（材料加工工程专业论文）五轴模具加工中心计算机数控编程及在气缸盖模型制作中的应用.pdf

摘要 摘要 传统铸造模具制作采用的是二维图形，手工制作，制作工期长、精度低。尤其对于 复杂三维曲面模具制作时极为困难。本文针对尺寸精度要求高、形状复杂的气缸盖进、 排气道，上、下水腔的模具设计和制造过程，采用实物模型反求技术建立p r o e 三维模 型，并应用p r o e 软件高级建模技术进行芯盒模具设计。在此基础上，运用p r o e 软件 c a m 模块进行五轴数控加工程序的编程，并生成数控j j n - r 刀具轨迹文件。根据引进的 五轴数控加工中心n c 代码格式要求，相应对p r o e 软件后置处理模块进行了开发，并 通过对数控加工刀具轨迹文件的后置处理，编制成五轴数控机床设备能识别的机器指 令，即n c 代码文件。应用文件传输软件，通过数据传输系统将计算机中的n c 代码文 件传入五轴数控i j n - r _ 中心，实现芯盒的在线数控加工，经过实际应用和解剖试验，该模 具完全符合产品设计图纸要求，具有广泛的实用与推广价值。 关键词：p r o e ；气缸盖；模具；五轴数控加工；后处理模块 大连交通人学t 稃硕+ 学何论文 a b s t r a c t t h et w o - d i m e n s i o n a lg r a p hi sa p p l i e di nt h et r a d i t i o n a lc a s t i n gm o l dm a n u f a c t u r e ，i ti s m a d eb yh a n dt h a th a sl o n gp r o d u c t i o nc y c l ea n d l o wp r e c i s i o n i ti se x t r e m e l yd i f f i c u l ti n m a n u f a c t u r e sr e g a r d i n gt h ec o m p l e xt h r e ed i m e n s i o n a ls u r f a c em o l d m o l dd e s i g na n d p r o c e s so fm a n u f a c t u r ea r eu s e di nc y l i n d e rh e a dd i f f u s e r ，g a so f f - t a k e ，t o pa n dl o w e r w a t e r t a n kt h a th a sh i 曲s i z ea c c u r a c yr e q u i r e m e n ta n dc o m p l e xs h a p e e s t a b l i s h i n gt h ep r o e t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e ji su s e dt h ew o r k i n gm o d e 】s e l fe x a m i n a t i o nt e c h n o l o g y a n dt h e p r o es o f t w a r eh i g h l e v e lm o d e l i n gt e c h n o l o g yi su s e di nt h ec o r eb o xm o l d d e s i g n o nt h i s b a s i s ，u s i n gp r o es o f t w a r ec a mm o d u l et oc a r r yo nf i v ea x i sn u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n g p r o g r a ma n dp r o d u c en u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n gt o o lp a t hd o c u m e n t a c c o r d i n gt ot h en c c o d ef o r m a tr e q u e ao ff i v ea x i sn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n i n gc e n t e r t h ep r o es o f t w a r e p o s t - p r o c e s s i n gm o d u l e h a sb e e n d e v e l o p e dc o r r e s p o n d i n g l y p o s t - p r o c e s s i n go ft h e n u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n gc u t t i n gt o o lp a t hd o c u m e n ti s c o m p l e t e d ，a n dt h em a c h i n e i n s t r u c t i o nw h i c hf i v ea x i sn u m e r i c a l l y c o n t r o l l e dm a c h i n i