基于SolidWorks和Mastercam的數(shù)控加工方法研究

張愛蓮，陳書劍，李勇峰

（1. 武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430073；2. 武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430073）

基于SolidWorks和Mastercam的數(shù)控加工方法研究

張愛蓮1，陳書劍2，李勇峰1

（1. 武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430073；2. 武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430073）

SolidWorks是一款優(yōu)秀的二維繪圖、三維建模軟件，其自帶的Simulation插件是基于有限元技術(shù)的設(shè)計(jì)分析軟件，可方便進(jìn)行應(yīng)力、位移、應(yīng)變等的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。Mastercam具有強(qiáng)大的數(shù)控加工仿真及自動(dòng)生成NC代碼的功能。本文結(jié)合兩款軟件的優(yōu)勢，以軸承端蓋的數(shù)控加工為例，真正體現(xiàn)出CAD/CAE/CAM一體化設(shè)計(jì)模式的高效性。

SolidWorks；Mastercam；數(shù)控加工

數(shù)控加工是目前加工制造業(yè)的主要趨勢和方向，數(shù)控加工技術(shù)代表一個(gè)國家制造業(yè)的發(fā)展水平。產(chǎn)品的開發(fā)主要分為設(shè)計(jì)、分析和制造三個(gè)環(huán)節(jié)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了各個(gè)行業(yè)的信息化，制造業(yè)也不例外。CAD/CAE/CAM技術(shù)正是分別支撐產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析和制造環(huán)節(jié)的信息化方法和手段[1]。Solidworks是美國Solidworks公司開發(fā)的世界上第一個(gè)基于Windows的優(yōu)秀CAD軟件，功能全面，并集成和兼容了Windows系統(tǒng)的卓越性能，能很好地完成產(chǎn)品CAD/CAE功能[2]。Mastercam是美國CNC軟件公司推出的基于PC機(jī)平臺(tái)的CAD/CAM集成化軟件之一，特別是其在CAM方面的功能是業(yè)界所普遍認(rèn)可的。本文以軸承端蓋為例，詳細(xì)論述如何充分發(fā)揮Solidworks及Mastercam各自的優(yōu)勢，在數(shù)控加工中真正體現(xiàn)CAD/CAE/CAM一體化設(shè)計(jì)理念。

1　利用SolidWorks建模及其Simulation分析

1.1 利用SolidWorks建立軸承端蓋的三維模型

軸承端蓋結(jié)構(gòu)比較簡單，主體是回轉(zhuǎn)體中間挖槽，周邊有六個(gè)安裝孔。利用Solidworks草圖繪制功能按照尺寸要求繪制所需要的圓再執(zhí)行【拉伸凸臺(tái)/基體】、【拉伸切除】命令，周邊均勻分布的六個(gè)安裝孔可以先執(zhí)行【草圖】下的【圓周陣列】后再執(zhí)行【特征】命令下的【拉伸切除】命令。圖1所示即為利用SolidWorks建立的軸承端蓋三維模型。

1.2 利用Simulation對軸承端蓋模型進(jìn)行有限元優(yōu)化分析

Solidworks Simulation可以對零件和裝配體進(jìn)行靜力分析，幫助設(shè)計(jì)人員對產(chǎn)品的材料選用、結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有效的依據(jù)。利用Simulation對軸承端蓋模型進(jìn)行有限元分析過程和方法如下：

圖1　軸承端蓋三維模型

（1）建立算例

選擇Simulation菜單下的【算例】命令，建立名為“軸承端蓋”的新算例，并選擇“靜態(tài)”按鈕。

（2）應(yīng)用材料

選擇Simulation菜單下的【材料】命令，在材料對話框里選擇軸承端蓋的材料為“AISI 1045鋼”，點(diǎn)擊“應(yīng)用”按鈕。其材料屈服強(qiáng)度為530N/mm^2。

（3）添加邊界條件

選擇Simulation菜單下的【載荷/夾具】/【夾具】命令，在“夾具”對話框里定義為“固定幾何體”約束，再選擇軸承端蓋周邊的六個(gè)安裝孔為固定約束面。

選擇Simulation菜單下的【載荷/夾具】/【力】命令，在軸承端蓋環(huán)形面上添加100N的外部載荷。

（4）劃分網(wǎng)格

選擇Simulation菜單下的【網(wǎng)格】/【生成】命令，完成對軸承端蓋的有限元網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

