西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 本科畢業設計論文 題 目 航空多腔類典型零件加工及數控機床仿真的研究 專業名稱 機械設計制造及其自動化 學生姓名 指導教師 畢業時間 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 1 畢業 任務書 一、題目 航空多腔類典型零件加工及數控機床仿真的研究 二、 指導思想和目的要求 針對 航空多腔類典 型零件加工 的特點，進行刀路規劃，合理地劃分加工區域、選擇適合的加工方法。制成以提高加工精度兼顧效率的 NC 加工專用程序。 三、 主要技術指標 1完成指定翻譯文獻； 2完成航空多腔類典型零件加工的粗加工程編； 3完成航空多腔類典型零件加工的精加工程編； 4. 完成航空多腔類典型零件虛擬仿真加工及生成 NC 指令 。 四、 進度和要求 第一階段：（共計 5 周） 1第一周及第二周，翻譯并完成教師指定的英文文獻翻譯； 2第三周，熟悉航空多腔類典型零件工藝及工藝模型處理； 3. 第四周，去工廠現場 參觀調研； 4第五周，熟悉及掌握 CADCAM 軟件相關的航空多腔類典型零件加 工方法； 第二階段：（共計 5 周） 1第六周及第七周，航空多腔類典型零件加工工藝模型建立和處理； 2. 第八周，完成航空多腔類典型零件加工的粗加工編程； 3. 第九周，完成航空多腔類典型零件的精加工編程； 4.第十周，完成仿真加工及數控加工代碼生成； 第三階段：（共計 5 周） 1. 第十一周，檢測航空多腔類典型零件加工程序的通用性； 2第十二周，檢測航空多腔類典型零件加 工工藝規劃的合理性； 3第十三周，進行刀路優化、過切檢查； 4. 第十四及第十五周，生成通用的數控指令 (G 代碼和 M 代碼 )； 設 論 設計 論文 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 2 5. 第十六周及第十七周，撰寫論文及評閱。 五、 主要參考書及參考資料 1謝龍漢等 . CATIAV5 數控加工 M.北京：清華大學出版社， 2005 年 4 月 . 2謝龍漢等 .CATIAV5 機械設計 M.北京：清華大學出版社， 2005 年 4 月 . 3謝龍漢等 .CATIAV5 機械設計應用實例 M.北京：清華大學出版社， 2005 年 4 月 . 4謝龍漢等 .CATIAV5 逆向造型設計 M.北京：清華大學出版社， 2005 年 4 月 . 5謝龍漢等 .CATIAV5 自由曲面造型 M.北京：清華大學出版社， 2005 年 4 月 . 6謝龍漢等 .CATIAV5 數控加工實例 M.北京：清華大學出版社， 2005 年 4 月 . 7卜昆等 .計算機輔助制造 M.北京：機械工業出版社， 2006. 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 3 目 錄 摘 要 . 4 ABSTRACT . 5 前 言 . 6 第一章 緒論 . 7 1.1課題研究的意義 . 7 1.2國內外現狀 . 8 1.3論文的章節安排 . 8 第二章 CATIA 軟件的主要功能介紹 . 9 2.1 CATIA軟件簡介 . 9 2.2 CATIA V5功能模塊簡介 . 10 2.3 CATIA V5軟件的特點 . 14 2.4 CATIA 軟件的競爭優勢 . 15 第三章 數控加工關鍵技術的研究 . 16 3.1 數控編程的定義 . 16 3.2 數控編程的基本知識 . 16 3.3數控編程的工藝處理 . 20 3.4數控加工的誤差來源 . 25 3.5數控程序的格式及功能字 . 25 第四章 航空多腔類典型零件加工的研究 . 28 4.1 引入零件及進入加工模塊 . 29 4.2 創建零件毛培 . 30 4.3 零件定義操作 . 30 4.4 零件區域粗加工（ Roughing） . 34 4.5 零件區域半精加工（ Sweeping） . 38 4.6 零件凹槽內掃描加工（ Sweeping） . 40 4.7 零件凹槽內槽加工（ Pocketing） . 43 4.8 零件區域精加工（ Facing） . 48 4.9 零件凹槽內凸臺精加工（ Facing） . 51 4.10 零件凹槽內曲面輪廓清根加工（ Contour-driven） . 54 4.11 零件凹槽內凸臺輪廓清根加工（ Contour-driven） . 58 4.12 零件凹槽內掃描加工（ Sweeping） . 61 4.13 零件區域斜面掃描加工（ Sweeping） . 63 第五章 VERICUT 仿真技術驗證加工過程 . 66 5.1 數控加工仿真技術概述 . 66 5.2 數控加工仿真技術的操作步驟 . 67 5.3 加工仿真的驗證： . 70 5.4 本章總結 . 72 第六章 總結與展望 . 73 6.1 論文總結 . 73 6.2后續展望 . 73 致 謝 . 75 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 4 摘 要 隨著全球制造業競爭的日益激烈，先進制造技術的不斷出現，現 代數控加工技術的普遍應用，使得產品的加工周期大幅度縮短，產品的加工質量不斷改善，加速了產品的更新換代，增強了產品的競爭力。因此數控加工技術的研究已成為研究重點。 在這個計算機技術發展迅速，新科技日新月異的信息社會中，制造業也發生著革命性的變化。計算機模擬、仿真技術省去了大量的工作量，大大節約了原材料成本，提高了生產效率。工廠里現在大部分機床使用的都是數控機床，數控加工出來的零件既符合外觀及精度有要求，又方便操作者進行操作。掌握計算機制造技術已經是新時代我們勢在必行的必須課。 作者在查閱和搜索大量與本畢業設 計相關資料的基礎上，對數控加工進行研究，并在老師的耐心指導下，首先分析零件工藝圖紙，利用 CATIA 進行數控加工程序的編制，設計出該零件的 NC 加工方法，進而用 VERICUT 對零件進行了動態模擬仿真加工。此次設計中以飛機上的多腔類零件為加工對象，利用型腔銑和輪廓銑進行粗加工和精加工。 