n gc e n t e rc a nd i s t i n g u i s hi sf o r m e d n a m e l yn cc o d ef i l e u s i n gt h ef i l et r a n s f e rs o f t w a r e n cc o d ef i l ei nc o m p u t e ri ss p r e a dt o t h ef i v ea x i sn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n i n gc e n t e rb yd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m i ti sr e a l i z e d t h a tt h ec o r eb o xo n l i n en u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n ga n ds a t i s f i e st h ed e s i g n a c c u r a c y r e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：p r o e ；c y l i n d e rh e a d ；m o l d ；f i v ea x i sn u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n g ； p o s t - p r o c e s s i n gm o d u l e i j 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太垄銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太连塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送2 冉y , d 论文的n 詹- h q , j 件及其电子文档，允许论文被查 幽给俐大即jj 戥倒l 侧还7 占义七r v 仟及共巴亍又柏， j 讦论叉顿查 阅和借阅。 本人授权太蓬塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位槲：备寥 日期：沙叼子年幢月乒日 导师鲐支、1 冬弘 日期：文帅年l 乙月年日 学位论文作者毕业后去向：大连机车车辆有限公司 工作单位：大连机车车辆有限公司 通讯地址：大连机车车辆有限公司 电子信箱：d l g u o y o n g 1 6 3 c o m 电话：1 3 9 4 2 8 3 2 4 3 0 邮编：1 1 6 0 2 1 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 磊舅 1 日期：细8 年j 月，乒日 绪论 绪论 大连机车车辆有限公司铸造分厂在1 9 9 7 年树脂砂改造以来，不断优化产品结构， 扩大生产规模，提升技术、设备和工艺装备水平。逐渐培育形成了自身核心技术优势。 向把铸造分厂建成国内顶尖国际知名的气缸盖、柴油机体铸件生产厂家的目标迈进。 随着大连机车车辆有限公司技贸合作战略的开展和市场开拓的进一步加深。铸造分 厂承揽了美国e m d 、卡特皮勒、英国m a n 和法国p i e l s t i c k 等多个国际知名大公司 设计的气缸盖铸件毛坯的试制、生产任务。气缸盖作为柴油机的关键部件，其质量要求 非常严格，尤其在进、排气道、大、小水腔的尺寸和形状精度方面，其质量直接影响气 缸盖乃至柴油机的整体性能。传统模具制造方法显然无法满足设计要求，如何实现模具 的精确制造，已成为铸造分厂能否实现战略发展目标的一个关键问题。推广c a d c a m 技术和五轴数控加工技术到气缸盖模具设计与制造中将具有重要的现实意义。 气缸盖的产品设计多采用p r o e 软件进行设计，以保证其进、排气道和大、小水腔 的形状能满足气流及串水的要求。计算机辅助设计与制造一体化的推广为我们提供了技 术上的保障。采用p r o e 软件进行模具设计，数控机床制作模具可实现设计要求。 火连交通人学t 程硕十学位论文 第一章数控，j n - r 与气缸盖 1 1 数控( n c ) 发展历程 随着时代的进步，工业发展逐步趋向于高效、实用、经济的方向发展。旧的生产技 术已经远远不能适应现代工业的发展，在这种条件下就需要新的技术来满足工业发展的 要求。而计算机硬件、软件、网络的同渐成熟使为我们提供了解决这个问题的途径。1 9 4 6 年诞生了世界上第一台电子计算机，六年后的1 9 5 2 年，计算机技术应用到了机床上， 在美国诞生了第一台数控机床。出现了由电子线路控制的数控机床，这种机床是将a n t 程序、加工要求和操作信息用数字及文字代码存储起来，通过计算后发出指令，控制伺 服机构驱动机床的工作台或刀具进行加工。从此，传统机床产生了质的变化。而后从1 9 7 0 年的第四代一小型计算机到1 9 7 4 年的第五代微处理器，再到1 9 9 0 年的第六代一个人 p c ( 国外称为p c b a s e d ) 。在经历了3 次大的发展历程后，数控机床体积越来越小 巧，操作越来越简单，功能越来越强大。 