CN100480919C - 一种复杂形体等高分割组合数控铣削制造法 - Google Patents
一种复杂形体等高分割组合数控铣削制造法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及机械设计制造与加工领域，具体说涉及一种复杂形体的等高分割组合数控铣削制造法，它包括复杂形体的分割设计、模块创建、数控铣削、形体组合等内容。利用本发明可以在刀具结构和机床功能不变的条件下，完成普通数控机床无法加工的复杂形体的加工，尤其是深腔部位，并可以消除切削过程中的扎刀问题。本发明加工工艺简化，明显缩短设计制造加工周期，提高数控铣削效率和精度，本发明方法等高分割组合数控铣削制造法完全适合于高速数控铣削。
Description
技术领域
本发明涉及机械设计制造与加工领域，具体说涉及一种复杂形体的等高分割组合数控铣削制造法。
背景技术
在数控铣削技术应用于机械制造之前，具有复杂表面的机械零件和模样原型(简称：复杂形体)的切削加工只能由手工控制的机械进行，甚至手工工具雕刻完成，因此，不能达到很高的精度和效率。数控铣削技术用于复杂形体加工后，加工精度和效率明显提高，并成为金属材质精密复杂形体制造的主要方法。但是，由于刀具结构和机床功能的限制，有些形体的深腔部位仍然无法切削，难以达到加工要求和精度，且有扎刀现象产生，也影响了加工效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种复杂形体等高分割组合数控铣削制造法，它能对复杂形体的深腔部位进行切削，且避免扎刀现象，提高加工精度和工效。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种复杂形体等高分割组合数控铣削制造法，包括以下步骤：
(1)导入或创建复杂形体的实体模型
把复杂形体的几何信息和制造属性通过数据接口导入到三维图形交互式CAD设计系统，或直接在该系统创建复杂形体的实体模型。
(2)确定等高分割参数Hmax
依据复杂形体尺寸的最小凹部半径Rmin确定铣刀的直径D，铣刀的直径D小于等于2Rmin，刀长L为铣刀的直径D的5倍或10Rmin；等高分割参数Hmax小于或等于刀长L。
(3)复杂形体的等高分割设计
在三维图形交互式CAD设计系统的可视化设计环境下，利用设计系统，按分割高度小于或等于Hmax，将复杂形体的实体模型分割为一层以上的一组分割件的实体模型。
(4)创建模块
所述模块是用CAD或CAM系统创建规范化计算机图形或标准数控代码，以二维、三维图形文件的形式或数据文件的形式存放在设计系统文件库中，供分割设计或分割件切削加工时调用；所述模块分为实体模块、线框模块、轨迹模块、数控码模块。
所述实体模块运用CAD系统实体生成功能，通过图形交互方式输入模块的规范尺寸，按照系统提示逐步操作，系统自动生成实体图形模块，存储在CAD设计系统的文件库中备用；在组合结构实体设计时，应用系统的“实体布尔运算”功能或类似功能调用实体模块；所述每一规格的实体模块有凸、凹之分。
所述线框模块运用CAD系统曲线生成功能，通过交互方式输入规范尺寸，系统即显示线框图形，建立线框模块，并以图形文件类型存储在CAD设计系统的文件库中备用；在组合结构实体设计时，应用系统的“图形拷贝”或“实体布尔运算”功能调用线框模块。
所述轨迹模块运用CAM系统轨迹生成功能，通过轨迹生成对话框输入刀具参数、切削轨迹控制参数，按照系统提示逐步操作，系统自动生成刀具轨迹图形，将轨迹模块以图形文件类型存储在设计系统的文件库中，自动编程时调用；在分割件加工自动编程时，应用CAM系统的轨迹拷贝功能或类似功能调用。
