t o m a t i cp r o g r a m m i n gs i s t y m 2 i ti sa n a l y s e dt h a tt o o lm o v i n gl o c u st ob em a d ei nm a s t e r c a mf o rc a v i t yp r o c e s s i n g , a n d t h a tp o c k e t i n gp a r a m e t e rc h o o s i n g , a n dt h a tg r a p hf o rp r o c e s s i n gt ob em a e i c a n dt h a tm a t h o d f o rt r a n s f o r i n gg r a p ht ob em a d eb yp a r a m e t e r i n gi nm a s t c l c a m 3 ni se x p o u n d e df o rt h ef u n c t i o no f m a s t e r c a mp o s t i ti sa n a l y s e df o rd i f f e r e n c eo f o r d e r s i nd i f f e r e n tc n c ni sa l t e r e dt h a tp r o g r a mt ob em a d ef r o mp o s t i ti sp u tf o r w a r dt h a tf l o w c h a tf o ra l t e r i n gp r o g r a mt ob em a d eb ya u t o m a t i cp r o g r a m m i n gs y s t e m 4 w i t hp r o c e s s i n gt os h e l lc a v i t y , i ti sp r o v e nt or a i s ee f f e n c i e n c yo f p r o g r a m m i n gt oc n c p r o c e s s i n g a n di ti sp o s s i b l et oc h o o s ep m a m e t e r sr a t i o n a l l y f o ri m p r o v i n ge f f c i e n c e yt op r o g r a m m i n go fn cp r o c e s ss h e l lc a v i t y , t h es t u d ya n a l y s i s t h ef e a s i b l et os y s t e mf o ra u t o m a t i cp r o g r a m m i n gt os h e l lp a r t sc a v i t yp r o c e s s i ti sd o n es o m o t h i n g si nn cp r o g r a m m i n gw e l lt oi n d i v i d u a l ss c a r c i t yo np r o c e s s i n ga c q u i s i t i o na n d u n f a m i l i a r i t yi nc a d c a mr e v e a l e di ne n t e r p r i s e s n cl a t h eo p e r a t o r s k e yw o r d s ：c a v i t yp r o c e s s a u t o m a t i cp r o g r a m m i n g p r o c e s sp a r a m e t e r t o o lm o v el o c u s p o s t 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者虢丝母后月瓶 y 学位论文使用授权声明 本人在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名链导燧名：耋垒差协月玑 ， 1 绪论 1 绪论 1 1 概述 1 1 1 数控机床的加工 数控机床自从1 9 5 2 年世界上第一台三坐标联动数控铣床问世以来，经历了电子管时 代、晶体管时代、小规模集成电路时代、和大规模集成电路时代以及超大规模集成电路时 代等几代的发展。