原创《基于CATIA的犁体曲面建模和数控加工》
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彭春雷
（陕西理工大学机械工程学院,陕西 汉中 723000）
摘 要：犁体曲面设计是农机具中较复杂的曲面设计,犁性能好坏直接影响着农业生产.文章以翻土型犁体为例,根据水平元线法形成犁体曲面的原理,计算出犁体曲面的各要素参数的数学模型.在CATIA环境中绘制犁体曲面的构架,利用网格曲面命令生成曲面.根据犁体曲面的正视图修剪该曲面得到犁体曲面的外形轮廓.然后生成实体,对其曲面进行数控加工仿真.
关键词：犁体曲面；水平元线法；CATIA；数控加工；农机具；农业生产 文献标识码：A
中图分类号：TP391 文章编号：1009-2374（2017）09-0007-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.09.004
犁体曲面设计是农机具中较为复杂的曲面设计,犁的性能好坏直接影响着农业生产.CATIA软件拥有功能强大的曲面设计模块,被广泛地应用于汽车业和航空业.现代数控加工技术对于几何外形复杂且精度要求较高的零部件,更加突出了其制造技术的优点.本文采用CATIA软件对犁体曲面进行三维建模,并对其进行数控加工仿真.
1 犁体曲面的设计方法及要素
设计犁体曲面的方法有多种,其中水平直元线法简单、方便、实用.它以直线为元线（即母线）,以曲线为准线（即导曲线）运动,在运动的过程中元线始终保持与沟底平行,且元线与沟壁的夹角θn（即元线角）不断改变所形成的曲面.
完整地设计出犁体曲面,需以下三个要素：导曲线的形状和位置、元线角的变化规律及决定犁体曲面外形轮廓的正视图.
2 设计过程
以设计翻土型犁体为,设计耕深a＝250mm；耕宽b＝350mm.
2.1 绘制导曲线
对于翻土型犁体,导曲线的位置在垂直于铧刃且距铧尖l（l为铧刃线的长度）的铅垂面内.导曲线的高度h取犁体曲面顶边线最大高度hmax＝440mm,由经验：取导曲线的开度L＝275mm、铧刃起土角ε＝25°、铧刃下部直线段长度S＝60mm,两端点切线夹角ω＝110°.导曲线是由一段直线和一段抛物线构成.
打开CATIA软件,进入“创成式曲面设计”模块,选择“草图”,先作出铧刃线,并在铧刃线末端作垂直于铧刃线的辅助平面.在该辅助平面内作铧刃下部直线段OD及抛物线两端点切线AD和BC.在“插入”菜单中选择“线框”,单击,在“二次曲线定义”对话中,参数约束设为0.5,选择抛物线两端点切线,可方便准确地做出抛物线,而不需要用传统复杂的包络法绘制.
2.2 绘制水平直元线
设计初始元线角：θ0＝35°；最小元线角θmin＝31°；最大元线角θmax＝50°.元线角变化的规律由两段构成.如图1所示：
为使作出的犁体曲面质量更高,取较小水平元直线之间的高度间隔为20mm,并且在导曲线中直线与抛物线的切点处增补了一条水平直元线,θmin在第四元线处（犁铧和犁壁的接缝线处）.根据式（1）和式（2）求出不同高度水平直元线的元线角,如表1所示：
根据表1数据可作出各水平直元线.这样就生成了由导曲线和各水平直元线所构成的犁体曲面的构架,如图2所示：
2.3 生成犁体曲面及曲面的质量分析
相比“创成式曲面设计”模块,“自由曲面设计”模块可以创建更为复杂的曲面,并可以进行曲面分析.进入自由曲面设计模块,在“插入”菜单中选择“建立曲面”,单击“网格曲面”命令,以导曲线为导引线,以水平直元线为轮廓线,生成曲面.经比较此曲面生成法比在“创成式曲面设计”模块中进行混合扫掠法准确度要高.犁体曲面的外形轮廓可通过犁体曲面的正视图对其修剪得到.