關鍵詞 : 型腔銑， 輪廓銑 ， VERICUT西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 5 ABSTRACT Since the competition of global manufacturing industry is increasingly intense, advanced manufacturing technologies appeared continuously. The general application of the modern Numerical Control Manufacturing technology, has made the processing cycle of the products shorten by a large margin, has improved the processing quality of the products, has accelerated the update of the products, and has strengthened the competitive power of the products. So the research of the process technology of numerical control has become the focal point of studying. The manufacturing method changes a lot with the development of the computer technology in the modern society. Computer simulation saves a lot of time for the workers and greatly saves the cost of raw materials. Also computer simulation increases production efficiency. At present, most of the factory machines are used in CNC machine tools. CNC machining parts achieved the requirement both in the appearance and in the accuracy. To master the computer manufacturing technology for the engineering working in the field of aviation is imperative. Author in the access and search a lot and the design of relevant documents, to carry on the research of NC machining, and the teacher under the guidance of the patient, the first analysis of part process drawings, preparation of NC machining program using CATIA, the design of NC processing method of the parts, and uses VERICUT to the dynamic simulation of parts processing. Multi cavity to airplane parts in the design of object for processing, rough machining and finish machining the cavity milling and contour milling. KEY WORDS: cavity milling， contour milling， vericut 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 6 前 言 近年來，隨著計算機技術的發展，數字控制技術已經廣泛應用于工業控制的各個領域，尤其是機械制造業中，普通機械正逐漸被高效率、高精度、高自動化的數控機械所代替。目前國外機械設備的數控化率已達到 85%以上，而我國的機械設備的數控化率不足 20%，隨著我國制造行業新技術的應用，我國世界制造業加工中心地位形成，數控機床的使用、維修、維護人員在全國各工業城市都非常緊缺，再 加上數控加工人員從業面非常廣，可在現代制造業的模具、鐘表業、五金行業、中小制造業、從事相應公司企業的電腦繪圖、數控編程設計、加工中心操作、模具設計與制造、 電火花及線切割工作，所以目前現有的數控技術人才無法滿足制造業的需求，而且人才市場上的這類人才儲備并不大，企業要在人才市場上尋覓合適的人才顯得比較困難，以至于導致模具設計、 CAD/CAM 工程師、數控編程、數控加工等已成為我國各人才市場招聘頻率最高的職位之一。現代數控加工技術的普遍應用，使得產品的加工周期大幅度縮短，產品的加工質量不斷改善，加速了產品的更新換 代，增強了產品的市場競爭能力。因此數控加工技術的研究已成為衡量一個國家機械制造工業的重要標志之一，更是體現一個機械制造企業技術水平的重要標志。正是基于上述形勢，許多制造行業都已經采用數控加工方式來提高產品的競爭力。此外，利用和發展數控加工，實現高效數控加工已成為了制造類企業所普遍關心的大事。進一步提高我國國防軍工行業的數控效率以及數控制造能力，是加強軍工國防建設的迫切需要。 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 7 第一章 緒論 1.1課題研究的意義 數控加工技術是當代機械加工的主要手段，機械自動化專業對于數控加工是必須掌握的。而航空 多腔類典型零件的加工，包括刀路規劃，合理地劃分加工區域、選擇適合的加工方法等，一直是數控加工的難題和主要研究對象，因此，將這一研究對象作為畢業論文，不僅能鞏固和掌握數控加工技術，而且還能對當今航空多腔類典型零件加工有一個深刻的認識。 