王玉闖，劉德平，馬龍杰

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州　450001)

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基于CimatronE的自動(dòng)閥頂蓋型芯的數(shù)控加工

王玉闖，劉德平，馬龍杰

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州450001)

利用cimatronE的三維造型、數(shù)控加工仿真和自動(dòng)編程的功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)自動(dòng)閥頂蓋型芯的加工仿真和程序生成。并且通過(guò)對(duì)加工過(guò)程中工步順序的調(diào)整以及刀具半徑參數(shù)的優(yōu)化，提高了數(shù)控加工仿真的加工精度和零件的表面質(zhì)量，從而驗(yàn)證了合理的安排銑削步驟和適當(dāng)?shù)牡毒甙霃蕉寄軌蛱岣呒庸ぞ?，可以更好的改善零件的表面質(zhì)量。為工程中同類零件的數(shù)控加工提供了一定的參考價(jià)值。

cimatronE；數(shù)控加工；自動(dòng)編程

0　引言

隨著科技的進(jìn)步，出現(xiàn)了很多集設(shè)計(jì)、數(shù)控加工仿真于一體的CAD/CAM軟件，大大簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造中的麻煩。傳統(tǒng)的方法對(duì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析并進(jìn)行手工編程的方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在制造技術(shù)高速發(fā)展的要求。而CimatronE正是這樣一款軟件，以三維主模型為基礎(chǔ)，具有強(qiáng)大可靠的刀具軌跡生成功能可以完成銑削(2.5～5軸)等的編程。Cimatron公司是全球著名的、向模具行業(yè)和機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)提供CAD/CAM軟件的開發(fā)者和供應(yīng)商，也是這個(gè)行業(yè)的技術(shù)和產(chǎn)品創(chuàng)新的領(lǐng)導(dǎo)者。運(yùn)用Cimatron可以讓設(shè)計(jì)、數(shù)控編程和仿真加工等過(guò)程在電腦中完成既擁有零件的設(shè)計(jì)、自動(dòng)編程、數(shù)控加工仿真的功能，又可以檢測(cè)加工中是否存在干涉和過(guò)切現(xiàn)象以及刀具是否合適等問(wèn)題。自動(dòng)閥的型芯模具雖然不大，但是其內(nèi)壁在加工時(shí)精度要求較高，加上其具有復(fù)雜的曲面，用傳統(tǒng)的手工編程無(wú)法快速實(shí)現(xiàn)，因此須借助CAM軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程，而數(shù)控加工編程中切削用量、加工余量、走刀方式、進(jìn)退刀方式、編程零點(diǎn)和加工坐標(biāo)系的確定等方面的因素都影響著在加工中能否有較好的切削加工效率、表面加工質(zhì)量。所以采用零件的模擬數(shù)控加工，可以用來(lái)檢測(cè)刀具的路徑在數(shù)控設(shè)備中加工時(shí)是否存在過(guò)切和干涉，設(shè)備運(yùn)行時(shí)動(dòng)作是否正確，使用的工藝參數(shù)設(shè)置是否合理。通過(guò)設(shè)定毛坯的形狀、大小及顏色等，可在計(jì)算機(jī)上觀察到模擬的切削加工過(guò)程。而在模擬數(shù)控加工的同時(shí)，可以檢測(cè)出加工中可能會(huì)出現(xiàn)的干涉、碰撞和過(guò)切等問(wèn)題, 并且可以找出發(fā)生的錯(cuò)誤在刀具路徑文件中的位置，這樣不僅可以省去試切的過(guò)程，還可降低材料消耗，從而提高效率。

1　零件的分析

本例所加工的自動(dòng)閥頂蓋型芯是典型的銑削類零件如圖1所示，加工的部位主要包括頂面輪廓、側(cè)邊外輪廓的銑削。其中將工件坐標(biāo)系設(shè)置在毛坯的對(duì)稱中心及自動(dòng)閥型芯工件與底座相交的表面。

