基于MastercamX5棘轮零件三维设计及自动编程毕业论文设计40论文41.docx
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基于MastercamX5棘轮零件三维设计及自动编程毕业论文设计40论文41
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基于MastercamX5棘轮零件三维设计及自动编程
【摘要】
本文主要阐述棘轮零件的三维造型及数控加工，内容包括零件图的工艺分析、工件的装夹方案、零件的加工工艺分析、工艺流程、程序设计等，其中零件图的工艺分析包括零件图的完整性及正确性、材料、技术要求、结构工艺性等方面的分析；装夹方案包括毛坯的选择、机床的选择、夹具的选择；加工工艺分析包括加工顺序的安排、刀具的选择、切削用量的选择等等。
这些都是零件加工的重要组成部分，要使零件的加工精度，效率得到提高，就必须先对零件进行分析，确定好正确的工艺流程，使用Mastercam软件对零件进行三维造型和数控加工，充分发挥数控机床的高精度，高效率的特性。
关键词：
工艺分析、装夹方案、工艺流程、三维造型、自动编程
Abstract:
Thispapermainlydiscussesthe3DmodelingandNCmachiningofratchetparts,includingpartsoftheprocessanalysis,workpiececlampingscheme,partsoftheprocessanalysis,process,programdesign,theprocessofpartsdrawinganalysisincludespartsoftheintegrityandcorrectness,materials,technicalrequirements,constructiontechnologyandsoon;theclampingschemeincludesthechoiceofblank,thechoiceofmachinetools,jigchoice;analysisofthetechnologicalprocessincludingthesequencingofmachining,toolselection,cuttingtheamountofchoiceetc..Theseareanimportantpartofmachining,themachiningaccuracyofparts,improvetheefficiency,wemustfirstonthepartsforanalysis,determinethecorrectprocess,3DmodelingandNCmachiningofpartsusingtheMastercamsoftware,givefullplaytothe）、车削（Lathe）、铣削（Mill）与线切割（Wire）四个模块。
其中设计模块主要用于绘图和加工零件造型；车削模块主要用于生成车削加工刀具路径；铣削模块主要用于生成铣削加工的刀具路径；线切割模块主要用于生成电火花与线切割的加工路径。
其中后三个模块内也包括设计模块中的完整设计功能。
Mastercam的铣削功能模块（Mill）是在生产实践中运用得最多最广泛的数控编程模块。
它主要的功能有：
具有完整的曲线曲面建模功能，便于建立2D、3D几何模型；能高效地编制各种铣削加工程序；用它可快速设计加工零件，还可以组织、管理相关的文档；Mastercam的数据转换器，可与任何CAD系统交换数据，这些转换器包括：
Ascii、STEP、Autodesk、IGES、Parasld、STL、VDA、SAT、ProE等。
2.2零件的三维造型设计
2.2.1绘制顶盖
（1）绘制草图
运用曲线功能，绘制出顶盖的草图曲线如图2.1所示。
图2.1草图
（2）实体旋转
运用“实体旋转”工具，对草图进行旋转。
最终得到如图2.2所示的顶盖图形。
图2.2顶盖图形
（3）实体切割
1）绘制草图
运用曲线功能绘制出如图2.3所示草图。
图2.3切割草图
2）实体切割
单击“挤出实体”工具，然后拾取上图中左侧的曲线，在弹出的对话框中设置如图2.4所示参数。
