PPCNC在塑料齿轮制作中的应用.docx

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PPCNC在塑料齿轮制作中的应用

XX大学实验室开放基金项目（A类）

实验报告

PPCNC在塑料齿轮制作中的应用

项目编号:

2012207

项目名称:

PPCNC在塑料齿轮制作中的应用

项目负责人:

XXXXX

项目负责人电话:

XXXXXXXXXXXX

指导教师:

XXX

所在单位:

机械基础实验教学中心

立项时间:

XXXX年X月X日

填表日期:

XXXX年X月X日

XX大学实验室与设备管理处

XXXX年制

目录

目录······························································2

1.实验研究目的与意义··············································3

2.实验原理、方法和工具···········································3

3.基于Solidworks和Mastercam软件的建模和模拟加工·················3

3.1Solidworks软件中齿轮模型的建模·······························3

3.1.1Solidworks软件简介······································3

3.1.2齿轮的3D建模············································5

3.2基于Mastercams的数控铣削加工直齿圆柱齿轮·····················6

3.2.1MasterCAM软件的功能介绍··································6

3.2.2MasterCAM软件数控编程工艺特点····························7

3.2.3绘制边界盒，设定工件材料·································9

3.2.4对齿轮齿形轮廓进行外形铣削加工···························9

3.2.5对齿轮中间圆孔进行标准挖槽加工··························12

3.2.6模拟刀具路径···········································153.2.7生成数控NC代码·········································15

3.3基于Mastercams的数控铣削加工直齿圆锥齿轮····················16

3.3.1绘制边界盒，设定工件材料·································16

3.3.2对圆锥齿轮外形轮廓进行曲面粗加工放射状···················17

3.3.3对圆锥齿轮外形轮廓进行曲面精加工放射状···················19

3.3.4对齿轮中间圆孔进行标准挖槽加工···························21

3.3.5模拟刀具路径·············································21

3.4圆柱轴的加工·················································22

4.PPCNC加工······················································24

4.1PPCNC设备简介··············································24

4.2PPCNC主要技术参数及特点····································25

4.3PPCNC实物加工···············································26

5.实验结果························································27

6.小结····························································28

附件······························································29

1.实验研究目的与意义

（1）本实验项目是在利用PPCNC进行微小零件进行数控加工研究项目中一个子项目。

通过利用PPCNC加工出完整的齿轮副，摸索出在PPCNC上有效制作塑料齿轮的方法，并形成一套完整易学的齿轮加工策略供初学者使用。

同时少齿数齿轮在展成法加工中有不发生根切的最小齿数（Z≥17）的限制,故其加工一直被视为技术难点。

因此本次利用PPCNC以便能摸索出加工少齿数尺寸的有效方法。

（2）齿轮材料和使用要求：

本次加工的齿轮有两种，分别为直齿圆柱齿轮和直齿圆锥齿轮，所用材料均为普通塑料。

要求具有一定的机械强度，能正常传动受力，和承受一定程度的冲击。

2.实验原理、方法和工具

本次在PPCNC在加工塑料齿轮基于Solidworks三维建模、Mastercam刀路编辑模拟、NC数控加工等多项技术。

其中核心是Mastercam辅助设计刀路，利用Mastercam软件不仅可以实现计算机辅助NC程序编制，还可以实现计算机辅助设计制造一体化。

。

所用工具如下：

软件类：

Solidworks、Mastercam、PPCNC操作软件

设备类：

PPCNC（个人便携式数控机床）

3.基于Solidworks和Mastercam软件的建模和模拟加工

3.1Solidworks软件中齿轮模型的建模

3.1.1Solidworks软件简介

考虑到Mastercam软件建模功能相对较弱，而我们要制作的直齿圆柱齿轮与圆锥齿轮相对复杂一些，因此本次利用具有强大建模功能Solidworks软件对齿轮模型进行建模。

Solidworks软件是世界上第一个基于W00indows开发的三维CAD系统。

Solidworks软件本身的功能就非常强大，再加上有许多公司开发的插件对它的支持，使其功能在很多方面得到了扩展，这里简单介绍几个常用的功能：

（1）TopDown（自顶向下）：

自顶向下的设计是指在装配过程环境下进行相关设计子部件的能力，不仅做到尺寸参数全相关，而且实现几何形状、零部件之间全自动完全相关，并且为设计者提供完全一致的界面和命令进行全自动的相关设计环境。

（2）DownTop（自下而上）：

自下而上的设计是指在用户先定义好产品的各个零部件后，运用装配关系把各个零部件组合成产品的设计能力，在装配关系定制好之后，不仅作到尺寸参数全相关，并且为设计者提供完全一致的截面和命令进行全自动的相关设计环境。