此工件以底面作為固定面，裝夾在工作臺(tái)上，自動(dòng)閥的型芯模具雖然不大，但是其內(nèi)壁在加工時(shí)精度要求較高。根據(jù)對(duì)自動(dòng)閥型芯結(jié)構(gòu)的分析和模具的特點(diǎn)，首先采用體積銑中的環(huán)繞粗銑和二次開粗的加工方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)大部分材料的銑削，然后選擇曲面銑削加工所有的面和根據(jù)角度精銑的加工方式實(shí)現(xiàn)對(duì)整體曲面的銑削加工，最后針對(duì)局部進(jìn)行清根的方式進(jìn)行銑削。具體分以下步驟如表1所示參數(shù)對(duì)零件進(jìn)行加工。

表1　數(shù)控加工參數(shù)表

2　零件的三維實(shí)體造型

根據(jù)零件圖用cimatronE的三維實(shí)體造型功能得到三維實(shí)體后，再對(duì)其分模，自動(dòng)閥頂蓋型芯如圖1所示(此過(guò)程也可通過(guò)其他三維軟件進(jìn)行實(shí)體造型，之后導(dǎo)入到cimatronE中進(jìn)行分模、仿真加工與生成數(shù)控程序)。

圖1　自動(dòng)閥頂蓋型芯

3　零件的數(shù)控加工

用CimatronE設(shè)計(jì)的三維圖形，經(jīng)過(guò)保存之后可以直接導(dǎo)入到數(shù)控加工界面。本例對(duì)零件的加工主要是用四種刀具：一是直徑為φ15R0.5的牛鼻銑刀進(jìn)行毛坯的粗加工、二是直徑為φ6R0.5的牛鼻刀對(duì)零件進(jìn)行二次開粗、三是直徑為φ4的球銑刀精銑所有刀路、四是直徑為φ2的球銑刀加工外輪廓及清根。此零件的仿真加工過(guò)程主要采用cimatronE的3軸加工的方法，在加工過(guò)程中主要采用體積銑、曲面銑、清角加工等加工方法。比較系統(tǒng)、全面的運(yùn)用了cimatronE的3軸數(shù)控仿真加工的功能。

3.1刀具路徑的生成與檢驗(yàn)

在實(shí)際仿真加工之前，為了確保數(shù)控程序的正確性和安全性，必須對(duì)生成的刀具軌跡進(jìn)行反復(fù)的檢查、校驗(yàn)，主要有刀具路徑在加工中是否存在干涉、過(guò)切以及刀具的選用是否合適等問(wèn)題。應(yīng)該針對(duì)這些問(wèn)題做嚴(yán)格的檢查，檢查的方法是通過(guò)觀察刀具路徑的軌跡等。

根據(jù)表1選擇序號(hào)1所對(duì)應(yīng)機(jī)床參數(shù)對(duì)毛坯進(jìn)行粗加工：體積銑-環(huán)繞粗銑。其中刀具軌跡參數(shù)設(shè)置如圖2所示(其中機(jī)床參數(shù)中冷卻液關(guān)閉)。

圖2　環(huán)繞粗切刀軌參數(shù)

其他參數(shù)選擇默認(rèn)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算生成的刀具軌跡路徑如圖3所示。

圖3　環(huán)繞粗銑刀具軌跡示意圖

根據(jù)表1選擇序號(hào)2所對(duì)應(yīng)機(jī)床參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。其中刀具軌跡參數(shù)設(shè)置如圖4所示(其中機(jī)床參數(shù)中冷卻液關(guān)閉)，其他參數(shù)選擇默認(rèn)，自動(dòng)計(jì)算生成的刀具軌跡路徑如圖5所示。

圖4　二次開粗刀軌參數(shù)

圖5　二次開粗刀具軌跡示意圖

根據(jù)表1選擇序號(hào)3所對(duì)應(yīng)機(jī)床參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。其中刀具軌跡參數(shù)設(shè)置如下圖6所示(其中機(jī)床參數(shù)中冷卻液關(guān)閉)，其他參數(shù)選擇默認(rèn)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算生成的刀具軌跡路徑如圖7所示。