所述数控码模块运用CAM系统的后置处理功能，通过后置设置对话框输入后处理参数，给定模块的文件名，拾取上述创建的轨迹图形，按照系统提示逐步操作，系统自动生成标准数控代码数据文件，存储在设计系统的文件库中，供数控加工时调用；所述标准数控代码数据文件也可以直接存放在数控机床的数控系统中；调用的方法是依据定位点确定工件坐标系，执行该数控码模块，数控机床进行加工。
(5)分割件的模块化组合结构设计
根据分割件的结构以及底面、顶面的形状和尺寸选择组合模块的模数，确定组合模块的形状，确定组合模块的定位点，从设计系统的文件库中调用设计好的模块，运用系统的布尔运算功能添加到分割件的定位点，在分割件的分割面上生成组合结构；运用系统的查询功能检查定位模块的尺寸和位置，建立分割件的实体模型。
(6)复杂形体分割件的虚拟组合
在三维图形交互式CAD设计系统的可视化设计环境下，运用系统的装配功能对分割件进行虚拟装配，检查组合结构的正确性，恢复复杂形体的整体效果。
(7)分割件的毛坯制备
把可切削的材料制成与分割件外形相对应的板块形状，各向留有余量。
(8)分割件底面数控切削加工
对分割件的底面进行平面铣削，对底面组合结构进行槽沟铣削，对组合结构的有孔部位钻中心孔或作螺纹孔，组合结构的加工可以直接调用凹台数控码模块进行加工。
(9)分割件数控自动编程
在三维图形交互式CAM系统的可视化设计环境下，利用系统的自动编程功能，对分割体的实体模型生成等高粗加工轨迹，对分割体的周边面生成等高精加工轨迹，根据需要生成局部补加工轨迹，对分割体的顶面及其组合结构生成平面区域加工轨迹，对轨迹作真实感仿真检查后，运用系统的后处理功能生成数控程序代码以用于数控加工。
(10)分割件的装夹与数控切削
把已完成底部加工的分割件用模块式夹具体安装在数控机床的工作台上，通过机床数控系统的通讯接口输入已编好数控程序完成分割件的切削；
(11)复杂形体的组合
对加工好的分割件进行清洗、装配，恢复复杂形体的整体状态，根据需要可在分割面涂敷结合剂，并用螺钉在螺纹孔中紧固分割件，复杂形体的加工组合完成。
其中上述步骤(10)中所述模块式夹具体6由定位边61、定位面66、螺钉孔62、底平面63、十字定位键64、及本体65构成，定位边61位于定位面66上方凸起的一侧，定位面66位于本体65的上方，定位面66上或凸起的部分设有螺钉孔62，十字定位键64位于本体65的下方，并可拆装。
所述模块式夹具体是利用分割件底面规格化的凹台和组合螺孔实现分割件的定位、夹紧。使得分割件切削时，顶面、周边面相对刀具敞开。
所述模块式夹具体的规格、尺寸与分割件的组合结构的规格、尺寸相对应。
所述分割件的组合结构既是复杂形体的装配结构又是切削过程中的安装定位结构。
所述的模块式夹具是分割件切削加工的关键性工艺装备，其基本功能是利用分割件底面规格化的凹台和组合螺孔实现片状分割件的定位夹紧，并保证足够的安装精度和刚度，使分割件切削时除底面外，顶面、周边面全部相对刀具敞开，避免压板、螺钉与与刀具的干涉，提高数控切削效率和质量。模块化夹具体的规格、尺寸与分割件的组合结构的规格、尺寸是对应的。模块化夹具体可以一次制造重复使用。
本发明中，复杂形体的尺寸、大小、形状可根据需要设定。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
①本发明可以加工普通数控机床无法加工的复杂形体，尤其是深腔部位；②可以在刀具结构和机床功能不变的条件下完成更复杂形体的加工，特别是应用于曲面特征的形体的加工、金属材质铸造模样的制造方面具有更突出的优点，扩大了三轴立式数控铣床的应用；③等高分割及分割件的等高均化切削是对复杂形体非均匀切削余量最有效的均化，可以消除切削过程中的扎刀问题，提高数控铣削效率，等高分割切削轨迹完全适合于高速数控铣削，为复杂表面高精、高效切削加工提供了有利条件；④模块化理念不仅应用于制件本身，还贯穿于设计、数控编程、工艺装备、切削加工整个制造过程，明显缩短设计制造周期；⑤本发明把复杂形体分割后，加工片状分割件，加工工艺简化，大大提高工效，尤其对大型的复杂形体加工；⑥托运组合安装方便。
