基于SolidWorks和Mastercam的数控加工方法研究

张爱莲，陈书剑，李勇峰

（1. 武汉纺织大学 机械工程与自动化学院，湖北 武汉 430073；2. 武汉职业技术学院，湖北 武汉 430073）

基于SolidWorks和Mastercam的数控加工方法研究

张爱莲1，陈书剑2，李勇峰1

（1. 武汉纺织大学 机械工程与自动化学院，湖北 武汉 430073；2. 武汉职业技术学院，湖北 武汉 430073）

SolidWorks是一款优秀的二维绘图、三维建模软件，其自带的Simulation插件是基于有限元技术的设计分析软件，可方便进行应力、位移、应变等的优化设计分析。Mastercam具有强大的数控加工仿真及自动生成NC代码的功能。本文结合两款软件的优势，以轴承端盖的数控加工为例，真正体现出CAD/CAE/CAM一体化设计模式的高效性。

SolidWorks；Mastercam；数控加工

数控加工是目前加工制造业的主要趋势和方向，数控加工技术代表一个国家制造业的发展水平。产品的开发主要分为设计、分析和制造三个环节，计算机技术的发展推动了各个行业的信息化，制造业也不例外。CAD/CAE/CAM技术正是分别支撑产品设计、分析和制造环节的信息化方法和手段[1]。Solidworks是美国Solidworks公司开发的世界上第一个基于Windows的优秀CAD软件，功能全面，并集成和兼容了Windows系统的卓越性能，能很好地完成产品CAD/CAE功能[2]。Mastercam是美国CNC软件公司推出的基于PC机平台的CAD/CAM集成化软件之一，特别是其在CAM方面的功能是业界所普遍认可的。本文以轴承端盖为例，详细论述如何充分发挥Solidworks及Mastercam各自的优势，在数控加工中真正体现CAD/CAE/CAM一体化设计理念。

1　利用SolidWorks建模及其Simulation分析

1.1 利用SolidWorks建立轴承端盖的三维模型

轴承端盖结构比较简单，主体是回转体中间挖槽，周边有六个安装孔。利用Solidworks草图绘制功能按照尺寸要求绘制所需要的圆再执行【拉伸凸台/基体】、【拉伸切除】命令，周边均匀分布的六个安装孔可以先执行【草图】下的【圆周阵列】后再执行【特征】命令下的【拉伸切除】命令。图1所示即为利用SolidWorks建立的轴承端盖三维模型。

1.2 利用Simulation对轴承端盖模型进行有限元优化分析

Solidworks Simulation可以对零件和装配体进行静力分析，帮助设计人员对产品的材料选用、结构尺寸的优化设计提供有效的依据。利用Simulation对轴承端盖模型进行有限元分析过程和方法如下：

图1　轴承端盖三维模型

（1）建立算例

选择Simulation菜单下的【算例】命令，建立名为“轴承端盖”的新算例，并选择“静态”按钮。

（2）应用材料

选择Simulation菜单下的【材料】命令，在材料对话框里选择轴承端盖的材料为“AISI 1045钢”，点击“应用”按钮。其材料屈服强度为530N/mm^2。

（3）添加边界条件

选择Simulation菜单下的【载荷/夹具】/【夹具】命令，在“夹具”对话框里定义为“固定几何体”约束，再选择轴承端盖周边的六个安装孔为固定约束面。

选择Simulation菜单下的【载荷/夹具】/【力】命令，在轴承端盖环形面上添加100N的外部载荷。

（4）划分网格

选择Simulation菜单下的【网格】/【生成】命令，完成对轴承端盖的有限元网格划分，如图2所示。

（5）运行求解

选择Simulation菜单下的【运行】命令，应力图解结果如图3所示，位移及应变图解结果此处省略。

图2　轴承端盖有限元网格

图3　轴承端盖应力图解

（6）查看和评估结果

由运行求解得出的应力图解结果可知轴承端盖零件在此工况下所承受的最大应力为2.286 N/mm^2，而该材料（AISI 1045钢）可承受的最大屈服应力为530N/mm^2，之所以计算出的最大应力与其材料最大屈服应力值之间有很大的安全范围，是因为轴承端盖对轴承主要是起定位和密封作用，从轴承传递给轴承端盖的轴向力并不大。另外从位移图解、应变图解可知其变形位移及应变都非常小，该轴承端盖在此工况下完全能安全工作，因此在满足其与轴承及其他零件装配尺寸要求的情况下还可对其结构进行优化，例如可以减小其最大外圆柱圆盘的厚度或者在圆盘外表面挖凹槽等，以降低材料及加工成本。

2　将SolidWorks建立的轴承端盖文件导入Mastercam

Mastercam具有良好的数据交换接口，几乎支持目前市场上所有的机械CAD软件生成的图形文件，如Parasolid Files[*.X T]、Solidworks Files[*.SLDPT]、Pro/E Files[*.PRT,*.ASM]、AutoCAD Files[*.DWG,*.DXF]、 IGES Files[*.IGS,*.IGES]、Solid Edge Files[*.PAR,*.PSM]等[3]。因此把图1利用SolidWorks建立的轴承端盖三维模型另存为X T格式，并用英文字母作为文件名（例如zcdg）。运行Mastercam软件后，选择打开X T格式的文件类型，找到轴承端盖文件（例如zcdg.x t）即可将模型导入Mastercam，如图4所示。但此导入的模型只是一个能产生曲面模型的线架构，而组成线架构的几何元素呈现灰色不能编辑，因此需要把后续进行数控加工过程需要选择的边线、圆弧、轮廓线等几何要素“激活”。在Mastercam软件界面执行【绘图】/【曲面曲线】/【A所有曲线边界】，再按要求选取模型表面，则此面上的边线、圆弧、轮廓线等都处于可编辑状态。