我国数控技术起步于1 9 5 8 年，在开始的阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础 条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。后来在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五” 的前期，经过引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。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。接下来是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，开 展实施产业化的研究，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。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达5 0 ，配备的国产数 控系统( 普及型) 也达到了1 0 。奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技 术。初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华 中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一 批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生 产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。 1 1 1 数控机床的种类 数控机床常按主轴在空间所处的状态分为立式数控机床和卧式数控机床。数控机床 的主轴在空间处于垂直状态的称为立式数控机床，主轴在空间处于水平状态的称为卧式 数控机床。主轴可作垂直和水平转换的，称为立卧式数控机床或五面数控机床，也称复 合数控机床。按数控机床立柱的数量分，有单柱式和双柱式。按数控机床运动坐标数和 同时控制的坐标数分：有三轴二联动、三轴三联动、四轴三联动、五轴四联动、六轴五 联动等。三轴、四轴是指数控机床具有的运动坐标数，联动是指控制系统可以同时控制 2 第一章数控加t 与气缸薷 运动的坐标数，从而实现刀具相对工件的位置和速度控制。按工作台的数量和功能分： 有单工作台数控机床、双工作台数控机床和多工作台数控机床。按加工精度分：有普通 数控机床和高精度数控机床。普通数控机床，分辨率低，最大进给速度2 5 m m i n ，定位 精度较低。高精度数控机床，分辨率高，最大进给速度为1 0 0 0 r n m i n ，定位精度较高， 又称为精密级数控机床l 。2 i 。 1 1 2 五轴联动数控加工 数控系统向多轴联动化方向发展，由于在加工自由曲面时3 轴联动控制的机床无法 避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削，进而对工件的加工质量造成破坏性影响， 而五轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单，并且能使球头铣刀在铣削3 维曲面的 过程中始终保持合理的切速，从而显著改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率。 因此，各大系统开发商不遗余力地丌发五轴、六轴联动数控系统，随着五轴联动数控系 统和编程软件的成熟和日益普及，五轴联动控制的数控机床和数控铣床已经成为当前的 一个开发热点。采用五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。一般认为，1 台五轴联动机床的效率可以等于 2 台3 轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时， 五轴联动加工可比3 轴联动加工发挥更高的效益。但过去因五轴联动数控系统、主机结 构复杂等原因，其价格要比3 轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约 了五轴联动机床的发展。 当前由于电主轴的出现，使得实现五轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制 造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型五轴 联动机床和复合加工机床( 含5 面加工机床) 的发展。 在e m 0 2 0 0 1 展会上，新日本工机的5 面加工机床采用复合主轴头，可实现4 个垂 直平面的加工和任意角度的加工，使得5 面加工和五轴加工可在同一台机床上实现，还 可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国d m g 公司展出d m u v o u t i o n 系列数控机床，可在 一次装夹下进行5 面加工和五轴联动加工，可由c n c 系统控制或c a d c a m 直接或间 接控制。从1 9 9 9 年开始，在c i m c 、c c m t 等国际、国内机床展览会上，首先是国内 的五轴数控机床产品纷纷亮相，国内五轴数控机床的市场逐渐打开，随后国际机床巨头 纷至沓来，五轴数控机床的品种和数量逐年上升，c i m c 9 9 、c c m t 2 0 0 0 分别推出3 台 国产五轴联动机床。