總體上說，和傳統的機械加工手段相比數控加工技術具有以下優點： 1.具有較大的柔性 數控機床是按照記錄在載體上的信息指令自動進行加工的，當加工對象改變時只需要重新編制數控加工程序，而無需對機床結構進行調整，也不需要制造凸輪、靠模一類的輔助機械裝置。這樣，便可以快速 地從一種零件的加工變到另一種零件的加工，使生產準備周期大為縮短。 2.加工效率高 利用數字化的控制手段可以加工復雜的曲面。而加工過程是由計算機控制，所以零件的互換性強，加工的速度快。 3.加工精度高 同傳統的加工設備相比，數控系統優化了傳動裝置 ,提高分辨率 ,減少為誤差，因此加工的效率可以得到很大的提高。 4.有力于加工復雜形狀的零件 數控機床能同時控制多個坐標聯動，可以加工其他機床難以加工甚至不可能加工的復雜零件，如曲線的二維復雜輪廓零件、含曲面的三維實體零件。 5.勞動強度低 由于采用了自動控制方式，也就是說加工的全部過程是由數控系統完成，省去傳統加工手段那樣煩瑣，操作者在數控機床工作時，只需要監視設備的運行狀西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 8 態。所以勞動強度很低。 6.適應能力強 數控加工系統就象計算機一樣，可以通過調整部分參數達到修改或改變其運作方式，因此加工的范圍可以得到很大的擴展。 1.2國內外現狀 從生產中可以看出， CAM 技術對企業的影響舉足輕重，可以極大的提高企業的市場競爭力。但是，由于我國計算機軟件行業發展滯后，受到 CAM 軟件的限制，盡管 CAM 技術在國外已有大量的科研人員進行研究，并不 斷的有新成果出現，而我國在 CAM 技術領域方面的研究卻不是很成熟。這對我國原本落后的制造業的發展極為不利。制造業不僅僅是一個國家的國民經濟的支柱，更是國力強弱的象征，對其在世界上的政治和經濟地位都有著決定性的影響。為了適應制造技術今后的發展趨勢，有必要針對其進行研究，使我國的制造技術再上一個新臺階，達到國際先進水平，并為我國制造業的發展提供一條新途徑。 1.3論文的章節安排 根據論文選題的要求，作者在近三個月的論文階段，基于 CATIA 軟件 平臺，在導師的認真指導下完成了大量的工作，對計算機輔助數控加工 進行 了深入的研究，在此基礎上并對 空多腔類典型零件進行加工及數控機床仿真 。這些內容在論文中都得到了充分的反映，論文內容的章節安排如下： 緒論 CATIA 軟件的主要功能介紹 數控加工關鍵技術的研究 航空多腔類典型零件加工 數控機床 VERICUT 仿真 的研究 總結與展望 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 9 第二章 CATIA軟件的主要功能介紹 2.1 CATIA軟件簡介 模塊化的 CATIA 系列產品旨在滿足客戶在產品開發活動中的需要，包括風格和外型設計、機械設計、設備與系統工程、管理數字樣機、機械加工、分析和模擬。 CATIA 產 品基于開放式可擴展的 V5 架構。 通過使企業能夠重用產品設計知識，縮短開發周期， CATIA 解決方案加快企業對市場的需求的反應。自 1999 年以來，市場上廣泛采用它的數字樣機流程，從而使之成為世界上最常用的產品開發系統。 CATIA 系列產品已經在七大領域里成為首要的 3D 設計和模擬解決方案： 汽車 、航空航天、船舶制造、廠房設計、電力與電子、消費品和通用機械制造。 CATIA 先進的混合建模技術 設計對象 的混合建模：在 CATIA 的設計環境 圖 2-1 中，無論是實體還是 曲面 ，做到了真正的互操作。 圖 2-1 CATIA 建模環境 變量和參數化混合建模：在設計時，設計者不必考慮如何 參數化設計 目標，西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 10 CATIA 提供了變量驅動及后參數化能力。 幾何 和智能工程混合建模：對于一個企業，可以將企業多年的經驗積累到CATIA 的知識庫中，用于指導本企業新手，或指導新車型的開發，加速新型號推向市場的時間。 CATIA 具有在整個產品周期內的方便的修改能力，尤其是后期修改性 無論是實體建模還是 曲面造型 ，由于 CATIA 提供了智能化的樹結構，用戶可方便快捷的對產品進行重復修改，即使是在設計的最后階段需要做重大的修改，或者是對原有方案的更新換代，對于 CATIA 來說，都是非常容易的事。 2.2 CATIA V5功能模塊簡介 在 CATIA V5 R20 中共有 13 個模組，分別是：基礎結構、機械設計、形狀、分析與模擬、 AEC 工廠、加工、數字化裝配、設備與系統、制造的數字化處理、加工模擬、人機工程學設計與分析、知識工程模 塊和 ENOVIA V5 VPM(圖 2-2)，各個模組里又有一個到幾十個不同的模塊。認識 CATIA 中的模塊，可以快速的了解它的主要功能，下面將介紹 CATIA V5 R20 中的一些主要模組。 圖 2-2 CATIA V5 R20 中的模組菜單 1.“基礎結構 ”模組 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 11 “基礎結構 ”模組主要包括產品結構、材料庫、 CATIA 不同版本之間的轉換、圖片制作、實時渲染 (Real Time Rendering)等基礎模塊。 2.“機械設計 ”模組 從概念到細節設計，再到實際生產， CATIA V5 的 “機械設計 ”模 組可加速產品設計的核心活動。 “機械設計 ”模組還可以通過專用的應用程序來滿足鈑金與模具制造商的需求，已大幅提升其生產力并縮短上市時間。 “機械設計 ”模組提供了機械設計中所需要的絕大多數模塊，包括零部件設計、裝配件設計、草圖繪制器、工程制圖、線框和曲面設計等模塊。 3.“形狀 ”模組 CATIA 外形設計和風格造型提供給用戶有創意、易用的產品設計組合，方便用戶進行構建、控制和修改工程曲面和自由曲面，包括了自由曲面造型(freestyle)、汽車白車身設計 (automotive class a)、創成式曲面設 計 (generative shape design)和快速曲面 (quick surface reconstruction)重建等模塊。 “自由曲面造型 ”模塊提供用戶一系列工具，倆定義復雜的曲線和曲面。對的支持使得曲面的建立和修改以及與其他 CAD 系統的數據交換更加輕而易舉。 “汽車白車身設計 ”模塊對設計類似于汽車內部車體面板和車體加強筋這樣復雜的薄板零件提供了新的設計方法。可使設計人員定義并重新使用設計和制造規范，通過 3D 曲線對這些形狀的掃掠，便可自動的生成曲面，從而得到高質量的曲面和表面，并避免了 重復設計，節省了時間。 “創成式曲面設計 ”模塊的特點是通過對設計方法和技術規范的捕捉和重新使用，從而加速設計過程，在曲面技術規范編輯器中隊設計意圖進行捕捉，使用戶在設計周期中的任何時候都能快速方便的實施重大設計更改。 4.“分析與模擬 ”模組 CATIA V5 創成式和基于知識的工程分析解決方案可快速對任何類型的零件或裝配件進行工程分析，基于知識工程的體系結構，可方便的利用分析規則和分析結果優化產品。 5.“AEC工廠 ”模組 “AEC 工廠 ”模組提供了方便的廠房布局設計功能，該模組可以優化 生產設西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 12 備布置，從而達到優化生產過程和產出的目的。 “AEC 工廠 ”模組主要用于處理空間利用和廠房內物品的布置問題，可實現快速的廠房布置和廠房布置的后續工作。 6.“加工 ”模組 CATIA V5 的 “加工 ”模組提供了高效的編程能力及變更管理能力，相對于其他現有的數控加工解決方案，其優點如下： 高效的零件編程能力。 高度自動化和標準化。 高效的變更管理。 優化刀具路徑并縮短加工時間。 減少管理和技能方面的要求。 7.“數字化裝配 ”模組 “數字化裝配 ”模組提供了機構的空間模擬、機構運動、結構優化的功能。 8.“設備與系統 ”模組 “設計與系統 ”模組可用于在 3D 電子樣機配置中模擬復雜電氣、液壓傳動和機械系統的協同設計和集成、優化空間布局。 CATIA V5 的工廠產品模塊可以優化生產設備布置，從而達到優化生產過程和產出的目的，它包括了電氣系統設計、管路設計等模塊。 9.“人機工程學設計與分析 ”模組 “人機工程學設計與分析 ”模組使工作人員與其操作使用的作業工具安全而有效地加以結合，使作業環境更適合工作人員，從而在設計和使用安排上統籌考慮。 “人機工程學設計與分析 ”模組提供了人體模型構造 (human measurements editor)、人體姿態分析 (human podture analysis)、人體行為分析 (human activety analysis)等模塊。 10.“ 知識工程模塊 ” 模組 “ 知識工程模塊 ” 模組可以方便的進行自動設計，同時還可以有效地捕捉和重用知識。 CATIA 曲面設計模塊 CATIA 擁有遠遠強于其競爭對手的 曲面 設計模塊，在此有必要介紹一下： 1.Generic Shape Design 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 13 簡稱 GSD，創成式造型，非常完整的 曲線 操作工具和最基礎的 曲面 構造工具，除了可以完成所有曲線操作以外，可以完成拉伸，旋轉，掃描，邊界填補，橋接 ，修補碎片，拼接， 凸點，裁剪，光順，投影和高級投影，倒角等功能，連續性最高達到 G2，生成封閉片體 Volume，完全達到普通三維 CAD 軟件 曲面造型 功能，比如 Pro/E。完全參數化操作。 2.Free Style Surface 簡稱 FSS,自由風格造型，幾乎完全非參。除了包括 GSD 中的所有功能以外，還可完成諸如 曲面 控制點（可實現多曲面到整個產品外形同步調整控制點、變形），自由約束邊界，去除參數，達到 汽車 A 面標準的曲面 橋接 、倒角、光順等功能，所有命令都可以非常輕松的達到 G2。憑借 GSD 和 FSS， CATIA 曲面 功能已經超越了所有 CAD 軟件 ，甚至同為 汽車 行業競爭對手的 UG NX。 3.Automotive Class A 簡稱 ACA， 汽車 A 級曲面 ，完全非參，此模塊提供了強大的 曲線 曲面編輯功能，和無比強大的一鍵曲面光順功能。幾乎所有命令可達到 G3，而且不破壞原有光順外形。可實現多 曲面 甚至整個產品外形的同步曲面操作（控制點拖動，光順，倒角等）。對于豐田 （圖 2-3） 等對 A 級曲面 要求近乎瘋狂（全 G3 連續等）的要求，可應付自如。目前只有純造型 軟件 ，比如 Alias,Rhino 可以達到這個高度，卻達不到 CATIA 的高精度。 圖 2-3 應用 CATIA 的豐田 F11 4.FreeStyle Sketch Tracer 簡稱 FST，自由風格草圖繪制，可根據產品的三視圖或照片描出基本外形 曲線 。 5.Digitized Shape Editor 簡稱 DSE，數字 曲面 編輯器 ，根據輸入的點云數據，進行采樣，編輯，裁剪已達到最接近產品外形的要求，可生成高質量的 mesh 小三角片體。完全非參。 6.Quick Surface Reconstruction 快 速 曲面 重構，根據輸入的點云數據或者 mesh 以后的小三角片體，提供 各西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 14 種方式生成 曲線 ，以供 曲面造型 ，完全非參。 7.Shape Sculpter 小三角片體外形編輯，可以對小三角片體進行各種操作，功能幾乎強大到與CATIA 曲面 操作相同，完全非參。 8.Automotive BIW Fastening 汽車 白車身緊固，設計汽車白車身各鈑金件之間的焊接方式和焊接 幾何 尺寸。 9.Image & Shape 可以像捏橡皮泥一樣拖動，拉伸，扭轉產品外形、增加 “橡皮泥塊 ”等方式以達到理想的設計外形。可以極其快速的完成產品外形概念設計。 19 包括在 Shape design & Styling 模塊中。 10.Healing Assistant 一個極其強大的 曲面 縫補工具，可以將各種破面缺陷自動找出并縫補。 