附图说明
图1为复杂形体实例等高分割组合过程示意图
图2为复杂形体实例的整体切削时，利用现有切削方法P点不能实现切削的示意图
图3为本发明复杂形体实例的等高分割体底层P点可以实现切削的示意图
图4为实施例线框模块6-4X4Y-0在分割面上生成的组合结构线框示意图
图5为实施例实体模块6-4X4Y-1在分割面上生成的组合结构实体凸台示意图
图6为实施例刀具轨迹模块6-4X4Y-4在分割面上生成的刀具轨迹示意图
图7为模块式夹具体立体示意图
图8为模块式夹具体俯视图及定位示意图。
图9为分割件在数控机床上加工时装夹方式示意图
图10为小尺寸待加工分割件运用模块化夹具体安装的示意图
图11为同一小尺寸待加工分割件的另一种安装方式的示意图
图12为复杂形体分割加工组合后的主视图
图13为复杂形体分割加工组合后的A-A剖面图
图14为四孔组合结构凹部模块立体示意图
图15为四孔组合结构凸部模块立体示意图
图16为两孔组合结构凹部模块立体示意图
图17为两孔组合结构凸部模块立体示意图
图18为分割件3等高线走刀轨迹示意图
图19为位于底层的分割件5的等高线走刀轨迹示意图
图20为定位模块基本尺寸系列表
图21为模数为6时的定位模块尺寸示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案作进一步的描述。
一种复杂形体等高分割组合数控铣削制造法，包括以下步骤：
(1)导入或创建复杂形体模样的实体模型
把复杂形体的几何信息和制造属性通过数据接口导入到三维图形交互式CAD设计系统，或直接在该系统创建复杂形体的实体模型；本实施例用CAXAME系统进行，也可在其它有此功能的计算机软件系统进行。
(2)确定等高分割参数Hmax
依据复杂形体的模样形体尺寸的最小凹部半径Rmin确定铣刀的直径D，铣刀的直径D小于或等于2 Rmin，刀长L为铣刀的直径D的5倍或10Rmin；等高分割参数Hmax小于刀长L；复杂形体高度为H。
本实施例中，如图2所示，凹部最小半径Rmin为3.5mm，确定铣刀的直径D为6mm，刀长L为30mm，等高分割参数Hmax为30mm。
(3)复杂形体的等高分割设计
在三维图形交互式CAD设计系统的可视化设计环境下，按实际分割高度小于Hmax，将复杂形体的实体模型分割为一层以上的一组分割件的实体模型；
本实施例在CAXAME系统进行分割的，如图1为复杂形体实例等高分割组合过程示意图，图2为复杂形体实例的整体切削时，利用现有切削方法P点不能实现切削的示意图，图3为本发明复杂形体实例的等高分割体底层P点可以实现切削的示意图。
从图1、图2可看出本实施例把复杂形体分割为三层，实际分割高度为26mm。
从图2中可以看出，由于刀体1干涉，刀具2不能够切削复杂形体的p点部位，而在图3中可以看出，等高分割后，刀具2可以很容易切削复杂形体的p点部位。
(4)创建模块
所述模块是用CAD或CAM系统创建的规范化计算机图形或数控程序代码，以二维、三维图形文件的形式或数据文件的形式存放在设计系统文件库中，供分割设计或分割件切削加工时调用；所述模块分为线框模块、实体模块、轨迹模块、数控码模块，模块的形状与尺寸以规范化模数和参数表达。
所述线框模块运用CAXAME系统曲线生成功能，通过交互方式输入规范尺寸，系统即显示线框图形，生成线框模块，并以图形文件类型存储在CAD设计系统的文件库中备用；在组合结构实体设计时，应用系统的“图形拷贝”或“实体布尔运算”功能调用线框模块；图4为实施例线框模块6-4X4Y-0在分割面上生成的组合结构线框示意图。
