马头凸模的数控加工.doc

题 目： 马头凸模的数控加工
姓 名：
系 别： 机械与电子系
专业班级： 数控技术与应用
指导教师：

评语：

目 录
摘要…………………………………………………… （4）
一、 引言……………………………………………… （4）
二、马头模型的3D创建……………………………… （5）
三、马头凸模的零件分析………………………………… （8）
四、工件参数设置及加工编程…………………………… （9）
五、零件加工……………………………………………… （14）
六、参考文献……………………………………………… （17）
七、英文摘要……………………………………………… （17）

马头凸模编程与加工

摘　要: 本文主要分析马头模型的三维建模设计,分析其凸模的数控编程加工,应用Pro/E实现了零件的三维建模设计,在MasterCAM 环境下进行了数控编程加工,并生成了NC加工程序。通过对马头凸模的建模设计与加工操作,探讨了数控编程与加工操作中经常会遇到的问题并总结其解决方法的技巧。
关键词：三维造型 文件格式转换 工艺分析 NC编程 加工操作

实体模型
机床测量
Pro/E 3D建模
MasterCAM分

零件工艺分析
MC 数控编程
刀具路径模拟
设定加工参数
修改后处理
DNC 连线
NC 程序
加工机床
RS—232
执行加工

MasterCAM分模

(图1) 模型建模、编程、加工流程图

一、 引言
中国加入世贸组织之后，全球制造业逐步向我国转移，中国正逐渐成为“世界制造中心”。为了增强竞争能力，中国制造业开始广泛应用先进的数控技术。数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。
随着计算机技术和机床制造业的不断发展，CAD/CAM图形交互式自动编程的应用成为数控技术发展的新趋势。当前计算机辅助设计与编程已成为了现代制造技术中的一项关键技术,特别在机械制造和数控加工领域得到了越来越广泛的应用。目前比较成熟的CAM系统主要以两种形式实现CAD/ CAM 系统集成:一体化的CAD/ CAM系统( 如:UG、 Pro/ Engineer、Cimatron等)和相对独立的CAM 系统(如:MasterCAM、PowerMill等) 。前者以内部统一的数据格式直接从CAD系统获取产品几何模型,而后者主要通过转换从其它CAD系统获取产品几何模型。然而,无论是哪种形式的CAM 系统,都由五个模块组成,即交互工艺参数输入模块、刀具轨迹生成模块、刀具轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后置处理模块。按照传统的CAD/CAM系统和CNC系统的工作方式,CAM系统以直接或间接(通过中性文件)的方式从CAD系统获取产品的几何数据模型。CAM系统以三维几何模型中的点、线、面或实体为驱动对象,生成加工刀具轨迹,并以刀具定位文件的形式经后置处理,以NC代码的形式提供给CNC机床,实现了零件的NC加工。
二、 马头模型的3D创建
Pro/Engineer的系统应用范围横跨许多行业，比如航空、航天、汽车、船舶、兵器、机械工业、模具、工业设计、信息家电、通信、电子等3D产业。功能应用包括实体与曲面设计、零件组装、模具设计、机械加工与电路设计等。由于应用范围相当广泛，要求工程师全盘精通、面面俱到实属不易，最佳方式是按照产业形态，使用适用的模块功能。所以，在当今的工业设计中是最为流行的三维实体建模软件,功能强大,内容丰富,运用灵活. Pro/E是一种基于Windows平台、易学、易用、易推广的CAD/CAM软件, 在3D设计方面，其功能非常之强大，可以有很多生成造型的方式，并且容易操作，也能够绘制比较复杂的产品，效率较高。但它在数控编程方面的使用中比较麻烦，因此很少使用该模块。而MasterCAM就是比较好用且易用的编程软件。
1 模型特征分析

(图2)