然后单击确定，最后得到如图2.5所示三维实体。
图2.4参数设置
图2.5三维实体
2.2.2底座的绘制
（1）绘制草图
运用曲线功能，绘制出如图2.6所示的草图。
图2.6底座草图
（2）拉伸实体
运用“挤出实体”工具，对草图进行拉伸，拉伸距离均为10.2mm。
最终得到如图2.7所示的底座图形。
图2.7底座实体的生成
2.2.3实体的结合
顶盖和底座生成之后，需要先将两实体进行结合为一体，这样方便后续的裁剪时更好的拾取体。
选择“布尔运算-结合”功能，分别拾取凸台实体和底座实体，然后按下回车键，即可将两实体合为一体。
最终得到的效果图如图2.8所示。
图2.8结合体
2.2.4圆角的生成
运用“实体倒圆角”、“面与面倒圆角”等功能对外形进行倒圆角，最后得到的三维实体如图2.9所示。
图2.9倒圆角后的三位实体
2.2.5实体抽壳
单击“实体抽壳”工具，选择需要抽壳的实体，然后在对话框中设置如图2.10所示参数，单击“确定”后得到如图2.11所示三维。
图2.10参数设置
图2.11抽壳后的实体
2.2.6开口
（1）绘制草图
按照样图中曲线，绘制出切开口的曲线，如图2.12中内侧曲线所示。
图2.12切开口草图
（2）切割
选择“挤出实体”功能，拾取草图，然后进行切割，完成后将得到如图2.13所示样图。
图2.13切开口后的实体
2.2.7六边形凸台的生成
（1）草图的绘制
运用曲线功能绘制出六边形凸台的曲线如图2.14所示。
图1.14六边形凸凸台曲线
（2）拉伸实体
选择“挤出实体”功能，拾取草图，然后进行拉伸，完成后将得到如图2.15所示三维实体。
图2.15六边形凸台绘制后的三维实体
2.2.8孔的生成
同理运用挤出实体功能，最后得到的三维实体如图2.16所示。
图2.16孔生成后的最终三维图
2.3本章小结
到此为止，该零件的三维实体已经全部绘制完成。
回顾以上的绘制步骤，可以知道本次造型设计主要运用Mastercam中的功能有：
曲线、挤出实体、倒圆角、布尔运算-结合等功能，总的来说该零件的造型比较简单，适合初学者学习。
3零件的工艺规程设计
3.1零件的工艺分析
如图3.1所示为件二维图（图中有不清晰之处请参见附图）。
零件材料为45钢，单件生产，试运用所学知识确定零件的数控加工工艺及程序的编制。
3.1零件二维图
3.1.1零件的结构特点工艺性分析
从图3.1零件二维图及图2.14零件三维图分析得知，该零件的结构主要有底座、凸台、型腔、孔等部位组成，该零件涉及到曲面加工，在普通机床上难以加工，需要在数控机床上进行，在编程时，使用手工编程存在一定的难度，因此需要采用辅助软件进行编程。
零件无公差标注要求，故只需要将产品外形加工到位即可，表面粗糙度控制在Ra3.2um。
3.2毛坯的选择
毛坯是用来加工各种工件的坯料,毛坯的生产方法主要有:
铸造、锻造、焊接、冲压件,以及各种型材也可以用作毛坯。
根据其零件的结构特性，确定该零件的毛坯类型为型材，毛坯材料为45钢，毛坯尺寸为54×40×20mm。
3.3定位基准的选择
（1）粗基准的选择：
选择毛坯上下表面中任意一面以及零件的外轮廓其中一对边为粗基准，铣型腔及钻中间的孔。
（2）精基准的选择：
以型腔底部及侧面为精基准定位，铣凸台，外形部位。
3.4装夹方式的选择
该零件需要进行三次装夹方能完成加工。
第一次装夹时，铣削零件的上下表面，控制尺寸14.6，可直接采用虎钳进行装夹；第二次装夹时铣削型腔及钻孔，此次装夹也可直接采用虎钳装夹；第三次装夹时铣削凸台及外轮廓，此次装夹需要设计专用夹具进行装夹方能完成。
3.5工序及工步的划分
工序1：
制造毛坯50×40×20mm板材。
工序2：
铣上下表面，控制尺寸14.6mm。
工序3：
铣型腔、钻孔。
工步1：
开粗；
工步2：
半精加工壁边及型腔内的六边形凸台轮廓；
工步3：
精加工腔底及六边形凸台表面；
工步4：
精加工壁边及半精加工型腔喇叭锥面；
工步5：
精修六边形凸台轮廓；
工步6：
精加工喇叭锥面；
工步7：
钻中心孔；
工步8：
钻底孔；
工步9：
铰孔；
工序4：
铣凸台及外形。
工步1：
开粗；
工步2：
精加工外轮廓；
工步3：
半精加工凸台轮廓；
工步4：
精加工凸台交接面；
工步5：
精加工凸台及圆角；
工序5：
去毛刺。
工序6：
检验。
3.6刀具的选择