如今数控机床已经在机械制造领域内占有越来越重要的地位 数控机床加工已成为当今机械加工的主流技术，它的发展是机加领域里技术改造的主 要方向。大量的普通机床将被数控机床所取代。目前，工厂里的机床设备中，数控机床占 3 、4 成的工厂为多数，有的厂还占到9 成之多，如西安法士特公司。 数控机床加工具有非常突出的优点：加工精度高，它的运动轨迹受程序控制，定位精 度很高；被加工零件复杂，数控机床可以控制刀具走出直线、圆弧、三维、四维及五维空 间曲线，加工出复杂的空间曲面；加工效率高，数控机床的刀具工件运动由程序控制，切 削速度高；工人劳动强度低，数控机床属于自动控制的机床，在切削加工时完全由程序控 制。这些优点使数控机床比普通机床具有巨大的加工优势，因此能迅速发展。目前数控机 床价格越来越便宜，已被广泛普及。 数控机床有多种分类方法，对于数控加工来说，是按工艺用途分，分为数控车床、数 控铣床、数控加工中心、数控磨床、数控齿轮加工机床( 数控滚齿机、数控插齿机、数 控磨齿机) ，数控折弯机、数控特种加工机床( 数控线切割机床、数控电火花加工机床、 数控火焰切割机、数控激光切割机) 等。在这些机床中，数控加工中心和数控铣床占比例 最大，加工的零件最复杂，编程最复杂。 1 1 2 数控铣床的加工 数控铣床加工主要是加工方型零件，如箱体零件、壳体零件、板类零件、支架类零件 和底座类零件。适于加工的表面有平面、孔、二维曲面、三维曲面等。控制坐标轴3 0 个，大型铣床控制的轴更多，有的有7 9 轴之多。加工的零件结构比较复杂，尤其是曲 面零件，需要4 轴、5 轴联动加工，刀具相对工件的运动非常复杂，刀具轨迹的计算非常 繁琐，必须依靠计算机才能计算。 数控加工中心是数控铣床的发展，它是带有自动换刀系统的数控镗铣床。能自动换刀， 加工效率比数控铣床高，加工方法与数控铣床类似。 数控铣床加工的零件较为复杂，典型工步有粗铣凸台( 型腔) 、精铣外轮廓( 内轮廓) 、 孔类加工( 钻、镗、铰、锪、攻丝等) 、曲面类加工等四类基本工步。 这些工步涵盖了数控铣床加工零件的大多数工步，大多数零件的加工工艺都可由这些 西安理工大学工程硕士学位论文 工步组成。本课题就是主要针对数控铣床中的铣型腔加工方法来研究的。 1 2 数控机床的编程 数控机床的编程是指编制其加工零件的程序，数控机床是通过程序控制其整个加工过 程。数控机床加工零件的结构形状、尺寸精度、表面质量等都靠程序来控制刀具运动迸行 加工，保证质量。因此，数控机床的程序编制是非常重要的 数控机床的程序编制分为二种方法，一种是手工编程，一种是自动编程。用哪种方法， 要看具体的零件结构情况一般的说，简单零件用手工编程，复杂零件用自动编程。 1 2 1 手工编程 手工编程是数控机床最为常用的编程方法，它简单明了，容易掌握。对于零件结构不 复杂，加工型面简单，坐标容易计算的零件，一般都采用手工编程 手工编程的步骤通常为： 工艺分析( 设计) 一一数值计算一一程序编制 工艺分析 工艺分析主要涉及的内容为：夹具的选择确定：加工工步的设计；刀具的选择；走刀 路线的设计；切削用量的选择等五部分内容。 教值计算 数值计算是数控机床程序编制的重要内容，它包括基点坐标和节点坐标的计算。基点 坐标是指轮廓的线段交点、切点、圆心等，零件的几何要素交点。节点是指非圆曲线用直 线段或圆弧段逼近的线段之间交点。 基点坐标可以用简单的三角函数和初等几何的方法求出来，节点要根据线段逼近非圆 曲线，用等误差法和等步长法等解析几何方法，通过复杂的公式计算，求出节点坐标，而 这一计算过程是非常繁琐的，必须借助于计算机，才能计算出来。所以，手工编程一般只 计算基点坐标。 程序编制 程序编制是根据工艺分析和数值计算的结果，将走刀路线这种图形化的程序转换成数 控机床能读懂的指令化程序的过程程序编制要根据各个数控系统的指令规定，编出适应 于各个机床系统的数控加工程序。 1 2 2 自动编程 自动编程是数控机床加工程序编制的另一种方法。它是利用计算机进行数值计算，并 能自动生成加工程序，图1 - 1 是自动编程的原理图。 