(图3)
本毕业设计是根据现有的模型,如图(2)、（3）所示，加以修改结构设计出适合放置明信片的产品。原模型是一匹马的玩具部件，可以很明显地看出此模型有很多曲面，呈半弧状；表面是由起伏不平的许多个小曲面构成的，这会增加构图和加工的难度（比如在较小的拐角、圆弧或凹陷区域就必须采用打电火花的方法加工等）；马的棕毛和嘴部是个呈凸台状的结构，这个区域在设计时是修改的主要部位。
2.模型的机床测量
根据实训中心现有的设备和机床的使用情况,学校提供了数控雕铣机作为本模型的粗略测量。首先，将模型固定在平滑的木板上或其它支撑板（比如游标卡尺盒外壳）上，在工作台上使用深度刻线尺在模型的长宽高的方向上划出等距的线条，它们所形成的交点便可以在机床上测出该位置的坐标值了；接着，启动数控雕铣机电源，并完成相应的各项准备工作，将杠杆百分表安装在主轴上，再让划完线的模型安置在工作台的虎钳上，移动主轴至固定模型的木板表面上，找出合适的位置对刀以为基准点，然后继续移动主轴，分别在模型长宽高的方向用杠杆百分表的表头测量每个交点，并在LCD仪表里记录下该位置的X、Y、Z坐标值；最后，整理测量数据，以待绘图时使用。
3.马头的建模
马头模型在数控雕铣机测量以后,则要把马头模型的相片在Pro/E里以点描线,得出轮廓线。马头要得出五个方位轮廓线!

(图4) (图5)
本文采用Pro/E作为3D建模设计平台,在“零件”模块中的子类型“实体”，对马头进行3D设计如图（4）所示；当生成马头的3D实体后，就把它转换成IGES的格式文件,然后在MasterCAM里面进行分模处理，最后保存为MC文件并通过编程，系统则自动生成刀具运行轨迹的NC数据并传送给加工中心,由加工中心来完成零件的实际加工。

图（6）经过设计更改的马头零件图
1、马头的模型设计
由于本设计的模型具有相当多的不规则曲面,但为了缩短构图时间、难度以及考虑加工可行性等问题，可以采取建构出其大致的线架结构,省略其起伏不平呈圆顶状曲面绘制的做法。这种做法是基于模型整体结构曲面的不规则，必须先绘制线架结构再配合“边界混合曲面”（Boundary Blend）工具拉出曲面，通过使用曲面曲率分析工具（如“曲率”、“着色曲率”、“反射”等）分析其曲面表面的光滑过渡情况，以确保曲面能够“加厚”（Thicken ）成功并得到最佳的表面。以下只是完成建模的大致工作。

图（7）线架结构
2．马头的分模
此模型的分模相对比较简单，分模面的选择也比较清楚可见，就是在零件的最大尺寸上。所以零件的分模是用MasterCAM来分模，如图（10）所示。

图（10）马头凹凸模
三、 马头凸模的零件分析
分析一个零件的工艺，主要是分析加工该零件所用的毛坯性能、定位基准、装夹方式及加工切削用量、刀具的选用。
（1）毛坯选用
本模型采用一模两腔的设计方案,为了考虑材料的使用的经济性,学校提供了统一的毛坯尺寸。经过铣削、去毛刺、倒角、磨削等工序，最终的尺寸为210×100×67mm。所用的材料为A3钢。但考虑到加工零件时毛坯是否便于定位和装夹，是否需要热处理。毛坯尺寸要考虑到零件的尺寸，是否留有足够的加工余量等问题。判断毛坯加工的难易程度，为刀具材料和切削用量的选择提高依据。零件的加工范围是会比所需要的尺寸稍大些。
(2) 选择安装基准、确定装夹方式
选择比较平的面为底面作为基准，因为毛坯的总高度为27mm,在选择虎钳装夹时!需加垫块,避免刀具与虎钳相碰，装夹的高度为12mm。
（3）确定加工顺序及走刀路线
在这个方面我们一般都是先面后孔，基准先行,先粗后精的原则,这个工件也不例外.我的加工顺序是:首先来一个全个工件的粗加工(用Rough Pocket)---半精加工分模面……详情请参考编程部分。
（4）数控刀具的选择
鉴于这个零件结构,要用到平铣刀和球刀两大类, 开粗最大用到＃16的粗皮刀.零件的最小曲率半径是2,所以最小球刀要用R1.5,，最后平面插座因为有四个折角，需要打铜工，但因为时间关系，我们只做了抛光处理。如图：