（5）運(yùn)行求解

選擇Simulation菜單下的【運(yùn)行】命令，應(yīng)力圖解結(jié)果如圖3所示，位移及應(yīng)變圖解結(jié)果此處省略。

圖2　軸承端蓋有限元網(wǎng)格

圖3　軸承端蓋應(yīng)力圖解

（6）查看和評估結(jié)果

由運(yùn)行求解得出的應(yīng)力圖解結(jié)果可知軸承端蓋零件在此工況下所承受的最大應(yīng)力為2.286 N/mm^2，而該材料（AISI 1045鋼）可承受的最大屈服應(yīng)力為530N/mm^2，之所以計(jì)算出的最大應(yīng)力與其材料最大屈服應(yīng)力值之間有很大的安全范圍，是因?yàn)檩S承端蓋對軸承主要是起定位和密封作用，從軸承傳遞給軸承端蓋的軸向力并不大。另外從位移圖解、應(yīng)變圖解可知其變形位移及應(yīng)變都非常小，該軸承端蓋在此工況下完全能安全工作，因此在滿足其與軸承及其他零件裝配尺寸要求的情況下還可對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，例如可以減小其最大外圓柱圓盤的厚度或者在圓盤外表面挖凹槽等，以降低材料及加工成本。

2　將SolidWorks建立的軸承端蓋文件導(dǎo)入Mastercam

Mastercam具有良好的數(shù)據(jù)交換接口，幾乎支持目前市場上所有的機(jī)械CAD軟件生成的圖形文件，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]。因此把圖1利用SolidWorks建立的軸承端蓋三維模型另存為X T格式，并用英文字母作為文件名（例如zcdg）。運(yùn)行Mastercam軟件后，選擇打開X T格式的文件類型，找到軸承端蓋文件（例如zcdg.x t）即可將模型導(dǎo)入Mastercam，如圖4所示。但此導(dǎo)入的模型只是一個(gè)能產(chǎn)生曲面模型的線架構(gòu)，而組成線架構(gòu)的幾何元素呈現(xiàn)灰色不能編輯，因此需要把后續(xù)進(jìn)行數(shù)控加工過程需要選擇的邊線、圓弧、輪廓線等幾何要素“激活”。在Mastercam軟件界面執(zhí)行【繪圖】/【曲面曲線】/【A所有曲線邊界】，再按要求選取模型表面，則此面上的邊線、圓弧、輪廓線等都處于可編輯狀態(tài)。

3　利用Mastercam對軸承端蓋進(jìn)行數(shù)控加工及生成NC代碼

3.1 確定加工工藝方案

加工工藝方案見表1所示。

表1　軸承端蓋加工工藝方案

3.2 創(chuàng)建加工刀具路徑

（1）零件毛坯設(shè)置

選擇Mastercam菜單下的【機(jī)床類型】/【銑床】/【默認(rèn)】命令，在“操作管理”界面單擊“屬性”選項(xiàng)下的“材料設(shè)置”項(xiàng)，系統(tǒng)彈出“機(jī)器群組屬性”對話框中的“材料設(shè)置”選項(xiàng)卡，設(shè)置毛坯形狀為圓柱體，旋轉(zhuǎn)軸為“Z”軸，設(shè)置圓柱體高度參數(shù)Z=24mm，圓柱體直徑參數(shù)?=142mm。

（2）外形輪廓銑削加工

軸承端蓋最大外圓柱面采用外形銑削加工，刀具及轉(zhuǎn)速參數(shù)如表（1）所示。軸承端蓋最大厚度為24mm，因此采用Z軸分層銑深，最大粗切步進(jìn)量為4mm。選擇【刀具路徑】/【外形銑削】，再選擇φ12的平底銑刀進(jìn)行外形銑削，產(chǎn)生的刀具路徑如圖5所示。