c i m c 2 0 0 1 国际机床展览会上，北京第一机床厂和桂林机床股份有 限公司分别展出了主轴转速1 0 0 0 0 r r a i n 的五轴高速龙门数控机床，北京市机电院的主轴 转速1 5 0 0 0 r m i n 的五轴高速立式数控机床，大连机床厂自行研制的串并联机床 d c b 5 1 0 ，其数控系统由清华大学开发，该机床通过并联机构实现x 、y 、z 轴直线运 大连交通人学t 稃硕十学位论文 动，由串联机构实现a 、c 轴旋转运动，从而实现五轴联动，其直线快速进给速度可达 8 0 m m i n 。这些机床均已达到国际先进水平，体现了我国机床工业为国防尖端工业发展 提供装备的实力又有突破性提高。五轴数控编程抽象、操作困难，这是每一个传统数控 编程人员都深感头疼的问题。三轴机床只有直线坐标轴，而五轴数控机床结构形式多样； 同一段n c 代码可以在不同的三轴数控机床上获得同样的加工效果，但某一种五轴机床 的n c 代码却不能适用于所有类型的五轴机床。数控编程除了直线运动之外，还要协调 旋转运动的相关计算，如旋转角度行程检验、非线性误差校核、刀具旋转运动计算等， 处理的信息量很大，数控编程极其抽象。五轴数控加工的操作和编程技能密切相关，如 果用户为机床增添了特殊功能，则编程和操作会更复杂。只有反复实践，编程及操作人 员才能掌握必备的知识和技能。经验丰富的编程、操作人员的缺乏，是五轴数控技术普 及的一大阻力p j 。 在五轴联动n c 程序中，刀具长度补偿功能仍然有效，而刀具半径补偿却失效了。 以圆柱铣刀进行接触成形铣削时，需要对不同直径的刀具编制不同的程序。目前流行的 c n c 系统均无法完成刀具半径补偿，因为i s o 文件中没有提供足够的数据对刀具位置 进行重新计算。用户在进行数控加工时需要频繁换刀或调整刀具的确切尺寸，按照正常 的处理程序，刀具轨迹应送回c a m 系统重新进行计算。从而导致整个加工过程效率非 常低。对这个问题的最终解决方案，有赖于引入新一代c n c 控制系统，该系统能够识 别通用格式的工件模型文件( 如s t e p 等) 或c a d 系统文件。 以前五轴机床和三轴机床之间的价格悬殊很大。现在，三轴机床附加一个旋转轴基 本上就是普通三轴机床的价格，这种机床可以实现多轴机床的功能。同时，五轴机床的 价格也仅仅比三轴机床的价格高出3 0 5 0 。除了机床本身的投资之外，还必须对 c a d c a m 系统软件和后置处理器进行升级，使之适应五轴加工的要求，另外，必须对 校验程序进行升级，使之能够对整个机床进行仿真处理。 1 2 数控程序在数控机床上的应用 1 2 1 数控程序编制的概念 数控机床是一种高效的自动化加工设备，它严格按照加工程序，自动对被加工工件 进行加工。我们把从数控系统外部输入的直接用于加工的程序称为数控加工程序，简称 数控程序，它是机床数控系统的应用软件。与数控系统应用软件相对应的是数控系统内 部的系统软件，系统软件是用于数控系统工作控制的，数控系统的种类繁多，它们使用 的数控程序语言规则和格式也不尽相同。在编制数控加工程序前，应首先了解：数控程 4 第一章数控加i i 与气缸盖 序编制的主要工作内容，程序编制的工作步骤，每一步应遵循的工作原则等，最终才能 获得满足要求的数控程序。 采用数控机床加工零件，首先要编写表示加工零件的全部工艺过程、工艺参数和位 移数据的加工程序，以控制机床的运动，实现零件切削加工。因此必须根据零件图纸与 工艺方案用数控机床规定的程序格式和指定代码编制零件加工程序，给出工具运动的方 向和坐标值，以及数控机床的进给速度、主轴起停、正反转、冷却泵开闭、刀具夹紧等 加工信息，记录在控制介质上，并输入数控装置，从而控制数控机床运动。在数控加工 中，这种从零件图纸到制成控制介质的过程，称为程序编制1 4 剖。 1 2 2 数控程序的发展 2 0 世纪9 0 年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控技术更快的更新换代。 世界上许多数控系统生产厂家利用p c 机丰富的软、硬件资源丌发开放式体系结构的新 一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性， 并可以较容易的实现智能化、网络化。近几年许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国 科学制造中心州c m s ) 与空军共同领导的“下一代工作站奉几床控制器体系结构7 q g c ，欧 共体的“自动化系统中开放式体系结构”o s a c a ，日本的o s e c 计划等。开放式体系结 构可以大量采用通用微机技术，使编程、操作以及技术升级和更新变得更加简单快捷。 开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外丌放的，数控系 统制造商和用户可以根据这些开放的资源进行的系统集成，同时它也为用户根据实际需 要灵活配置数控系统带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用， 开发生产周期大大缩短。同时，这种数控系统可随c p u 升级而升级，而结构可以保持 不变。 现在，实际用于工业现场的数控系统主要有四种类型，分别代表了数控技术的不同 发展阶段，数控系统不但从封闭体系结构向开放体系结构发展，而且正在从硬数控向软 数控方向发展的趋势1 7 8 1 。 