基于MC的高速切削加工应用及仿真毕业设计(论文) .docx
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1、编号: 毕业设计(论文)题 目: 基于MasterCam高速切削 加工应用及仿真 学院: 机电工程学院 专 业: 机械设计制造及其自动化 题目类型:理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2012年12月13日摘 要高速切削加工是近年来迅速发展起来的先进制造技术,合理且科学的应用高速加工技术,已经成为提高加工效率、提高加工质量、缩短加工时间的重要加工方法之一。它是一种用比常规切削高几倍的切削速度进行的切削加工的高效的新技术。高速切削加工现在已经广泛应用于模具制造、航空航天制造、精密零件加工等领域,可以对有色金属、铸铁、钢、纤维强化复合材料等进行高效加工,还可以用于切削加工各种难以
2、加工的材料。但是由于高速切削的特殊性和控制的复杂性,在高速加工的条件下,使用传统的NC程序已经难以满足要求了。为了高效、高质量的实现高速切削加工,非常有必要采用CAD/CAM软件进行编程,而MasterCAM软件在有关高速加工的模块中,提供了不同加工区域的加工策略和连接方式选项,且生产的速度较快。本文主要基于MasterCam软件中的2D High Speed Toolpaths(2D高速路径)和Surface High Speed Toolpaths(曲面高速路径)两类高速加工功能,研究探讨高速加工的刀具路径和实体零件的自动数控编程。首先,使用Solidworks软件中完成实体零件的特征建模
3、,将模型导入至Mastercam软件,然后,设置零件的毛坯尺寸及高速加工策略及参数,在指定的机床上自动生成零件各加工区域的二维或三维刀具路径,最后利用数控加工仿真验证了自动生成的高速切削的NC刀具轨迹。关键字:高速切削;高效;高质量;刀具路径;MasterCAM;加工仿真AbstractHigh-speed machining is developed rapidly in recent years, advanced manufacturing technology, reasonable and scientific applications high-speed processing t
4、echnology has become to improve processing efficiency, improve processing quality, shorten the processing time is one of the important processing methods. It is a several times higher than with conventional cutting speed for cutting machining and efficient technology. High-speed machining is now wid
5、ely used in mold manufacturing, aerospace manufacturing, precision machining parts and other fields, can be non-ferrous metals, cast iron, steel, fiber-reinforced composite materials for efficient processing, but also can be used for cutting various hard machining materials. However, due to the char
6、acteristic of high-speed cutting and control complexity, high-speed processing conditions, using conventional NC program has been difficult to meet the requirements. For efficient, high-quality high-speed machining, very necessary to use CAD / CAM software for programming, and MasterCAM software mod
7、ule for high-speed machining, machining area provides a different processing strategies and connectivity options, and the production rate rapidly. This article is mainly based on MasterCam software 2D High Speed Toolpaths (2D high-speed path) and Surface High Speed Toolpaths (curved high-speed path)
8、 two high-speed processing capabilities, to analyze high-speed machining tool path and physical parts of automatic CNC programming. First, the use of Solidworks software features complete body parts modeling, the model is imported into Mastercam software, and then set the part of the rough size and
9、high-speed machining strategies and parameters on the specified machine automatically generate parts of the working area of the two-dimensional or three-dimensional tool paths, and finally the use of CNC machining simulation automatically generated high-speed cutting of NC tool paths.Keywords: high-
10、speed;cutting;Efficient ;High quality ;Toolpaths ;MasterCAM ;Machining simulation目 录1 绪论11.1 数控加工的发展11.2 研究目的、内容12 高速加工12.1 高速切削的概念12.2 高速切削的技术体系22.3 高速切削的关键技术22.3.1 高速切削的机理22.3.2高速切削的刀具技术32.3.3 高速切削的机床技术42.3.4高速切削工艺技术42.3.5 高速加工的测试技术52.3.6 CAD/CAM52.3.7 高速加工的数控编程基本原则52.4 高速切削的特点62.5 高速切削在各个领域的应用72.
