Mastercam环境下典型零件的计算机辅助设计与制造
江苏省技工院校2012年度机械专业中心教研组优秀教研成果
Mastercam环境下典型零件的计算机辅助设计
与制造
论文摘要：模具的自动编程与加工是针对自动编程在工厂的普及和实际应用而开发。各种曲面综合造型模具的自动编程及数控加工中心的操作加工等。重要的是自动编程软件的应用与工艺处理及数控加工的结合。需要综合运用 机加工、数控、及其他相关学科的知识。从量上来说，由基本的识图读图开始，经过自动编程软件CAD部分的绘图，2维、3维造型，CAM部分的工艺参数选取、后处理对曲面综合零件进行编程与加工。
关键字：洗衣机波轮
前言
模具的自动编程与加工是针对自动编程在工厂的普及和实际应用而开发。为了符合市场需要，适应用人单位现代造型要求，现组织学生学习自动编程造型加工。该课题涉及到的内容有：各种曲面综合造型模具的自动编程及数控加工中心的操作加工等。重要的是自动编程软件的应用与工艺处理及数控加工的结合。需要综合运用 机加工、数控、及其他相关学科的知识。从量上来说，由基本的识图读图开始，经过自动编程软件CAD部分的绘图，2维、3维造型，CAM部分的工艺参数选取、后处理对曲面综合零件进行编程与加工，并提升到理论的高度。通过该课题提高学生对该类复杂综合零件进行适当的工艺调整与数控加工调整的能力，熟练运用自动编程软件对复杂零件进行数控加工，达到高级技能要求。
第一部分 加工方案
§1.1 课题介绍
根据课题设计中所提到的总体理念、及知识点设计课题时需紧扣两点：
一、最大限度的应用所学知识
二、要求产品在保证形状的前提下结合工艺知识确保加工产品的精度。最终选择洗衣机波轮为这次设计的课题。如下图所示：
§1.2 设计思路
模具的自动编程与加工是针对自动编程在工厂中的普及和实际应用。
第一.先经过自动编辑软件CAD部分的绘图，画出洗衣机 波轮的等角视图、左视图、俯视图。第二.2维、3维的造型。第三.CAM部分的工艺参数选取、后处理对曲面综合零件进行编程与加工。其中还牵扯到洗衣机 波轮的具体数据点的计算。在完成以上工作后，利用在后处理中生成的NC程序加工出洗衣机波轮。
§1.3 设计步骤
第一.图形设计部分：
1.工件的尺寸确定洗衣机 波轮的尺寸如下图所示:
第二.建模部分
CAM部分
1、参数的选取
2、后处理程序
3、程序的加工
第二部分 总体设计
§2.1 CAD设计
利用旋转曲面、扫描曲面、昆氏曲面和曲面倒圆角等功能产生洗衣机波轮模型，效果如图所示：
图1-1
洗衣机波轮的绘制步骤 ：
首先应设置构图面为F、视角为F 及Z值为0（即构图深度）
1) 画底面的截面轮廓线
F、F、Z0工作层设定：点击Level(图层)，在Number的文本输入框输入l，回车，在Name的文本输入框输入汉字“线框模型”。
(1)画线Create--Line--Endpoints(绘图--直线--端点式)
输入端点(160，-31)，回车，输入端点(145，-3 1)，回车，按MAIN MENU回主菜单。
(2)画弧Create—Arc—Polar Center pt(绘图--圆弧--极坐标--圆心点)
在提示栏输入圆心坐标(118，-4)，回车(产生圆心点)。
提示栏显示：Enter the radius(输入半径)。输入半径值，44，回车。
Enter the initial angle(输人起始角度)。输入起始角度值180，回车。
Enter the finial angle(输入终止角度)。输入终止角度值360，回车(见图1)。
图1
(3)在提示栏提示：Arc，Polar：Enter the center point(圆弧，极坐标：输入圆心点)。输人圆心坐标(0，-30)，回车(产生圆心点)。
提示栏显示：Enter the radius(输入半径)。输入半径值30，回车。
Enter the initial angle(输入起始角度)。输入起始角度值0，回车。
Enter the finial angle(输入终止角度)。输入终止角度值90，回车。
(4)按Tangent(切弧)，从主菜单栏选择2 entities(切于二个图素)，提示栏提示：
Create -tangent to 2 entities：Enter Radius(生成圆弧，切于二个图素：输入半径)。输人半径值260，回车，选择一个图素(如图3．122中l处)，选择另一个图素(图中2处)，产生8个可能相切的圆弧，选取一个需要的，如图中所示选择图中3处。按MAIN MENU。