1 2 3 数控编程内容 数控编程的主要内容包括分析零件图样，进行工艺处理，确定加工方案，选择加工 设备。确定零件的装夹方法及选择夹具，合理地选择走刀路线，正确的选择对刀点、定 位基准点。根据零件的几何形状，确定走刀路线及数控系统的功能，计算出刀具运动的 轨迹。数控编程的标准与代码，根据国际上广泛采用i s o 1 0 5 6 1 9 7 5 e 标准，国家机械 工业部制要了与标准等效的j b 3 2 0 8 8 3 标准用于数控编程，数控机床的坐标轴命名规定 如下：机床的直线运动采用为笛卡尔直角坐标系，其坐标命名为x 、y 、z ，使用右手 5 大连交通人学一i ：程硕十学位论文 定律判定方向，传递切削力的主轴规定为z 坐标轴，称为主轴。x 坐标平行于工件的装 卡面。y 坐标轴垂直于x 及z 坐标。除了x 、y 、z 主要方向的直线运动外，还有其它 的与之平行的上线运动，可分别命名为u 、v 、w 坐标轴，称为第二坐标系。如果再有， 可用p 、q 、r 表示。如果在旋转运动a 、b 、c 之外，还有其它旋转运动，则可用d 、 e 、f 表示。 数控编程的指令代码，在数控编程中，使用g 指令代码，m 指令代码及f 、s 、t 指令指令描述加工工艺过程和数控系统的运动特征。准备功能指令亦叫“g ”指令。它是 从g 0 0 到g 9 9 。该指令主要是命令数控机床进行何种运动，辅助功能指令亦称”m ”它是 由字母”m ”和其后的两位灵敏字组成，从m o o 到m 9 9 共1 0 0 种，程序的开头写有程序 号：n 为程序段地址码，用于指令程序段号；g 为指令动作方式的准备机能地址：x 、 y 、z 为坐标轴地址，其后面的数字表示该坐标移动的距离；分号“；”为程序段落结束 符号【9 】o 1 2 4 数控编程方法 数控编程的核心工作是生成刀具轨迹，然后将其离散成刀位点，经后置处理产生数 控加工程序。数控程序编制的方法有两种：手工编程和自动编程。 ( 1 ) 手工编程 从分析零件图纸、制订工艺规程、计算刀具的运动轨迹、编写零件加工程序单、制 备控制介质直到程序校核，整个的过程都是由人完成的，这种编程方法称作手工编程。 对于几何形状不太复杂的较简单的零件，计算较简单，加工程序不多，穿孔纸带不很长， 采用手工编程较容易实现。但是，对于形状复杂的零件，具有非圆曲线、列表曲线轮廓 的，特别是对于具有列表曲面、组合曲面的零件或者虽然零件几何元素并不复杂，但计 算相当繁琐，程序量非常大，手工编程难以胜任，甚至无法编出程序来。而且人工输入 程序更是一个繁琐的工作，用手工编程时，一个零件的编程时间与机床上加工时间之比 平均约为3 0 ：l 【，j 。 ( 2 ) 自动编程 由计算机进行加工工艺处理、数值计算、编制零件加工程序、自动地输出零件加工 程序单，并将程序自动地记录到穿孔纸带或其它的控制介质上，亦可由通讯接口将程序 直接送到数控系统，控制机床进行加工，这种计算机编程方法称为自动编程，也就是 c a m 。计算机辅助制造，通常指数控程序的计算机编制，可包括加工工艺参数的输入， 刀具路径的选择，刀轨文件的生成，刀具轨迹仿真以及n c 代码的生成等。 目前，在数控加工行业中普遍使用的c a m 软件有m a s t e r c a m 、c i m a t r o n 、 p r o e 、u g 、c a t i a 等，其中p r 0 e 、u g 、c a t i a 是在c a d 基础上，集成了c a m 技 6 第一章数控加1 ：与气缸盖 术。而m a s t e r c a m 、c i m a t r o n 软件具有很好的加工功能。由于p r o e 、u g 等软 件将c a d c a m 很好的集成起来，因此，在国内外许多企业得到了广泛应用。 u g 是u n i g r a p h i e ss o l u t i o n s 公司的产品。最早应用于美国麦道飞机公司。是从二维 绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件。首次突破传统c a d c a m 模式， 为用户提供一个全面的产品建模系统。在u g 中，优越的参数化和变量化技术与传统的 实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的，并被大多数 c a d c a m 软件厂商所采用。 p r o e 是美国p t c ( 参数技术有限公司) 开发的软件，十多年来己成为全世界最普 及的三维c a d c a m ( 计算机辅助设计与制造) 系统软件。p t c 公司提出的单一数据库、 参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械c a d c a e c a m 的传统观念，这种全新 的概念已成为当今世界机械c a d c a e c a m 领域的新标准。能将设计至生产全过程集 成到一起，同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。p r o e n g i n e e r 系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习惯。整个系统建立在统一 的数据库上，具有完整而统一的模型。广泛用于电子、机械、模具、工业设计和玩具等 各行业。