根据零件的结构特点、加工余量、尺寸精度及表面粗糙度等技术要求，确定该零件的刀具如表3.1所示。
表3.1数控加工刀具卡片
工序号
刀具编号
刀具规格名称
数量
加工表面
刀尖半径mm
3
T01
Ф16圆鼻刀
1
开粗
0.4
T02
Ф4圆鼻刀
1
半精加工壁边及型腔内的六边形凸台轮廓
0.2
T03
Ф6平底刀
1
精加工腔底及六边形凸台表面
T04
Ф2圆鼻刀
1
精加工壁边及半精加工型腔喇叭锥面
0.1
T05
Ф1平底刀
1
精修六边形凸台轮廓
T06
Ф2球刀
1
精加工喇叭锥面
1
T07
Ф3中心钻
1
钻中心孔
T08
Ф7.2麻花钻
1
钻底孔
T09
Ф8铰刀
1
铰孔
4
T01
Ф16圆鼻刀
1
开粗
0.4
T02
Ф3平底刀
1
精加工外轮廓及交接面
T03
Ф2球刀
1
精加工凸台及圆角
T04
Ф6圆鼻刀
1
半精加工凸台轮廓
3.7切削用量的选择
铣削用量的选择原则是：
“在保证加工质量的前提下，充分发挥机床工作效能和刀具切削性能”。
在工艺系统刚性所允许的条件下，首先应尽可能选择较大的铣削深度ap和铣削宽度ac；其次选择较大的每齿进给量fz；最后根据所选定的耐用度计算铣削速度vc。
（1）铣削深度ap和铣削宽度ac的选择
对于端铣刀，选择吃刀量的原则是：
当加工余量≤8mm，且工艺系统刚度大，机床功率足够时，留出半精铣余量0.5~2mm以后，应尽可能一次去除多余余量；当余量＞8mm时，可分两次或多次走刀。
铣削宽度和端铣刀直径应保持以下关系：
d0=（l.l~1.6）ac（mm）
对于圆柱铣刀，铣削深度ap应小于铣刀长度，铣削宽度ac的选择原则与端铣刀铣削深度的选择原则相同。
（2）进给量的选择
每齿进给量fz是衡量铣削加工效率水平的重要指标。
粗铣时fz主要受切削力的限制，半精铣和精铣时，fz主要受表面粗糙度限制。
表3.2 每齿进给量fz的推荐值mmz
工件材料
工件硬度
HBS
硬质合金
高速钢
面铣刀
三面刃铣刀
圆柱铣刀
立铣刀
面铣刀
三面刃铣刀
低碳钢
<150
150～200
0.20～0.40
0.20～0.35
0.15～0.30
0.12～0.25
0.12～0.20
0.12～0.20
0.04～0.20
0.03～0.18
0.15～0.30
0.15～0.30
0.12～0.20
0.10～0.15
中、高碳钢
120～180
180～220
220～300
0.15～0.50
0.15～0.40
0.12～0.25
0.15～0.30
0.12～0.25
0.07～0.20
0.12～0.20
0.12～0.20
0.07～0.15
0.05～0.20
0.04～0.20
0.03～0.15
0.15～0.30
0.15～0.25
0.10～0.20
0.12～0.20
0.07～0.15
0.05～0.12
铝镁合金
95～100
0.15～0.38
0.125～0.30
0.15～0.20
0.05—0.15
0.20～0.30
0.07～0.20
注：
表中小值用于精铣，大值用于粗铣
（3）铣削速度vc的确定
铣削速度的确定可查铣削用量手册，如《机械加工工艺手册》第l卷等
综上所述，该零件的铣削用量请查看数控加工工序卡。
3.8工艺卡片的制定
3.8.1工艺过程卡
（工厂名）
综合工艺过程片卡
产品名称及型号
零件名称
棘轮
零件图号
材料
名称
45钢
毛坯
种类
型材
零件重量
毛重
牌号
尺寸
54×40×20mm
净重
性能
每料件数
工序号
工序内容
加工车间
设备名称及编号
夹具
1
制造毛坯50×40×20mm板材
2
铣上下表面，控制尺寸14.6mm
金工
普通铣床
机用平口虎钳
3
铣型腔、钻孔
金工
铣削加工中心
机用平口虎钳
4
铣凸台及外形
金工
铣削加工中心
专用夹具
5
去毛刺
钳工
6
检验
编制
抄写
校对
审核
批准
3.8.2数控加工工序卡
工序号
程序编号
夹具名称
使用设备
车间
3
O0001
机用平口虎钳
铣削加工中心
工步号
工步内容
刀具号
刀具规格mm
主轴转速（rmin）
进给速度（mmmin）
背吃刀量mm
备注
1
开粗
T01
Ф16圆鼻刀
2500
350
1
自动
2
半精加工壁边及型腔内的六边形凸台轮廓
T02
Ф4圆鼻刀
3800
1200
0.5
自动
3
