设计基于CADCAM技术的可乐瓶底模具型腔的数控加工

1、. . . . 1 / 22第一章 绪论1.1 数控加工技术在模具制造的运用数控加工的方式很多，包括数控铣加工、数控电火花加工、数控电火花线切割、数控车削加工、数控磨削加工以与其他一些数控加工方式，这些加工方式，为模具提供了丰富的生产手段。根据其特点，可以将模具分为许多类，每一类模具，都有其最合适的加工方式。因此，在实际生产中，必须合理分类，找到最适合的加工方式，以降低成本，提高生产率。对于旋转类模具，一般采用数控车削加工，如车外圆、车孔、车平面、车锥面等。酒瓶、酒杯、保龄球、方向盘等模具，都可以采用数控车削加工。对于复杂的外形轮廓或带曲面模具，电火花成型加工用电极，一般采用数控铣加工，如注塑

2、模、压铸模等，都可以采用数铣加工。对于微细复杂形状、特殊材料模具、塑料镶拼型腔与嵌件、带异形槽的模具，都可以采用数控电火花线切割加工。模具的型腔、型孔，可以采用数控电火花成型加工，包括各种塑料模，橡胶模、锻模、压铸模、压延拉深模等。对精度要求较高的解析几何曲面，可以采用数控磨削加工。在制造模具模板是的工艺分析，根具其特点，确定模板的加工方式和加工工序，必要时可以采用特殊的加工方式，采用数控车床或加工中心，可以达到一人操作几台或多台机床，只要完成对刀工作后就可以自动加工，利用数控加工可以达到非规则曲面加工，有的数控机床可以达到多轴联动，与传统的机械加工相比较，数控加工有着不可卓越的优点，当然，凡

3、事有利必有弊，数控加工需要专业的数控编程人员，需要专业的三维建模软件，培养专业的技术人才可以有效地发展数控技术，提高公司的生产质量和产量。模具在成型之后，其尺寸未能达到技术要求，根据其三维模型软件生成的数控代码，将成形模具固定到数控机床上进行精确的数控加工已达到要求尺寸和表面粗糙度，零件运用数控机床加工可以快速的实现准确的定位和精准的切削，同时还可以实现提高效率。. . . . 2 / 221.21.2 CAD/CAMCAD/CAM技术的发展与其在模具制造的运用随着模具制造的技能化逐步向科学化发展，原来依靠主模型和绘制图形制造物体模具的传统方法也逐步由 CAD/CAM 终端将数字描述物体形状转

4、为加工轨迹的方法所取代。用线路遥控加工过程则又将模具制造科学化的水平推向一个新高度。回顾以前，在加工物体时，必须绘制相近的蓝图和冲件精确尺寸制造的主模型。可以说模型是设计和制造模具的母型。再用铸造方法制造模具时，首先必须置备物体的样件。按照一定比例制成的模型称之为“靠模” ，常被用作仿形加工中的母型，或作为现实铣床加工轨迹的辅助模型。仿形铣床上的靠模指沿靠模轮廓形状移动，铣刀则按照靠模指的移动对模具材料进行铣削加工，仿出所需的模具型腔。现在的加工方法的作用发生了根本性的变化。由客户所提供的 CAD 数据生成铣刀的切削加工轨迹，自动缴纳高出物体的冲压模具和进行塑料板材模压成型和型腔模具。虽然用这

5、种新工艺能比以往方法更精确地加工出模具的两对合面，但对于压型还要进行试膜，并对试样进行测量。本课题所使用的是 CAXA 制造工程师这款 CAD/CAM 软件。它能够使实体设计跨越了传统参数化造型在复杂性方面受到的限制，不论是经验丰富的专业人员，还是刚接触 CAXA 制造工程师的初学者，CAXA 制造工程师都能为您提供便利的操作。其采用鼠标拖放式全真三维操作环境，具有无可比拟的运行速度、灵活性和强大功能，使您的设计更快，并获得更高的交互性能。CAXA 制造工程师支持网络环境下的协同设计，可以与 CAXA 协同管理或者其它主流 CPC/PLM 软件集成工作。利用 CAXA 制造工程师，人人都能够更

