基于CimatronE的自动阀顶盖型芯的数控加工

王玉闯，刘德平，马龙杰

(郑州大学 机械工程学院，郑州　450001)



基于CimatronE的自动阀顶盖型芯的数控加工

王玉闯，刘德平，马龙杰

(郑州大学 机械工程学院，郑州450001)

利用cimatronE的三维造型、数控加工仿真和自动编程的功能，实现了对自动阀顶盖型芯的加工仿真和程序生成。并且通过对加工过程中工步顺序的调整以及刀具半径参数的优化，提高了数控加工仿真的加工精度和零件的表面质量，从而验证了合理的安排铣削步骤和适当的刀具半径都能够提高加工精度，可以更好的改善零件的表面质量。为工程中同类零件的数控加工提供了一定的参考价值。

cimatronE；数控加工；自动编程

0　引言

随着科技的进步，出现了很多集设计、数控加工仿真于一体的CAD/CAM软件，大大简化了传统设计和制造中的麻烦。传统的方法对零件进行设计分析并进行手工编程的方法已经不能满足现在制造技术高速发展的要求。而CimatronE正是这样一款软件，以三维主模型为基础，具有强大可靠的刀具轨迹生成功能可以完成铣削(2.5～5轴)等的编程。Cimatron公司是全球著名的、向模具行业和机械设计制造行业提供CAD/CAM软件的开发者和供应商，也是这个行业的技术和产品创新的领导者。运用Cimatron可以让设计、数控编程和仿真加工等过程在电脑中完成既拥有零件的设计、自动编程、数控加工仿真的功能，又可以检测加工中是否存在干涉和过切现象以及刀具是否合适等问题。自动阀的型芯模具虽然不大，但是其内壁在加工时精度要求较高，加上其具有复杂的曲面，用传统的手工编程无法快速实现，因此须借助CAM软件实现自动编程，而数控加工编程中切削用量、加工余量、走刀方式、进退刀方式、编程零点和加工坐标系的确定等方面的因素都影响着在加工中能否有较好的切削加工效率、表面加工质量。所以采用零件的模拟数控加工，可以用来检测刀具的路径在数控设备中加工时是否存在过切和干涉，设备运行时动作是否正确，使用的工艺参数设置是否合理。通过设定毛坯的形状、大小及颜色等，可在计算机上观察到模拟的切削加工过程。而在模拟数控加工的同时，可以检测出加工中可能会出现的干涉、碰撞和过切等问题, 并且可以找出发生的错误在刀具路径文件中的位置，这样不仅可以省去试切的过程，还可降低材料消耗，从而提高效率。

1　零件的分析

本例所加工的自动阀顶盖型芯是典型的铣削类零件如图1所示，加工的部位主要包括顶面轮廓、侧边外轮廓的铣削。其中将工件坐标系设置在毛坯的对称中心及自动阀型芯工件与底座相交的表面。

此工件以底面作为固定面，装夹在工作台上，自动阀的型芯模具虽然不大，但是其内壁在加工时精度要求较高。根据对自动阀型芯结构的分析和模具的特点，首先采用体积铣中的环绕粗铣和二次开粗的加工方式，实现对大部分材料的铣削，然后选择曲面铣削加工所有的面和根据角度精铣的加工方式实现对整体曲面的铣削加工，最后针对局部进行清根的方式进行铣削。具体分以下步骤如表1所示参数对零件进行加工。

表1　数控加工参数表

2　零件的三维实体造型

根据零件图用cimatronE的三维实体造型功能得到三维实体后，再对其分模，自动阀顶盖型芯如图1所示(此过程也可通过其他三维软件进行实体造型，之后导入到cimatronE中进行分模、仿真加工与生成数控程序)。

图1　自动阀顶盖型芯

3　零件的数控加工

用CimatronE设计的三维图形，经过保存之后可以直接导入到数控加工界面。本例对零件的加工主要是用四种刀具：一是直径为φ15R0.5的牛鼻铣刀进行毛坯的粗加工、二是直径为φ6R0.5的牛鼻刀对零件进行二次开粗、三是直径为φ4的球铣刀精铣所有刀路、四是直径为φ2的球铣刀加工外轮廓及清根。此零件的仿真加工过程主要采用cimatronE的3轴加工的方法，在加工过程中主要采用体积铣、曲面铣、清角加工等加工方法。比较系统、全面的运用了cimatronE的3轴数控仿真加工的功能。

3.1刀具路径的生成与检验

在实际仿真加工之前，为了确保数控程序的正确性和安全性，必须对生成的刀具轨迹进行反复的检查、校验，主要有刀具路径在加工中是否存在干涉、过切以及刀具的选用是否合适等问题。应该针对这些问题做严格的检查，检查的方法是通过观察刀具路径的轨迹等。