（5）制定工艺路线
毛坯备料→曲面粗加工→粗加工圆形凹槽→精铣圆形凹槽四周→精铣圆形凹槽底面→粗加工不规则凹槽曲面→粗加工小曲面→精铣马头的表面→精铣插座平面→马头四周清角加工→精铣两个大平面→精修马头的上表面→精加工过渡小弧面→精加工凹槽曲面→检验→研磨抛光→最终检验
四、 工件参数设置及加工编程
（1）粗加工
由于毛坯的余量较大，粗加工我们采用Ф16粗皮平铣刀来进行挖槽粗加工。当工件表面有硬皮，机床的进给机构有间隙时，应选用逆铣，按照逆铣安排进给路线。因为逆铣时，刀齿是从已加工表面切入，不会崩刃；机床进给机构的间隙不会引起振动和爬行。由于我们所加工的工件表面没有硬皮，所以我才用顺铣。刀具切入零件时，应避免垂直直接从工件表面下刀，而应使用从工件外面切入方式下刀。采用双向铣切从外至内的进给路线比较合适，因为马头的曲面很多，而且曲率又很小，Ф16粗皮平铣刀加工，过后很多地方留下较多余量。如下图：

图16的“刀具参数”设置

图17面加工参数”设置

图18加工参数”设置 图19螺旋下刀”参数设置

图20步3DPOCKET粗加工的效果图
由于3DPOCKET后，刀具的半径大，还留下很多余量，有的地方还没加工到，必须用一步精加工来精铣画圈地方的过多余量，使用平行铣削的方式可以铣掉多余地方。如图：

马头的曲面过多，曲率小，造成很多地方留下的余量过多，在这中情况下，大刀是不可能加工到的，只能用小刀来开粗，有的因为有破面，刀具没加工到，根据范围的大小，限制范围，选择适合的刀具一处一处来加工，如图：

考虑到是开粗，所以选用了Ф6的平刀，曲面粗加工。采用双向切削从外至内的进给路线比较合适，为了更好地清除余量采用了最后一刀采用环切法精修内轮廓一刀，既能使总的进给路线较短，又能获得较好的表面粗糙度。

图16的“刀具参数”设置

图17面加工参数”设置

图18加工参数”设置 环切法精修内轮廓
（2）半精--精加工
在开粗之后，我首先考虑到半精铣圆形凹槽，预余量为0.02mm，用Ф10的刀全圆铣削方式来加工，刚开始时，我使用的是一般挖槽的方式，可经过实体切削验证，发现有过切的现象，全圆铣削就没有这情况发生。然后用外形铣削来精铣圆形凹槽壁，XY预余量为零，
再用一般挖槽精铣圆形凹槽底面，Z预余量为零，切削方式为平行环切，由内而外环切。刀具路径：

全圆铣削 外形铣削 一般挖槽
马头表面由于曲面较多，考虑到精度问题，先给马头表面半精加工，开粗所留下的预余量为0.2mm，半精铣去Z0.05mm，用Ф6的平刀。采用曲面精加工——平行铣削。切削方式为双向切削。最大的切削间距为0.3。选择干涉面,避免加工的范围过大，走刀的时间过长。在实体切削验证看到图（2）有过切现象，但考虑到是半精加工，没有影响以后加工马头的表面的精度，所以允许其参数的设置。实体切削验证图（2）看到画圈部分还有些余量！则加一步挖槽精加工。

开粗后的马头 半精加工后的马头
在半精加工马头表面后，由于马头开粗留下的余量多，而且曲面多，加工马头必须考虑到清角。马头的四周很多地方也没有加工到，侧面是个斜面，我就用等高外形精加工，用
Ф4的平刀，不用球刀，主要是考虑到球刀清角问题，马头的余量大，球刀清不完。精加工Z轴的最大进给量为0.05mm。控制其切削高度。由于马头的边界线是处于两个不同的高度上，所以加工一个马头要分为两步来加工，设的切削高度也不一样。如图：

边界线在高面的设置 边界线在低面的设置
马头清角的刀具路径模拟：

马头在高位清角 马头在低位清角
马头清角后，我就先想到要精铣两个大的平面，然后再给马头来个精加工。精加工马头表面在半精加工的基础参数设置上复制修改下即可！把刀具改为用Ф5的球刀，因为考虑到是精加工，必须是有球刀才可以达到其精度。最大切削间距：0.1