6、快地从事创新设计。CAXA 制造工程师软件的功能特点：1、 特征实体造型；2、 NURBS 自由曲面造型；3、 两轴到五轴的数控加工；4、 三轴加工方式；5、 四轴到五轴加工方式（可选配置） ；6、 支持高速加工；7、 参数化轨迹编辑和轨迹批处理；8、 生成加工工序单；9、 通用后置处理；10、最新技术的知识加工；. . . . 3 / 22第二章 可乐瓶底的三维造型2.12.1 零件的原始数据和分析本课题的原始数据如图 2-1 所示：图 2-1 可乐瓶底曲面造型的二维图这图纸是一个可乐瓶底曲面图，它是在一个长 42.5，宽 37 的矩形，经过X 轴和 Y 轴的偏移、裁剪、删除，再根据有效的尺

7、寸进行画圆操作，修改到要求的尺寸，最后经过平面镜像、曲线组合、阵列、网格面等命令做成。造型方案可乐瓶底的曲面造型比较复杂，它有五个完全一样的部分。用实体造型不能完成，所以利用 CAXA 制造工程师强大的曲面造型功能中的网格面来实现。其实我们只要做出一个突起的两根截面线和一个凹进的一根截面线，然后进行圆形阵列就可以得到其他几个突起和凹进的所有截面线。然后使用网格面功能生成五个一样部分的曲面。可乐瓶底的最下面的平面我们使用直纹面中的点曲线方式来做，这样做的好处是在做加工时两面（直纹面和网格面）可以一同用参数线加工。最后以瓶底的上口为准，构造一个立方体实体，然后用可乐瓶底的两面把不需要的部分裁剪掉，

8、就可以得到我们要求的凹模型腔。 、2.22.2造型步骤2.2.12.2.1 绘制截面线绘制截面线1、按下“F7”键将绘图平面切换到 XOZ 平面。. . . . 4 / 222、单击曲线工具中的“矩形”按钮，在界面左侧的立即菜单中选择“中心_长_宽”方式，输入长度 42.5，宽度 37，光标拾取到坐标原点，绘制一个42.537 的矩形，结果如图 2-2 所示。图 2-2 绘制矩形3、 单击几何变换工具栏中的“平移”按钮，在立即菜单中输入DX21.25，DZ-18.5，然后拾取矩形的四条边，单击鼠标右键确认，将矩形的左上角平移到原点（0,0,0） ，结果如图 2-3 所示。图 2-3 平移后矩形

9、道原点4、单击曲线工具栏中的“等距线”按钮，在立即菜单中输入距离 3，拾取矩形的最上面一条边，选择向下箭头为等距方向，生成距离为 3 的等距线，结果如图所示 2-4 所示。图 2-4 绘制等距线5、一样的等距方法，生成如图所示尺寸标注的各个等距线，结果如图 5 所示。图 2-5 绘制各等距线6、单击曲面编辑工具栏中的“裁剪”按钮，拾取需要裁剪的线段，结果. . . . 5 / 22如左图所示，然后单击“删除”按钮，拾取需要删除的直线，按右键确认删除，结果如图 2-6 所示。图 2-6 剪切直线7、作过 P1、P2 点且与直线 L1 相切的圆弧。单击 “圆弧”按钮，选择“点_半径”方式，拾取 P

10、1 点和 P2 点，然后按空格键在弹出的点工具菜单中选择“切点”命令，拾取直线 L1。作过 P4 点且与直线 L2 相切，半径 R 为 6 的圆 R6。单击 “整圆”按钮，拾取直线 L2（上一步中点工具菜单中选中了“切点”命令） ，切换点工具为“缺省点”命令，然后拾取 P4 点，按回车键输入半径 6。作过直线端点 P3 和圆 R6 的切点的直线。单击 “直线”按钮，拾取 P3 点，切换点工具菜单为“切点”命令，拾取圆 R6 上一点，得到切点 P5，结果如图2-8 所示。图 2-8 绘制圆和直线8、作与圆 R6 相切过点 P5，半径为 6 的圆 C1。单击 “整圆”按钮，选择“两点_半径”方式，