圖6　根據(jù)角度精銑刀軌參數(shù)

圖7　根據(jù)角度精銑刀具軌跡示意圖

根據(jù)表1選擇序號(hào)4所對(duì)應(yīng)機(jī)床參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。其中刀具軌跡參數(shù)設(shè)置如圖8所示(其中機(jī)床參數(shù)中冷卻液關(guān)閉)，其他參數(shù)選擇默認(rèn)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算生成的刀具軌跡路徑如圖9所示。

圖8　精銑所有刀路刀軌參數(shù)

圖9　精銑所有刀路刀具軌跡示意圖

根據(jù)表1選擇序號(hào)5所對(duì)應(yīng)機(jī)床參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。其中刀具軌跡參數(shù)設(shè)置如圖10所示(其中機(jī)床參數(shù)中冷卻液關(guān)閉)，其他參數(shù)選擇默認(rèn)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算生成的刀具軌跡路徑如圖11所示。

圖10　清根刀軌參數(shù)

圖11　清根刀具軌跡示意圖

3.2加工后的效果

根據(jù)以上所有工步和生成的刀路軌跡，檢查無(wú)誤后，進(jìn)行數(shù)控仿真加工。仿真界面如圖12所示。

圖12　自動(dòng)閥頂蓋型芯仿真界面

對(duì)零件的所有工步進(jìn)行數(shù)控加工仿真后，效果圖如圖13所示。

圖13　自動(dòng)閥頂蓋型芯仿真結(jié)果

從圖13仿真結(jié)果可以看出，所加工的自動(dòng)閥頂蓋型芯模型與圖1相比，外輪廓有許多殘料并未得到切削，從而使得外輪廓表面顯得太過(guò)粗糙，可見(jiàn)此次加工仿真效果并不太真實(shí)，與建模圖相差太大，不符合加工要求。

3.3原因分析

影響加工精度的因素有許多，主要因素有：刀具、機(jī)床、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等等。從上圖仿真結(jié)果可以看出加工的表面不是太理想。就本例來(lái)說(shuō)，影響的因素有2方面：(1)加工工藝的安排：現(xiàn)代化的數(shù)控加工多采用加工中心等，使得不少的加工形式由工序分散轉(zhuǎn)化成工序集中。當(dāng)然工序集中除了可以保證各加工之間相互位置的精度的要求外，還有利于提高生產(chǎn)效率等特點(diǎn)。此零件采用工序集中對(duì)零件進(jìn)行加工，前兩步是粗加工，緊接著兩步是精加，最后是清角加工。根據(jù)角度精銑是通過(guò)設(shè)置斜率限制角度來(lái)將曲面按傾斜程度進(jìn)行區(qū)分，分別創(chuàng)建精加工程序，可以保證各部分均有較高的加工精度和加工效率。而精銑所有刀路是根據(jù)已選擇的曲面加工所有的曲面。顯然根據(jù)角度精銑的加工精度要比精銑所有刀路的精度高。(2)刀具半徑：在精加工過(guò)程中，在相同的Z軸最大進(jìn)給量下，改變球銑刀的直徑可以使切削加工的殘留變小，使得加工表面變得光滑，從而可以改善上述加工中出現(xiàn)的表面太過(guò)粗糙的狀況。

根據(jù)上面的分析，把精銑所有刀路中所用的刀具改為φ2的球刀其他參數(shù)及類型不做調(diào)整，得到的仿真結(jié)果如圖14所示，顯然比圖13有所改善，但終究不能完全克服。

圖14　調(diào)整刀具直徑后的自動(dòng)閥頂蓋型芯的仿真結(jié)果

再把上述所提到的根據(jù)角度精銑和精銑所有刀路進(jìn)行調(diào)整，另外把兩步中參數(shù)設(shè)置中的公差和表面余量的零件加工余量對(duì)調(diào)，其他參數(shù)及類型不做調(diào)整，所得仿真結(jié)果如圖15所示。

