零件三维实体建模与快速成形加工综合实验.docx

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零件三维实体建模与快速成形加工综合实验

零件三维实体建模与快速成形加工综合实验

零件三维实体建模与快速成形加工综合实验

《零件三维实体建模与快速成形加工综合实验》

快速原型制造

1实验目的

1.通过实验了解快速原型制造技术的基本工作原理、快速原型制造的方法及熔融挤压成形快速成型系统的基本结构，能对熔融挤压成形快速成型系统进行简单操作，掌握快速成形技术的基本流程，熟悉快速成型件的制作过程，熟悉快速成型件的后处理工艺，对快速成形技术和应用有较全面的理解和认识；2.理解快速成型在生产中的应用。

2实验要求

1.熟悉和使用三维软件，并进行特定零件的建模，构造原形件。

2.利用专用计算机对原形件进行切片，生成STL文件；3.对模型制作分层切片；生成数据文件；

4.快速原型机按计算机提供的数据逐层堆积，直至原形件制作完成；5.观察快速原型机的工作过程，分析产生加工误差的原因，提出解决的办法。

3实验主要仪器设备

1、熔融挤压成形快速成型系统一台2、电子计算机

3、ABS、PVC丝状材料4、大法师软件和Cark软件

4实验原理

4.1快速成形技术简介

快速成形技术是快速制造的核心，能在几小时或几十小时内直接从CAD三维实体模型制作出原型，比图纸和计算机屏幕提供了一个信息更丰富、更直观的实体。

快速原型制造是一种离散/堆积的加工技术，其基本过程是首先将零件的三维实体沿某一坐标轴进行分层处理，得到每层截面的一系列二维截面数据，按特定的成形方法（LOM、SLS、FDM、SLA等）每次只加工一个截面，然后自动叠加一层成形材料，这一过程反复进行直到所有的截面加工完毕生成三维实体原型。

4.2快速成形技术的基本工作过程

快速成型制造技术20世纪80年代起源于日本，是近20年来制造技术领域的一次重大突破。

快速原型技术是用离散分层的原理制作产品原型的总称，其原理为：

产品三维CAD模型→分层离散→按离散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料→生成实体模型。

该技术集计算机技术、激光加工技术、新型材料技术于一体，依靠CAD软件，在计算机中建立三维实体模型，并将其切分成一系列平面几何信息，以此控制激光束的扫描方向和速度，采用粘结、熔结、聚合或化学反应等手段逐层有选择地加工原材料，从而快速堆积制作出产品实体模型。

快速成形技术系统的工作流程，如图示。

快速成形系统工作流程

快速原型技术突破了“毛坯→切削加工→成品”的传统的零件加工模式，开创了不用刀具制作零件的先河，是一种前所未有的薄层迭加的加工方法。

与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下优点：

（1）可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新产品的开发成本和开发周期。

（2）属非接触加工，不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具，无刀具磨损和切削力影响。

（3）无振动、噪声和切削废料。

（4）可实现夜间完全自动化生产。

（5）加工效率高，能快速制作出产品实体模型及模具。

4.3快速成形技术的特点

1、2、3、.

4.4快速成形技术发展及应用现状

5实验方法和步骤

5.1课外造型

.5.2上机切片

.5.3机器造型

.6实验报告

实验结束后，提交一份实验报告。

内容除了以上内容外还应包括：

1）总结你所查到的现有快速成形工艺的优缺点；2）本次实验你所设计的三维图（插入word文档中）；3）结合实验过程及你所看到的实体零件，总结你所想到的成形过程中应注意的问题及

其对精度的影响（包括数据处理和加工过程）；

7实验注意事项

1）存储之前选好成形方向，一般按照“底大上小”的方向选取，以减小支撑量，缩短数据处理和成形时间；

2）受成形机空间和成形时间限制，零件的大小控制在80×80×50mm以内；3）尽量避免设计过于细小的结构，如直径小于5mm的球壳、锥体等；4）尤其注意喷头部位未达到规定温度时不能打开喷头。

8思考题

1.造型精度会影响零件精度吗？

2.切片的间距的大小对成形件的精度和生产率会产生怎样的影响？

3.快速原型制造方法使用的场合有哪些？

你认为快速原型制造方法的应用前景怎样？

1.快速成形技术

2.基本原理

快速成型制造技术20世纪80年代起源于日本，是近20年来制造技术领域的一次重大突破。

快速原型技术是用离散分层的原理制作产品原型的总称，其原理为：

产品三维CAD模型→分层离散→按离散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料→生成实体模型。

该技术集计算机技术、激光加工技术、新型材料技术于一体，依靠CAD软件，在计算机中建立三维实体模型，并将其切分成一系列平面几何信息，以此控制激光束的扫描方向和速度，采用粘结、熔结、聚合或化学反应等手段逐层有选择地加工原材料，从而快速堆积制作出产品实体模型。