11、切换点工具为“切点”命令，拾取 R6 圆；切换点工具为“端点” ，拾取 P5 点；按回车键输入半径 6。作与圆弧 C4 相切，过直线 L3 与圆弧 C4 的交点，半径为 6 的圆 C2。单击 “整圆”按钮，选择“两点_半径”方式，切换点工具为“切点”命令，拾取圆弧 C4；切换点工具为“交点”命令，拾取 L3 和 C4 得到它们的交点；按回车键输入半径 6。作与圆 C1 和 C2 相切，半径为 50 的圆弧 C3。单击 “圆弧”按钮，选择“两点_半径”方式，切换点工具为“切点”命令，拾取圆 C1 和 C2，按回车键输入半径 50，结果如图 2-9 所示。P1L1P2P3P4L2P5. . . .

12、 6 / 22图 2-9 绘制圆 C1 和 C2 相切的圆弧 C39、单击曲面编辑工具栏中的“裁剪”按钮和“删除”按钮，去掉不需要的部分。在圆弧 C4 上单击鼠标右键选择“隐藏”命令，将其隐藏掉，结果如图 2-10 所示。图 2-10 隐藏圆弧 C410、按下 F5 键将绘图平面切换到 XOY 平面，然后再按 F8 显示其轴侧图。11、 单击曲面编辑工具栏中的“平面旋转”按钮，在立即菜单中选择“拷贝”方式，输入角度 41.6 度，拾取坐标原点为旋转中心点，然后框选所有线段，单击右键确认，结果如图 2-11 所示。图 2-11 旋转拷贝12、单击 “删除”按钮，删掉不需要的部分。按下 Shift

13、方向键旋转视图。观察生成的第一条截面线。单击“曲线组合”按钮，拾取截面线，选择方向，将其组合一样条曲线，结果如图 2-12 所示。图 2-12 生成第一条截面至此，第一条截面线完成。因为作第一条截面线用的是拷贝旋转，所以完整地保留了原来绘制的图形，我们只需要稍加编辑就可以完成第二条截面线。13、按 F7 将绘图平面切换到 XOZ 面。单击“线面可见”按钮，显示前面隐藏掉的圆弧 C4，并拾取确认。然后拾取第一条截面线单击右键选择“隐藏”命P1L1P2P3P4L2P5L3C2C3C1C4R6第一条截面线. . . . 7 / 22令，将其隐藏掉，结果如图 2-13 所示。图 2-13 显示圆弧 C

14、4 并隐藏第一条截面线14、单击 “删除”按钮，删掉不需要的线段。单击“曲线过渡”按钮，选择“圆弧过渡”方式，半径为 6，对 P2、P3 两处进行过渡。15、单击“曲线组合”按钮，拾取第二条截面线，选择方向，将其组合一样条曲线，结果如图 2-14 所示。图 2-14 生成第二条截面线16、按下 F5 键将绘图平面切换到 XOY 平面，然后再按 F8 显示其轴侧图。17、单击 “圆弧”按钮，选择“圆心_半径”方式，以 Z 轴方向的直线两端点为圆心，拾取截面线的两端点为半径，绘制如图所示的两个圆，结果如图 2-15 所示。图 2-15 以圆心_半径方式绘制两个圆18、删除两条直线。单击“线面可见”

15、按钮，显示前面隐藏的第一条截面线。19、单击曲面编辑工具栏中的“平面旋转”按钮，在立即菜单中选择“拷贝”方式，输入角度 11.2 度，拾取坐标原点为旋转中心点，拾取第二条截面线，单击右键确认,结果如图 2-16 所示。图 2-16 旋转拷贝第二条截面线可乐瓶底有五个一样的部分，至此我们完成了其一部分的截面线，通过阵列我们就可以得到全部，这是一种简化作图的有效方法。20、单击“阵列”按钮，选择“圆形”阵列方式，份数为 5，拾取三条截面线，单击鼠标右键确认，拾取原点（0,0,0）为阵列中心，按鼠标右键确认，立刻得到如图 2-17 所示的结果。图 2-17 圆形阵列 至此为构造曲面所作的线架已经完成