（3）零部件镜像：

SolidWorks中提供了零部件的镜像功能，不仅镜像零部件的几何外形，而且包括产品结构和装配条件，还可根据实际需要区分是简单的拷贝还是自动生成零部件的对称件。

这一功能大大节约了设计时间，提高了设计效率。

（4）装配特征：

SolidWorks提供完善的产品级的装配特征功能，以便创建和记录特定的装配体设计过程。

实际设计中，根据设计意图有许多特征是在装配环境下在装配操作发生后才能生成的，设零件无需考虑的。

在产品的装配图作好之后，零件之间进行配合加工，比如：

零件焊接、切除、打孔等功能。

SolidWorks支持大装配的装配模式，拥有干涉检查、产品的简单运动仿真、编辑装配体透明的功能．

（5）工程图：

SolidWorks提供全相关的产品级二维工程图，显示世界中的产品可能由成千上零件组成，其工程图的生成至关重要，其速度和效率是各3D软件均要面临的问题。

SolidWorks采用了生成快速工程图的手段，使得超大型装配体的工程图的生成和标注也交得非常快捷。

SolidWorks可以允许二维工程图暂时与三维模型脱离关系，所有标注可以在没有三维模型的状态下添加，同时用户又可以随时将二维工程图和三维模型同步。

从而大大加速工程图的生成过程。

同时SolidWorks提供了GB标注标准，可以生成符合国内企业需要的工程图，用于指导生产。

（6）COSMOSMotion三维动力学仿真：

运用SolidWorks软件对机械进行三维造型和装配后，用与SolidWorks无缝集成的COSMOSMotion三维动力学仿真软件添加运动、约束、力、碰撞等，对该机械进行运动和动力仿真模拟，用动画、图形、数据等多种形式输出零部件的轨迹、速度、加速度、作用力、反作用力等运动和动力参数。

3.1.2齿轮的3D建模

利用Solidworks齿轮插件Geartrax设计齿轮：

Geartrax专门为Solidworks使用的齿轮插件，运用Geartrax可以方便快捷地设计出各类齿轮，是机械设计人员必不可少的专业插件软件之一。

Geartrax不仅可以对直齿齿轮进行建模，还可以对锥齿轮、链齿轮、齿皮带轮、皮带轮、涡轮涡杆、花键齿等，各项参数如齿轮、大径、小径均可直接设置。

（1）初步选定齿轮Z=15，模数m=2的直齿圆柱齿轮。

齿轮各项尺寸参数设置如下：

图3-1直齿圆柱齿轮各项尺寸参数

图3-2直齿圆锥齿轮各项尺寸参数

（2）在Solidworks中生成完整的齿轮3D模型，保存为igs格式供下一步应用：

图3-3直齿齿轮3D模型图3-4直齿圆锥齿轮3D模型

3.2基于Mastercams的数控铣削加工直齿圆柱齿轮

3.2.1MasterCAM软件的功能介绍

MasterCAM9.2由Mill（铣削）、Lathe（车削）、Wire（线切割）和Design（造型）4个模块组成。

其中Mill、Lathe、Wire3大模块都具有完整的三维造型功能，它们既可以和Design模块配合使用，也可单独使用。

MasterCAM的主要功能有：

（1）CAD绘图功能

MasterCAM可设计、编辑复杂的三维、三维空间曲线，还能生成方和曲线。

并具有强大的曲面造型功能和实体造型功能，可用于零件表面局部开关的详细设计，实现精确建模。

（2）模拟加工功能

MasterCAM软件实现铣削、车削、线切割的仿真加工，并可承受时修改零件几何模型及加工参数。

同时提供相关的加工情况报告，检测加工过程中可能出现的碰撞、干涉、过切等问题，避免实际加工时错误的走刀轨迹给零件加工带来的损失。

（3）数控编程功能

采用MasterCAM软件的后处理程序可自动生成NCI刀具文件或NC数控代码。

MasterCAM系统本身提供了一百多种后处理PST程序，对于不同的数控设备，可根据相应的数控系统选用对应的后处理程序，后置处理生成的NC数控代码可以直接输出到数控设备，进行数控加工使用。