11、5.1 高速切削在航空航天工业中的应用72.5.2 高速切削在纤维增强塑料中的应用82.5.3 高速切削在模具制造业中的应用83 MasterCAM软件及其高速加工策略83.1 MasterCAM软件及其系统介绍83.1.1 MasterCAM X5版本介绍83.1.2 CAD/CAM模组93.1.3 机床模拟加工模组93.2 MasterCAM工作流程93.3 高速加工模块113.3.1 2D High Speed Toolpaths的加工策略113.3.2曲面高速加工路径113.4 通过实例分析与对比2D高速路径的加工策略123.4.1 动态轮廓铣削123.4.2中心除料铣削和动态核心铣削
12、133.4.3区域铣削和动态区域铣削143.4.4 残料铣削和动态残料铣削153.4.5剥铣和熔接铣削163.5 通过实例分析与对比3D高速路径的加工策略173.5.1 3D高速加工粗加工策略173.5.2 3D高速加工精加工策略184 应用实例的建模214.1 铝合金薄壁后盖零件的建模214.2 烟灰缸凸模的建模245 应用实例的编程加工与仿真275.1 铝合金薄壁雷达后盖的编程275.1.1加工工艺分析及加工方案拟定275.1.2 铝合金薄壁雷达后盖的编程295.2 烟灰缸凸模的编程325.2.1加工工艺分析及加工方案拟定325.2.2 烟灰缸凸模的数控编程335.3 模拟加工与后处理35
13、5.3.1模拟仿真与后处理操作355.3.2 铝合金薄壁雷达后盖与烟灰缸凸模的仿真参数376 结论37谢 辞39参考文献40附 录411 绪论1.1 数控加工的发展数控加工技术是在二战以后,为了适应复杂的外形零件加工而发展起来的一直自动化加工技术,其研究的起源是飞机制造业。数控加工可以有效地提高生产率、保证加工质量、缩短加工周期、增加生产柔性、实现各种复杂精密零件的自动化加工,并且易于在工厂和车间实行计算机管理。故,它是现在制造业的核心和发展军工业的重要技术,是衡量一个国际工业化水平的重要标志。上世纪20年代德国科学家Saloman先生最早提出了高速加工(High Speed Machinin
14、g,简称HSM)的概念,并在1931年申请了专利。到了上世纪50年代末至60年代初,美国和日本也加入对此领域的研究,在此期间德国已经针对不同的高速切削加工过程及有效的机械结构进行了很多的基础性研究工作。自1979年美国空军和洛克希德飞机公司研制了适用于加工轻合金材料的高速铣削设备,开创了“整体制造法”快速切削大量金属材料的方法之后,高速切削加工技术得到了更进一步的发展和更加广泛的应用。到了上世纪80年代初期,因为飞机制造业为了缩短加工时间以及对一些小型特殊零件的薄壁进行加工而提出了快速铣削的要求,于是将HSM技术真正的应用于实践。1.2 研究目的、内容 本文在MasterCAM基于高速加工软件
15、的模拟操作下,并以高速加工机床:加工中心(Machine Center)实际仿真加工验证,将对MasterCAM的高速加工做一个深入的探讨。首先是对同一简单并具有代表性的实体零件使用不同的加工策略,利用数控加工仿真验证获得NC刀具轨迹及加工参数进行一个针对性的比较,从而得出对某一特征加工最优的加工策略,然后再对某一具体零件根据其各区域不同特征选择各自最优的加工策略,并将其进行全面的加工编程。在进行编程时,可以根据不同的需要进行各自参数的定义,并生成模拟刀具路径,经过验证后可以根据需要对刀具路径进行修改、编辑或者是重新生成,在确定是正确的刀具路径后即可进行后处理编辑,导出程序并传输至加工中心去。
16、2 高速加工2.1 高速切削的概念高速切削概念的提出源于德国切削物理学家萨洛蒙(Salomn)先生的著名切削实验及其物理引。他认为对应一定的工件材料有一个临界切削速度,其切削温度最高。在常规切削范围内(见图2.1A区)切削温度随着切削速度的增大而提高,当切削速度到达临界切削速度后,切削速度再增大切削温度反而下降(见图2.1 )。然而由于受到当时实验条件的限制,这一个理论并不能严格区分切削温度和工件温度的界限。但是,他的思想却给了人们一个非常重要的启示:如果能越过图2.1中的B区,而在高速区(图2.1中的C区)进行切削,则有可能使用现有的刀具进行高速切削,从而大幅度地减少切削工时,成倍或数倍地提