2 1 绪论 计算机 ( a ) 语奇编程 计算机 ( b ) 图形编程 图1 - 1 自动编程原理图 f i g 1 1a u t o m a t i cp r o g r a n m a i n gp r i n c i p l ef l o wc h a t 加： 程序 加工程序 自动编程分为二种方式，一种为语言编程，如图1 1 ( a ) 所示，先由零件图根据工艺 分析编出源程序，输入计算机，计算机根据源程序进行翻译处理，计算刀具轨迹，生成刀 位文件；再经过后置处理，生成数控加工程序。这种编程方式是早期自动编程的方法，由 于要编源程序，比较麻烦，现在已较少采用。这种自动编程软件主要是a p t 语言自动编 程软件，它有自己的一套编程体系，用几何语句、刀具运动语句和后置处理语句来把刀具 的运动轨迹( 走刀路线) 描述出来，零件形状描述出来，将一些参数设定写进去，生成源 程序。计算机读入后自动生成加工程序。 另一种是图形交互式编程，如图1 1 ( b ) 所示，由零件图根据工艺分析，在计算机上作 出被加工型面的图形或造型，计算机根据图形或造型，自动进行图形识别的翻译处理，在 进行刀具轨迹计算，通过后置处理，自动生成加工程序。由于这种方式不用编源程序，作 图直接，方便，不容易出错，所以，现在自动编程基本都采用这种方式。这种图形编程软 件现在比较多，一些大型的c a d c a m 软件都具有图形编程功能，这种功能也是c a m 的 重要内容。如u g 、p m e 、c i m e t r t m 、m a s t e r e a m 、s o l i d e d g e 、以及c a x a 制造工程师等。 西安理工夫学工程硕士学位论文 1 3 国内外发展水平及研究概况 国际上大型的c a d c a m 软件有很多，如u g 、p r o e 、c i m e t r o n 、c a t i a 、s o l i d e d g e 、 m a s t e r c a m 等等，有二、三十种之多，各有千秋，都能进行自动编程。并且，根据零件加 工要求，都可以进行二维的作图和三维的造型，并根据这些二维的图形和三维的造型，自 动生成刀具运动轨迹，据此生成加工程序。c a d c a m 的发展情况如下： c a d 技术 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ；计算机辅助设计) 是借助计算机系统在工程和产品设 计的各个阶段提供快速、有效的工具和手段，以辅助设计人员加快和优化设计过程和设计 结果，以达到最佳的设计效果的一种技术。c a d 系统包括科学计算、图形及数据库三个 部分。c a d 技术发展至今已有三十多年历史。从六十年代开始，西方一些公司就开始了 对计算机辅助设计绘图技术的研究，1 9 6 3 年，s u t h e r l a n d 发布的s k e t c h p a d 系统是第一个 c a d 实验系统，开辟了计算机图形学和c a d 的新纪元。七十年代。在西方国家c a d 软 件开始实用化，二维设计系统得到比较广泛的应用。但二维设计系统的建库方式，已很难 满足现代制造业的需要，在三维c a d 系统平台上建立三维参数化实体模型( 它非常有利 于后续利用c a m 进行仿真加工和代码衍生) ，是目前国内外研究的热点问题。到了八十 年代，商品化的三维实体造型系统投入使用，p c 机上的c a d 系统迅速普及，集成化的 c a d c a m 系统开始出现。进入九十年代，c a d 系统向集成化、智能化方向发展，二维 c a d 技术全面普及，三维特征造型技术和参数化技术以及并行工程等技术获得了巨大的 发展。 c a m 技术 c a m 系统的体系结构基本上有下列三种模式： ( 1 ) c a m 子系统与c a d 和c a e 等子系统在系统底层一级集成式开发，c a d 子系 统提供强大的复杂产品造型与设计功能，生成的产品数字化定义模型为c a m 子系统提供 完备的数据服务。c a m 子系统直接在产品数字化模型上进行n c 轨迹计算，利用强大的 后置处理模块生成n c 指令这种系统很多，像u g s 公司的u n i g r a p h i c s ，p t c 公司的p r o e n g i n e e r ，m m 公司的c a t i a 等，其基本特点是功能完备，系统庞大，模块组合发售， 价格昂贵。 ( 2 ) 以现有侧重产品造型的系统为平台的插件式c a m 系统，此类c a m 软件大多 基于w m d o w s 环境，利用w i n d o w s 体系提供的各种软件技术，以第三方的形式为产品造 型系统提供插件模块或子系统( p l u g - - i n ) 。