2.3 CATIA V5軟件的特點 1.重新構造的新一代體系結構 為確保 CATIA 產品系列的發展， CATIA V5 新的體系結構突破傳統的設計技術，采用了新一代的技術和標準，可快速地適應企業的業務發展需求，使客戶具有更大的競爭優勢。 2.支持不同應用層次的可擴充性 CATIA V5 對于開發過程、功能和硬件平臺可以進行靈活的搭配組合，可為產品開發鏈中的每個專業成員配置最合理的解決方案。允許任意配置的解決方案可滿足從最小的供貨商到最大的跨國公司的需要。 3.與 NT和 UNIX硬件平臺的獨立性 CATIA V5 是在 Windows NT 平臺和 UNIX 平臺上開發完成的，并在所有所支持的硬件平臺上具有統一的數據、功能、版本發放日期、操作環境和應用支持。CATIA V5在 Windows平臺的應用可使 設計師 更加簡便地同辦公應用系統共享數據；而 UNIX 平臺上 NT 風格的用戶界面，可使用戶在 UNIX 平臺上高效地處理復雜的工作。 4.專用知識的捕捉和重復使用 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 15 CATIA V5 結合了顯式知識規則的優點，可在設計過程中交互式捕捉設計意圖，定義產品的性能和變化。隱式的經驗知識變成了顯式的專用知識，提高了設計的自動化程度，降低了設計錯誤的風險。 5.給現存客戶平穩升級 CATIA V4 和 V5 具有兼容性，兩個系統可并行使用。對于現有的 CATIA V4用戶， V5 能引領他們邁向 NT 世界。對于新的 CATIA V5 客戶，可充分利用 CATIA V4 成熟的后續應用產品，組成一個完整的產品開發環境。 2.4 CATIA 軟件的競爭優勢 CATIA 的競爭對手包括 UG NX， Pro/E， Topsolid,Cimatron。其中 NX 和 Pro/E與 CATIA可謂 三分天下 。目前 CATIA在設計與 工程軟件 中占有最多的市場份額。這來源于其如此強大的客戶來源和軍工背景。與其競爭對手相比， CATIA 的優勢在于賞心悅目的界面，易用而強大的功能，在 汽車 、航空航天、造船等專用行業強大的功能支持等， IT 老大 IBM 的全球銷售合作。還有很重要的一點，就是來自 CATIA 母公司，達索系統 Dassault Systemes 其他兄弟 軟件 的支持： 1 Delmia，強大的生產線規劃和管理 軟件 ，配合 Catia 完成制造可行性分析和實施； 2 Enovia，強大的數據管理和設計支持系統 3 Smarteam，強大的 PLM 軟件 ，與 UGS Team Center 并列為 PLM 最成功的軟件， PLM 的鼻祖。 4 VPM，設計數據共享平臺，跨國公司各設計中心可使用此 軟件 進行數據和信息狀態共享 5 Solidworks，三維工程 軟件 在全球中端市場的 統治者 ，被達索公司收購后，成為打擊其他中端軟 件的招牌武器，并且有效的支持高端軟件 CATIA 在中低端市場的滲透 6 Abaqus，最強大的 FEM 軟件 之一，優勢是非線性、動態、隱式計算，成為可以有效解決 汽車 與航空航天領域復雜問題的有效工具。 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 16 第三章 數控加工關鍵技術的研究 3.1 數控編程的定義 生成數控機床進行零件加工的數控程序的過程 ，稱為數控編程（ NC programming），有時也稱為零件編程（ part programming）。 數控編程可以手工完成，即手工編程（ manual programming），也可以由計算機輔助完成，即計算機輔助數控編程（ computer aided NC programming）。 采用計算機輔助數控編程需要一套專用的數控編程軟件，現在數控編程軟件主要分為批處理命令方式為主的各種類型的 APT 語言和以 CAD/CAM 軟件為基礎的圖形交互式自動編程如 UG 軟件、 CATIA 軟件等。 3.2 數控編程的基本知識 1.機床、造型、編程坐標系 1）機床坐標系、編程坐標系和造型 (建模 )坐標系三者之間既有聯系又有區別 ,均符合右手規則。 坐標系右手原則（圖 3-1）： 圖 3-1 右手原則 床坐標系 (XncYncZnc)：數控機床本身的坐標系，其方向由生產商設定 , 原點在機床安裝調試中設置 ，一般不做更改。 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 17 機床坐標系（圖 3-2） ： 圖 3-2 機床坐標系 2）造型坐標系 (XYZ) ：設計人員在利用計算機建模時設定的坐標系，其方向原點無任何限制。為了便于編程 計算和檢查加工程序 , 盡量使造型坐標系和編程坐標系重合。 3）編程坐標系 (XmYmZm)：工藝人員在編程時設定的坐標系，其方向必須與機床坐標系一致。 零件的找正： 調整零件的裝夾方向使編程坐標系與機床坐標系平行 ,并找出零件編程坐標系原點 OM 在機床坐標系 XNCYNCZNC 中的坐標位置的過程 ,為零件的找正。編程原點坐標值可記入機床的專用指令（ G54G59） ,自動實現兩坐標間的轉換。如圖 3-3 所示 。 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 18 圖 3-3 加工坐標系 確定編程坐標原點 Om 在加工坐標系中坐標的過程稱為找正。 2.加工精度的影響因素 1） 普通機床：操作者根據工藝規范，制定出加工路線，靠手工 操作和經驗完成。零件精度由機床和操作工人水平決定。 2） 自動仿形：控制依靠凸輪、擋塊或靠模實現。零件精度由機床和輔助工裝決定。 3） NC 機床：工序、走刀路線的規劃、進給、轉速、開停等均由程序控制。零件精度由機床、編程和操作人員水平決定。 3.數控加工的工具 -刀柄與刀具 1）刀柄：主軸與刀具的聯系環節 , 用以夾持刀具 作用：夾持刀具、傳遞扭矩 分類：（ 1）普通刀柄 （ 2）液壓刀柄 （ 3）熱脹刀柄 2）刀具的類型 銑刀類型：平底刀 球頭刀 環形刀 錐形刀 鼓形刀等 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 19 刀具的旋向：刀具是右旋的 3）刀位點：刀具的基準點刀尖或刀心 如圖 3-4 圖 3-4 刀位點 4.