16、。2.2.22.2.2 生成网格面生成网格面按 F5 键进入俯视图，单击曲面工具栏中的“网格面”按钮，依次拾取 U 截面线共 2 条，按鼠标右键确认；再依次拾取 V 截面线共 15 条，按右键确认，稍等片片刻曲面生成，结果如图 2-18 所示。P2P3第二条截面线依次拾取 V 截面线共15 条依次拾取U 截面线共 2 条. . . . 8 / 22图 2-18 生成网格面2.2.32.2.3 生成直纹面生成直纹面底部中心部分曲面可以用两种方法来做：裁剪平面。直纹面（点+曲线）。这里用直纹面“点+曲线”来做，这样的好处是在做加工时，两面（网格面和直纹面）可以一同用参数线来加工，而面裁剪平面不能与

17、非裁剪平面一起来加工。1、单击曲面工具栏中的“直纹面”按钮，选择“点+曲线”方式。2、按空格键在弹出的点工具菜单中选择“圆心”命令，拾取底部圆，得到先圆心点，再拾取圆，直纹面立即生成，结果如图 2-19 所示。图 2-19 生成直纹面3、选择“设置”“拾取过滤设置”命令，取消图形元素的类型中的“空间曲面”项。然后选择“编辑”“隐藏”命令，框选所有曲线，按右键确认，就可以将线框全部隐藏掉，结果如图 2-20 所示。图 2-20 隐藏线框至此可乐瓶底的曲面造型已经作完。下一步的任务是如何选用曲面造型造出实体。2.2.42.2.4 曲面实体凹体混合造型曲面实体凹体混合造型造型思路：先以瓶底的上口为准

18、，构造一个立方体实体，然后用可乐瓶底的两面（网格面和直纹面）把不需要的部分裁剪掉，得到我们要求的凹模型腔。多曲面裁剪实体是 CAXA 制造工程师中非常有用的功能。1、单击特征树中的“平面 XOY” ，选定平面 XOY 为绘图的基准面，如图 2-21. . . . 9 / 22所示。图 2-21 选平面 XOY 为基准面2、单击“绘制草图”按钮，进入草图状态，在选定的基准面 XOY 面上绘制草图。3、 单击曲线工具栏中的“矩形”按钮，选择“中心_长_宽”方式，输入长度120，宽度 120，拾取坐标原点（0,0,0）为中心，得到一个 120120 的正方形，结果如图 2-22 所示图 2-22 绘

19、制正方形4、 单击特征生成工具栏中的“拉伸”按钮，在弹出的“拉伸”对话框中，输入深度为 50，选中“反向拉伸”复选框，单击“确定”得到立方实体，结果如图 2-23 所示。图 2-23 反向拉伸5、 选择“设置”“拾取过滤设置”命令，在弹出的对话框中的“拾取时的导航加亮设置”项选中“加亮空间曲面” ，这样当鼠标移到曲面上时，曲面的边缘会被加亮。同时为了更加方便拾取，单击“显示线架”按钮，退出真实咸显示，进入线架显示，可以直接点取曲面的网格线，结果如图 2-24 所示。. . . . 10 / 22图 2-24 线架显示6、 单击特征生成工具栏中的“曲面裁剪除料”按钮，拾取可乐瓶底的两个曲面，选中

