探寻可乐瓶底的设计和生产工艺

可乐瓶底的造型和加工

【目的要求】通过前期图形制作过程，进一步学习并深化线、面设计的功能技巧。掌握相关加工方式的运用。

【教学重点】等高线粗加工、参数线半精加工。

【教学难点】综合运用巧妙衔接完成可乐瓶底凹模型腔的整个制作过程。

【教学内容】

完成可乐瓶底曲面造型和加工，如图4－99 和图4－100 所示。

图4-99　可乐瓶底曲面造型和凹模型腔造型

图4-100　可乐瓶底曲面造型的二维图

一、凹模型腔的造型

【造型思路】

可乐瓶底的曲面造型比较复杂，它有五个完全相同的部分。用实体造型不能完成，所以利用CAXA 制造工程师强大的曲面造型功能中的网格面来实现。其实只要作出一个突起的两根截面线和一个凹进的一根截面线，然后进行圆形阵列就可以得到其他几个突起和凹进的所有截面线。之后，使用网格面功能生成五个相同部分的曲面。可乐瓶底最下面的平面使用直纹面中的点＋曲线方式来作，这样做的好处是：在后期做加工时两张面（直纹面和网格面）可以一同用参数线来精加工。最后以瓶底的上口为准，构造一个立方体实体，然后用可乐瓶底的两张面把不需要的部分裁剪掉，就可以得到要求的凹模型腔。

【操作步骤】

1.绘制截面线

（1）按F7键将绘图平面切换到xOz 平面。

（2）选择矩形工具，在界面左侧的立即菜单中选择“中心_长_宽”方式，输入长度42.5，宽度37，光标拾取到坐标原点，绘制一个42.5 ×37 的矩形，如图4－101 所示。

（3）选择平移工具，在立即菜单中输入DX ＝21.25，DZ ＝－18.5，然后拾取矩形的四条边，右击确认，将矩形的左上角平移到原点（0，0，0），如图4－102所示。

（4）选择等距线工具，在立即菜单中输入距离3，拾取矩形的最上面一条边，选择向下箭头为等距方向，生成距离为3 的等距线，如图4－103 所示。

（5）相同的等距方法，生成图4－104 所示的尺寸标注的各个等距线。

图4-101　绘制矩形

图4-102　平移左上角

图4-103　等距线

（6）选择裁剪工具，拾取需要裁剪的线段，然后选择删除工具，拾取需要删除的直线，右击确认删除，结果如图4－105 所示。

图4-104　生成等距线

图4-105　删除和裁剪图形

（7）绘图。

①作过P1、P2 两点且与直线L1 相切的圆弧。选择圆弧工具，选择“两点_半径”方式，拾取P1 点和P2 点，然后按空格键在弹出的“点工具”菜单中选择“切点”命令，拾取直线L1。

②作过P4 点且与直线L2 相切，半径R 为6 的圆R6。选择整圆工具，拾取直线L2（上一步中在“点工具”菜单中选择了“切点”命令），在“点工具”菜单中选择“缺省点”命令，然后拾取P4 点，按回车键，在弹出的输入框中输入半径6。

③作过直线端点P3 和圆R6 切点的直线。选择直线工具，拾取P3 点，在“点工具”菜单选择“切点”命令，拾取圆R6 上一点，得到切点P5，如图4－106 所示。

注意：在绘图过程中注意切换点工具菜单中的命令，否则容易出现拾取不到需要点的现象。

图4-106　画圆和直线

（8）绘圆。

①作与圆R6 相切过点P5，半径为6 的圆C1。选择整圆工具，再选择“两点_半径”方式，在“点工具”菜单中选择“切点”命令，拾取R6 圆；在“点工具”菜单中选择“端点”命令，拾取P5 点；按回车键，在弹出的输入框中输入半径6。

②作与圆弧C4 相切，过直线L3 与圆弧C4 的交点，半径为6 的圆C2。选择整圆工具，选择“两点_半径”方式，选择“点工具”菜单中的“切点”命令，拾取圆弧C4；在“点工具”菜单中选择“交点”命令，拾取L3 和C4 得到它们的交点；按回车键，在弹出的输入框中输入半径6。

③作与圆C1 和C2 相切，半径为50 的圆弧C3。选择圆弧工具，选择“两点_半径”方式，在“点工具”菜单中选择“切点”命令，拾取圆C1 和C2，按回车键，在弹出的输入框中输入半径50，如图4－107 所示。