所述实体模块运用CAXAME系统的实体生成功能，通过图形交互方式输入模块的规范尺寸，按照系统提示逐步操作，系统自动生成实体图形模块，存储在CAD设计系统的文件库中备用；在组合结构实体设计时，应用系统的“实体布尔运算”功能或类似功能调用实体模块；所述每一规格的实体模块有凸、凹之分。图5为实施例实体模块6-4X4Y-1在分割面上生成的组合结构实体凸台示意图。
所述轨迹模块运用CAXAME系统轨迹生成功能，通过轨迹生成对话框输入刀具参数、切削轨迹控制参数，按照系统提示逐步操作，系统自动生成刀具轨迹图形，将轨迹模块以图形文件类型存储在设计系统的文件库中，自动编程时调用；在分割件数控自动编程时，应用CAXAME系统的轨迹拷贝功能或类似功能调用。图6为实施例刀具轨迹模块6-4X4Y-4在分割面上生成的刀具轨迹示意图。
所述数控码模块运用CAXAME系统的后置处理功能，通过后置设置对话框输入后处理参数，给定模块的文件名，拾取上述创建的轨迹图形，按照系统提示逐步操作，系统自动生成标准数控代码数据文件(*.cut)，存储在设计系统的文件库中，供数控加工时调用；所述标准数控代码数据文件也可以直接存放在数控机床的数控系统中；调用的方法是依据定位点确定工件坐标系，执行该数控代码模块，数控机床进行加工。
(5)分割件的模块化组合结构设计
根据分割件的结构以及底面、顶面的形状和尺寸选择组合模块的模数，确定组合模块的形状，确定组合模块的定位点。从设计系统的文件库中调用设计好的模块，运用系统的布尔运算功能添加到分割件的定位点，相邻层分割件组合结构的凸起和凹部相配合，如图14与15，16与17为CAD系统中生成的相配合的组合结构；运用系统的查询功能检查定位模块的尺寸和位置，建立分割件的实体模型。本实施例在CAXAME系统进行，也可在其它类似系统进行。
如图16与17中，为二孔组合结构模块，实际装配时，凸凹部用螺钉紧固组合，还可以有四孔组合结构模块，如图14与15。其它组合模块的形状如图8所示，OP为各种形状模块的定位点。
(6)复杂形体分割件的虚拟组合
在三维图形交互式CAD设计系统的可视化设计环境下，运用系统的装配功能对分割件进行虚拟装配，检查组合结构的正确性，恢复复杂形体的整体效果；
本实施例在SOLID EDGE系统进行这一过程，也可在其他类似系统进行。
(7)分割件的毛坯制备
把可切削的材料制成与分割件外形相对应的板块形状，各向留有余量，如图10、11中的待加工分割件9。
(8)分割件底面数控切削加工
对分割件的底面进行平面铣削，对底面组合结构进行槽沟铣削，对组合结构的有孔部位钻中心孔或作螺纹孔，组合结构凹台的加工可以直接调用凹台数控码模块进行加工。
(9)分割件数控自动编程
在三维图形交互式CAM系统的可视化设计环境下，利用系统的自动编程功能，对分割件的实体模型生成等高粗加工轨迹，对分割体的周边面生成等高精加工轨迹，根据需要生成局部补加工轨迹，对分割体的顶面及其组合结构生成平面区域加工轨迹，对轨迹作真实感仿真检查后，运用系统的后处理功能生成标准数控程序代码以用于数控加工；本实施例在CAXAME系统进行。
附图18为分割件3、附图19为分割件5的等高线走刀轨迹示意图。
(10)分割件的装夹与数控切削
把已完成底部加工的分割件用模块式夹具体安装在数控机床的工作台上，通过机床数控系统的通讯接口输入已编好数控程序完成分割件的切削。
如图7为模块式夹具体的立体示意图。
图8为模块式夹具体俯视图及定位示意图。图8中，中间图形为模块式夹具体俯视图，周边六个矩形线框所指为同一模数的六种不同形式定位凹台在模块式夹具上实现定位的示意图实例，OP为凹台的形心和定位点。
图9为分割件在数控机床上加工时装夹方式示意图，即运用模块式夹具体6安装分割件3加工时的装夹方式示意图。其中，7为数控机床的工作台，8压板，本处为三轴立式数控铣床。
图10为小尺寸待加工分割件9运用模块式夹具体6安装的示意图。
图11为同一小尺寸待加工分割件9的另一种安装方式的示意图，即利用相配合的下层已加工的分割件3的顶面安装。
(11)复杂形体的组合
