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基于MasterCAM对零件造型、加工的分析

2017/11/20    来源:互联网    作者:郑泽林      
关键字:零件造型设计  加工编程  曲面造型  薄壁加工  
随着技工教育的不断发展,机床的不断升级,零件的结构越来越复杂化,零件造型、加工应用也越来越广泛,MasterCAM是加工中一种常见的仿真软件。CAD/CAM得到厂泛运用,MasterCAM对零件进行造型设计,并对零件进行编程加工,日趋重要。本文将通过加工实例,讲述曲面造型的方法,分析薄壁和曲面加工的难点和解决的方法。

1 前言

    随着技术经济的快速发展,CADCAM得到广泛运用,从根本上改变了传统的设计、生产模式。MasterCAM 提供了从产品的几何造型设计到加工制造过程中各项功能。它利用多种万式对零件进行造型设计,并且通过各种方法对零件的加工进行自动编程,通过后置处理快速生成数控代码,完成零件的设计到生产加工的过程。进行零件造型设计,能保证零件在后续加工编程中准确生成加工程序,实现零件的正确造型。而对零件加工过程中如何提高加工效率,要求在生成加工程序时,要对刀具路径进行合理的安排,才会使零件完整、有序的加工出采。本文主要研究利用MasterCAM平台提供的功能,对零件造型设计和零件加工进行分析。

2 工件分析

    如图1、2、3分别是零件的正面俯视图、局部剖左视图和反面俯视图。

    由所示图中可以得知:该零件外形为一个100xl00mm 并带有圆角为R20mm的正方形,在正面图形中,有一个高为5mm,半径为R45mm的凸台,凸台中心处还有一处半径为R14.5mm深为10mm的圆橹,凸台上还有一高度为5mm,厚度为1mm 的类似风扇叶片的薄壁图样,而反面造型中是一个复杂曲面造型,设置了横向引线在通过纵向导引线生成的一个复杂曲面。

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3 零件的造型设计

    对于正面图形而言,通过对二维图形的有序组合就可以得到正面图形的外形设计,如图4所示。但对反面图形来说,要设计一个复杂曲面,在设计的时候就有多种选择,设计不好,曲面将不能生成,或是生成了将会产生缝隙,不能将曲面融合起采,不能达到设计要求。

    在设计三维复杂曲面的时候,MasterCAM平台提供了六种曲面造型工具,通过对三维线框的分析,应该选择昆氏曲面造型工具。昆氏曲面造型简单的方法就是通过数行眼列采确定曲面的经纬线,根据这一思路,我们根据通过昆氏曲面进行造型,造型图如下图5所示。

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    在利用昆氏曲面造型的时候,很多时候都会出现这种问题。产生这种问题的原因是因为在构造昆氏曲面的时候,要选择的纵向边界比较多,如果不能保证所选的方向都是一致的话就容易产生图5中所示的情况,需要解决这个问题有两种万法:第一就是在选择万向的时候,一定要保证所有边界横向、纵向各自的方向一致,如图6所示。

    这一种方法中,对串联方向比较难保证,因为在选择的过程中对方向的控制容易出现分叉点,有时候即使是方向保证好了,也不一定能将这一曲面完整的做出来,这是因为有时候纵向截面线的形状相差太远,在过渡的时候没有平滑过采,就像图6中的4条截面线,右端两条是半圆弧,左边两条是跨度比较大的圆弧组合曲线,在连接的时候,很容易就出现像图5所示的过渡不平滑和与线框不连接的问题。所以这一种方法在做昆氏曲面时个人不赞成使用。

    第二种方法就是将昆氏曲面的行与列简化成一行一列的形式。这样做的好处是可以将复杂的三维线框简化掉,同时也可以避免在串联时对方向的选择问题,因为一行一列的话,对行和列就只有一个方向了,并且行列边界就是曲面的范围,中间也没有面上导引线,所以在曲面生成日寸就不会产生边界与线框脱离的问题。一行一列的昆氏曲面在选择曲面融合的方式时也较为简单,只要选择了,曲面上都会很平滑的过渡,不会产生明显的过渡痕。这一方法比较麻烦,但对昆氏曲面生成的效果会好点,并且在截面线越多的情况下,用最简单的方法做,效果会更好些。用这种方法生成的昆氏曲面如下图7所示。