如a u t o d e s km d t 内嵌h y p e r m i l l ：s o l i d w o r k s 内嵌c a m w o r k s 和e d g e c a m ：负责s d r c 系统c a m 模块开发的伙伴公司c a m a x 提 供的c a m a n dm o d e l e r ( 支持3 d 曲面造型) 并配以s m a r t c a m ( 支持多曲面加工) 。此类 插件系统在文件一级操作插件平台的c a d 产品模型，利用特征识别( f e a t u r er e c o g n i t i o n ) 技术，直接在产品模型上获取一定复杂程度的切削区域几何表示及其加工工艺规范( 当然， 4 1 绪论 也支持用户的交互指令操作) ，进而生成n c 加工刀位轨迹；此类c a m 系统的大多捆绑 平台软件，规模紧凑，集成度高，价格便宜。 ( 3 ) 支持简单曲面造型的专用n c 计算系统，如c a m a x 的c a m a n d 和s m a r t c a m ， n r e c 的坐标叶轮加工系统m a x - a b ( 着重点位加工) 和m a x - 5 ( 侧重端铣和侧铣加工) ， c n c 的m a s t c r c a m ，以及c i m a t r o n 等。这类系统提供主要面向复杂曲面形体的曲面( 或 曲面实体) 造型和编辑，和更为强大的n c 刀位轨迹计算、编辑、验证和后置处理功能。 专用n c 系统对数控机床的适应能力较强，提供更多的加工工艺定制方法。适用于中小企 业或专用设备制造企业。 对于上述三类c a m 系统而言，第一类系统基本都建立在实体模型表示上，采用交互 式指点、定制形成切削方案和工艺规划；第二类则在第一类系统的基础上增添了加工特征 自动识别技术；第三类系统依靠较为完备的曲面建模，仍采用交互方式在面模型上快速生 成多种加工形式的刀位轨迹，但相对薄弱的造型功能制约了c a m 系统的应用。 c a d c a m 集成技术 随着科学技术的发展，制造业正经历着一个从单品种大批量生产到多品种小批量生产 或单件生产的转变过程。制造技术也正在向系统自动化、集成化、智能化和网络化的先进 制造技术方向发展。先进制造技术群和制造基础设施等各部分相互联系、相互促进共同构 成一个完整的先进制造技术体系。先进制造技术以达到缩短生产周期( d 、更好的产品质 量( q ) 、更低的成本( c ) 、方便用户和优质服务( s ) 等为目标，以满足不断发展的产品多样化 和个性化的需要。c a d c a m 技术是先进制造技术中制造自动化技术的核心技术，也是实 现先进制造技术目标的关键。 c a d c a m 技术的发展大致分为三个阶段：第一个阶段为早期的a p t 系统阶段，该 阶段c a d 与c a m 技术相对独立，其数据交换通过数据转换接口来实现。由于a p t 编程 系统具有几何定义复杂，缺乏图形功能等缺点，在实际生产中已渐渐被淘汰，但该阶段为 c a d c a m 技术的发展奠定了技术基础。第二个阶段为d 与c 蝴的集成阶段，c a d 设计的结果，不仅仅是简单的图形输出，而且是为了完成设计产品的加工，其数据结构也 趋向统一。第三个阶段则为c i m s 技术的发展阶段。c a d ，c a m 的集成是实现c i m s 的关 键技术之一，是c i m s 发展的核心。c i m s 是在自动化技术，信息技术及制造技术的基础 上，通过计算机及其软件，将制造工厂全部生产活动所需的各种分散的自动化系统有机地 集成起来，是适合于多品种，中小批量生产的总体高效益，高柔性的智能制造系统。在 c m s 环境下，c a d c a m 对产品的几何描述更为完备，数据结构与数据库采用统一的规 则，整个系统包含了仿真、专家系统、人柳接口以及信息管理系统等多种技术。 国内研究的此类软件不多，用的最多的是北航海尔公司的c a x a 系列软件，其中， c a x a 制造工程师是自动编程软件，简单易学，在学校应用很广。 ， 西安理工大学工程硕士学位论文 1 4 壳体零件的j f 现状和存在的问题 1 4 1 壳体零件的特点 壳体零件在数控加工中，占有相当多的比例。在机器设备中，壳体零件通常作为设备 的外壳，里面有各种各样的零件和机构，有机械的也有电子的。壳体内安装这些零件的型 面是型腔。型腔的结构有多种多样。一般由多个侧面与底面构成。