集合了零件设计、产品装配、模具开发、数控加工、造型设计等多种功能于一 体，1 9 9 7 年开始在中国流行，用于模具设计与制造、新产品设计、广告设计、图像处理、 灯饰造型设计，目前许多企业都采用了p r o e n g i n e e r 软件【l 1 4 】。 p r o e 和u g 是最好的画图软件，用p r o e 进行c a d 设计，用m a s t e r c a m 和 c i m a t r o n 加工已经得到公认1 1 5 1 。 1 3 柴油机的关键部件气缸盖 1 3 1 气缸盖的概念 气缸盖是汽车发动机中一个十分重要的部件，其上部置有凸轮轴，下部与气缸体、 活塞组成燃烧室，两边是进气道和排气道，与油气进入的进气管件和废气排出的排气管 件相接，内有贯穿的冷却水道和润滑油路。因此，它对发动机的功率和工作性能的影响 非常大。气缸盖的工作原理是：当燃气在燃烧室内爆燃时，气体温度瞬间高达1 1 0 0 以 上，这种高温热冲击反复作用，产生高达2 0 m p a 的压力直接作用于气缸盖以及气缸体 的连接处。因此，气缸盖在发动机整个工作过程中是处于高温状态下，承受巨大的热冲 击作用，工作条件相当恶劣。从气缸盖的铸件结构上来看，内腔结构复杂，形状多变化， 壁厚不匀，其中气缸盖冷却水道内腔弯弯曲曲，壁厚一般在4 - 5 m m ，最薄处只有2 5 m m 。 而且随着发动机向高效率、低油耗、少污染的方向发展，气缸盖的结构会变得愈来愈复 杂。 7 大连交通人学r 稗硕十学位论文 气缸盖的进、排气道的形状是保证其性能的关键。原有气缸盖模具的进、排气道等 芯盒的制作都是采用传统手t n 造，不能很好保证其形状和尺寸精度。随着对柴油机性 能研究的逐渐深入，气缸盖进、出气道的形状要求越来越严格。在产品设计方面多采用 p r o e 软件进行三维立体设计。在模具制造和砂芯制造方面也有严格的要求。实现气缸 盖模型的精密加工，已经成为我公司气缸盖铸件进入国际市场的一个许可证。 1 3 2 传统的气缸盖模具的制造 传统的芯盒设计采用a u t o c a d 进行平面设计。芯盒加工中采用手工划线、手工 加工，尺寸和几何形状误差较大。 传统的模具制作工艺是以机械制图理论为原理，采取手工制造的方式，配合以简单 的车、铣、刨等机械加工的方法。对操作者的识图能力和加工经验要求很高，人为因素 对模具尺寸精度影响非常大，很难保证模具的尺寸精度和均一性l i 纠引。该制作工艺对简 单的平面、回转面制作比较实用，但对于制作复杂空间曲面形状的模具时，通常需要制 作大量的样板，采用人工刻制的方式完成，不但工作效率低，且模具的几何形状和尺寸 精度均无法满足铸件要求，严重时需要反复多次修理模具和试浇注铸件，制约了新产品 的开发进程。 1 4 结合数控技术加工气缸盖的优势 采用p r o e 软件主体设计、数控加工，使模具设计和制造在尺寸与几何形状误差能 保证在0 0 5 m m 以内。 采用三轴数控加工，曲面采用线性渐近方式，模具精加工过程中刀具步长短，进刀 量很小，加工时间很长，加工后模具表面多条棱面，不光滑，需要手工打磨。存在一定 的尺寸误差。采用五轴数控加工，刀具切削面始终和曲面垂直，实现精确加工，模具表 面光滑，尺寸精度和加工效率都很高。因此，在气缸盖模具外模型，进、排气道，上、 下水腔芯盒的加工中采用五轴数控加工的方法。 在加工方式上，由于现有机床数控系统的内存量仅有5 1 2 k b ，大型模具的数控加工 程序文件较大，气缸盖进、排气道，上、下水腔等复杂芯盒的n c 程序代码为1 0 m b 左 右。采用程序分段传输方式加工，要进行断点的选择、刀具重新找j 下等工作，容易出现 误差，降低加工效率，不能发挥五轴数控数控机床的优势。采用在线加工方式，应用传 输软件，将计算机中的n c 程序文件传入数控数控机床，整个n c 程序一次加工完成。 保证加工的高效率，并且误差很小。 8 第一章数控加r 与气缸盖 本章小结 通过五轴联动数控模具数控机床制造气缸盖课题的研究，实现复杂模具五轴数控加 工程序的编制；通过p r o e 后处理软件的开发及应用与n c 程序文件传输软件的开发实 现模具设计、数控加工一体化。可以应用于木模、玻璃钢模型、金属模型的数控加工应 用中。为大型复杂模具设计、制造提供一种新的方法。 9 人连交通人学r 稃硕十学何论文 第二章p r o e 五轴联动数控编程的方法 2 1 五轴联动加工 2 1 1 三轴和五轴加工 五轴数控机床和3 轴数控机床最大区别在于：五轴数控机床在其连续加工过程中可 连续调整刀具和工件间的相对方位。五轴数控机床己成为加工连续空间曲线和角度变化 的3 d 空间曲面零件的同义词，通常要求配置先进与复杂的五轴联动数控系统和先进的 编程技术【1 9 ，2 们。三轴和五轴数控加工示意图，分别见图2 1 和图2 5 。 图2 1 三坐标曲面加工原理 f i 醇it h r e ec o o r d i n a t es u r f a c e p r o c e s s i n gp r i n c i p l e 尺l - a ) 图2 2 五坐标曲面加1 ：原理 f i 9 2 2f i v ec o o r d i n a t es u r f a c e p r o c e s s i n gp r i n c i p l e 2 1 2 五轴联动数控机床加工特点 五轴数控机床可用于加工许多型面复杂的特殊关键零件，五轴数控机床除了和3 轴 数控机床一样具有x 、y 、z 三个直线运动坐标外通常还有两个回转运动轴坐标。