快速成形技术系统的工作流程，如图示。

快速成形系统工作流程

快速原型技术突破了“毛坯→切削加工→成品”的传统的零件加工模式，开创了不用刀具制作零件的先河，是一种前所未有的薄层迭加的加工方法。

与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下优点：

（1）可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新产品的开发成本和开发周期。

（2）属非接触加工，不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具，无刀具磨损和切削力影响。

（3）无振动、噪声和切削废料。

（4）可实现夜间完全自动化生产。

（5）加工效率高，能快速制作出产品实体模型及模具。

RPM技术的具体工艺不下30余种，最为成熟的以下四种：

1）立体印刷（SLA－StereolithgraphyApparatus）

将激光聚焦到液态固化液态材料（如光固化树脂）表面，令其有规律地固化，由占到线，到面，完成一个层面的建造；而后升降平台，移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，再建造一个层，由此层层迭加，成为一个三维实件（如图1所示）。

激光立体造型制造精度目前可达±0.1mm,主要用作为产品提供样品和实验模型。

此外，日本帝人制机开发的

SOLIFORM可直接制作注射成型模具和真空注塑模具。

2）分层实体制造（LOM，LaminatedodjectManufacturing）

它采用激光或刀具对箔材进行切割而获得一个层面。

具体的说，首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线，而后将不属于原型的材料切割成网格状。

通过升降平台的移动和箔材的送给，可以切割出新的层片，并将其与筠有的层片粘接在一起，这样层层迭加后得到一个块状物；最后将不属于原型的材料小块剥除，就获得所需的三维实体。

这里所说的箔材可以是涂覆纸（涂有粘接剂覆层的纸），涂覆陶瓷箔、金属箔或其他材质基的箔材（如图2所示）。

LOM可制作一些光造型法难以制作的大型零件和厚壁样件，且制作成本低廉（约为光造型法的1/2）、速度高（约为木模制作时间的1/5以下），并可简便地分析设计构思和功能。

3）选择性激光烧结（SLS，SelectiveLaserSintering）

对于由粉末铺成的很好密密实度和平整度的层面，有选择地直或间接粉末熔化或粘接，形成一个层面，铺粉压实，再熔结或接成另一个层面，并与原层面熔结或粘接，哪此层层迭加为一个三维实体（如图3所示）。

FDM技术的最大特点是速度快（一般模型仅需几小时即可成型）、无污染，在原型开发和精铸蜡模等方面得到广泛应用。

4）熔融沉积成形（FDM，FusedDepositionModeling）

将热熔性材料（ABS、尼龙或蜡）通过加热器熔化，挤压喷出并堆积一个层面，然后将第二个层面用同样的方法建造出，并与前一个层面熔结在一起，如此层层堆积面获得一个三维实体（如图4所示）。

SLS技术造型速度快（一般制品，仅需1天～2天即可完成）、造型精度高（每层粉末最小厚度约0.07mm,激光动态精度可达±0.09mm,并具有自动激光补偿功能）、原型强度高（聚碳酸脂其弯曲强度可达34.5MPa,尼龙可达55MPa），因此，可用原型进行功能试验和装配模拟，以获取最佳曲面和观察配合状况。

扩展阅读：

数控加工综合实践实验报告

数控加工综合实践报告

《数控加工综合实践》报告

一数控加工综合实践的目的及要求：

1.熟悉三维建模（MDT）；

2.了解CAD/CAM及数控加工的基本原理及方法；3.了解快速原形制造的基本原理及方法；4.熟悉网络化设计与制造的基本思想及方法；

5.掌握零件从CAD，CAM到数控加工的完整过程或零件从CAD建模到快速制造出原形

零件的全过程。

二数控加工综合实践的内容：

1.零件的三维CAD建模；

2.CAM软件应用或快速原形制造数据准备及控制软件的应用；3.数控加工或快速制作的上机实践。

三数控加工综合实践的原理：

现在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术，现代的CAD/CAM，FMS和CIMS、敏捷制造和智能制造等，都是建立在数控技术之上。