圖15　對(duì)調(diào)兩個(gè)工步后的自動(dòng)閥頂蓋型芯的仿真結(jié)果

3.4數(shù)控程序的生成

所有工步的仿真加工完成后，檢查所有刀具路徑?jīng)]有干涉和過(guò)切現(xiàn)象且符合加工的條件之后，即可進(jìn)行后置處理，點(diǎn)擊NC環(huán)境下的postprocess，顯示如圖16所示的對(duì)話框。

圖16　后置處理對(duì)話框

從上到下依次點(diǎn)擊如圖16中橢圓所指示位置即可出現(xiàn)加工程序如下所示：

%

O0100

T06

G90G80G00G17G40M23

G43H06Z90.2S3500M03

G00X-1.656Y-30.229Z90.2M09

Z37.068

G01Z36.068F3000

Z35.068F900

Z34.9

…… ……

X-9.078Y4.116Z38.123F900

X-8.95Y3.913Z38.019

X-8.827Y3.687Z37.979

X-8.716Y3.452Z38.006

X-8.626Y3.224Z38.098

G00Z90.2

M30

%

4　結(jié)果對(duì)比

通過(guò)以上三次仿真結(jié)果的對(duì)比(圖13～圖15)可以看出，對(duì)調(diào)兩個(gè)工步后仿真加工后的表面質(zhì)量比前兩次的仿真后的表面質(zhì)量有所提高，對(duì)比該零件的三維模型可以看出仿真結(jié)果已經(jīng)接近實(shí)體了?？梢钥闯鲈谠摾抡婕庸さ木庸ぶ校瑴p小刀具的直徑可以提高表面的精度，但是不如通過(guò)加工順序的合理安排來(lái)提高加工精度更加合理、有效。

5　總結(jié)

(1)通過(guò)對(duì)該零件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)、數(shù)控加工并最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程，系統(tǒng)的介紹了運(yùn)用cimatronE三維軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和制造的方法。

(2)利用cimatronE的刀具軌跡生成功能對(duì)零件進(jìn)行仿真和軌跡檢驗(yàn)，可以大大縮短了零件在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程的周期，并且提高了工作效率，從而可以滿足現(xiàn)在制造技術(shù)高速發(fā)展的要求。

(3)通過(guò)此例子可以知道，在仿真加工中，合理的安排銑削步驟和適當(dāng)?shù)牡毒甙霃蕉寄軌蛱岣吡慵募庸ぞ?，可以更好的改善零件的表面質(zhì)量，為工程中同類零件的數(shù)控加工提供了一定的參考價(jià)值。

(4)零件的仿真加工和數(shù)控編程，在此過(guò)程中要及時(shí)對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行反復(fù)的修改和驗(yàn)證，及時(shí)調(diào)整參數(shù)，反復(fù)進(jìn)行計(jì)算、檢驗(yàn)，直到準(zhǔn)確無(wú)誤為止。

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(編輯李秀敏)

NumericalMachiningoftheAutomaticValveCoverCoreBasedonCimatronE

WANGYu-chuang,LIUDe-ping,MALong-jie

(MachineryEngineeringInstitute,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)

Inthispaper,usingthree-dimensionalmodeling,NCmachiningsimulationandtheautomaticprogrammingfunctionofcimatronErealizedmanufacturingsimulationandprogramgenerationofthecoreofautomaticvalve.ThroughadjustingontheorderofstepsintheprocessandoptimizingtheradiusparameteroftoolimprovedthemachiningaccuracyoftheNCmachiningsimulationandsurfacequalityofparts,thusverifyingthearrangementofmillingstepsreasonableandappropriatetoolradiuscanimprovethemachiningaccuracyandsurfacequalityofparts.Referentialvaluehasbeenprovidedforthedigitalprocessingofcomponentsinthesimilarengineering.

cimatronE；NCmachining；automaticprogramming

1001-2265(2016)08-0129-05DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.035

2015-10-15；

2015-11-03

王玉闖(1990—)，男，河南駐馬店人，鄭州大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)控加工、自動(dòng)化、機(jī)電一體化，(E-mail)wychuangzzu0319@163.com。

TH166;TG659

A