侧面多为二维的直面和 曲面组成，有的中间还有凸台。 根据壳体零件的用途将这些壳体大体分三大类：大型机器壳体，如交速箱体，机床主 轴箱体等。中型电器设备壳体，主要是罩子类，由薄壁板料组成，如家电壳体等。小型仪 器壳体，一般是仪器壳体，和小型机电设备壳体。这些壳体零件根据其用途的不同，大小 形状各异，其加工方法也各不相同。 大型机器的壳体) j 口- f 大多采用铸造或焊接件制造壳体的毛坯，然后对壳体需要加工的 平面、孔等进行机加工，这些需要进行机加工的形状简单，采用普通机床就可以实现，所 以大多不用数控加工；中型电器设备的罩子类壳体，多采用钣金冲压件，用铁皮压制成型， 形状相对来说不是很复杂，所以也基本不用数控加工 小型仪器壳体中，电器设备的壳体 也有用钣金冲压件的，不需要进行数控j 口q - ；但一些机电设备的壳体，尤其是承受一定载 荷的设备壳体，还要用机加工件或铸造毛坯再机加工成型，机加工往往需要加工壳体零件 的型腔，由于型腔内有许多曲线、圆弧线、曲面加工，就需要用数控机床加工 1 4 2 壳体零件的加工 壳体零件的加工主要是型腔的 加工，这种型面结构很适于数控铣 床的加工。因为要控制刀具走曲线、 圆弧线，普通铣床无法进行这种加 工，所以，壳体零件的型腔多用数 c 控铣床加工 数控铣床加工采用的方法是： 对于实心毛坯，先钻落刀孔，再用 立铣刀去余量加工。立铣刀加工的 走刀路线为深度方向分层铣，平面 方向用行切法铣。如图1 - 2 所示。 在这种加工方法中，走刀路线 的设计非常重要。其中，层降h 和 。一。 讹从：吃乏b x a ( ，h y a ) fh i or f 一7 i 图1 - 2 型腔加工路线 f i g 1 - 2p r o c e s sc a v i t yl o c u s x 行距l 是二个主要工艺参数，确定了这二个参数后，才能计算出型腔中的走刀路线上基 6 1 绪论 点坐标。 1 4 3 壳体零件的编程 编制壳体零件的铣型腔的数控加工程序，用手工编程的方法，就必须计算这些排刀点 ( 走刀路线上的基点) 的坐标。对于简单零件( 如图1 - 2 ) 还可以计算，但是对于轮廓比 较复杂的型腔，计算就比较麻烦。如图1 3 所示。 图1 - 3 复杂的型腔 f i g 1 3c o m p l e xc a v i t y 所以，在型腔加工的编程上通常是采用自动编程， 壳体零件型腔的自动编程方法，型腔 的自动编程主要分四步： 作图或造型 选定工艺参数 生成刀具运动轨迹 生成加工程序 对程序进行修改完善 例如，对图l - 2 零件的型腔进行自动 编程，过程如下( 用m a s t e r c a m 软件) 。 乱造型( 图1 曲 b 进行工艺参数设置( 图l - 5 ) 以解决基点坐标计算问题。 图1 4 型脱壹型 f i g 1 - 4c a v i t ym o u l d i n g 7 8 图l - 5 型腔加工参数 f 喀1 5p a r a m e t e ro f p r o c e s s i n gc a v i t y c 生成刀具轨迹( 图1 6 ) d 生成加工程序 e 对程序进行修改 图l _ 6 型腔加工的排刀轨迹 f i g 1 - 6t o o lm o v i n gl o c u sf o rc a v i t y p r o c e s s i n g 1 绪论 1 4 4 当前存在的问题 这种自动编程方法有很突出的优点，计算功能强大，不管多复杂的型腔，计算机都能 在很短时间内，将刀位路线计算出来，即把铣型腔的走刀路线上的基点坐标计算出来。显 示了计算机的功能强大和c a d c a m 软件的功能强大。 但是，这种作图的自动编程方法，在使用上显得比较繁琐。具体为： 作图要按零件结构进行1 ：1 的作图，有的软件要求造型。这样，作图的工作量比 较多，学起来有些难度。 在选择工艺参数时，要有一定的加工经验，才能选择合适。 生成的加工程序必须再经过修改才能输入机床使用。因为，数控机床有不同的数 控系统，自动编程软件生成的程序常常需要修改方可使用，否则，很容易出现加工事故。 对于企业数控机床部分编程和操作人员c a d c a m 软件不熟悉的和加工工艺知识不 丰富的人而言，这些问题势必影响编程质量和编程效率。本课题就是研究如何解决这些问 题，并对此提出解决问题的思路和方法。 