17、高机床的生产率。经过后来从事机械加工研究的人们的不断努力,使这一想法得以实现。 图2.1 高速切削概念的产生到目前为止世界各国对高速切削的速度范围还没有做出明确的定义,通常把切削速度比常规切削速度高510倍以上的切削称为高速切削。不同的材料高速切削速度的范围也不同。常用材料铝合金为10007000m/min,铜为9005000m/min,钢为5002000m/min,灰铸铁为8003000m/min,钛为1001000m/min。加工方式的高速切削速度范围为:车削7007000m/min,钻削1001000m/min,铣削2007000m/min,磨削500010000m/min。与之相对应的
18、进给速度一般为225m/min,高的达6080m/min。2.2 高速切削的技术体系 高速切削技术是一项综合性高技术,按其内容、特点和相互关系可以分为技术原理、基础技术、单元技术和总体技术4个层次,见图2.2。其中技术原理是通过高速切削、磨削实验和理论分析所得到的加工机理,加工过程的变形、力、温度、摩擦和磨损规律等,高速条件下加工系统各部分的稳定性、可靠性以及弹性扩展特性分析。为高速切削技术提出了基本的要求和提供实验与理论依据。基础技术和单元技术是实现高速切削的关键所在,包括材料技术,构件、元件以及部件的设计和制造技术,控制和监测方法。应用了许多技术领域(比如机械、电气、轴承、控制等)的最新技
19、术成果,集中体现了高速切削技术的高性能、高精度、高可靠性和高速度的特点。高速切削的总体技术是各单元技术按其应用特征和技术性能的进一步集成。2.3 高速切削的关键技术2.3.1 高速切削的机理高速切削技术的应用和发展是以高速切削机理为理论基础的。通过对高速加工中切屑形成机理、切削力、切削热、刀具磨损、表面质量等技术的研究,也为开发高速机床、高速加工刀具提供了理论指导。 高速切削机理的研究主要有以下几个方面:(1)、高速切削过程和切削成形机理的研究对高速切削加工中切屑成形机理、切削过程的动态模型、基本切削参数等反映切削过程原理的研究,采用科学实验和计算机模拟仿真两种方法。 (2)、高速加工基本规律
20、的研究对高速切削加工中的切削力、切削温度、刀具磨损、刀具耐用度和加工质量等现象及加工参数对这些现象的影响规律进行研究,提出反映其内在联系的数学模型。 (3)、各种材料的高速切削机理研究由于不同材料在高速切削中表现出不同的特性,所以,要研究各种工程材料在高速切削下的切削机理,包括轻金属材料、钢和铁、复合材料、难加工合金材料等。通过系统的实验研究和分析,建立高速切削数据库,以便指导生产。 (4)、高速切削虚拟技术研究在实验研究的基础上,利用虚拟现实和防真技术,虚拟高速加工过程中刀具和工件相对运动的作用过程,对切屑形成过程进行动态防真,显示加工过程中的热流、相变、温度及应力分布等,预测被加工工件的加
21、工质量,研究切削速度、进给量、刀具和材料以及其他切削参数对加工的影响。2.3.2高速切削的刀具技术高速切削刀具是实现高速加工的关键技术之一。高速加工用刀具单元技术所涉及的关键技术主要有:高速加工用刀具材料及制备技术,高速加工用刀具结构及刀具几何参数的研究等。高速加工刀具必须与工件材料有较少的化学亲和性,具有优良的机械性能、热稳定性、抗冲击和热疲劳特性。一般用于高速切削刀具的材料主要有超细晶粒硬质合金、聚晶金刚石、立方氮化硼、氮化硅陶瓷材料、混合陶瓷和碳(氮)化钛基硬质合金以及用气相沉淀法的超硬材料涂层刀具等。对于高速切削使用的刀具,其结构设计和刀具的装夹结构是非常重要的,要具有可靠的刀体结构和
22、刀片夹紧结构。因此,刀体与刀片之间的连接配合要封闭,刀片夹紧机构要有足够的夹紧力,同时对高速回转刀具还应对动平衡有要求,其次装夹的结构设计必须要有利于迅速换刀并具备广泛的互换性和较高的重复精度。刀具的选择在高速加工中非常重要,不同的刀具参数会直接体现在加工零件的最终加工表面上,所以刀具技术对于数控加工是不可或缺的一个关键技术。2.3.3 高速切削的机床技术实施高速加工技术,首先应有高速加工机床。高速加工机床具有不同于传统数控机床的特点()高速加工机床的主轴部件,要求采用耐高温、高速、能承受大的负荷的轴承,同时主轴动平衡性能好,有良好的热稳定性,能够传递足够的力距和功率且能承受高的离心力。主轴的
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