对分割件进行清洗、装配，恢复复杂形体的整体状态，根据需要可在分割面涂敷结合剂，以提高结合面的强度和气密性，并用螺钉在螺纹孔中紧固分割件，复杂形体的加工组合完成。如图1所示为本实施例的等高分割组合过程示意图。
图12为复杂形体分割加工组合后的主视图，3为分割件，4为等高分割面，本例为3层等高分割，两个等高分割面。
图13为复杂形体分割加工组合后的A-A剖面图。分割件10位于上层，分割件3位于中间层，分割件5位于最下层(底层)，11为螺栓、螺纹结合部，12为结合剂即金属粘胶类。
所述的复杂形体等高分割组合数控铣削制造法步骤(10)中所述模块式夹具体6如图7所示，由定位边61、定位面66、螺钉孔62、底平面63、十字定位键64、及本体65构成，定位边61位于定位面66上方凸起的一侧，定位面66位于本体65的上方，定位面66上或凸起的部分设有螺钉孔62，十字定位键64位于本体65的下方，并可拆装。模块式夹具体用优质钢材精加工而成，精度7级，硬度HRC50-55。尺寸系列符合下述定位模块基本尺寸系列表1，定位边61的尺寸如附图8中的例子所示，所述模块式夹具体上的三组定位边61适用于分割件6种形状的定位凹台，如附图8中矩形线框所指，OP为凹台的形心和定位点。每一种模数规格制备3件以上，如图9为模块式夹具体6三件组合用法，图10为模块式夹具体6一件的独立用法，模块式夹具体6可以独立使用或组合使用。当组合使用时，一件起定位作用，其余起重支撑作用。起支撑作用时要拆去十字定位键64，避免过定位。
如图20为定位模块基本尺寸系列表。
其中，定位模块扩展系列与扩展规则的代号含义为：
● 模数—与螺纹系列对应，如：2、2.5、3、4、5、6，等。
● x方向倍数—x尺寸为模数与x方向倍数乘积的二倍。
● y方向倍数—y尺寸为模数与y方向倍数乘积的二倍。
● 数据格式—0为线框(可省略)，1为凸台实体，2为凹台实体，3为凸台轨迹，4为凹台轨迹，5为凸台数控码，6为凹台数控码等。
示例：以模数6为例，图21为模数为6时的定位模块尺寸示意图
本发明中所用数字单位为mm。
本发明中分割设计、自动编程、切削加工、工艺装备、制品构造等始终贯穿模块化、规范化的方法。缩短了制造周期，减少了制造成本。
分割件的数控加工采用等高线轨迹避免扎刀、提高切削效率、适合高速切削。
本发明除以上实施例外，也适合零件的设计制造与数控加工，同样不排除其他类似的工件的设计与加工。
Claims (4)
1、一种复杂形体等高分割组合数控铣削制造法，其特征在于包括以下步骤：
(1)导入或创建复杂形体的实体模型
把复杂形体的几何信息和制造属性通过数据接口导入到三维图形交互式CAD设计系统，或直接在该系统创建复杂形体的实体模型；
(2)确定等高分割参数Hmax
依据复杂形体尺寸的最小凹部半径Rmin确定铣刀的直径D，铣刀的直径D小于等于2Rmin，刀长L为铣刀的直径D的5倍或10Rmin；等高分割参数Hmax小于刀长L；
(3)复杂形体的等高分割设计
在三维图形交互式CAD设计系统的可视化设计环境下，利用设计系统，按实际等高分割高度小于或等于Hmax，将复杂形体的实体模型分割为一层以上的一组分割件的实体模型；
(4)创建模块
所述模块用CAD或CAM系统创建规范化计算机图形或标准数控代码，以二维、三维图形文件的形式或数据文件的形式存放在设计系统文件库中，供分割设计或自动编程或分割件切削加工时调用；所述模块分为实体模块、线框模块、轨迹模块、数控码模块；
所述实体模块运用CAD系统功能，通过图形交互方式输入模块的规范尺寸，按照系统提示逐步操作，系统自动生成实体图形模块，存储在CAD设计系统的文件库中备用；在组合结构实体设计时，应用系统的“实体布尔运算”功能调用实体模块；所述每一规格的实体模块有凸、凹之分；