刀具補償功能 刀具補償一般包括刀具長度補償和刀具半徑補償。前者使刀具垂直于走刀平面偏移一個刀具長度修正值；后者可以使刀具在二維加工平面內相對編程數據軌跡偏移一個刀具半徑修正值。 1） 刀具半徑補償 刀具半徑補償：可根據零件的實際輪廓編 制程序，加工時數控系統使刀具中心自動偏置一個刀具半徑，從而加工出理論輪廓零件，把數控系統的這一功能稱之為刀具半徑補償功能。 加工外輪廓時，刀具中心向零件輪廓外方向偏置一刀具半徑值。 如圖 3-5、圖3-6. 圖 3-5 右刀補 圖 3-6 左刀補 刀具補償功能帶來的優點： a）減少編程人員工作量。 b）可提高程序使用自由度。 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 20 c）可部分解決刀具磨損問題。 d）可提高零件的加工精度。 e）可降低對刀具精度的要求 。 刀具半徑補償有左偏刀補和右偏刀補兩種方式： a）左偏刀補：沿著刀具運動方向看，刀具始終在被加工輪廓的左側 b）右偏刀補：沿著刀具運動方向看，刀具始終在被加工輪廓的右側 2)刀具長度補償 刀具長度補償（刀長補償）：數控系統允許修改刀具的實際長度值，從而使刀具實際加工的位置比理論位置抬高或下降一高度，把數控系統的這一功能稱之為刀具長度補償功能。 優點：可方便實現零件的分層加工，簡化編程。 5.數控加工的過程： 如圖 3-7 圖 3-7 加工流程圖 3.3數控編程的工藝處理 1.認真分析零件圖紙 ，明確加工內容和技術要求 （ 1）加工部位。 （ 2）精度要求（決定加工方案）：公差、對稱度、同心度、表面粗糙度等。 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 21 （ 3）加工基準 -要求加工基準能夠找正 , 否則必須采取特殊的工藝措施。 （ 4）毛坯狀態 -鑄件、鍛件、焊接件、材料類別。 2.制定加工方案，選擇加工機床類型 在滿足精度和工期的要求下 , 盡可能選用低坐標數的低成本 NC 機床完 成加工任務。 3.確定零件的裝夾方式 （ 1）夾具的作用：將零件固定在工作臺上以進行加工。 （ 2）選擇夾具時注意事項： 保證加工零件時的開敞性和穩定性。 （ 3）夾具的類型： a.組合夾具：可根據被加工零件的特點由通用元件拼裝組合出不同類型的夾 具。 優點 : 重復使用、效率高、生產準備周期短。 b.真空 (磁力 )平臺裝夾：零件與工作臺間抽真空，形成壓緊力。 優點 :裝夾快，工件夾持均勻，開敞性好。 c.專用夾具：為加工某種零件而特制的夾具。 4.確定加工坐標系原點 (1)坐標系原點定義： 加工坐標系原點是數控加工中刀具運動的基準點。程序中刀 位點的坐 標計算以該點為基準，所以也稱為程序原點。 它可以設在零件面上、夾具表面上或機床工作臺面上，但必須與零件 的定位基準有已知的準確關系。程序原點應盡量選擇在零件的設計基準或 工藝基準上。 (2)確定原則： 便于數學處理，簡化程序 機床上易找正 加工過程易于檢查 5.走刀路線的選擇 1)走刀路線的規劃 走刀路線是指數控加工過程中刀位點相對于被加工工件的運動軌跡。 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 22 走刀路線的分類： （ 1）之字 形 Zig-zag （ 2）回字形 Follow periphery （ 3）單行 Zig 2)走到路線的選擇 走刀路線是指數控加工過程中刀位點相對于被加工工件的 運動軌跡。 （ 1）確定走刀路線的原則： a. 保證零件的加工精度和光潔度 b. 方便數值計算，減少程序段數 c. 縮短走刀路線，減少空程 d. 易于增加零件剛性 e盡量避免刀具在加工中向下 f. 刀具軌跡變化盡量做到平緩 g. 精加工最好采用順銑 （ 2) 逆銑和順銑 定義： 逆銑 :如果刀具的切削方向和刀具的前進方向相同 ； 順銑 :如果刀具的切削方向和刀具的前進方向相反。 順逆銑的加工特點： 逆銑：一般加工啃刀，加工易產生過切； 順銑：一般加工讓刀，加工不到位。 6.刀具的選擇 數控加工對刀具的要求很高。不僅要剛度好、精度好，還要使用壽命長。 材料 : 優質高速鋼 ,硬質合金 ,耐磨涂層 ,陶瓷材料等 類別 : 種類繁多 （ 1）整體刀具：如立銑刀用于銑削平面零件的周邊輪廓，球頭刀、 環形刀、 鼓形刀和錐形刀用于數控加工型面。 （ 2）可轉位刀具：刀體與刀片分開，刀片一般采用粉末壓鑄而成，并帶有涂 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 23 層（ CVD， PVD，金屬陶瓷， PCBN）。 （ 3）刀具的選擇原則： a.刀具半徑 R 應小于零件 內輪廓的最小曲率半徑，約為 (0.80.9） Rmin。 b.切削深度取 (1/4 1/2)D，以保證刀具有足夠的加工剛度。 7.確定加工用量 加工用量包括切削深度和寬度、主軸轉速、進給速度等。 (1)切削深度的 確定 主要根據機床、工件和刀具的剛度決定。 a.機床、工件和刀具的剛度越好，切深可越大。 b.若機床、工件、刀具的剛性允許，如果能一次切完，可留 0.20.5mm 余量再精加工一次，以提高零件的光潔度和精度。 c.若剛性不允許，切削寬度、深度越大，則切削力、殘余應力、振動越大， 加工表面光潔度、精度越低。 (2)切削寬度：加工時每相鄰兩刀之間的距離 L，又稱為行距。 a.粗加工切削寬度由刀具、機床、零件的剛性決定； b.精加工可根據零件的粗糙度計算確定。 要降低表面粗糙度，可縮小行距，但加工效率降低；因此在保證行 距不變的前提下，應選擇較大半徑的刀具 ,可明顯降低殘留高度。 (3)轉速 (S)的確定： 如果有切削參數庫，可直接查切削參數庫； 否則，根據實際經驗 ,并配合刀具廠家提供的刀具切削線速度 vc (m/min) 查表計算來確定。 主軸轉速 n (r/min)根據允許的切削速度 vc (m/min)選取 1000 cvnD D-工件或刀具的直徑 (mm) （ 4）進給速度（量） F (mm/min) a.