根据表1选择序号1所对应机床参数对毛坯进行粗加工：体积铣-环绕粗铣。其中刀具轨迹参数设置如图2所示(其中机床参数中冷却液关闭)。

图2　环绕粗切刀轨参数

其他参数选择默认，系统自动计算生成的刀具轨迹路径如图3所示。

图3　环绕粗铣刀具轨迹示意图

根据表1选择序号2所对应机床参数进行设置。其中刀具轨迹参数设置如图4所示(其中机床参数中冷却液关闭)，其他参数选择默认，自动计算生成的刀具轨迹路径如图5所示。

图4　二次开粗刀轨参数

图5　二次开粗刀具轨迹示意图

根据表1选择序号3所对应机床参数进行设置。其中刀具轨迹参数设置如下图6所示(其中机床参数中冷却液关闭)，其他参数选择默认，系统自动计算生成的刀具轨迹路径如图7所示。

图6　根据角度精铣刀轨参数

图7　根据角度精铣刀具轨迹示意图

根据表1选择序号4所对应机床参数进行设置。其中刀具轨迹参数设置如图8所示(其中机床参数中冷却液关闭)，其他参数选择默认，系统自动计算生成的刀具轨迹路径如图9所示。

图8　精铣所有刀路刀轨参数

图9　精铣所有刀路刀具轨迹示意图

根据表1选择序号5所对应机床参数进行设置。其中刀具轨迹参数设置如图10所示(其中机床参数中冷却液关闭)，其他参数选择默认，系统自动计算生成的刀具轨迹路径如图11所示。

图10　清根刀轨参数

图11　清根刀具轨迹示意图

3.2加工后的效果

根据以上所有工步和生成的刀路轨迹，检查无误后，进行数控仿真加工。仿真界面如图12所示。

图12　自动阀顶盖型芯仿真界面

对零件的所有工步进行数控加工仿真后，效果图如图13所示。

图13　自动阀顶盖型芯仿真结果

从图13仿真结果可以看出，所加工的自动阀顶盖型芯模型与图1相比，外轮廓有许多残料并未得到切削，从而使得外轮廓表面显得太过粗糙，可见此次加工仿真效果并不太真实，与建模图相差太大，不符合加工要求。

3.3原因分析

影响加工精度的因素有许多，主要因素有：刀具、机床、主轴转速、进给速度等等。从上图仿真结果可以看出加工的表面不是太理想。就本例来说，影响的因素有2方面：(1)加工工艺的安排：现代化的数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转化成工序集中。当然工序集中除了可以保证各加工之间相互位置的精度的要求外，还有利于提高生产效率等特点。此零件采用工序集中对零件进行加工，前两步是粗加工，紧接着两步是精加，最后是清角加工。根据角度精铣是通过设置斜率限制角度来将曲面按倾斜程度进行区分，分别创建精加工程序，可以保证各部分均有较高的加工精度和加工效率。而精铣所有刀路是根据已选择的曲面加工所有的曲面。显然根据角度精铣的加工精度要比精铣所有刀路的精度高。(2)刀具半径：在精加工过程中，在相同的Z轴最大进给量下，改变球铣刀的直径可以使切削加工的残留变小，使得加工表面变得光滑，从而可以改善上述加工中出现的表面太过粗糙的状况。

根据上面的分析，把精铣所有刀路中所用的刀具改为φ2的球刀其他参数及类型不做调整，得到的仿真结果如图14所示，显然比图13有所改善，但终究不能完全克服。

图14　调整刀具直径后的自动阀顶盖型芯的仿真结果

再把上述所提到的根据角度精铣和精铣所有刀路进行调整，另外把两步中参数设置中的公差和表面余量的零件加工余量对调，其他参数及类型不做调整，所得仿真结果如图15所示。

图15　对调两个工步后的自动阀顶盖型芯的仿真结果

3.4数控程序的生成

所有工步的仿真加工完成后，检查所有刀具路径没有干涉和过切现象且符合加工的条件之后，即可进行后置处理，点击NC环境下的postprocess，显示如图16所示的对话框。

图16　后置处理对话框

从上到下依次点击如图16中椭圆所指示位置即可出现加工程序如下所示：

%

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　结果对比

通过以上三次仿真结果的对比(图13～图15)可以看出，对调两个工步后仿真加工后的表面质量比前两次的仿真后的表面质量有所提高，对比该零件的三维模型可以看出仿真结果已经接近实体了。可以看出在该例仿真加工的精加工中，减小刀具的直径可以提高表面的精度，但是不如通过加工顺序的合理安排来提高加工精度更加合理、有效。

5　总结

(1)通过对该零件进行三维设计、数控加工并最终实现自动编程，系统的介绍了运用cimatronE三维软件进行辅助设计和制造的方法。

(2)利用cimatronE的刀具轨迹生成功能对零件进行仿真和轨迹检验，可以大大缩短了零件在设计和生产过程的周期，并且提高了工作效率，从而可以满足现在制造技术高速发展的要求。

(3)通过此例子可以知道，在仿真加工中，合理的安排铣削步骤和适当的刀具半径都能够提高零件的加工精度，可以更好的改善零件的表面质量，为工程中同类零件的数控加工提供了一定的参考价值。

(4)零件的仿真加工和数控编程，在此过程中要及时对发现的问题进行反复的修改和验证，及时调整参数，反复进行计算、检验，直到准确无误为止。

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(编辑李秀敏)

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

王玉闯(1990—)，男，河南驻马店人，郑州大学硕士研究生，研究方向为数控加工、自动化、机电一体化，(E-mail)wychuangzzu0319@163.com。

TH166;TG659

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