(5)修剪，人口路径：Modify--Trim--2 entities(修整--修剪一二个图素)
用鼠标选取图中l处、2处；选取图中3处、4处；选取图中5处、6处。
2)画底面T，I，Z-31
(1)画圆
已知：圆心(0，0)，R152．742，角度O。--360。(见图2)。
Create—Arc--Polar—Center pt(绘图--圆弧--极坐标--圆心点)
提示栏显示：Arc，polar：Enter the center point(圆弧，极坐标：输入圆心点)。
输入圆心坐标(O，0)，回车。
Enter the radius(输入半径)输入152．742，回车。
Enter the initial angle(输入起始角度)输入0。，回车。
Enter the final angle(输入终止角度)输人360。，回车。
图2 R152．742圆
(2)画底面(扫描曲面)
设定图层改为2：点击Level，在Number文本输入框输人2，回车，在Name文本输入框输入“曲面模型1”，点击OK。
create—surface—sweep(绘图--曲面---扫描曲面)。
在主菜单栏提示：
Swept surface：define the across contour(扫描曲面：定义截面轮廓)
选取Chain(串连)点击图3中l处，按End here(结束选择)，仅有一个截面轮廓，按Done(执行)，接受轮廓定义。在主菜单栏提示。
Swept surface：define the along contour(扫描曲面：定义导向曲线)，选single (单体)，点击图中2处，导向曲线定义结束，按Done(执行)，接受轮廓定义。主菜单显示扫描曲面菜单。
选项设定：Tolerance(公差)：O．005，Type(类型)：N，平移／旋转：旋转。
图3
选取Do it（执行）生成扫描曲面
(3) 同理做下面扫描曲面
图4
最终得到图4的底面曲面
3)画叶轮轮廓(线框模型)
单击Level，图层改为l，回车，选取All 0ff(全关)，点击OK，返回绘图界面。
T、I、Z10、画R10、R30圆弧，切于前两圆弧的R234圆弧，修剪。
(1)画R10圆弧
Create--Arc—Polar Center pt(绘图一圆弧一极坐标一圆心点)。
输人圆心坐标(30，0)，回车；输入半径值10，回车；输入起始角度值00，回车；输入终止角度值180。，回车(生成半圆)。
(2)画R30圆弧
输入圆心坐标(124，4)，回车；输入半径值30，回车；输入起始角度值00，回车；输入终止角度值180。；回车(生成半圆，见图5)。
(3)画R10和R30的圆弧的切弧
Backup--Backup--Tangent“2 entities”(回上一步一回上一步一切弧一切于二个图素)。
提示栏提示Create a啦．tangent t0 2 entities：Enter Radius
(生成圆弧，切于二个图素：输入半径)
输入半径值234，回车。提示栏提示：Select Entities(选择图素)。
图5 R10 R30圆弧
选择图6中的1处、2处，产生8个相切圆，选取一个需要的(3处)，点击MAINMENU(回主菜单)。
图6 切于两圆的八个切圆
(4)修剪
Modify---Trim-2 entities(修整--修剪--2个图素)。
选取图中l处、2处；3处、4处。点击MAINMEUN(回主菜单)(见图7)。
(5)T,I，Z10，点击level(图层)，(全开)，点击OK，层l不变。
create—curve Project(绘图--曲面曲线一投影线)。
图7 修剪操作
选取底面(点击图8中1处)，按Done(执行)。选择曲线：选择Chain(串连)，选取图中2处，按Done(执行)。显示投影曲线菜单，如图8。
图8投影线菜单及投影操作
选项设定：View／norm：V，Trim：N，选取D0 it(执行)，接MAIN MENU。
(6) Z20 ,T ,I图层1，画一条辅助用线。
Create---Line--Endpoints(绘图--直线--端点式)。
输入(170，7)，回车，输入(5，7)，回车，生成如图9所示的直线，按MAIN MENU。
(7)操作同(5)。Create-Curve-Project，选取底面(点击图中1处，变色)，按Done。
选取曲线：选择single(单体)，选取图中2处，按Done(执行)。投影曲线菜单，设定选项，然后选取D0 it(执行)。生成投影线。按MAIN MENU。