定義：刀具基準點每分鐘移動的路徑之和。 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 24 b.進給量確定：根據零件的加工精度、表面光潔度、切削深度、寬度以 及刀具和工件材料而選擇。 c.控制方式： I. 編程人員在程序中給定一個值； II. 操作人員可根據實際情況用倍率調節旋扭進行調 節 。 8.程序編制過程中的誤差控制 程序編制中的誤差主要有三部分組成： （ 1）逼近誤差 ：用近似方程所表述的形狀與原始零件之間的誤差。 （一次逼近誤差） （ 2）插補誤差：用直線或圓弧段逼近零件輪廓曲線所產生的編程誤差。 （ 3）圓整化誤差：這是將工件尺寸換算成機床的脈沖當量時由于圓整化所產 生的誤差。 刀位文件： . N896 G00 X156.1 Y-245.858 S1800 M03 N897 G43 Z15. H2 N898 Z4.342 N899 G01 Y-260. Z-9.8 F200. . 數控加工指令 . N900 Y-192.286 F1500. N901 Y-184.621 Z-10.051 N902 Y-176.319 Z-10.894 N903 Y-176.185 Z-10.913 N904 Y-168.084 Z-12.338 N905 Y-48.394 Z-38.102 N906 Y-44.533 Z-38.826 N907 Y-38.44 Z-39.555 N908 Y-32.409 Z-39.8 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 25 N909 Y259.99 3.4數控加工的誤差來源 1.編程誤差 2.數控 機床帶來的誤差 3.環境帶來的誤差 4.裝夾找正帶來的誤差 5.刀具帶來的誤差 6.加工工藝方法帶來的誤差 3.5數控程序的格式及功能字 1.數控加工程序的結構 所謂數控加工程序，就是用數控機床輸入信息規定的自動控制語言和格式來表示的一套可使數控機床實現對零件自動加工的指令。它是機床數控系統的應用軟件，加工程序中包含的工藝及技術信息包括：工藝過程、切削參數、刀具位移與方向，其它輔助動作（換刀、換向、冷卻、啟停等）及各動作順序等。 數控程序控制指令格式國際上雖 作過統一規定，但并未作到統一，各個國家和廠家并不相同： 系統開發商有自己的傳統和習慣 新功能的不斷開發和出現。 但基本格式和指令相同： N G X Y Z 其它指令 ABC 或 PQR 輔助功能 FST MCR N -程序段編號，為了方便檢索。編號可以不連續 ,有時可以不要。 G -準備功能字，用來描述機床的動作類型 G01 表示直線插補 ； 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 26 G02 表示順時針圓弧插補 ； G03 表示逆時針圓弧插補； G17、 G18、 G19 坐標平面選擇指令 用以選擇圓弧插補、刀具補償的平面。 G17 指定 XOY 平面； G18 指定 XOZ 平面； G19 指定 YOZ 平面； 刀補指令： G40、 G41、 G42 G41 左偏刀補； G42 右偏刀補； G40 取消刀補； G00（ G0）：快速走刀指令； G90 表示絕對坐標編程 ； G91 表示相對坐標編程等 M-輔助功能字，控制機床的輔助動作 . M00-程序暫停 (刀具、鉆頭上有鐵屑，可以去掉 ) M03、 M04 、 M05主軸正轉、反轉、停轉指令 M08-打開冷卻液 M13-打開冷卻液并啟動主軸 M06-自動換刀 M66-手動換刀 M30-主軸停止，關冷卻液，程序結束 2.常用功能字 在數控加工程序中，描述數控機床的運動方式，加工種類，主軸的開、停、換向，冷卻液的開、關，刀具的更換，運動部件的夾緊與松開等常用的指令稱為工藝指令。工藝指令包括準備性工藝指令（ G 指令）和輔助性工藝指令（ M 指令）兩類，它們是程序編制中最常用的指令。 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 27 準備功能 G指令 由字母 G 及其后的二位（目前已出現三位）數字組成。 G 指令的主要作用是指定數控機床運動方式，為數控系統的插補運算作好準備。 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 28 第四章 航空多腔類典型零件加工的研究 本章研究的主要內容：加工方法的選擇、刀具路徑的優化、幾何參數和刀具參數的選擇，以提高加工精度和切削效率。從而制定出一套切實可行的三軸型面加工方法。 本論文使用一個航空 多 腔類典 型 零件 模型進行研究，下圖為航空 多 腔類典 型零件 的零件圖（圖 4-1）以及毛坯圖（圖 4-2）。 圖 4-1 零件圖 圖 4-2 毛培圖 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 29 4.1 引入零件及進入加工模塊 粗加工的目的是將毛培的大部分 材料切除，去除大量的工件材料，留少量余量以備進行精加工，可以提高加工效率、減少加工時間、降低成本并提高經濟效率。 打開已經建立好的零件模型（圖 4-3），點擊 board，進入加工模塊。打開文件出現如圖 4-1 所示零件，點擊 “開始 ”，在 “加工 ”欄選擇 surface machining 如圖 4-4 所示。 圖 4-3 開始 圖 4-4 曲面加工 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 30 4.2 創建零件毛培 在工具欄中點 ，出現 rough stock 的對話框，如圖 4-5 所示 圖 4-5 設定毛坯 Destination 選零件 ， Part Body 選零件幾何體，如圖 4-6 確定尺寸，然后選擇確定。 圖 4-6 毛坯尺寸 4.3 零件定義操作 在定義零件操作之前，先在零件表面定義一個原點。點擊特征樹 board 之前的加號，展開子菜單，選擇零件幾何體，單擊，工具欄發生變化，選擇做點工具，出現如圖 4-7 所示點定義菜單。 