图4-107　画圆

（9）选择裁剪工具和删除工具，去掉不需要的部分。在圆弧C4 上右击，在弹出的快捷菜单中选择“隐藏”命令，将其隐藏掉，如图4－108 所示。

图4-108　隐藏圆弧

（10）按F5键将绘图平面切换到xOy 平面，然后再按F8键显示其轴测图，如图4－109 所示。

（11）选择平面旋转工具，在立即菜单中选择“拷贝”方式，输入角度41.6°，拾取坐标原点为旋转中心点，然后框选所有线段，右击确认，如图4－110所示。

图4-109　显示轴测图

图4-110　平面旋转

（12）选择删除工具，删掉不需要的部分。按Shift ＋方向键旋转视图。观察生成的第一条截面线。选择曲线组合工具，拾取截面线，并选择方向，将其组合为一样条曲线，如图4－111 所示。

图4-111　组合曲线

至此，第一条截面线完成。因为作第一条截面线用的是复制旋转，所以完整地保留了原来绘制的图形，只需要稍加编辑就可以完成第二条截面线。

（13）按F7键将绘图平面切换到xOz 面内。选择线面可见工具，显示前面隐藏掉的圆弧C4，并拾取确认。然后拾取第一条截面线，右击，在弹出的快捷菜单中选择“隐藏”命令，将其隐藏掉，如图4－112 所示。

图4-112　隐藏截面线

（14）选择删除工具，删掉不需要的线段。选择曲线过渡工具，选择“圆弧过渡”方式，半径为6，对P2 和P3 两处进行过渡。

（15）选择曲线组合工具，拾取第二条截面线，并选择方向，将其组合为一样条曲线，如图4－113 所示。

（16）按F5键将绘图平面切换到xOy 平面，然后再按F8键显示其轴测图，如图4－114 所示。

图4-113　组合曲线

图4-114　显示轴测图

（17）选择圆弧工具，选择“圆心_半径”方式，以z 轴方向的直线两端点为圆心，拾取截面线的两端点为半径，绘制如图4－114 所示的两个圆。

（18）删除两条直线。选择线面可见工具，显示前面隐藏的第一条截面线，如图4－115所示。

（19）选择平面旋转工具，在立即菜单中选择“拷贝”命令，输入角度11.2°，拾取坐标原点为旋转中心点，拾取第二条截面线，右击确认，如图4－116所示。

图4-115　显示第一条线

图4-116　拾取第二条线

可乐瓶底有五个相同的部分，至此完成了其中一部分的截面线，通过阵列就可以得到全部，这是一种简化作图的有效方法。

（20）选择阵列工具，选择“圆形”阵列方式，份数为5，拾取三条截面线，右击确认，拾取原点（0，0，0）为阵列中心，右击确认，立刻得到图4－117所示的效果。

图4-117　拾取原点

至此为构造曲面所作的线架全部完成。

二、生成网格面

按F5键进入俯视图，选择网格面工具，依次拾取U 截面线共2 条，右击确认；再依次拾取V 截面线共15 条，如图4－118 所示，右击确认，稍等片刻后曲面生成，如图4－119和图4－120 所示。

图4-118　拾取U、V 截面线

图4-119　曲面生成一

图4-120　曲面生成二

三、生成直纹面

底部中心部分曲面可以用两种方法来制作，即裁剪平面和直纹面（点＋曲线）。这里用直纹面“点＋曲线”来制作，这样做的好处是在加工时，两张面（网格面和直纹面）可以一同用参数线来加工，而裁剪平面不能与非裁剪平面一起来加工。

【操作步骤】

（1）选择直纹面工具，选择“点＋曲线”方式。

（2）按空格键在弹出的“点工具”菜单中选择“圆心”命令，拾取底部圆，先得到圆心点，再拾取圆，直纹面立即生成。

（3）选择“设置”选项卡“拾取过滤设置”命令，在弹出的对话框中，取消选中图形元素的类型中的“空间曲面”复选框。然后选择“隐藏”命令，框选所有曲线，右击确认，就可以将线框全部隐藏掉，效果如图4－121 所示。

图4-121　隐藏线框

至此可乐瓶底的曲面造型已经全部作完。下一步的任务是如何选用曲面造型造出实体。

效果如图4－122 所示。

四、曲面实体混合造型

【造型思路】

先以瓶底的上口为准，构造一个立方体实体，然后用可乐瓶底的两张面（网格面和直纹面）把不需要的部分裁剪掉，得到要求的凹模型腔。多曲面裁剪实体是CAXA制造工程师中非常有用的功能。