1 5 本论文研究的的主要内容 本课题采用m a g t o r o a m 软件，以壳体类零件型腔加工为对象，主要研究内容为： 深入的研究了壳体零件工艺参数选择相关理论和开发工具m a s t c r c a m ，深入调查了 企业中壳体零件的加工、生产状况： 在调查分析企业壳体零件生产现状的基础上，确定了加工工艺的基本参数，立铣 刀直径、行距、层降，以及刀具转速和进给量。给出了参数选择的依据，自动选择工艺参 数的方法，及选择工艺参数自动编程系统的流程框图； 在分析用m a 咖i - g a n l 软件生成型腔加工刀具运动轨迹的基础上，分析了挖槽参数 的选择，加工图形的生成，给出了参数化生成的图形导入m a s t c r c a m 的方法； 论述了m a s t e r c 锄的后置处理功能，分析了不同数控系统的指令区别，对后置处 理过的程序进行修改，给出了自动编程系统修改加工程序的框图； 通过壳体零件的加工，验证了运用自动编程系统提高编程效率，使参数合理化的 可能性： 1 6 论文结构 论文共分五章，各章主要内容如下： 第l 章：绪论 论述了数控机床的加工特点，数控机床的编程方法，国内外的编程软件发展，壳体零 件的加工现状和存在问题，本论文的主要研究内容及结构。 第2 章：型腔加工的工艺参数 9 西安p e - 大学工程硕士学位论文 论述了型腔的结构，壳体类零件的材料，壳体型腔的加工工艺，型腔加工工艺的参数， 型腔加工工艺参数的自动选择系统的设计。 第3 章：型腔加工的刀具运动轨迹 论述了自动编程软件，c a m 软件生成型腔加工的刀具运动轨迹 第4 章：加工程序的自动生成 论述了不同数控系统的指令区别，m a s t e r c 锄的后置处理，对后置处理生成程序的自 动修改。 第5 章：介绍了壳体零件加工的实例，分析了编程过程和加工的结果 第6 章：结论与展望 对本论文完成的工作进行简要的总结，并指出进一步研究的方向。 1 0 2 型腔加工的工艺参敌 2 型腔加工的工艺参数 由前所述，型腔加工是壳体零件非常重要的加工内容，也是数控铣床或加工中心的重 要加工方法。要加工好型腔，需要认真研究型腔加工工艺，搞清型腔加工在各种情况下的 工艺参数，运用图形自动编程软件，编出合理的数控加工程序。 2 1 型腔的结构 2 1 1 型腔的分类 壳体型腔 本课题前一合作伙伴做的是：壳体零件型腔参数化的设计，已将壳体零件的型腔 图2 - 1 型腔的结构 f i g 2 - 18 1 1 u c t u o f c a v i t y 西安理工大学工程硕士学位论文 作了分类。根据型腔的结构，大致分为三大类九小类，如图2 - l 所示。 在上述零件的分类中，我们可以看到，型腔零件主要是以侧边、底和凸台等主要结构 组成的。侧边以二维轮廓为主，底面以平面为主，凸台以平面为顶面加二维或三维轮廓侧 边为主。 上述型腔多为壳体类零件的型腔，腔内曲面较少，着有的话，以圆弧二维轮廓面为主。 模具类型腔 模具类型腔内的型面多以三维曲面为主，辅以二维轮廓面，如图2 - 2 所示。 图2 - 2 模具类型腔 f i g 2 - 2t h em o u l dc a v i t y 由上图可看蓟，模具类曲面主要是三维曲面，用于零件成形，做模具中的凹模。这类 零件型腔的加工与壳体类型腔的加工不一样，属另一种加工范畴，不在本课题研究范围内 2 1 2 壳体类型腔的结构特点 壳体类零件型腔的结构特点分为二种情况，一种主要是为了装配电子线路板的，其侧 面为二维轮廓，一般无斜度，底面为平面，靠边有几个带螺纹孔的凸台，用于安装电子线 路板。所以，型腔的轮廓尺寸通常精度要求较高，深度尺寸则精度要求较低。这种壳体零 件薄壁，刚性较差，不承受大的载荷。如上面分类的四方形型腔和菱形型腔。另一种通常 用于装配齿轮变速机构，是小型变速器或齿轮泵的壳体。这类零件侧面为二维圆弧面，底 面中心有孔。深度精度要求较高，轮廓也比较高，孔位精度要求很高。此种壳体零件壁较 厚，刚性较好，可以承受一定的载荷。如上面分类的圆形型腔。 2 2 壳体类零件的材料 1 2 2 型腔加工的工艺参数 壳体类零件在使用中，有的是仪器壳体，有的是泵体，承载均不算太大，故一般用的 材料强度不高，重量较轻，多用铝合会，即硬铝。 硬铝重量轻，加工性较好，零件的精度和表面质量、粗糙度等均易保证。零件毛坯用 板料或铸件。批量较大时，多用铸件；单件小批量生产时，用板料。因为大批量时，用铸 件成本低；单件小批量时，用铸件成本就高了，要用板料才行。 铸件通常用z l ，板料通常用y l 。 对于一些壳体，也有用4 5 # 钢的，因其强度高。