圖4　導(dǎo)入Mastercam的模型

圖5　外形輪廓刀具路徑

圖6　臺(tái)階面挖槽刀具路徑

（3）臺(tái)階面挖槽加工

軸承端蓋臺(tái)階面采用挖槽加工，刀具及轉(zhuǎn)速參數(shù)如表1所示。由于臺(tái)階面深為12mm，同樣采用Z軸分層銑深，最大粗切步進(jìn)量為4mm，為了避免刀尖與工件毛坯發(fā)生碰撞，在下刀時(shí)采用“螺旋式下刀”方式。選擇【刀具路徑】/【標(biāo)準(zhǔn)挖槽】，還是選擇φ12的平底銑刀進(jìn)行臺(tái)階面銑削。注意在“2D刀具路徑-標(biāo)準(zhǔn)挖槽”對話框里“挖槽類型”應(yīng)選擇“平面加工”以確保最外邊界都能銑削完整，產(chǎn)生的刀具路徑如圖6所示。

（4）內(nèi)腔挖槽加工

軸承端蓋內(nèi)腔挖槽加工與臺(tái)階面挖槽加工參數(shù)設(shè)置基本相同，不同之處就在“2D刀具路徑-標(biāo)準(zhǔn)挖槽”對話框里“挖槽類型”應(yīng)該選擇“標(biāo)準(zhǔn)”以確保只加工出所選擇輪廓以內(nèi)的內(nèi)腔，不會(huì)擴(kuò)寬到輪廓線以外，產(chǎn)生的刀具路徑如圖7所示。

圖7　內(nèi)腔挖槽刀具路徑

圖8　鉆孔刀具路徑

（5）鉆孔加工

軸承端蓋周邊均布的六個(gè)安裝孔采用鉆孔加工，刀具及轉(zhuǎn)速參數(shù)如表1所示。為了保證鉆通整個(gè)毛坯，在設(shè)置加工參數(shù)時(shí)注意要選中“刀尖補(bǔ)正”，設(shè)置一定數(shù)值的貫穿距離。選擇【刀具路徑】/【鉆孔】，選擇φ10的鉆孔刀進(jìn)行鉆孔加工，產(chǎn)生的刀具路徑如圖8所示。

3.3 后處理生成NC代碼

執(zhí)行完所有的加工操作后可以對零件進(jìn)行完整的仿真加工，得到的仿真效果圖跟Solidworks建模圖圖1完全一致。仿真效果達(dá)到預(yù)期即可進(jìn)行后處理，在“操作管理器”界面單擊“G1（后處理已選擇的操作）”按鈕[4]，彈出“后處理程式”對話框，選中“NC文件”選項(xiàng)下的“編輯”選項(xiàng)，然后單擊“確定”按鈕，彈出“另存為”對話框，選擇好存儲(chǔ)路徑后，單擊“確定”按鈕，打開“Mastercam X 編輯器”窗口，如圖9所示（截取部分）。在此窗口還可以對生成的NC代碼進(jìn)行編輯，以方便為配置了不同操作系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床生成各自能識(shí)別的程序代碼。

4　結(jié)語

SolidWorks有著優(yōu)秀的建模及有限元優(yōu)化分析功能，Mastercam有著強(qiáng)大的模擬仿真數(shù)控加工路徑及自動(dòng)生成加工程序的功能。本文以實(shí)例的形式論證了將兩者結(jié)合起來充分發(fā)揮各自優(yōu)勢的可行性，在企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中運(yùn)用這種方法，將縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、降低成本，提高產(chǎn)品的競爭力。

圖9　數(shù)控加工程序代碼（截取部分）

[1] 杜平安，等．CAD/CAE/CAM方法與技術(shù)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2010．1-3.

[2] 吳明友．?dāng)?shù)控加工自動(dòng)編程—SolidWorks+ Mastercam詳解[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2008．17-19.

[3] 劉偉洪，劉海波．Mastercam導(dǎo)入其他CAD模型數(shù)控加工的策略和應(yīng)用[J]．制造業(yè)自動(dòng)化，2011，（12）:34-36.

[4] 麓山文化. Mastercam X6從入門到精通[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)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

張愛蓮（1973-），女，副教授，碩士，研究方向：工程圖學(xué)、CAD及數(shù)控加工.