CAD（ComputerAidedDesign）是利用计算机的计算功能和图形处理能力,辅助进行产品或工程设计与分析的法。

20世纪40年代，CAD技术开始发展。

之后，随着计算机技术的飞速发展，人们开始利用计算机进行复杂的数值计算、非数值计算和事务处理，同时也开始了“人工智能的研究”。

1962年，麻省理工学院（MIT）的ROSSDT和COONSSA合作，开始探索计算机辅助设计的研究。

Coons在题为“AnOutlineoftheRequirementsfortheComputerAidedDesign”（《计算机辅助设计要求纲要》）的报告中，对CAD作了如下描述：

设计者坐在CRT的控制台前用光笔操作，从概念设计到生产设计进而到制造，都可以用人机对话形式来实现。

因此，CAD的功能不仅仅限于设计，也适用于任何一种创造性的活动，具有高度的人工智能。

随着计算机技术特别是微型机及其绘图技术的发展，CAD技术已在机械、电子、航空航天、

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建筑等领域得到广泛应用。

进入新的世纪以来，随着计算机网络信息技术的迅猛发展，现代计算机3D技术使人们对现实世界的描述重新回到了原始的直观三维境界，并且已经随着计算机应用的普及在迅速成为今天的现实。

三维CAD是3D技术在现代工业的应用。

象CATIA、UG、CAXA等三维CAD软件系统，它基于生产制造应用目的，强调三维模型的精确描述，包括其精确的尺寸、坐标、公差、技术要求以及零件间精确的结构装配关系和结构功能属性等的精确表达。

虚拟现实是3D技术大规模系统应用的方向，强调对三维场景的宏观描述和系统动态关系，在三维模型细节的精确和逼真方面则采取尽可能简化处理。

Mastercam是美国专业从事计算机数控程序设计专业化的公司CNCSoftwareINC研制出来的一套计算机辅助制造系统软件。

它将CAD和CAM这两大功能综合在一起，是我国目前十分流行的CAD/CAM系统软件。

它有以下特点：

（1）Mastercam除了可产生NC程序外，本身也具有CAD功能（2D、3D、图形设计、尺寸标注、动态旋转、图形阴影处理等功能）可直接在系统上制图并转换成NC加工程序，也可将用其他绘图软件绘好的图形，经由一些标准的或特定的转换文件如DXF文件（DrawingExchangeFile）、CADL文件（CADkeyAdvancedDesignLanguage）及IGES文件（InitialGraphicExchangeSpecification）等转换到Mastercam中，再生成数控加工程序。

（2）Mastercam是一套以图形驱动的软件，应用广泛，操作方便，而且它能同时提供适合目前国际上通用的各种数控系统的后置处理程序文件。

以便将刀具路径文件（NCI）转换成相应的CNC控制器上所使用数控加工程序（NC代码）。

如FANUC、MELADS、AGIE、HITACHI等数控系统。

（3）Mastercam能预先依据使用者定义的刀具、进给率、转速等，模拟刀具路径和计算加工时间，也可从NC加工程序（NC代码）转换成刀具路径图。

（4）Mastercam系统设有刀具库及材料库，能根据被加工工件材料及刀具规格尺寸自动确定进给率、转速等加工参数。

（5）提供RS－232C接口通讯功能及DNC功能。

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2.快速原型制造的基本原理：

快速原型制造时综合利用CAD技术，数控技术，激光加工技术和材料技术实现从零件涉及到三维实体原型制造一体化的系统技术。

它采用软件离散材料堆积的原理实现零件的成形。

快速原型制造的具体过程如下：

首先利用高性能的CAD软件设计出零件的三维曲面或实体模型；再根据工艺要求，按照一定的厚度在Z向（或其它方向）对生成的CAD模型进行切面分层，生成各个截面的二维平面信息；然后对层面信息进行工艺处理，选择加工参数，系统自动生成刀具移动轨迹和数控加工代码，再加工过程进行仿真，确认数控代码的正确性；然后利用数控装置精确控制激光束或其它工具的运动，在当前工作层（二维）上采用轮廓扫描，加工出适当的截面形状；再铺上一层新的成形材料，进行下一次的加工，直至整个零件加工完毕。

可以看出，快速原型制造技术是个由三维换成二维（软件离散化），再由二维到三维（材料堆积）的工作过程。

该技术集计算机技术、激光加工技术、新型材料技术于一体，依靠CAD软件，在计算机中建立三维实体模型，并将其切分成一系列平面几何信息，以此控制激光束的扫描方向和速度，采用粘结、熔结、聚合或化学反应等手段逐层有选择地加工原材料，从而快速堆积制作出产品实体模型。