4 5 # 钢的加工性比较好，但材料较硬， 加工时刀具磨损较大，加工工艺与铝合金差别较大。 2 3 壳体型腔的加工工艺 2 3 1 工艺概述 壳体零件的生产类型不同，其毛坯也不同。单件小批量生产，毛坯多为板料，成本低； 批量生产，多用铸件，节省材料，加工效率高。根据毛坯的不同，加工工艺也会不同。 毛坯为板料时，要考虑下刀问题，因为，立铣刀除了键槽铣刀外，是不能直接向下进 刀的，因为立铣刀底齿中间有中心孔，不能切削，所以，直接下刀是要打刀的。而毛坯为 铸件，则不存在这个问题，因底面余量一般都较小，立铣刀的中心孔不会被堵死，所以不 会打刀。 粗铣去余量，毛坯不同，方法也不一样。毛坯为板料，则要分层铣，每一层用行切法， 用立铣刀逐层切削余量。毛坯若为铸件，型腔的底面和侧面余量均很小，底面最多分2 - 3 层进刀即可，每层也是用行切法，也用立铣刀逐层切削余量。 轮廓侧面和凸台的侧面，用立铣刀精铣轮廓即可保证精度。 综上所述，型腔加工工艺主要有如下三部分， 下刀逐层行切精铣轮廓 2 3 2 下刀工艺 立铣刀的下刀方法有三种，钻落刀孔+ 垂直下刀、螺旋线下刀、倾斜下刀。 钻落刀孔+ 垂直下刀 这种下刀方式用的最多，普通铣床几乎全用这种方式下刀，数控铣床大多数情况也用 这种方式下刀。如图2 3 所示。 这种方式的特点是进刀路线简单，编程简单，但要二把刀具( 钻头+ 立铣刀) ，生产 组织工作较多。 西安理工大学工程硕士擘位论文 ( a ) 落刀孔 ( a ) d o w nt o o lh o l e 图2 - 3 垂直下刀 f i g 2 - 3t o o lv e r t i c a ld o w n ( b ) 下刀路线 d o w nt o o ll o c u s 螺旋线下刀 这种下刀方式应用较少，普通铣床无法使用，它可不用钻落刀孔。只有数控铣床可以 通过程序控制，按螺旋线下刀，如图2 - 4 所示。这样下刀，因刀具走的是螺旋线，其底齿 中心孔不在同一点下刀，故不会使工件余量顶住刀齿，就不会打刀。但编程较繁，需用计 算机辅助编程。 立铣刀 图2 - 4 螺旋下刀 f i g 2 4t o o ls p i r a ld o w n 下刀螺旋线 型腔轮廓 倾斜下刀 这种下刀方式也是应用较少，可不钻落刀孔，直接用立铣刀下刀，但普通铣床可以通 过手摇，实现倾斜下刀。数控机床则可通过程序控制，使刀具倾斜下刀，如图2 5 所示。 1 4 2 型腔加工的工艺参数 立铣刀 下刀倾斜线 型腔轮廓 图2 - 5 倾斜下刀 f i g 2 - 5t o o lt i l td o w n 下刀方式的选择，主要是考虑对于零件加工效率与编程的难易，以及零件的结构。 通常，单件小批量生产多用第一种方式，钻落刀孔+ 垂直下刀。批量生产则三种方式 都用，关键看哪一种方式加工效率高。所以，第一种方式应用是最多的 2 3 3 型腔铣削路线 在铣型腔加工路线中，通常采用逐层铣削，每一层用行切法。行切法是走刀路线中最 为重要的一部分，是主要的加工路线。型腔的余量去除，主要靠行切法去除，如图2 - 6 所 示。 图2 - 6 行切法 f i g 2 - 6c u t t i n gi nr o w 1 5 西安理工大学工程硕士学位论文 如图路线，在加工中，其行距和层降最为重要。决定着型腔加工的质量和效率。 行距为每一层加工中，刀具走刀路线一行与一行之间的距离，如图2 7 所示。l 表示 行距。 图2 - 7 行距 f i g 2 - 7s t e p o v e rd i s 臼m c e 如图2 8 所示，h 为层降。 层降h 和行距l 是型腔加工最为重要的二 个参数，它们的合适与否决定着型腔的加工质 量和加工效率。那么，如何确定这二个参数， 需要综合工艺、刀具、金属材料、机床等方面 的知识，以及要运用实际加工经验，才能使选 定的参数比较合适。 2 3 4 内轮廓加工路线 型腔内轮廓在粗加工后，表面比较粗，有 粗铣后的残留余量，所以，必须经过精铣内轮 图2 - 8 层降图 f i g 2 8d o w ni nf l o o r 廓才能达到轮廓的尺寸精度和表面粗糙度的要求。 精铣轮廓的加工路线为沿轮廓铣，刀具是立铣刀，若不用径向刀补，则需用刀具中心 轨迹编程，坐标点计算复杂、繁琐。为了简化计算，增强数控系统的控制功能，数控系统 设置了刀具补偿功能，分为长度刀补和径向刀补。铣轮廓就用径向刀补来简化程序，控制 刀具轨迹 运用径向刀补编程方法是，用工件的被加工轮廓作为编程轨迹，刀具中心轨迹沿被加 工轮廓偏置一个刀具半径运行，进行铣削加工。