常见 的五轴数控机床或数控机床结构，主要通过5 种技术途径实现； 1 双转台结构( d o u b l er o t a r yt a b l e ) ，采用复合a ( b ) 、c 轴回转工作台，通常一个 转台在另一个转台上，要求两个转台回转中心线在空间上应能相交于一点； 2 双摆角结构( d o u b l ep i v o ts p i n d l eh e a d ) ，装备复合a 、b 回转摆角的主轴头，同 样要求两个摆角回转中心线在空间上应能相交于一点。双摆角结构在大型龙门式数控铣 床上也得到了较多应用； 3 回转工作台+ 摆角头结构； 1 0 第二章p r o e5 轴联动数控编稃的方法 4 复合a ( b ) 、c 回转轴电主轴头结构，复合电主轴头，通常带c 回转坐标3 6 0 0 ， a ( b ) 坐标旋转一定范围。在大型龙门移动式数控机床或铣床上得到最为广泛的应用。 5 回转工作台和工作台水平倾斜旋转结构，在一些紧凑型五轴数控数控机床上得到 应用，适合加工一些中小型复杂零件。 可见五轴数控机床结构相对复杂，制造技术难度大，因而造价耐2 1 。2 3 1 。 2 1 3 五坐标曲面加工特点 为有效避免刀具干涉，对于直纹面类零件，可采用侧铣方式一刀成型；对一般立体 型面特别是较为平坦的大型表面，可用大直径端铣刀端面贴近表面进, 7 7 d h 工，可一次装 卡。对工件上的多个空间表面进行多面、多工序加工五轴加工时，刀具相对于工件表面 可处于最有效的切削状念。零件表面上的误差分布均匀在某些加工场合，可采用较大尺 寸的刀具避开干涉进行加工。 2 2 五轴编程的方法 2 2 1 传统五轴编程的方法 最初的五轴编程方法是编程员根据零件图样和有关加工工艺要求，用一种专用的数 控编程语言来描述整个零件的加工过程，即零件的源程序。然后将源程序输入计算机中， 由计算机进行编译、计算，最后再由与所用数控机床相对应的后置处理程序处理，自动 生成相应的数控加工程序。该编程方法直观性差，并且不便于进行阶段性检查，阻碍了 设计与制造的一体化，编程过程比较复杂不易掌握，对用户的技术水平要求较高【2 4 | 。 2 2 2 目前五轴编程的方法 随着计算机技术的发展，“图形交互式自动编程”也应运而生。它直接将零件的几何 图形信息自动转化为数控加工程序。该方法极大地提高了数控编程的效率，并具有精度 高、直观性好、使用简便、便于检查等优点，因此，该种方法己成为目前国内外先进的 c a d c a m 软件所普遍采用的数控编程方法。目前市场上比较成熟的c a d c a m 软件有 十几个，如u n i g r a p h i c s ，p r o e n g i n e e r ，m a s t e r c a m 等，这些软件的出现使得以往五 轴联动加工编程中存在的问题得到了解决，用户可以通过c a d 模块进行几何图形的造 型，然后通过c a m 模块编制刀具路径，再通过后处理器转换成机床数控系统能识别的 n c 程序，并能模拟刀具路径验证n c 程序，然后通过计算机输入到数控机床中进行加 工。另外，它还可以模拟加工和计算加工时间，这样可以省去试切的过程，节约时间， 降低材料消耗，提高工作效率和加工精度1 2 5 。 大连交通大学t 稃硕十学仲论文 我公司在生产设计中应用了p r o e 软件，p r o e 提供了5 种五轴联动加工的方法， 其中大致可以分为：五轴加工仿真、五轴钻孔加工仿真、五轴侧壁铣削加工仿真、五轴 流线加工仿真、4 轴旋转加工仿真等，这5 种方法基本上能够解决各种形式的( 3 轴加 工不容易实现的曲面) 曲面加工问题。 另外，p r o e 可以很容易地与其他c a d 软件实现数据交换，大大提高了它的通用性。 而且，在各个方面是通过模块化处理来进行的，为各种不同需要的人员提供了选择的余 地。 曲面造型功能强大，除了提供了创建规则曲面的方法外，还提供了自由形式曲面的 创建方法。自由形式曲面的形状取决于其边界的组成直线或曲线，需要b e z i e r 曲面、 c o o n s 曲面等复杂的造型技术。自由曲面可以进一步分为约束型和非约束型两类，约束 型自由曲面一定通过所指定的边界曲线，如c o o n s 曲面，非约束型曲面无需通过预先给 定的线或点，其曲面形状是由控制点决定的，如b 样条曲面和n u r b s 曲面。提供了4 种构建自由形式曲面的方法，即直纹曲面、举升曲面、昆氏曲面、扫描曲面和实体曲面 等。其曲面造型功能相当强大。为一些复杂曲面的编程加工提供了很大的方便。 2 3 后处理技术 一般来说，数控加工技术涉及数控机床加工工艺和数控编程技术两方面，数控编程 是目前c a d c a m 系统中最能明显发挥效益的环节之一。对于复杂零件，特别是具有空 间曲线、曲面的零件，如叶片、叶轮、复杂模具等，或者程序量很大的零件，数控编程 通常采用自动编程系统，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。后置处理是数控编程技术的关键技术之一，作为 c a d c a m 系统与机械制造连接的纽带，后置处理直接影响自动编程系统的使用效果和 零件的加工质量、效率以及机床的可靠运行。 2 3 1 后置处理技术起源 自从2 0 世纪5 0 年代由m i t ( 麻省理工学院) 设计a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e d t o o l s ) 数控语言后，后置处理就成为自动编程的重要组成部分。