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    图7 昆氏曲面效果图

    总之,在对曲面进行设计的时候,都要对曲面进行分析,如果曲面设计时得不到想要的效果或者产生不正确曲面,对后面零件的加工将带来负面的影响。

4 零件的编程加工

    零件造型设计处理好了,接下来要对零件进行编程加工,跟造型设计一样,对零件进行编程加工时,也要对零件造型进行分析,因为任何一个零件都存在着加工难点,处理好这些问题才能实现加工的最优化处理。就这一零件而言,存在两处难点,其一就是正面类风扇叶片的阵列薄壁加工,其二就是反面的三维曲面加工。

    就正面六片类扇叶零件而言 在加工时去除材料多为90%以上,属于薄壁零件的加工。薄壁零件一直都是制造业中比较棘手的问题,该类零件壁薄,刚性差,装夹难,加工时易变形,使得工件的形位误差增大。在加工过程中需要解决的问题是减少变形,保证精度,尽量提高其加工效率。因此,对薄壁零件加工就必须充分地考虑工艺问题对零件加工质量的影响,对工件装夹、工序安排、走刀路线、切削用量参数、刀具选用等多方面进行优化。

    该处零件存在壁薄、较深、刚性差等特点,加工中主要要克服切削力、切削热所产生的应力变形。考虑到如何减少切削力的问题,这里采用减少吃刀量的方法,使工件所受阻力减少来降低切削力对薄壁处的应力变形。其中可以使用冷却液防止切削过程中产生的切削热对薄壁的影响。但为了提高加工效率,也可以采用高速切削的方法,吃刀量较小,在加工过程中可以适当的提高进给,这样做的好处不但可以提高效率,缩短时间,另外的作用是,在高速切削下,切削所产生的热量还没有来得及传导到工件上就已经随切屑排除。在对薄壁处进行精加工时,采用同样的方法,也是利用提高切削速度的方法,但精加工时,余量只有0.2mm左右,所以可以适当的提高精加工时的吃刀量深度,提高效率。

    在反面图形中,是一处不规则曲面的加工,在加工曲面的过程中,主要的加工问题就是解决好曲面与平面相交处的加工问题,这里主要要考虑的是利用好铣刀,提高表面质量,同时也要提高加工效率。

    对不规则曲面进行精加工时,都会选择球刀对曲面进行精加工,利用球刀进行清角处理的时候,平面会阻碍球刀的下深(如图8),使球刀不能对曲面进行精加工,产生一个加工死角,也就是图示中的黑色部分,使工件精度达不到要求。

    要解决这个问题,耍采用平底铣刀进行曲面的精加工,平底铣刀加工的时候,利用直线逼近的方法对曲面进行加工(如图9),但逼近直线步进值太大的话,一样会影响加工精度,所以必须控制平底铣刀的每次下深的吃刀量值,吃刀量值越小的话,表面粗糙度将越高,但如果不断的控制吃刀量的话,将会降低加工效率,其次,当吃刀量达到一定程度的时候,对表面粗糙度的影响就没有那么明显了,所以在保证要求的粗糙度情况下,加大吃刀量,提高加工效率,实现加工过程的最优化处理。

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    出于这种考虑,对曲面进行加工的时候,就先对曲面进行粗加工,加工过后直接利用平底铣刀对较低位置进行精加工,接着球刀对整体曲面进行精加工,对整体曲面进行精加工,都要根据球刀半径来限定曲面的加工深度。限定了深度不仅可以限定加工区域,也能利用刀具对曲面的精加工,既提高效率,也能提高表面质量。

    利用上述的办法对曲面加工,得到图10的曲面加工效果图。

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    图10 曲面加工效果图

    在效果图上,球刀与平底刀的接到处没有明显的接刀痕,但实际加工效果中,在这一处接刀的地方会有一点点痕迹,但对曲面的表面粗糙度没有很大的影响,可以满足零件的粗糙度要求。

5 结语

    在利用MasterCAM对零件进行造型设计,加工的日寸候,要做到充分分忻零件的构造,合理利用MasterCAM平台提供的功能,才能准确无误的对零件造型进行设计,快速生成零件造型。进行零件加工编程的l寸候,要分析好零件加工过程将遇到的加工瓶颈,找出零件加工的难点,利用合理的编程方法解决这些难点,才能加工出要求的零件。

    本文对零件的造型设计、加工编程依照上述图例进行问题分析,提出了自己的见解,在实际加工中也会遇到更多的问题,需要不断地积累经验,从而提高加工质量和生产效率。

责任编辑:张纯子
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