图9 直线投影操作
隐藏用于投影的辅助线。点击Screen—Blank(屏幕--隐藏)。选取要隐藏的辅助线，按MAIN MENU。点击Level(图层)，按All off(全关)，点击OK，点击刷新键，刷新画面。
(8)T，T，打断图素
Modify--Break--2 pieces(修整--打断--2段)把图形局部放大，如图10所示。
图10 打断图素操作
选取要打断的图素(图中1处)，选择Intersec(交点)，选取图中 2选取图中l处。选取图中4处，把光标移到投影圆弧的端点，当端点出现方框时，按下鼠标左键(即定义端点)，把圆弧在线端点打断。选取图中5处，把光标移到图10所示的投影直线 的端点， 当出现方框时，按下鼠标左键，把圆弧在该端点处打断。按MAIN MENU。 隐藏用于打断 的辅助线。点击Screen--Blank(屏幕---隐藏)。选取要隐藏的辅锄线。
(9)F，T，Z-7，画叶轮顶部轮廓线
Create--Line-Multi(绘图--直线--连续线)。
选取图10中l处(上步打断的点)，输入(77，0)，输入(136，0)，选取图中2处(上步打断的点)，按ESC键。按MAIN MENU。
3D，I，
Create--Fillet(绘图一倒圆角)。
主菜单栏显示倒圆角菜单(见图12)。
图11 画叶轮顶部轮廓线
选项设定：Angle<180：S，Trim：Y
点击Radius输人60，回车，选取图中1处、2处。
点击Radius输入20，回车，选取图中3处、4处。
按MIAN MENU，叶轮顶部轮廓倒圆角后(见图13)
图12倒圆角菜单
图13
(10)镜像叶轮线框模型的另一半
隐藏R152．742的圆和底面的截向 轮廓线。
Screen-~Blank(屏幕一隐藏)，选取R152．742的圆，点击Chain(串连)，选取图13中5处，选取图中6处，按End here(结束选择)，按Done(执行)。按MIAN MENU。
T．I
Xform-Mirror-"Window(转换一镜像一窗口选取)。
用窗口选取全部图形，按Done(执行)。在主菜单栏选取x轴，弹出镜像选择菜单。
选取Copy(复制)，然后点击OK，镜像后的图形见图14，按MAIN MENU。
图14 镜像后的叶轮线框模型
4)生成叶轮曲面
3D，I，点击level(图层)，在Number文本输入框输入3，回车，在Name文本输人框输入“曲面模型2”，选取All 0n，点击层2的Visible(可见层，即关闭2层)，点击OK。
生成昆式曲面(昆式曲面由三块组成，手动方式产生)
Create--Surface--Coons(绘图一曲面一昆式曲面)。
弹出串连对话栏，选择No。
Number of patches in the along direction。输入Along方向的Patches数：输入3，回车。
Number of patches"-in the across direction
输入Across方向的Patches数：输入1，回车。
①定义Along方向Patches数(见图15)。
按single(单体)，选取图中1处；按Mode—Chain一Partial(更换模式--串连--部分)，选取图中2处，把Wait(继续)设定为Y(是)，选取图中3处；按End here–Mode---single，选取图中4处。Mode-Point(更换模式一点)，选取图中5处(交点，出现小方框)；Chian--Partial(串连一部分)；选取图中6处、7处；Mode—Point(结束选择--更换模式---点)，选取图中8处(交点，出现小方框)。
图15 叶轮昆式曲面定义
② 定义Across方向的Patches数。
Chain(串连)选取图中9处，点击End here(结束选择)；选取图中10处，点击End ere(结束选择)选取图中ll处，点击End here(结束选择)，选取图中12处，点击End here(结束选择)。
主菜单显示Chaining complete(串连结束)。按Done(执行)。
主菜单栏显示生成昆式曲面菜单。
图16曲面菜单和叶轮昆式曲面
(2)旋转并复制其余4片叶轮T，I。
Xform—Rtate---All—Surface—Done(转换—旋转— 所有的-- 曲面--执行)输入旋转原点(0，O)，回车。弹出旋转对话栏。选项设定：Copy(复制)；Number of steps(步数)：4；Rotation angle(旋转角度)：72。，OK。旋转复制出其余4片叶轮