在a p t 中，后置处理采 用批处理方式，在编辑状态下，利用汇编语言，将前置处理语句与数控输出程序字或程 序段一一对应。对于不同的数控系统，编写不同的后置处理程序，由于数控系统种类繁 多，机床配置不尽相同，代码差异大，必须为每种数控机床配置专用后置处理程序。 1 9 8 0 年i b m 公司为解决刀位原文件的处理推出了d a p p ( d e s i g na i df o r p o s t p r o c e s s o r ) 系统，系统提供给用户生成后置处理系统所需的一些程序和文件，如输入模块、 输出模块、数据处理模块等。该系统将一些计算、分析模块公共化、标准化的方法使后 1 2 第二章p r o e5 轴联动数控编程的方法 置处理系统向通用化发展迈进了一步。但它采用高级语言编写描述机床运转的程序，要 求用户既熟悉数控知识，又具备较丰富的软件编程经验，因此给程序编写、修改和维护 带来一定困难i z 6 | 。 随着计算机技术的发展，编程系统向c a d c a m 一体化迅速发展，目前应用较为广 泛的自动编程软件系统有美国s d r c 公司的i d is m a s t e r s e r i e s 、法国达索飞机公司研制 的c a t i a 、美国u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司的u g i 、美国参数技术公司( p a r a m e t r i c t e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 的p r o e n g i n e e r 系统、美国c n cs o f t w a r e 公司的m a s t e rc a m 、 以色列c i m a t r o n 公司的c i m a t r o n 、英国d e u cm 公司的p o w e r m i l l 等，国内华中科技 大学开发的开目0 、北航海尔公司的c j 系统也有一定的应用。各种c a d c a m 系统， 功能有强有弱，但其c a m 部分都由五个基本模块组成：交互工艺参数输入模块、刀位 轨迹计算模块、刀位轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后置处理( p o s tp r o c e s s i n g ) 模块，其中后置处理模块是c a d c a m 系统的一个重要部分。 2 3 2 后置处理系统现状 国外对后置处理技术研究十分重视，各c a d c a m 软件厂家都研究开发了各自的后 置处理系统。如u g i i 采用了u g p o s t 、p r o e n g i n e e r 系统采用p r o p o s t 、m a s t e r ( a m 系统采用p s t 等。部分软件厂家采用了捆绑式专业后置处理系统，如s u d c a m 采用s p o s t ， p r o e n g i n e e r 采用i n t e r c i m 公司的g p o s t ，c i m a t r o n 系统采用了i m s p o s t ，c a t i a 除可采 用i m s p o s t 外还可采用德国的c n e t 。此外还有独立的后置处理系统，如加拿大 i c a m t e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n 公司的c a m p o s t ，美国s o f t w a r em a g i c ，i n c 公司的 i n t e l l i p o s t ，c a d c a m r e s o u r c e si n s 的n cp o s tp l u s 等。 国内对后置处理理论与技术也进行了深入研究，取得了一定的研究成果。针对自行 开发的c a d c a m 系统，张利波等提出了一种基于配置文件的开放式数控编程通用后置 处理模型，定义了配置文件的语法规则，给出了配置文件的b n f 语言描述及相应的解 释算法，并在h u c a d m 系统中实现；程筱胜等对南京航空航天大学的超人c a d c a i 系统的通用后置处理系统进行了研究，开发了具有交互式图形系统用户界面的通用后置 处理程序，尽管该后置处理系统具有很好的可靠性和较强的通用性，但超人c a d c a i 系统和h u a d m 系统都没能走向商品化。近年来国内开发的商品化的c a d c a m 系统 中，m e ( 伟t j 造工程师) 是目前应用最广泛的系统，其后置处理功能模块解决了常见数控机 床的后置处理，但有较大的局限性，只适用于一般的铣削，在解决s o d i c k 类型机床的数 控代码时，如果零件中涉及到孔的加工，将不能生成相应的程序代码，对于三维曲面多 坐标数控加工及其编程技术，刘雄伟探索了其后置处理的算法，韩向利等对五坐标数控 机床的后置处理算法原理和后置处理配置文件参数进行了探索和设计；刘日良等研究解 大连交通大学j t - 坪千i ! 硕+ 学位论文 决了五坐标数控机床转动轴与主轴成4 5 度情况下的后置处理。机床运动求解一般采用 基于机床结构分类的无误差处理方法，周艳红等提出通过后置处理实现数控机床几何误 差软件补偿的原理和算法。 在数控编程加工领域，国外c a d c