而程序是以工件轮廓作为计算的依据，程 1 6 2 型腔加工的工艺参数 序中的坐标点，都是按轮廓上的坐标点计算坐标的，但刀具中心由系统控制按轮廓偏置一 个刀具半径或一个刀补值的轨迹运行，如图2 - 9 所示。 图2 - 9 铣轮廓图 f i g 2 - 9m i l lc o n t o t t r 型腔内轮廓的精加工，关键是径向刀补的运用，运用得好，可控制零件的型腔精度。 运用得不好，则会造成过切。径向刀补功能是数控铣床比较难的功能，需要一定的实际经 验才能掌握它的用法。 2 4 型腔加工工艺的参数 2 4 1 下刀的工艺参数 铣型腔下刀，有三种方式，钻落刀孔、螺旋下刀和倾斜下刀。这三种下刀方式应用最 多的属钻落刀孔。因这种方式工艺简单，编程简单。加工效率也高。 孔径 落刀孔是为了立铣刀下刀时不打刀而钻的预孔。因此，从理论上讲只要孔比中心孔大， 就可保证下刀时不打刀。但是，落刀孔除了立铣刀的中心孔让开余量外，若要较小，则底 齿就会进行切削，这样也容易打刀，如图2 1 0 所示。 所以，从孔径上来说，落刀孔最好比立铣刀直径要大，以免下刀时，刀齿折断。 d n d 月( 2 1 ) d 孔落刀孔直径 d ，一立铣刀直径 1 7 西安理工大学工程硕士学位论文 ( a ) 立铣刀 ( b ) 落刀孔 ( a ) m i l l i n gt o o l ( b ) h o l eo f t o o ld o w n 图2 1 0 立铣刀与落刀孔 f i g 2 - 1 0m i l l i n gt o o la n dh o l eo f t o o ld o w n 线 孔位 落刀孔的孔位，比较容易选择。只要选在型腔中间，距轮廓边大于刀具半径就行。一 般根据型腔平行铣削路线来定。若是环切法，就选在中间部位，环切的起刀位置。若是平 行法，就选在角上的起刀位置，距轮廓边要大于刀具半径，并留出精铣余量。如图2 1 l 所示。 ( a ) 环切法 ( a ) c i r c u i tc u t t i n g 图2 - 1 1 行切路线 f i g 2 1 1l o c u s f o r c u t t i n g i n r o w c o ) 平行切法 c o ) p a r a l l e lc u t t i n g 孔深 落刀孔的深度，很好确定，只要按型腔深度钻就行了，必要时可将孔底锪平，如图 2 1 2 所示。 1 8 2 型腔加工的工艺参数 ( a ) 孔底朱平 ( a ) n of i a ta th o l eb u t t o m c o ) 孔底锪平 ( ”f i a ta th o l eb u t t o m 图2 1 2 锪平孔底 f i g 2 - 1 2d r i l lt of i a ta th o l eb u t t o m 综上所述，下刀的工艺参数可以从落刀孔以上三方面确定，经归纳，如表2 1 所述。 表2 1 落刀孔参数 t a b 2 lp a r a m e t e r so f h o l ef o rt o o ld o w n 项目工艺 参数备注 孔径要大于等于立铣 落刀孔直径d a d 月 刀直径 选在行切路线的起刀环切在型腔中间 落刀孔位置 点平行切在型腔角上 孔底不锪平 d a 0 1 5 落刀孔深度按型腔深度确定 孔底锪平 d n m 1 5 2 4 2 粗铣型腔的参数 粗铣型腔主要采用多层铣削，每层行切法。其加工的主要参数有二个，层降与行距， 而要决定行距，需要确定立铣刀直径，另外，切削用量也决定着加工质量。所以，粗铣型 腔的参数有行距、层降、立铣刀直径、刀具转速和进给量等五个参数。 立铣刀直径 立铣刀直径主要由型腔的尺寸大小、零件的材料、型腔的结构、以及立铣刀的材料决 定的。一般的壳体零件，承载不大，多为电子仪器的壳体，这一类的壳体材料一般采用铝 合金一类的轻金属。若是承载大的，如传动机构的壳体，需要承载，故多用铸铁、铸钢、 优质钢等一类的钢件。 对于壳体不同的材料来说，刀具直径的选择是不样的。铝制壳体，可选择立铣刀， 直径比加工钢件稍大些。钢件壳体，刀具宜选中等的，不宜太大，也不宜太小。太大，由 于切削力过大，引起工件振动，甚至会使刚性差的工件变形，造成工件的表面质量和加工 精度下降。太小，加工效率低。 对于壳体的型腔尺寸来说，要选择与之相适应的刀具。小尺寸的型腔，应选直径合适， 但不一定很小的刀具。