半精加工的马头表面有过切的现象 精加工的马头表面则是光滑
接下来要精加工过渡小弧面，用同把刀，同样的参数可以加工其加工面，加工的小地方，主要考虑的是刀具是否可以下刀加工的问题。只是控制的范围不同吧了！现在留下最后精加工的部分凹槽曲面。如图

小凹槽
动态分析了起小凹槽，最小半径曲率为2，则要用Ф3的球刀，这样才可以下的去。加工小凹槽的边界线要做大些，但刀具会加工到别的面，如图：

在这种情况下，一是设切到的面为干涉面，二是抬高其切到的面，在两着中比较下，我选择了第二种办法，抬高其切到的面。因为如果设切到的面为干涉面的话，加工的时候会抬刀过多，不符合工艺。
到此则加工完成：

刚在加工中心加工完的零件
零件加工
数控加工：（基本操作）

　　　　　　 图13　数控机床面板
1、启动机床和机床回零：检查急停按钮是否松开至状态，若未松开，旋转急停按钮，将其松开。
点击电源开关按钮，等待机床自检，当自检完成后会全部灯都亮几秒钟，等一些灯熄后就按一下“机床复位” 按钮此时机床和控制器指示灯变亮。
检查操作面板上方式选择旋钮是否在回零模式，若是，则已进入回原点模式；若不是，则拧动操作模式旋钮，使之切换到回原点模式。
在回原点模式下，先将Z轴回原点，将操作面板上手动轴选择旋钮设在Z轴位置，点击操作面板上的按钮，此时Z轴将回原点，Z轴回原点灯变亮，CRT上的Z坐标变为“0.000”。同样，再分别将操作面上手动轴选择旋钮设在X轴、Y轴位置，点击按钮，此时Y轴，Z轴将回原点，Y轴，Z轴回原点灯变亮。此时CRT界面如图所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　图14CRT界面
2、放置工件：一般来说，我们的工件一般都是凸模采用虎钳装夹，凹模采用压板装夹。我的工件是用来加工出凸模的，所以我采用了虎钳装夹。先把机床清理一下，把油管的一头插进切屑液喷头，启动机床的切屑液按钮，用油管的另一头把工作台喷洗干净，然后用干布把工作台抹干净。由于我的毛坯高不是很高，则要在虎钳上加上垫块，而且是加两块。然后选择毛坯的一面为基准面放下去。在用虎钳夹着，不要太紧。等下还要对刀。
3、对基准：先不要把压板的螺母拧得太紧，一般紧，可以用铜棒敲得动。把万向磁性表座吸住在主轴上，把千分表装在表座上。通过手轮方式移动工件，把表针X方向的一个侧面上，从侧面的中间位置进行Y进给，使表的小针转动一半的位置就停止Y给。使工件在X方向平移，看看表的表针有没有偏动，通过铜棒敲动工件，使长的表针偏动少于2小格（即2丝的误差）。Y轴的边也是同理。
4、设置G54：通过弹簧装夹头正确地安装好寻边器，把机床模式调到“手轮”或者是“手动”方式，如果主轴上装有刀具的话，先一只手接住主轴上的刀具，然后按住换刀的气筏按钮，把刀具换下来。把寻边器装上主轴上。把模式调到MDI模式上，按一下液晶显示面上显示的MDI下下对的按钮，输入“S250”然后按“EOB”和“INSET”输入程序，接着按“循环启动”，执行程序。（注意：这一步必不可少，因为上一次加工的最后一次转速确定有可能是很高的，这样会损坏寻边器的，甚至会造成加工事故）
X轴方向对刀
我们的工件的中心确定是XY轴“四边分中”，工件上表面设为Z＝0。
将操作面板上的方式选择旋钮设为手动，进入“手动”方式；
点击MDI键盘上的“POS”,使CRT界面上显示坐标值；借助“视图”菜单中的动态旋转、动态放缩、动态平移等工具，适当使用手动轴选择旋钮和点击手动移动按钮，将机床移动到如下图所示的大致位置。如图所示：