【操作步骤】(www.xing528.com)

（1）单击特征树中的“平面xOy”，选定平面xOy 为绘图的基准面，如图4－123所示。

图4-122　效果

图4-123　选择基准面

（2）选择绘制草图工具进入草图状态，在选定的基准面xOy 面上绘制草图。

（3）选择曲线工具栏中的矩形工具，再选择“中心_长_宽”方式，输入长度120，宽度120，拾取坐标原点（0，0，0）为中心，得到一个120 ×120 的正方形，如图4－124 所示。

图4-124　绘制矩形

（4）选择拉伸增料工具，在弹出的“拉伸”对话框中，输入深度为50，选中“反向拉伸”复选框，单击“确定”按钮得到立方实体，如图4－125 所示。

（5）选择“设置”选项卡“拾取过滤设置”命令，在弹出的对话框中的“拾取时的导航加亮设置”选项区中选中“加亮空间曲面”复选框，这样当鼠标移到曲面上时，曲面的边缘就会被加亮。同时为了更加方便拾取，选择显示线架工具，退出真实线显示，进入线架显示，可以直接选取曲面的网格线，如图4－126 所示。

图4-125　得到立方实体

图4-126　加亮空间曲面

（6）选择曲面裁剪除料工具，拾取可乐瓶底的两个曲面，选中对话框中“除料方向选择”复选框，切换除料方向为向里，以便得到正确的结果，如图4－127所示。

图4-127　曲面裁剪除料

（7）单击“确定”按钮，曲面除料完成。选择“隐藏”命令，拾取两个曲面将其隐藏掉。然后选择真实感显示工具，造型效果如图4－128 所示。

图4-128　隐藏曲面

五、可乐瓶底的仿真加工

【加工思路】

等高线粗加工、参数线精加工。

根据本例的形状特点，很难用普通铣床进行粗加工成形，而用CAXA 制造工程师却是一件轻而易举的事。因为可乐瓶底凹模型腔的整体形状较为陡峭，所以粗加工采用等高线粗加工方式较好。然后采用参数线加工方式对凹模型腔的中间曲面进行精加工。

1.加工前的准备工作

【操作步骤】

（1）设定加工刀具。

①选择菜单“加工”→“刀具库管理”命令，弹出“刀具定义”对话框，如图4－129 所示。

图4-129“刀具定义”对话框

②增加铣刀，这里可以任意增加刀具和删除刀具。单击“增加铣刀”按钮，在弹出的对话框中输入铣刀名称，刀具名称可以任意给，只要好识别就可以了。一般都是用铣刀的直径和刀角半径来表示，刀具名称尽量和工厂中用刀的习惯一致。即刀具名称的一般表示形式为“D10，r3”，D 代表刀具直径，r 代表刀角半径。

③设定增加铣刀的参数。键入正确的数值，刀具定义即可完成。其中的刀刃长度和刃杆长度与仿真状态有关而与实际加工无关。在实际加工中要正确选择吃刀量和吃刀深度，以免刀具损坏。

（2）后置设置。

用户可以增加当前使用的机床，并给出机床名，定义适合自己所用机床的后置格式。系统默认的格式为FANUC 系统的格式。

①选择菜单“加工”→“后置处理”→“设备编辑”命令，弹出“选择后置配置文件”对话框。

②增加机床设置。选择当前机床类型，如图4－130 所示。

图4-130　选择后置配置文件

③后置处理设置。选择FANUC 系统，根据当前的机床，设置各参数，如图4－131 所示。

图4-131　后置处理设置

（3）设定加工毛坯。

利用实体上表面的四个角点，构建一个正方形，作为粗加工的轮廓边界，如图4－132 所示。

2.等高线粗加工刀具轨迹

（1）设置工艺参数。选择“加工”→“等高线粗加工”命令，弹出“等高线粗加工”对话框，在“粗加工参数”选项中按图4－133 和表4－6 所示设置各项参数。注意毛坯类型选择“拾取轮廓”。