精加工腔底及六边形凸台表面
T03
Ф6平底刀
3000
1200
1
自动
4
精加工壁边及半精加工型腔喇叭锥面
T04
Ф2圆鼻刀
4000
2000
0.1
自动
5
精修六边形凸台轮廓
T05
Ф1平底刀
3200
1000
0.1
自动
6
精加工喇叭锥面
T06
Ф2球刀
4800
2500
0.1
自动
7
钻中心孔
T07
Ф3中心钻
1200
120
3
自动
8
钻底孔
T08
Ф7.2麻花钻
1500
150
1.5
自动
9
铰孔
T09
Ф8铰刀
600
60
0.4
自动
编制
抄写
校对
审核
批准
工序号
程序编号
夹具名称
使用设备
车间
4
O0002
专用夹具
铣削加工中心
工步号
工步内容
刀具号
刀具规格mm
主轴转速（rmin）
进给速度（mmmin）
背吃刀量mm
备注
1
开粗
T01
Ф16圆鼻刀
2500
350
1
自动
2
精加工外轮廓
T02
Ф3平底刀
2000
500
0.5
自动
3
半精加工凸台轮廓
T04
Ф6圆鼻刀
3800
1200
0.5
自动
4
精加工凸台交接面
T02
Ф3平底刀
2000
500
0.5
自动
5
精加工凸台及圆角
T03
Ф2球刀
4800
2500
0.1
自动
编制
抄写
校对
审核
批准
3.9本章小结
本章前面通过对该零件的工艺分析，最终确定了零件的毛坯、定位基准、装夹方式、工艺路线、加工刀具及切削用量等。
通过对该零件的工艺规程设计，使我对数控加工工艺课程有了更进一步的了解，能够懂得如何对所加工零件在做好加工前的准备工作，即工艺规程设计。
4零件的Mastercam自动编程及仿真加工
4.1刀路设计前的准备
在设计刀路之前，首先需要将第二章中的实体转换成曲面，并对曲面进行相应的修改。
因在做凹圆弧曲面加工时需要用到。
此部分的具体操作步骤，就不再详细论述，最终修改后得到的曲面和相应辅助线如图4.1所示。
图4.1加工曲面及辅助线
4.2毛坯的设置
在进行刀具轨迹生成之前，需要先设置好所加工的机床、加工的毛坯、刀具等等。
（1）机床的选择
设置步骤：
“机床类型”→“铣床”→“默认”。
（2）加工毛坯
设置好机床以后，将在软件的操作管理面板中的看到如图4.2所示界面。
图4.2操作管理图4.3毛坯设置
选择图4.2中的材料设置，对面板中的参数进行设置，毛坯位54×40×14.6，设置后如图4.3所示。
4.3刀具的设置
选择“刀具路径”→“刀具管理器”，将得到如图4.4所示的对话框，然后我们将第3章中的刀具依次添加到刀具管理器当中。
图4.4刀具管理器
4.4工序3加工型腔部分的刀路设计
4.4.1工步1开粗的刀路设计
（1）单击【刀具路径】→【曲面粗加工】→【粗加工挖槽加工】，根据提示，拾取如图4.5所示曲面，按下回车键，确认选择；单击√确认选择，将跳出如图4.6所示的曲面粗加工挖槽加工刀具路径参数设置界面，在界面中，首先选择第1把16的圆鼻刀，将其“进给速率”设置为350，主轴转速2500，下刀速率50，提刀速率2000。
图4.5平面加工参数设置
图4.6粗加工挖槽加工参数设置
（2）单击【曲面加工参数】，设置加工余量为0.5。
（3）单击【粗加工参数】，设置【Z轴最大进给量】为1。
（4）单击【挖槽参数】，设置如图4.7所示参数。
图4.7挖槽参数设置
（4）设置完毕后，单击右下角的√按钮确认设置，将得到如图4.8所示的刀路。
图4.8开粗刀具路径
4.4.2工步2半精加工壁边及六边形凸台轮廓的刀路设计
（1）单击【刀具路径】→【曲面粗加工】→【粗加工等高外形加工】，拾取如图4.9所示曲面作为加工面，拾取如图4.10所示曲面作为干涩面，按下回车键，确认选择，单击√确认选择，将跳出如图4.11所示的等高外形刀具路径参数设置界面，在界面中，首先选择第2把4mm的圆鼻刀，将其“进给速率”设置为1200，主轴转速3800，下刀速率50，提刀速率2000。
图4.9加工面的选择图4.10干涩面的选择
图4.11曲面粗加工等高外形刀具设置参数设置
（2）单击【曲面加工参数】选项，将其中的【预留余量】设置为0.1，其余参数不变。
（3）单击【等高外形粗加工参数】选项，将【Z轴最大粗切步进量】设为0.5。
（4）设置完毕后，单击右下角的√按钮确认设置，将得到如图4.12所示的刀路。