20、对话框中“除料方向选择”复选框，切换除料方向为向里，以便得到正确的结果，结果如图 2-25 所示。图 2-25 曲面裁剪除料7、单击“确定” ，曲面除料完成。选择“编辑”“隐藏”命令，拾取两个曲面将其隐藏掉。然后单击“真实感显示”按钮，造型结果如图所示 2-26 所示。图 2-26 真实感显示第三章 可乐瓶底凹体加工3.1 加工前的准备工作3.1.13.1.1 设定加工刀具设定加工刀具1、选择“应用”“轨迹生成”“刀具库管理”命令， 弹出“刀具库管理”对话框，如图 3-1 所示。. . . . 11 / 22图 3-1 刀具库管理对话框2、增加铣刀，这里可以任意增加刀具和删除刀具。单击“增加铣

21、刀”按钮如图3-2，在对话框中输入铣刀名称，刀具名称可以任意给，只要自己好识别就可以了。 图 3-2 输入铣刀名称一般都是以铣刀的直径和刀角半径来表示，刀具名称尽量和工厂中用刀的习惯一致。刀具名称一般表示形式为“D10，r3” ，D 代表刀具直径，r 代表刀角半径。3、设定增加的铣刀的参数。键入正确的数值，刀具定义即可完成。其中的刀刃长度和刃杆长度与仿真有关而与实际加工无关，在实际加工中要正确选择吃刀量和吃刀深度，以免刀具损坏。3.1.23.1.2 后置设置后置设置用户可以增加当前使用的机床，给出机床名，定义适合自己机床的后置格式。系统默认的格式为 FANUC 系统的格式。1、选择“应用”“后

22、置处理”“后置设置”命令，弹出“后置设置”对话框。2、增加机床设置。选择当前机床类型，如图 3-4 所示。. . . . 12 / 22图 3-4 增加机床设置3、后置处理设置。选择“后置处理设置”标签，根据当前的机床，设置各参数，如图 3-5 所示。图 3-5 后置处理设置3.1.33.1.3 设定加工毛坯设定加工毛坯利用实体上表面的四个角点,做一个正方形，作为粗加工的轮廓，如图 3-6所示。图 3-6 选取粗加工轮廓3.2 可乐瓶底的常规加工加工思路：等高粗加工、参数线加工。根据加工零件的形状特点，难于用普通铣床进行粗加工，而用 CAXA 制造工程师软件，却是一件轻而易举的事。因为可乐瓶凹

23、模型腔的整体形状较为陡峭，所以粗加工采用等高粗加工方式。然而采用参数线加工方式对凹模型腔中间的曲面进行精加工。3.2.13.2.1 等高线粗加工刀具轨迹等高线粗加工刀具轨迹1、设置工艺参数。选择“应用”“轨迹生成”“等高粗加工” ，出现“粗加工参数表”对话框，在“粗加工参数”选项中如图 3-16 所示设置各项参数。注意毛坯类型选择“拾取轮廓” 。2、设置切削用量。输入相应的主轴转速，F 进给速度，起止高度 60，安全高度 50，单击“确定” ，设置切削用量如图 3-17 所示。. . . . 13 / 223、选择“进退刀方式”和“下刀方式”选项标签，设定进退刀方式和下刀切入方式均为“垂直”如

24、图 3-18 所示。4、选择“铣刀参数”选项标签，选择铣刀为 R5 球刀，设定球刀的参数，如图3-19 所示。5、选择“清根参数”选项标签，设置清根参数，如图 3-20 所示。图 3-16 设置粗加工参数表 图 3-17 设置切削用量图 3-18 设置进退刀方式和切入方法图 3-19 设置球刀参数 图 3-20 设置清根参数6、根据左下方的提示拾取轮廓，然后拾取曲面。拾取曲面可以按 W 键，全部选中。按右键确认以后系统开始计算，稍候，得出轨迹如图 3-21 所示。. . . . 14 / 22图 3-21 拾取轮廓和曲面7、拾取粗刀具轨迹，单击右键选择“隐藏”命令，将粗加工轨迹隐藏掉，以便观察