（2）加工边界的设置如图4－134 所示。

图4-132　构建一个正方形

图4-133　加工参数选项

表4-6　等高线粗加工选项卡设置参考

续表

图4-134　加工边界选项

（3）设置切削用量。输入相应的主轴转速，F 为进给速度，起止高度60，安全高度50，单击“确定”按钮。

（4）选择“进退刀方式”和“下刀方式”选项卡，设定进退刀方式和下刀切入方式均为“垂直”。

（5）选择“铣刀参数”选项卡，选择铣刀为R5 球刀，设定球刀的参数，如图4－135 所示。

（6）选择“清根参数”选项卡，设置清根参数。

（7）根据左下方的提示拾取轮廓，然后拾取曲面。拾取曲面可以按W键，全部选中。右击确认以后系统开始计算，稍候得出等高线粗加工轨迹，如图4－136 所示。

（8）拾取粗加工刀具轨迹，右击，在弹出的快捷菜单中选择“隐藏”命令，将粗加工轨迹隐藏掉，以便观察下面的精加工轨迹。

图4-135　等高线加工刀具选项

图4-136　等高线粗加工刀具路径

3.精加工-参数线精加工刀具轨迹

本例可以直接加工原始的曲面，这样会显得更简单一点，也可以直接加工实体。但曲面截实体以后形成的实体表面比原始的曲面要多一些，本例内型腔表面为5 张曲面。鉴于结构的特殊性，精加工可以采用多种方式，如参数线、等高线＋等高线补加工、放射线加工等。下面仅以参数线精加工为例介绍软件的使用方法和注意事项。

注意：曲面的参数线精加工方法要求曲面有相同的走向、公共的边界，点取位置要对应。

（1）选择菜单“加工”→“参数线精加工”命令，弹出“参数线精加工参数表”对话框，按照表中内容设置参数线精加工参数，如图4－137 所示。刀具和其他参数按粗加工的参数来设定。完成后单击“确定”按钮。

图4-137“参数线精加工参数表”对话框

（2）根据状态栏提示拾取曲面，当把鼠标移到型腔内部时，曲面自动被加亮显示，拾取同一高度的两张曲面后，右击确认，根据提示完成相应的工作，最后生成轨迹，如图4－138 所示。

参考表4－7 中的内容进行参数线精加工工艺参数设定。

4.轨迹仿真、检验与修改

（1）选择线面可见工具，显示所有已经生成的加工轨迹，然后拾取粗加工轨迹，右击确认。

图4-138　参数线精加工刀具路径

表4-7　精加工工艺参数设定

续表

（2）选择“应用”→“轨迹仿真”命令。拾取粗、精加工的刀具轨迹，右击结束，如图4－139 所示。

图4-139　参数线仿真加工

（3）右击，弹出“选择仿真文件”对话框，在此输入文件名，单击“保存”按钮，存储可乐瓶加工仿真的结果。

（4）仿真检验无误后，选择菜单“文件”→“保存”命令，保存粗加工和精加工轨迹。

5.生成G 代码

（1）选择“加工”→“后置处理”→“生成G 代码”命令，弹出“选择后置文件”对话框，填写加工代码文件名“可乐瓶底粗加工”，单击“保存”按钮。

（2）拾取生成的粗加工的刀具轨迹右击确认，立即弹出粗加工代码文件保存即可，如图4－140 所示。

（3）用同样方法生成精加工G 代码。

6.生成工序单

（1）选择菜单“应用”→“后置处理”→“生成工序清单”命令，弹出“选择HTML 文件名”对话框，输入文件名“可乐瓶底加工”，单击“保存”按钮。

（2）左下角提示拾取加工轨迹，单击选取或用窗口选取或按W键，选中全部刀具轨迹，右击确认，立即生成加工过程工艺清单。生成效果如图4－141 所示。

图4-140　粗加工代码文件

图4-141　过程工艺清单

至此，可乐瓶底的设计造型、生成刀具路径、加工轨迹仿真检查、生成G 代码程序，生成加工工艺清单的工作已经全部做完，可以把加工工艺清单和G 代码程序通过工厂的局域网送到车间去了。车间技术人员在加工之前还可以通过CAXA 制造工程师中的校核G 代码功能，再看一下加工代码的轨迹形状，做到加工之前心中有数。把工件打表找正，按加工工艺清单的要求找好工件零点，再按工序单中的要求装好刀具并找好刀具的z 轴零点，就可以开始加工了。

究竟用哪一种加工方式来生成轨迹，要根据所要加工形状的具体特点，而不能一概而论。对于本例来说，参数线方式加工效果最好。最终加工结果的好坏，是一个综合性的问题，它不单纯决定于程序代码的优劣，还决定于加工的材料、刀具、加工参数设置、加工工艺、机床特点等。只有几种因素配合好才能够得到最好的加工效果。