图4.12半精加工壁边及六边形凸台轮廓的刀具路径
4.4.3工步3精加工腔底及六边形凸台表面的刀路设计
（1）单击【刀具路径】→【曲面精加工】→【精加工浅平面加工】，拾取如图4.13所示曲面作为加工面，拾取如图4.14所示曲面作为干涩面，按下回车键，确认选择，单击√确认选择，将跳出如图4.15所示的等高外形刀具路径参数设置界面，在界面中，首先选择第3把6mm的平底刀，将其“进给速率”设置为1200，主轴转速3000，下刀速率50，提刀速率2000。
图4.13加工面的拾取图4.14干涩面的拾取
图4.15精加工浅平面加工的参数设置
（2）单击【浅平面精加工参数】选项，将其参数设置如图4.16所示。
图4.16浅平面精加工参数设置
（3）设置完毕后，单击右下角的√按钮确认设置，将得到如图4.17所示的刀路。
图4.17精加工腔底及六边形凸台表面的走刀路径
4.4.4工步4精加工壁边及半精加工型腔喇叭锥面的刀路设计
同理，运用曲面等高外形加工的方法，设计出精加工壁边及半精加工型腔喇叭锥面的刀路如图4.18所示。
图4.18精加工壁边及半精加工型腔喇叭锥面的刀具路径
4.4.5工步5精修六边形凸台轮廓的刀路设计
同理，运用曲面等高外形加工的方法，设计出精修六边形凸台轮廓的刀路如图4.19所示。
图4.19精修六边形凸台轮廓的刀具路径
4.4.6工步6精加工喇叭锥面的刀路设计
（1）选择【刀具路径】→【曲面精加工】→【精加工放射状】，根据提示，拾取如图4.20所示的曲面，拾取如图4.21所示的干涩曲面。
图4.20加工曲面拾取图4.21干涩曲面的拾取
（2）单击√按钮，将弹出如图4.22所示对话框，在对话框中选择6号刀具，即2mm球刀，设置进给速率为2500，主轴转速4800，下刀速率50，提刀速率2000。
图4.22曲面精加工平行铣削刀具参数设置
3）单击【放射状精加工参数】选项，设置如图4.23所示参数。
图4.23放射状精加工参数设置
5）设置完毕后，单击右下角的√按钮确认设置，将得到如图4.24所示的刀路。
图4.24精加工喇叭锥面的刀具路径
4.4.7钻孔的刀路设计
（1）单击【刀具路径】→【钻孔】，根据提示，拾取孔的圆心，按下回车键，将弹出如图4.25所示刀路参数设置对话框，在对话框中选择7号刀3mm的中心钻，设置进给率为120，主轴转速1200，单击右下角的十字架应用设置。
图4.25钻孔刀路设置对话框
（2）单击【共同参数】选项，设置如图4.26所示参数。
图4.26钻孔共同参数设置
（3）设置完毕后，单击右下角的√按钮确认设置，将得到如图4.27所示的刀路。
图4.27钻中心孔的刀具路径
同理钻铰刀孔的刀路设置方法一样。
4.5工序4铣凸台及外形的刀路设计
4.5.1工步1开粗的刀路设计
根据前面的方法，运用【曲面粗加工挖槽加工】的方法进行设计，最后得到的刀路如图4.28所示。
图4.28开粗的刀具路径
4.5.2工步2精加工外轮廓的刀路设计
（1）单击【刀具路径】→【外形铣削】，根据提示，拾取零件的外轮廓曲线，然后按下回车键，将弹出如图4.29所示参数设置对话框，在对话框中选择2号3mm的平底刀，设置进给速率为500，主轴转速为2000，下刀速率为50，单击右下角的十字架应用选择。
图4.29外形铣削参数设置
（2）单击【深度切削】选项，设置如图4.30所示参数。
图4.30深度切削参数设置
（3）单击【共同参数】选项，设置如图4.31所示参数。
图4.31共同参数设置
（4）其余参数默认，设置完毕后，单击右下角的√按钮确认设置，将得到如图4.32所示的刀路。
图4.32精加工外轮廓的刀具路径
4.5.3工步3半精加工凸台轮廓
根据前面的方法，运用【曲面精加工等高外形加工】的方法进行设计，最后得到的刀路如图4.33所示。
图4.33半精加工凸台轮廓的刀具路径
4.5.4工步4精加工凸台交接面
根据前面的方法，运用【曲面精加工浅平面】的方法进行设计，最后得到的刀路如图4.34所示。
图4.34精加工凸台交接面的刀具路径
4.5.5工步5精加工凸台及圆角
根据前面的方法，运用【曲面精加工放射状加工】的方法进行设计，最后得到的刀路如图4.35所示。
图4.35精加工凸台及圆角的刀具路径
4.6后
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