点击Level(图层)，选取All on(全开)，点击OK。点击图形最大化显示(见图17)
图17
5)保存图形Fill-Save(文件-- 保存)
在File name（文件名)的文本输入框输入“波轮”。点击Save按钮。
6)着色显示
点击选取Shading acti(着色处理)，选取All 1materi(全部一种材料)。
从中选取一种材料White plastic(白色塑料)，点击OK。
显示着色处理的波轮，(见图18)。
图18洗衣机波轮曲面
结构三视图
§2.2 CAM设计
(1)工艺分析
假定条件：毛坯是粗加工过的∮128 mm×60 mm的圆柱坯料。
材料：45号调质钢HBl80～220。
本工序非最终加工，还需钳工抛光或电火花修整表面，最大残余量不超过0．1。
刀具选用：可用硬质合金或高速钢的立铣刀，考虑到硬质合金刀具容许切削速度高，假设机床刚性较好，可以取较大的进给速度，所以选用整体硬质合金立铣刀，粗铣∮12平头刀，精铣球头刀：直径较小为好，如∮8，但长度不够、刚性差，所以本例选用∮12的。机床刚性好，修正系数取1。
切削用量设定：用查表法确定主轴转速和进给速度。查表16，容许切削速度取V=70m/min，粗加工y=70×70％=49m/min，查表19粗加工每齿进给量取
s：=O．1 mm／齿，精加工每齿进给量Sz=0．1×0．8=0．08 mm／齿。
加工深度：0～48，取每层切削深度5，切削进给宽度4。
走刀方式选择：根据波轮曲面形状，粗加工可选用Parallel(平行铣削)，Radial(放射状)，Pocket(曲面挖槽)这几种方式较好，精加工可选用Parllel、Radial、Scallop(环绕等距)其中的一种方式(本例Scallop方式残余最大值的一致性较好)。本例都选用平行铣削。
(2)调出波轮图，File-Get从MC8目录中点取波轮，点击Open，如图所示。
(3)生成刀具路径及加工程序
Tool paths—Surface(刀具路径--曲面加工)。
粗加工：Rough---Parallel-- Unspecified—All—Surface--Done。
(粗加工---平行铣削--不定义曲面凹凸--所有的--曲面--接受曲面定义)弹出曲面粗加工参数菜单，定义刀具参数，曲面参数，粗加工参数(见下图)。设定完参数，按确定(接受设定的参数)。
提示栏提示：计算机正在进行计算……计算完提示信息消失，生成出粗加工刀具路径。
曲面粗加工参数设定菜单
效果图:
精加工：Finish—Parallel--AⅡ---surface—Done。
(精加工--平行铣削--所有的--曲面加工--接受曲面定义)。
弹出曲面精加工参数菜单，定义刀具参数，曲面参数，(和粗加工相同,除精加工余量为0)精加工参数(见下图)。
设定完参数按确定(接受设定的参数)。
曲面精加工参数设定菜单
提示栏提示：Processing file with MPFAN-··
(计算机正在进行计算…计算完精加工刀具路径全部显示在屏幕上)
(4)后置处理
接BACKUP一Operations弹出操作管理菜单，见下图
按Select All--Post(选取全部刀具路径---进行后处理)
弹出后置处理对话栏(见下图)。
选取Save NCI file，Overwrite和Save NC file，Overwrite，点击OK。
提示栏提示：Processing file with MPFAN…
(计算机正在进行后置处理，处理完提示信息消失)
(5)仿真检验(用实体仿真切削来检验刀具路径
按Verify键，设定毛坯形状尺寸：
选cylinder，Center on axis，Z，在cylinder diameter的文本输入栏输入128。
在Tool栏选Solid tool，在Miscellaneous栏选Cutter Compensation in computer
设定完参数和选项，按OK。
按开始键，就开始实体仿真切削，结果见下图所示。
参考文献
1、何县雄编 《MasterCAM数控加工自动编程范例教程》 化学工业出版社
2、段辉、刘建华、成红梅等编 《Mastercam X5中文版实例教程》 机械工业出版社
3、吴长德编《Master CAM9.0系统学习与实训》 机械工业出版社
Mastercam环境下典型零件的计算机辅助设计与制造.doc