以光敏树脂为材料利用紫外光快速成型机制造样件的原理：

⑴、紫外光快速秤星机的原理：

紫外光束在计算机的控制下，根据分层工艺数据连续扫描液态光敏树脂的表面，利用液态光敏树脂经紫外光照射凝固的原理，层层固化光敏树脂，一层固化后，工作台下移一精确距离，扫描下一层，并且保证相邻层可靠粘结，如此反复，直到成型出一个完整的零件。

⑵、原型零件的制作过程：

主要包括数据准备、快速成型制作和后处理。

其中数据准备包括CAD三维模型的设计、STL数据的转换、制作方向的选择、分层切片以及支撑编辑等几个过程，完成制作数据的准备。

快速成型制作过程就是将制作数据传输到成型机中，然后快速成型出原型零件的过程。

后处理是指整个零件成型完后进行的辅助处理工艺，包括零件的清洗、支撑去除、后固化、修补、打磨、表面喷漆等等，目的是获得一个表面质量与机械性能更优的零件。

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四、使用仪器、材料

1.系统硬件：

微机1台或工作站1台；2.系统软件：

Windows操作系统；

3.设计软件：

MasterCAM、MDT、或UG或CATIA、I-DEAS、Pro/E;4.网络环境：

局域网、现场总线、Internet；5.工设备：

αT10A钻削中心、TV5立式加工中心；6.CPS250B紫外光快速成型机

五数控加工综合实践的步骤：

用MDT或Mastercam软件完成零件的建模，可应用点，直线，样条线，方框，平面，SWAP曲面，拉升面，面剪切，面之间倒角以及求边界线等功能，零件实体由平面，曲面，圆槽，倒角等构成。

设计时应注意一下几点：

1）本次实践CAD软件采用MDT6.0;2）毛坯尺寸为120×mm80mm×40mm；3）工件顶面中心点为原点（X0,Y0,Z0）；4）工件高度小于30mm；5）工件尺寸不应超出毛坯范围；

6）数控加工时只提供直径10mm端铣刀和R3球头铣刀；7）孔或槽的尺寸应大于10mm；8）曲率半径应大于3mm。

一零件CAD实体建模

1.建立文件：

2.建立工作平面：

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3.建立草图平面及平面轮廓图：

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4.设定截面轮廓并拉伸：

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5.设定新的草图平面，画出中间沟槽轮廓并且拉伸：

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6.体着色，并进行圆角，倒角处理：

二零件CAM仿真（MasterCAM9.0）

1.CAD模型文件输出：

MDT6.0环境下“文件”>“输出”>“IGES”>定义文件名>保存。

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2.用MILL9程序打开IGES文件：

启动MILL9>MainMenu>File>Converters>IGES>Readfile>选择IGES文件>打开>进入IGESReadParameters设置界面，确认FlieisinMetricunits>OK.

3.根据需要可再MILL9环境下移动或比例缩放模型。

移动模型步骤：

按工具栏按钮Gview-Top,改变视图平面>MainMenu>Translate>ALL>Surfaces>Done>Polar>输入移动距离（）>输入移动方向的角度（0度）>出现Translate提示页面，选中Operation的Move,确认NumberofSteps为1>OK.移动模型，直到工件的顶面中心点的坐标为（X0,Y0,Z0）

比例缩放模型：

目的是让工件尽可能大，但又符合上述4）5）7）8）。

步骤如下：

MainMenu>Xform>Scale>All>Surfaces>Done>Origin>出现Scale提示页面，选中Operation的Move,选中Scaling的XYZ,确认NumberofSteps为1.输入X,Y,Z三个方向的缩放比例>OK。

4.工艺规划：

粗加工：

用直径10mm端铣刀加工，加工方法选用SURFACE-ROUGH-POCKET;

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精加工：

用R3mm球头铣刀精加工，加工方法选用SURFACE-FINISH-PARALLEL,考虑到木料纤维方向，保证加工表面质量良好，精加工分两次进行，分别选用45度和－45度角交叉加工。

5.设定毛坯尺寸，材料以及工件坐标系具体设定见图：

6.画粗加工边界

用鼠标点击工具栏上的Cplane-Top和Gview-Top按钮>MainMenuCreate>Rectangle>1Points>输入矩形框尺寸为130mm×90mm>OK>Origin>MainMenu>点击工具栏上的Cplane-3D和Gview-Isometric。

