基于CimatronE的自動閥頂蓋型芯的數控加工

王玉闖，劉德平，馬龍杰

(鄭州大學 機械工程學院，鄭州　450001)

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基于CimatronE的自動閥頂蓋型芯的數控加工

王玉闖，劉德平，馬龍杰

(鄭州大學 機械工程學院，鄭州450001)

利用cimatronE的三維造型、數控加工仿真和自動編程的功能，實現了對自動閥頂蓋型芯的加工仿真和程序生成。并且通過對加工過程中工步順序的調整以及刀具半徑參數的優化，提高了數控加工仿真的加工精度和零件的表面質量，從而驗證了合理的安排銑削步驟和適當的刀具半徑都能夠提高加工精度，可以更好的改善零件的表面質量。為工程中同類零件的數控加工提供了一定的參考價值。

cimatronE；數控加工；自動編程

0　引言

隨著科技的進步，出現了很多集設計、數控加工仿真于一體的CAD/CAM軟件，大大簡化了傳統設計和制造中的麻煩。傳統的方法對零件進行設計分析并進行手工編程的方法已經不能滿足現在制造技術高速發展的要求。而CimatronE正是這樣一款軟件，以三維主模型為基礎，具有強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、向模具行業和機械設計制造行業提供CAD/CAM軟件的開發者和供應商，也是這個行業的技術和產品創新的領導者。運用Cimatron可以讓設計、數控編程和仿真加工等過程在電腦中完成既擁有零件的設計、自動編程、數控加工仿真的功能，又可以檢測加工中是否存在干涉和過切現象以及刀具是否合適等問題。自動閥的型芯模具雖然不大，但是其內壁在加工時精度要求較高，加上其具有復雜的曲面，用傳統的手工編程無法快速實現，因此須借助CAM軟件實現自動編程，而數控加工編程中切削用量、加工余量、走刀方式、進退刀方式、編程零點和加工坐標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、表面加工質量。所以采用零件的模擬數控加工，可以用來檢測刀具的路徑在數控設備中加工時是否存在過切和干涉，設備運行時動作是否正確，使用的工藝參數設置是否合理。通過設定毛坯的形狀、大小及顏色等，可在計算機上觀察到模擬的切削加工過程。而在模擬數控加工的同時，可以檢測出加工中可能會出現的干涉、碰撞和過切等問題, 并且可以找出發生的錯誤在刀具路徑文件中的位置，這樣不僅可以省去試切的過程，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、側邊外輪廓的銑削。其中將工件坐標系設置在毛坯的對稱中心及自動閥型芯工件與底座相交的表面。

此工件以底面作為固定面，裝夾在工作臺上，自動閥的型芯模具雖然不大，但是其內壁在加工時精度要求較高。根據對自動閥型芯結構的分析和模具的特點，首先采用體積銑中的環繞粗銑和二次開粗的加工方式，實現對大部分材料的銑削，然后選擇曲面銑削加工所有的面和根據角度精銑的加工方式實現對整體曲面的銑削加工，最后針對局部進行清根的方式進行銑削。具體分以下步驟如表1所示參數對零件進行加工。

表1　數控加工參數表

2　零件的三維實體造型

根據零件圖用cimatronE的三維實體造型功能得到三維實體后，再對其分模，自動閥頂蓋型芯如圖1所示(此過程也可通過其他三維軟件進行實體造型，之后導入到cimatronE中進行分模、仿真加工與生成數控程序)。

圖1　自動閥頂蓋型芯

3　零件的數控加工

用CimatronE設計的三維圖形，經過保存之后可以直接導入到數控加工界面。本例對零件的加工主要是用四種刀具：一是直徑為φ15R0.5的牛鼻銑刀進行毛坯的粗加工、二是直徑為φ6R0.5的牛鼻刀對零件進行二次開粗、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程主要采用cimatronE的3軸加工的方法，在加工過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、全面的運用了cimatronE的3軸數控仿真加工的功能。

3.1刀具路徑的生成與檢驗

在實際仿真加工之前，為了確保數控程序的正確性和安全性，必須對生成的刀具軌跡進行反復的檢查、校驗，主要有刀具路徑在加工中是否存在干涉、過切以及刀具的選用是否合適等問題。應該針對這些問題做嚴格的檢查，檢查的方法是通過觀察刀具路徑的軌跡等。