所述线框模块运用CAD系统曲线生成功能，通过交互方式输入规范尺寸，系统即显示线框图形，建立线框模块，并以图形文件类型存储在CAD设计系统的文件库中备用；在组合结构实体设计时，应用系统的“图形拷贝”或“实体布尔运算”功能调用线框模块；
所述轨迹模块运用CAM系统轨迹生成功能，通过轨迹生成对话框输入刀具参数、切削轨迹控制参数，按照系统提示逐步操作，系统自动生成刀具轨迹图形，将轨迹模块以图形文件类型存储在设计系统的文件库中，自动编程时调用；在分割件加工自动编程时，应用CAM系统的轨迹拷贝功能调用；
所述数控码模块运用CAM系统的后置处理功能，通过后置设置对话框输入后处理参数，给定模块的文件名，拾取上述创建的轨迹图形，按照系统提示逐步操作，系统自动生成标准数控代码数据文件，存储在设计系统的文件库中，供数控加工时调用；所述标准数控代码数据文件也可以直接存放在数控机床的数控系统中；调用的方法是依据定位点确定工件坐标系，执行该数控码模块，数控机床进行加工；
(5)分割件的模块化组合结构设计
根据分割件的结构以及底面、顶面的形状和尺寸选择组合模块的模数，确定组合模块的形状，确定组合模块的定位点，从设计系统的文件库中调用设计好的模块，运用系统的布尔运算功能添加到分割件的定位点，在分割件的分割面上生成组合结构；运用系统的查询功能检查定位模块的尺寸和位置，建立分割件的实体模型；
(6)复杂形体分割件的虚拟组合
在三维图形交互式CAD设计系统的可视化设计环境下，运用系统的装配功能对分割件进行虚拟装配，检查组合结构的正确性，恢复复杂形体的整体效果；
(7)分割件的毛坯制备
把可切削的材料制成与分割件外形相对应的板块形状，各向留有余量；
(8)分割件底面数控切削加工
对分割件的底面进行平面铣削，对底面组合结构进行槽沟铣削，对组合结构的有孔部位钻中心孔或作螺纹孔，组合结构的加工直接调用凹台数控码模块进行加工；
(9)分割件等高数控自动编程
在三维图形交互式CAM系统的可视化设计环境下，利用系统的自动编程功能，对分割体的实体模型生成等高粗加工轨迹，对分割体的周边面生成等高精加工轨迹，对分割体的顶面及其组合结构生成平面区域加工轨迹，对轨迹作真实感仿真检查后，运用系统的后处理功能生成数控程序代码以用于数控加工；
(10)分割件的装夹与数控切削
把已完成底部加工的分割件用模块式夹具体安装在数控机床的工作台上，通过机床数控系统的通讯接口输入已编好数控程序完成分割件的切削；
(11)复杂形体的组合
对加工好的分割件进行清洗、装配，恢复复杂形体的整体状态，在分割面涂敷结合剂，并用螺钉在螺纹孔中紧固分割件，复杂形体的加工组合完成。
2、如权利要求1所述的复杂形体等高分割组合数控铣削制造法，其特征在于步骤(10)中所述模块式夹具体(6)由定位边(61)、定位面(66)、螺钉孔(62)、底平面(63)、十字定位键(64)及本体(65)构成，定位边(61)位于定位面(66)上方凸起的一侧，定位面(66)位于本体(65)的上方，定位面(66)上或凸起的部分设有螺钉孔(62)，十字定位键(64)位于本体(65)的下方，并可拆装。
3、如权利要求2所述的复杂形体等高分割组合数控铣削制造法，其特征在于所述模块式夹具体是利用分割件底面规格化的凹台和组合螺孔实现分割件的定位、夹紧，使得分割件切削时，顶面、周边面相对刀具敞开；所述模块式夹具体的规格、尺寸与分割件的组合结构的规格、尺寸相对应。
4、如权利要求3所述的复杂形体等高分割组合数控铣削制造法，其特征在于分割件的组合结构既是复杂形体的装配结构又是切削过程中的安装定位结构。
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| 铸造模样分割及其三轴数控铣削. 王永明，刘力松.机械加工与自动化，第12期. 2004 |
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