如果MasterCAM系统本身的后处理PST程序不适合的数控系统，也可以对后处理PST程序进行编辑，使它处理生成的NC数控代码符合您的数控系统。

（4）文件管理和数据交换功能

MasterCAM软件设置了许多数据转换器，如ASCII、SAT、IGES、STP等，还有针对AutoCAD、Pro/E等软件的数据转换器。

用户可以将多种数年型的文件与MasterCAM软件数据库进行转换。

MasterCAM软件还带有刀具库和材料库等，使实际加工变得非常方便。

3.2.2MasterCAM软件数控编程工艺特点

（1）工艺原则

数控加工时不公要使工作的外形和尺寸达到图纸的要求，还要达到好的经济效益，但数控程序编制的方法不同，将直接影响工件的加工质量、效率和经济性。

加工路线合理与否，关系到零件的加工质量与生产效率。

在确定加工路线时，应综合考虑保证加工精度和缩短加工路线，力求“两全其美”。

就粗加工而言，在不影响精度的前提下，最大限度地缩短加工路线，即“先短后精”的原则；而对于精加工，应在保证加工精度的基础上，尽可能缩短加工数线，即“先精后短”的原则：

①应将保证零件的加工精度和表面粗糙度值要求放在首位；②力求加工路线最短，并尽量减少空行程时间，提高加工效率；③在满足零件加工质量、生产效率等条件下，尽量简化数学处理的数值计算工作量，以简化编程工作。

此处，确定加工路线中，还要综合考虑零件的形状与刚度、加工余量、机床与刀具的刚度等，确定是一次进给还是多次进给，以及设计刀具的切入点与切出点、切入方向与切出方向，在铣削加工中，是采用顺铣还是逆铣等。

（2）编程特点

MasterCAM数控编程方式分为两类；二维加工和三维加工。

二维加工有面铣，轮廓铣削、挖槽加工、钻孔和全圆加工。

三维加工有平行铣削、陡斜面铣削、投影加工、等高外形加工、残料清角、笔式清角、等距环切。

二维加工编程，快捷是首选，如轮廓铣削在实际应用中，主要用于一些由二维图形组成的且侧面为直角面或者具有一定拔模角的工件，如凸轮廓铣削、简单形状的凸模等。

无论采用二维还是三维加工，都要安排好加工序，以获得好的加工效果。

如采用二维的轮廓铣削，挖槽加工时要，要注意设置好刀具进刀与退刀的相关参数，分清什么时候采用圆弧切线、直线垂直进刀、螺旋进刀或斜线进刀。

如三维加工开粗时，常采用“傻瓜”式三维挖槽生成刀具路径，以较好的去除加工余。

在数控编程中常常要作一些修补的曲面和线，利用作图技巧来辅助构建刀具路径，有利于快速生成好的刀具路径，提高加工效果。

如一些封闭区域的槽，往往采用分区域加工，如细分深度、细分加工范围、细分加工方法、细分进退刀等，在数控编程时分区域加工的控制方法是相当的。

在清角过程中除了用到MasterCAM自带的加工方式，如残料清角和笔式加工外，还经常在原有的曲面上生成一些线，以辅助加工路线的生成，可避免空走刀，达到刀路的简化作用。

当工件很复杂时，为避免粗精加工编程时顾此失彼，可先做好工序安排卡或对各不同区域部分做好工序安排后，理清思路再总体考虑整合各工序顺序，使每一步工序都能紧密地联系在一起，达到一个好的加工效果。

3.2.3绘制边界盒，设定工件材料

打开由solidworks生成的齿轮3D模型igs文件，点击绘图，绘制边界盒。

同时设定工件材料

图3-5绘制边界盒图3-6设定工件材料

3.2.4对齿轮齿形轮廓进行外形铣削加工

外形铣削加工是一种2.5轴加工，它在XY两轴联动，而Z方向只完成一层时才作单独的动作。

通常用于加工二维或三维工件的外形，二维外形刀具路径的切削深度固定不变，三维外形铣削刀具路径的切削深度随外形的位置可变化。

（1）选择【机床类型】/【铣削】/【默认】命令，接着选择【刀具路径】/【外形铣削】命令，在视图中串连要加工的齿轮外形轮廓要素，将弹出【外形（2D）】对话框。

（2）刀具参数的设定：

在【外形（2D）】对话框中，创建新刀具，将弹出【定义刀具】对话框，在其中改变刀具的各项参数，再单击确定返回到【外形（2D）】对话框，并分别输入“进给率”、“下刀速率”、“提刀速率”和“主轴转速”等参数，如图3-7所示。