根據表1選擇序號1所對應機床參數對毛坯進行粗加工：體積銑-環繞粗銑。其中刀具軌跡參數設置如圖2所示(其中機床參數中冷卻液關閉)。

圖2　環繞粗切刀軌參數

其他參數選擇默認，系統自動計算生成的刀具軌跡路徑如圖3所示。

圖3　環繞粗銑刀具軌跡示意圖

根據表1選擇序號2所對應機床參數進行設置。其中刀具軌跡參數設置如圖4所示(其中機床參數中冷卻液關閉)，其他參數選擇默認，自動計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

圖5　二次開粗刀具軌跡示意圖

根據表1選擇序號3所對應機床參數進行設置。其中刀具軌跡參數設置如下圖6所示(其中機床參數中冷卻液關閉)，其他參數選擇默認，系統自動計算生成的刀具軌跡路徑如圖7所示。

圖6　根據角度精銑刀軌參數

圖7　根據角度精銑刀具軌跡示意圖

根據表1選擇序號4所對應機床參數進行設置。其中刀具軌跡參數設置如圖8所示(其中機床參數中冷卻液關閉)，其他參數選擇默認，系統自動計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

圖9　精銑所有刀路刀具軌跡示意圖

根據表1選擇序號5所對應機床參數進行設置。其中刀具軌跡參數設置如圖10所示(其中機床參數中冷卻液關閉)，其他參數選擇默認，系統自動計算生成的刀具軌跡路徑如圖11所示。

圖10　清根刀軌參數

圖11　清根刀具軌跡示意圖

3.2加工后的效果

根據以上所有工步和生成的刀路軌跡，檢查無誤后，進行數控仿真加工。仿真界面如圖12所示。

圖12　自動閥頂蓋型芯仿真界面

對零件的所有工步進行數控加工仿真后，效果圖如圖13所示。

圖13　自動閥頂蓋型芯仿真結果

從圖13仿真結果可以看出，所加工的自動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粗糙，可見此次加工仿真效果并不太真實，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、機床、主軸轉速、進給速度等等。從上圖仿真結果可以看出加工的表面不是太理想。就本例來說，影響的因素有2方面：(1)加工工藝的安排：現代化的數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化成工序集中。當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，還有利于提高生產效率等特點。此零件采用工序集中對零件進行加工，前兩步是粗加工，緊接著兩步是精加，最后是清角加工。根據角度精銑是通過設置斜率限制角度來將曲面按傾斜程度進行區分，分別創建精加工程序，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已選擇的曲面加工所有的曲面。顯然根據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：在精加工過程中，在相同的Z軸最大進給量下，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的表面太過粗糙的狀況。

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

圖14　調整刀具直徑后的自動閥頂蓋型芯的仿真結果

再把上述所提到的根據角度精銑和精銑所有刀路進行調整，另外把兩步中參數設置中的公差和表面余量的零件加工余量對調，其他參數及類型不做調整，所得仿真結果如圖15所示。

圖15　對調兩個工步后的自動閥頂蓋型芯的仿真結果

3.4數控程序的生成

所有工步的仿真加工完成后，檢查所有刀具路徑沒有干涉和過切現象且符合加工的條件之后，即可進行后置處理，點擊NC環境下的postprocess，顯示如圖16所示的對話框。

圖16　后置處理對話框

從上到下依次點擊如圖16中橢圓所指示位置即可出現加工程序如下所示：

%

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　結果對比

通過以上三次仿真結果的對比(圖13～圖15)可以看出，對調兩個工步后仿真加工后的表面質量比前兩次的仿真后的表面質量有所提高，對比該零件的三維模型可以看出仿真結果已經接近實體了?？梢钥闯鲈谠摾抡婕庸さ木庸ぶ?，減小刀具的直徑可以提高表面的精度，但是不如通過加工順序的合理安排來提高加工精度更加合理、有效。

5　總結

(1)通過對該零件進行三維設計、數控加工并最終實現自動編程，系統的介紹了運用cimatronE三維軟件進行輔助設計和制造的方法。

(2)利用cimatronE的刀具軌跡生成功能對零件進行仿真和軌跡檢驗，可以大大縮短了零件在設計和生產過程的周期，并且提高了工作效率，從而可以滿足現在制造技術高速發展的要求。

(3)通過此例子可以知道，在仿真加工中，合理的安排銑削步驟和適當的刀具半徑都能夠提高零件的加工精度，可以更好的改善零件的表面質量，為工程中同類零件的數控加工提供了一定的參考價值。

(4)零件的仿真加工和數控編程，在此過程中要及時對發現的問題進行反復的修改和驗證，及時調整參數，反復進行計算、檢驗，直到準確無誤為止。

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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，鄭州大學碩士研究生，研究方向為數控加工、自動化、機電一體化，(E-mail)wychuangzzu0319@163.com。

TH166;TG659

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