7.产生粗加工刀轨，步骤如下：

MzainMenu>用鼠标点击Cplane-Top>ToolPaths>surface>Rough>Pocket（挖槽加工方法）>All>Srufaces>Done,出现粗加工参数界面>在ToolParameters页面中的大空白区点击鼠标右键>CreateNewTool>在ToolType页面中选刀具类型>在Tool-FlatEndMill页面中修改Diameter,Flute,Shoulder和Overall值>点击OK;返

回Tool

Parameters

页面修改Len.（32）,FeedRate（201*）,Plunge（500）,Retract（5000）,Program#

（1）,Spindle（立铣刀为1500，球头

第11页共19页数控加工综合实践报告

铣刀为201*），Coolant为OFF。

如图：

切换到SurfaceParmeters页面，根据模型确定Clearance（安全平面高度）为20，Retract（退刀平面高度）为10，FeedPlane（进给平面高度）为5，均用绝对值Absolute；确定精加工余量StocktoLeave为0.2。

如图：

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切换到RoughPocketParameters页面，修改Cuttolerance,MaxStepDown,Stepover，复选Promptforentrypoint和Rough（zigzag）>按Cutdepths按钮，选择Absolute,修改MinimumDepth和MaxmumDepth>点击OK>按Gapsettings按钮，复选Optimizecutorder>点击OK按钮>选择第6步画的画粗加工边界>Done>选入刀点EndPoint。

如图：

第13页共19页数控加工综合实践报告

8.精加工

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MainMenu>用鼠标点击Cplane-Top>ToolPaths>surface>Finish>Parallel>all>Surface>Done>进入精加工参数界面，其中ToolParameters,SurfaceParameters页面操作方法同粗加工。

在SurfaceParameters页面精加工余量StocktoLeave输入为0，FinishParallelParameter页面，修改StepOver值为0.3，MachineAngle,复选Depthlimits（同粗加工）>确定。

9.仿真

MainMenu>Toolpaths>Operations,出现OperationsManager界面，点击SelectAll按钮，点击Verify按钮>出现仿真界面>在仿真界面中，确认毛坯尺寸X（-60,60）,Y（-40,40）,Z（-40,1）,点击OK。

如图：

10.生成刀路源文件，并通过后置处理生成NC程序：

1）粗加工NC程序头，尾部分如下：

%O0000

（PROGRAMNAME-ZOUXIYU-CU）

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（DATE=DD-MM-YY-16-06-08TIME=HH:

MM-16:

30）N100G21

N102G0G17G40G49G80G90

（TOOL-1DIA.OFF.-1LEN.-1DIA.-10.）N104T1M6

N106G0G90X-65.Y-45.A0.S3055M3N108G43H1Z100.N110Z5.N112G1Z0.F611.N114X-64.Y-44.F1222.N116X64.N118Y-39.111N120X-64.

。

。

。

。

。

。

。

。

。

。

。

。

N3356X27.89Y1.109

N3358G3X30.823Y.492R1.985N3360X28.429Y3.674R1.99N3362X27.89Y1.109R1.99N3364G0Z5.N3366Z100.N3368M5N3370G91G28Z0.N3372G28X0.Y0.A0.N3374M30%

2）精加工NC程序头，尾部分如下：

%O0000

（PROGRAMNAME-ZOUXIYU-JING）

（DATE=DD-MM-YY-16-06-08TIME=HH:

MM-16:

34）N100G21

N102G0G17G40G49G80G90

（TOOL-2DIA.OFF.-2LEN.-32DIA.-6.）N104T2M6

N106G0G90X-32.549Y-9.527A0.S201*M3N108G43H32Z100.N110Z5.

N112G1Z-.883F500.N114X-31.401Z-.952F201*.

。

。

。

。

。

。

。

。

。

。

。

N3618Z50.

N3620X29.963Y8.922

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N3622Z5.

N3624G1Z-.886F500.N3626X29.63Z-.913F201*.N3628G0Z5.N3630Z100.N3632M5N3634G91G28Z0.N3636G28X0.Y0.A0.N3638M30%

零件实体见下图：

三数控铣床加工中心，快速原型制造

1、利用TV5立体加工中心加工木块。

观察加工中心加工步骤，换刀机构换刀原理及切削过程。

2、CPS250B紫外光快速成型机制样件的操作

紫外光快速成型机的零件制作过程可分为三个部分：

数据准备；快速成型制作及后处理。

第17页共19页数控加工综合实践报告

1）数据准备

数据处理过程包括CAD三维模型的设计，STL数据的转换，制作方向的选择，分层切片以及支