对所创建的曲面进行品质分析,要求曲面之间曲率连续,曲率变化均匀,没有多余拐点.斑马线分析是通过等距离的黑色斑马线在曲面上的反射,分析曲面的质量.将显示模式切换成材料模式,在“外形分析”工具栏中单击“斑马线分析”按钮,分析结果如图3所示,从图中可以看出斑马线不仅连续,其间隔也是逐渐变化,显示该曲面品质很好.
进入Part模块,对犁体曲面加厚成为实体,并对犁壁尖角处倒钝.
3 数控加工
单击“加工”进入铣削加工模块.
3.1 加工机床设备的选用
机床设备的选用与产品加工的效率和质量有关.该犁体曲面可以使用三轴或五轴数控铣床加工,但五轴数控铣床设备成本高且加工效率低,这里选用三轴数控铣床.
3.2 毛坯件的设计及加工设定
在犁体曲面的轮廓线上选取三个点,生成一个平面,使该平面与犁体曲面的某一切平面距离最小,其目的是为了在加工犁体曲面时去除材料最少和提高加工效率.设计毛坯件,使其最大包容体正好包容犁体.加工基准选在毛坯件的三个相互垂直面上.安全平面设定在距离毛坯的上表面100mm处.
3.3 编制轮廓加工程序
选择公称直径为mm的端铣刀,定义进给率：刀具接近工件速度为2000mm/min,刀具切削工件速度为1000mm/min,退刀速度为3000mm/min.铣削方向为顺铣.其他采用默认.
3.4 编制粗加工程序
粗加工的目的是快速去除毛坯件上多余的材料,并最大限度地控制工件的加工变形.一般来说使用刀具半径越大,其吃刀量越大,去除材料效率越高,产生的切削热越大,对工件影响越大,同时对刀具的磨损越快.刀具材料、刃数的选用与工件的材料有关,一般选用比工件材质硬度高的刀具加工工件,这里选用公称直径为mm,倒角R为10mm的三刃整体合金刀.
切削刀具选定后,开始设置切削方式和切削参数,该工序使用导引切削加工,径向切削为2mm（即刀间距为2mm）,轴向切削深度为3mm,轴向分60层切削（注：轴向层数编程时要预先计算好,否则机床会走空刀或第一刀切削太深,损坏刀具、机床或工件）.加工精度设定为1mm,定义进给率与轮廓加工一致.刀具路径为沿部件偏移往复铣削.
3.5 编制精加工程序
在粗加工过程中预先要设定精加工余量,设定精加工余量的原则是：保证工件粗加工变形量不超过精加工余量范围,在此基础上精加工余量越小越好.这里精加工余量为2mm.精加工刀具选用公称直径为mm、倒角R为8mm的三刃整体合金刀.精加工同样采用导引切削加工,轴向分为1层,径向刀间距为0.5mm,加工精度设定为0.005mm,定义进给率和轮廓加工一致.精加工必须连续加工完成.
3.6 后处理
后处理是为了将加工操作中的加工刀路转换为数控机床可以识别的数控程序.通过右击特征树上的“Manufacturing Program.1”节点,在弹出的菜单中选择命令,在“Generate NC output Interactively”对话框中生成NC数据文件.用记事本打开该文件,可查看NC代码.
4 结语
三维设计软件能够很好地表现立体的空间结构形状特点,数控加工具有产品精度高、自动化程度高、生产效率高及生成本低等特点.本文根据水平元线法形成犁体曲面的原理,在建立数学模型的基础上,运用CATIA软件对犁体曲面进行三维建模,然后对其进行数控加工仿真.该方法可以提高企业对产品的设计与制造过程,同时可为其他农业机械曲面设计和制造提供参考.
（责任编辑：黄银芳）
数控加工论文参考资料：
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