25、下面的精加工轨迹。3.2.23.2.2 精加工参数线加工刀具轨迹精加工参数线加工刀具轨迹可以直接加工原始的曲面，这样会显得更简单一点。也可以直接加工实体。但曲面截实体以后形成的实体表面比原始的曲面要多一些。本例型腔表面为 5 曲面。本例精加工可以采用多种方式，如参数线、等高线+等高线补加工、放射性加工等。下面仅以参数线加工为例介绍软件的使用方法和注意事项。曲面的参数线加工要求曲面有一样的走向、公共的边界，选取位置要对应。1、选择“应用”“轨迹生成”“参数线加工”命令，弹出参数线加工参数表，按照图 3-22 所示设置参数线加工参数。刀具和其他参数按粗加工的参数来设定。完成后单击“确定”按钮。2、

26、 根据状态栏提示拾取曲面，当把鼠标移到型腔部时，曲面自动被加亮显示，拾取同一高度的二曲面后，按鼠标右键确认，根据提示完成相应的工作，最后生成轨迹，结果如图 3-23 所示。3、 如果我把轨迹生成的功能灵活运用一下，也可以得到软件未提供的轨迹生成方式。下面的放射状加工就是一例。用户可以试着去做，放射性加工如图 3-24所示。. . . . 15 / 22图 3-22 设置参数线加工参数表 图 3-23 生成轨迹图 3-24 放射状加工3.2.33.2.3 轨迹仿真、检验与修改轨迹仿真、检验与修改1、单击“线面可见”按钮，显示所有已经生成的加工轨迹，然后拾取粗加工轨迹，按右键确认。2、选择“应用”

27、“轨迹仿真”命令。在立即菜单中选择“拾取两点”方式。拾取粗加工、精加工的刀具轨迹，按右键结束。3、拾取两角点。拾取模具的两个对角点，系统立即将进行加工仿真结果如图 3-25 所示。. . . . 16 / 223-25 加工仿真4、仿真过程中，系统显示走刀速度。仿真结束后，拾取点观察仿真截面，结果如图 3-26 所示。图 3-26 观察仿真截面5、单击鼠标右键，弹出“选择仿真文件”对话框，输入文件名，单击“保存” ，存储可乐瓶加工仿真的结果。6、仿真检验无误后，单击“文件”“保存” ，保存粗加工和精加工轨迹。3.2.43.2.4 生成加工生成加工 G G 代码代码1、选择“应用”“后置处理”“

28、生成 G 代码”命令，弹出“选择后置文件”对话框，填写加工代码文件名“可乐瓶底加工粗加工” ，单击“保存” 。2、拾取生成的粗加工的刀具轨迹，按右键确认，立即弹出粗加工代码文件保存即可，结果如图 3-27 所示。3、同样方法生成精加工 G 代码，结果如图 3-28 所示。图 3-27 粗加工代码文件保存 图 3-28 生成精加工代码3.2.53.2.5 生成工序单生成工序单1、选择“应用”“后置处理”“生成工序单”命令，弹出“选择 HTML 文. . . . 17 / 22件名”对话框，输入文件名“可乐瓶底加工” ，单击“保存” 。2、左下角提示拾取加工轨迹，用鼠标选取或用窗口选取或按“W”键

29、，选中全部刀具轨迹，点右键确认，立即生成加工工艺单。生成和结果如图 3-29 所示。图 3-29 生成加工轨迹明细单究竟用哪一种加工方式来生成轨迹，要根据所要加工形状的具体特点，不能一概而论。对于本题来说，参数线方式加工效果最好。最终加工结果的好坏，是一个综合性的问题，它不单纯决定于程序代码的优劣，还决定于加工的材料，刀具，加工参数设置，加工工艺、机床特点等等。几种因素配合好了我们才能够得到最好的加工结果。结束语在机床的后置处理、刀具的轨迹生成仿真和 G 代码生成的设计中，不仅要有耐心和坚强的毅力，而且对以前所学的知识也是一个整体的把握。在整个设计过程中，我深刻的体会到知识的缺乏与设计过程中的辛酸，花费时间最多的是刀具轨迹生成和仿真过程，能否正确生成 G 代码，其中遇到的各种问题，使自己努力的去