下面对其刀具路径的主要相关参数设置进行说明：

●刀具直径：

在进行粗加工时，可根据工件结构和特点选择直径较大的刀具，从而提高工作效率；在进行精加工时，则应根据轮廓最小圆角选择小于圆角的刀具，从而提高表面的精度和质量。

●刀角半径：

在设置球刀或圆角刀的刀角半径时，要根据轮廓周边的过渡圆角进行设定，以避免过切现象。

●进给率：

就是刀具在X、Y方向上切削时的进给速度，如果是钻孔时，就是Z方向上的进给速度。

其进给率的参数设置直接影响加工质量的好坏。

●下刀速率：

就是主轴升降时的进给速率。

●提刀速率：

就是刀具向上提刀退离工件表面时的进给速率，一般设置为2000~5000mm/min。

图3-7设置加工刀具参数

（3）单击“外形加工参数”选项卡，分别设置高度、加工类型、刀具补正、预留量等，此处设置参考高度为5，进给下刀位置为1，工件表面为0，深度为-3.2mm，测得工件厚度为3.2mm，此处深度设置一致。

如图3-8所示。

下面对高度设置的主要参数加以说明：

●安全高度：

就是指在此高度之上，刀具可以在任何位置平移而不会与工件或夹具发生碰撞。

●参考高度：

就是设置刀具每完成一次铣削或避让岛屿时刀具的回升高度，其参考高度的设置应高于进给下刀位置，一般设置离工件最高表面位置5~20mm。

●进给下刀位置：

是指刀具在下刀位置上面先快速下降，然后下降到该位置后再以慢速接近工件，该值一般设定为离工件最高表面位置2~5mm。

●工件表面：

就是指工件表面的高度值。

●深度：

就是指最后的加工深度，该值一般设置为实际加工深度值，而在二维刀路中，深度值应为负值。

图3-8设置外形加工参数

（4）当参数设置完毕后，单击“确定”返回视图中，视图中将会产生外形铣削的加工路径。

图3-9设置的外形铣削加工路径

3.2.5对齿轮中间圆孔进行标准挖槽加工

挖槽加工又称为口袋加工，主要用来切除一个封闭外形包围的材料或切削一个

槽，其特点是移除封闭区域里的材料，其定义由轮廓与岛屿组成。

（1）加工类型的选择：

选择【刀具路径】/【标准挖槽】命令，将弹出【输入新NC名称】对话框，直接单击“确定”，然后在视图中串连中心圆孔。

共有五种挖槽加工形式，如图所示：

●标准挖槽：

表示采用标准的挖槽方式，仅铣削定义凹槽内的材料，而不会对边界外或岛屿的材料进行铣削。

图3-10挖槽加工形式

●平面加工：

相当于面铣削加工，在加工过程中只保证加工出选择的表面，而不考虑是否会对边界外或岛屿的材料进行铣削。

●使用岛屿深度：

表示不会对边界外或岛屿的材料进行铣削。

●残料加工：

表示进行残料挖槽加工。

此时可单击

按钮，将弹出【挖槽残料加工】对话框，它用于设置残料加工的各项参数，如图所示。

●开放式轮廓：

表示可以对开放的外形轮廓进行挖槽加工。

用于设置封闭串连方式和加工时的走刀方式。

如图所示。

图3-11【挖槽残料加工】对话框图3-12【开放式轮廓】对话框

（2）选择标准挖槽，此时将弹出【挖槽（标准）】对话框，参照外形铣削的方法，设置刀具相关参数。

单击“2D挖槽参数“选项卡，分别设置高度、挖槽类型、预留量等，对Z轴进行分层铣深，如图3-13所示。

图3-13设置挖槽参数

（3）单击“粗切/精修的参数”选项卡，分别设置粗切方式、粗切参数、螺旋切削、精加工参数等，如图3-14所示。

共有8种粗切削的走刀方式，本次选择螺旋切削。

●螺旋切削：

是以螺旋回圈的方式产生挖槽加工刀具路径，非规则型腔时可选用，加工时刀具以螺旋回圈进给。

●双向切削：

在刀具加工时以往复双向进刀加工，其加工速度快，但刀具易磨损。

●等距环切：

以等距切削的方式去除毛坯，并根据新的毛坯量重新计算，适合于加工规则的单型腔，加工后型腔的底部侧壁加工质量较好。

●平行环切：

用螺旋线形加工内腔，每次用横跨量偏移外部边界，由于刀具进刀方向一致，使刀具切削稳定，但不能干净地清除工件余量。

●平行环切清角：

同环切加工方法相同，但在其基础上每加工一个角落时，同时产生回转清角的刀具路径。

●依外形环切:

根据加工的轮廓外形，或以岛屿的轮廓外形产生环绕其形状的刀具路径，当型腔内部有单个或多个岛屿时可选用。

●高速切削：

是依据边界轮廓外形产生刀具路径，可以清除或边界壁的余量，但加工时间相对较长。

●单向切削：

刀具切削时只沿着同一个方向切削或退刀，适合于切削参数为较大值时选用，但加工时间较长。

图3-14设置粗切/精修参数

（4）当参数设置完毕后，单击“确定”返回视图中，则视图中将产生挖槽铣削的加工路径，并在【刀具路径管理器】窗口显示出所增加的刀具路径。

如图10所示

图3-15设置的标准挖槽刀具路径

3.2.6模拟刀具路径

为了更好地模拟与验证所设置的刀具路径，在【刀具路径管理器】窗口中单击“刀具路径验证”按钮

，将弹出【实体切削验证】对话框，然后单击按钮

即可进行验证。

图3-16验证直齿圆柱齿轮刀具路径

3.2.7生成数控NC代码

在【刀具路径管理器】窗口中单击“后置处理”按钮

，将弹出【后处理程式】对话框，然后依次单击“确定”按钮即可生成NC或NCT文件代码，如图12所示。

图3-17刀具路径生成NC代码

3.3基于Mastercams的数控铣削加工直齿圆锥齿轮

3.3.1绘制边界盒，设定工件材料

圆锥齿轮的Mastercam编刀路部分与圆柱齿轮基本过程类似，主要在加工刀路策略的选择不同。

首先打开由solidworks生成的齿轮3D模型igs文件，点击绘图，绘制边界盒。

同时设定工件材料。

图3-18导入圆锥齿轮模型，设定工件材料

3.3.2对圆锥齿轮外形轮廓进行曲面粗加工放射状

圆锥齿轮外形轮廓由于不是二维平面，因此需要采用三维铣床加工系统，初步选定放射状加工来对圆锥齿轮外形轮廓进行切削加工，另外需要进行精加工才可以完成。

（1）选择【机床类型】/【铣削】/【默认】命令，接着选择【刀具路径】/【外曲面粗加工】/【粗加工放射加工】命令，在视图中框选要加工的齿轮外形轮廓要素。

并选择中心点为“放射中心点”。

（2）创建新刀具，将弹出【定义刀具】对话框，选取2mm平底刀进行粗加工，。

并设置刀具的相关参数。

注意在放射状粗加工参数设置最大Z轴进给为0.4，参数设置如图所示。

图3-19粗加工放射状曲面刀具参数设置

图3-20曲面加工参数设置

（3）放射状粗加工参数设置如图所示，下面对特有的参数进行说明

●最大角度增量：

用于设置放射状粗加工刀具路径中心的各个路径之间的最大角度。

此处设置为1.0。

●开始角度：

设置放射状粗加工的起始角度，此处设置为0。

●起始补正距离：

用于从选择的店补正放射状粗加工刀具路径的中心。

●扫描角度：

设置放射状粗加工刀具路径摆动的角度，如果该值是一个负数，系统构建一个顺时针的摆动角度。

此处设置为360，扫描整个工件。

图3-21放射状粗加工参数设置

（4）在视图中，将产生放射状粗加工的刀具路径，并在【刀具路径管理器】窗口显示出所建立的刀具路径。

图3-22生成放射状粗加工刀具路径

3.3.3对圆锥齿轮外形轮廓进行曲面精加工放射状

放射状精加工就是指刀具围绕一个旋转中心点，对工件进行某一范围内的放射性加工，它特别适合于圆形或对称性模具结构的加工。

（1）选择【机床类型】/【铣削】/【默认】命令，接着选择【刀具路径】/【外曲面精加工】/【精加工放射加工】命令，在视图中框选要加工的齿轮外形轮廓要素。

并选择中心点为“放射中心点”。

（2）在库中刀具中选择2mm球刀进行精加工，进给率等参数、曲面精加工参数与粗加工保持一致。

放射状精加工参数设置如图。

图3-23曲面放射状精加工刀具参数设置

图3-24放射状精加工参数设置

3.3.4对齿轮中间圆孔进行标准挖槽加工

挖槽加工就是将工件上指定区域内的材料挖去，其槽的深浅根据需要来设置。

用来定义外形的串连可以是封闭串连，也可以是不封闭串连，但是每个串连必须是共同串连且平行于构图面。

（1）选择【刀具路径】/【标准挖槽】命令，将弹出【输入新NC名称】对话框，直接单击“确定”，然后在视图中串连中心圆孔。

（2）此时将弹出【挖槽（标准）】对话框，参照外形铣削的方法，设置刀具相关参数。

单击“2D挖槽参数“选项卡，分别设置高度、挖槽类型、预留量等，对Z轴进行分层铣深，如图3-19所示。

3-252D挖