图15寻边器
点击“主轴启动” ，使主轴以250mm/min转速转动（这个转速由输入的程序决定，刚刚在MDI时我们才输入程序‘S250；’，所以转速为250mm/min）。移动到大致位置后，可以采用手轮调节方式移动机床，将操作面板上的方式选择旋钮设为手轮模式，采用手动脉冲方式精确移动机床，手动轴选择旋钮设在X轴位置，调节手轮进给速度旋钮调到X100，慢慢转动手轮使寻边器慢慢接近工件侧面，当寻边器从平稳到突然分开的刻，把手轮向反方向转2小格，调节手轮进给速度旋钮调到X10，慢慢转动手轮 使寻边器慢慢接近工件的侧面，当寻边器从平稳到突然分开的刻，把手轮向反方向转1小格。按下CRT对应下的“相对”按钮，按“X”，再按“起源”，把X相对座标置零。然后把把手动轴选择旋钮设到“Z”上，把寻边器提高离工件最高点高，以免把寻边器撞了。把手动轴选择旋钮设在X轴位置上，调节手轮进给速度旋钮调到X100，快速移到工件的另一则，并X方向远离工件。然后把把手动轴选择旋钮设到“Z”上，把寻边器慢慢下降移到适当位置。把手动轴选择旋钮设在X轴位置上，慢慢转动手轮使寻边器慢慢接近工件侧面，同上面的同样方法测到工件X方向的另一则面的坐标。记下当前的“相对坐标”数值，把手动轴选择旋钮设在“OFF”上。把将操作面板上的方式选择旋钮设为MDI运行模式。在MDI键盘上点击“OFFSET”键，按软键“坐标系”进入坐标系参数设定界面，选择G54，输入X“当前相对坐标的一半值”。然后按MDI键盘上的“POS”，按软键盘上的“座标系”，按MID键盘上的“OFFSET”看一下“绝对坐标”的值是否“相对坐标的一半”，是的话就没错。再不放心的话可以先把寻边器提升到工件的上方（为了保护好寻边器），把寻边器移到工件的X中心上，看一下X的绝对座标是否显示“0”的左右数值。是的话就没错，不是的话就要重新对过。
Y轴对刀和X轴对刀同理。
Z轴对刀：
我们为了提高效率，并没有使用自动换刀指令，而是采用手工换刀。所以每换一次刀，我们对一次Z点。
当我们换好刀时，采用对刀棒在刀尖上滑动来寻找合适的Z点，方法如XY对刀那样只不过多了个对刀棒。在设置Z时加多10上去。
加工体会
通过这学期的编程，和同学的帮助，我的MASTERCAM编程能力得到大大的提高。在编程期间，由于我所编程的零件是个对称的马头，经常用到镜射，感觉到非常方便。以前比较少接触使用这种方法。在Pro/E建模方面也有点的进步。在实训中，主要是由我们自己编程、操作机床。我们可以在不误操作的前提下可以全面地尝试机床加工的性能，是一个提高自身技能的好机会。
在加工自己的工件的过程中，我们组发生低级操作错误。在换刀后，我组成员在没有对刀的情况下回零，输入程序加工，造成刀具直接插入，断刀，不过是在零件的小地方，不影响以后的精度问题。在精加工时，要考虑到精度问题，必须转速要大，进给率要小些，那样加工出来的零件的表面才光滑。压板装夹时，记得垫块支撑只压住少许，螺杆不要碰到垫块，这样使得压板有足够的压力压住工件；7刀具装夹时，记得刀具装夹的长度及剩下的长度，保证装夹头不会碰到工件。通过这次毕业设计一些经验的积累，为以后的工作打下了基础，特别是一些细节的问题，在加工中更应引起重视。

参 考 文 献
1 吴长德. MasterCAM9.0系统学习与实训. 机械工业出版社. 2003.8 .
2 张小宁. Mastercam9实用培训教程. 清华大学出版社. 2004.6.
3 郑修本. 机械制造工艺学(第2版). 机械工业出版社. 1999.5 .
4 许祥泰,刘艳芳. 数控加工编程实用技术. 机械工业出版社. 2000 .
5 华茂发. 数控机床加工工艺. 机械工业出版社. 2000 .
6 徐宏海. 数控加工工艺. 化学工业出版社. 2003.11.

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Keyword: 3D-Modeling file Exchange technics analyze machining operation
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