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 31 圖 4-7 點定義 點類型選擇之間，點 1 選毛培的左上角點，點 2 選擇毛培右上角點，確定，這樣就產生了一個在毛培上表面正中間的點， 在特征樹中雙擊 “Part Operation.1”，系統彈出如 圖 4-8 所示 “Part Operation”對話框。 圖 4-8 操作框 圖 4.3.3 所示的 “Part Operation”對話框中各按鈕的說明如下。 按鈕：用于選擇數控機床和設置機床參數。 按鈕：設定加工坐標系。 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 32 按鈕：加入一個裝配模型文件或一個加工目標模型文件。 按鈕：選擇目標加工文件。 按鈕：選擇毛坯零件。 按鈕：選擇夾具。 按鈕：設定安全平面。 按鈕：選定 5 個平面定義一個整體的阻礙體。 按鈕：選定一個平面作為零件整體移動平面。 按鈕：選 定一個平面作為零件整體旋轉平面。 1.機床的設置 單擊 “Part Operation”對話框中的 按鈕，彈出對話框如圖 4-9 所示 圖 4-9 選擇機床 單擊其中的 3-axis Machine 按鈕 ，保持系統默認設置，然后確認，完成機西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 33 床設置。 2.定義坐標系 單擊 “Part Operation”對話框中的 按鈕，出現如圖 4-10 所示對話框。 圖 4-10 定義坐標系 Axis Name 定義為 “Machine axis.1”，選擇軸原點，選剛剛建立的表面中點為原點， X 軸為（ 0,0,-1）， Z 軸為（ 1,0,0），確定。 3.定義加工目標零件 單擊 “Part Operation”對話框中的 按鈕，再單擊零件作為目標加工零件。在圖形區雙擊鼠標左鍵，系統回到 “Part Operation”對話框。 4.定義毛培零件 單擊 “Part Operation”對話框中的 按鈕，再單擊所示特征樹的。 5.定義安全平面 單擊 “Part Operation” 對話框中的 按鈕，將鼠標放到特征樹的上，選擇隱藏。選擇零件的最高平面，單擊鼠標右鍵，選擇 offset，thickness 設置為 40mm。 毛坯零件定義完成，在圖形區雙擊鼠標左鍵，系統回到 “Part Operation”對話框。如圖 4-11 所示，點確定。 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 34 圖 4-11 操作框 4.4 零件區域粗加工（ Roughing） 鼠標單擊特征樹的 Manufacturing Program.1，單擊菜單插入 Roughing OperationRoughing 如圖 4-12 所示，進行零件表面粗加工，彈出 Roughing.1 對話框，如圖 4-13 所示 圖 4-12 銑平面 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 35 圖 4-13 加工區域 圖 4.4.2 對話框中部分選項卡說明如下： ：刀具路徑參數選項卡。 ：幾何參數選項卡。 ：刀具參數選項卡。 ：進給率選項卡。 ：進刀 /退刀路徑選項卡。 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 36 1.幾何參數定義 選擇要加工平面， 菜單下，單擊對話框中間紅色的面，對話框消失，選擇零件幾何體，鼠標雙擊空白處，消失的對話框再次出現，此時剛才紅色的面變為綠色。 Position 選為 On 2.刀具參數定義 單擊 定義刀具，直徑改為 D 30，把 Ballend tool 之前的對勾點掉，單擊 More 按鈕 ，彈出子菜單，如圖 4-14 所示 圖 4-14 刀具尺寸 Nominal diameter 改為 30mm， Corner radius 改為 0mm， Body diameter 改為 30mm。 3.刀具路徑定義 單擊 按鈕，出現如 圖 4-15 所示菜單， Tool path style 選擇 Zig-zag（之字形加工）。 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 37 圖 4-15 刀具參數 4.仿真 單擊 進行仿真模擬，出現如圖 4-16 所示對話框，單擊 ，進行觀看，可以拉動進度條把加工速度調快，結果如圖 4-17 所示。 圖 4-16 仿真對話框 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 38 圖 4-17 仿真結果 4.5 零件區域 半精加工（ Sweeping） 單擊插入， Machining OperationsSweeping OperationsSweeping 如圖 4-18所示，彈出對話框 Sweeping.1 圖 4-18 掃描加工 1.刀具路徑定義 菜單下， Tool path sryle 選 Zig-zag，其余保持默認值。 2.幾何參數定義 菜單下，紅色平面選擇零件幾何體，限制線選凹槽輪廓如圖 4-19 所示， Side to machine 選 outside，其余保持默認值。 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 39 圖 4-19 加工區域 3.刀具參數定義 刀具菜單下， Name 改為 T2 End Mill D 16，球頭刀，單擊 more， Nominal diamerter 改為 16mm Corner radius 自動改為 8mm Body diameter 改為 30mm 4.仿真 單擊 觀察刀路，如圖 4-20 所示 西北工業大學明德學院本科畢業設計論文 40 圖 4-20 刀路軌跡 選 進行仿真。結果如圖 4-21 所示 圖 4-21 加工結果 4.6 零件凹槽內掃描加工（ Sweeping） 單擊插入， Machining