3　利用Mastercam对轴承端盖进行数控加工及生成NC代码

3.1 确定加工工艺方案

加工工艺方案见表1所示。

表1　轴承端盖加工工艺方案

3.2 创建加工刀具路径

（1）零件毛坯设置

选择Mastercam菜单下的【机床类型】/【铣床】/【默认】命令，在“操作管理”界面单击“属性”选项下的“材料设置”项，系统弹出“机器群组属性”对话框中的“材料设置”选项卡，设置毛坯形状为圆柱体，旋转轴为“Z”轴，设置圆柱体高度参数Z=24mm，圆柱体直径参数Ø=142mm。

（2）外形轮廓铣削加工

轴承端盖最大外圆柱面采用外形铣削加工，刀具及转速参数如表（1）所示。轴承端盖最大厚度为24mm，因此采用Z轴分层铣深，最大粗切步进量为4mm。选择【刀具路径】/【外形铣削】，再选择φ12的平底铣刀进行外形铣削，产生的刀具路径如图5所示。

图4　导入Mastercam的模型

图5　外形轮廓刀具路径

图6　台阶面挖槽刀具路径

（3）台阶面挖槽加工

轴承端盖台阶面采用挖槽加工，刀具及转速参数如表1所示。由于台阶面深为12mm，同样采用Z轴分层铣深，最大粗切步进量为4mm，为了避免刀尖与工件毛坯发生碰撞，在下刀时采用“螺旋式下刀”方式。选择【刀具路径】/【标准挖槽】，还是选择φ12的平底铣刀进行台阶面铣削。注意在“2D刀具路径-标准挖槽”对话框里“挖槽类型”应选择“平面加工”以确保最外边界都能铣削完整，产生的刀具路径如图6所示。

（4）内腔挖槽加工

轴承端盖内腔挖槽加工与台阶面挖槽加工参数设置基本相同，不同之处就在“2D刀具路径-标准挖槽”对话框里“挖槽类型”应该选择“标准”以确保只加工出所选择轮廓以内的内腔，不会扩宽到轮廓线以外，产生的刀具路径如图7所示。

图7　内腔挖槽刀具路径

图8　钻孔刀具路径

（5）钻孔加工

轴承端盖周边均布的六个安装孔采用钻孔加工，刀具及转速参数如表1所示。为了保证钻通整个毛坯，在设置加工参数时注意要选中“刀尖补正”，设置一定数值的贯穿距离。选择【刀具路径】/【钻孔】，选择φ10的钻孔刀进行钻孔加工，产生的刀具路径如图8所示。

3.3 后处理生成NC代码

执行完所有的加工操作后可以对零件进行完整的仿真加工，得到的仿真效果图跟Solidworks建模图图1完全一致。仿真效果达到预期即可进行后处理，在“操作管理器”界面单击“G1（后处理已选择的操作）”按钮[4]，弹出“后处理程式”对话框，选中“NC文件”选项下的“编辑”选项，然后单击“确定”按钮，弹出“另存为”对话框，选择好存储路径后，单击“确定”按钮，打开“Mastercam X 编辑器”窗口，如图9所示（截取部分）。在此窗口还可以对生成的NC代码进行编辑，以方便为配置了不同操作系统的数控机床生成各自能识别的程序代码。

4　结语

SolidWorks有着优秀的建模及有限元优化分析功能，Mastercam有着强大的模拟仿真数控加工路径及自动生成加工程序的功能。本文以实例的形式论证了将两者结合起来充分发挥各自优势的可行性，在企业产品的生产过程中运用这种方法，将缩短产品生产周期、降低成本，提高产品的竞争力。

图9　数控加工程序代码（截取部分）

[1] 杜平安，等．CAD/CAE/CAM方法与技术[M]．北京：清华大学出版社，2010．1-3.

[2] 吴明友．数控加工自动编程—SolidWorks+ Mastercam详解[M]．北京：清华大学出版社，2008．17-19.

[3] 刘伟洪，刘海波．Mastercam导入其他CAD模型数控加工的策略和应用[J]．制造业自动化，2011，（12）:34-36.

[4] 麓山文化. Mastercam X6从入门到精通[M]. 北京：机械工业出版社，2012．301-306.

Research of the Numerical Control Machining Method Based on SolidWorks and Mastercam

ZHANG Ai-lian1, CHEN Shu-jian2, LI Yong-feng1
(1.Institute of mechanical engineering and automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China; 2. Wuhan Vocational and Technical College, Wuhan Hubei 430073, China）

SolidWorks is an excellent two-dimensional drawing and three-dimensional modeling software. The plug-in unit of Simulation SolidWorks, based on finite element analysis software technology, can facilitate doing stress, displacement, strain optimization design and analysis. Mastercam has a strong CNC machining simulation and automatic NC code generation functions. This paper combines the advantage of the two kinds of software, using NC machining of bearing end cover as an example, and truly reflects the CAD / CAE / CAM integration design patterns’ high efficiency.

SolidWorks; Mastercam; numerical control machining

TP391.7

A

2095－414X(2016)03－0071－04

张爱莲（1973-），女，副教授，硕士，研究方向：工程图学、CAD及数控加工.