基于CAD/CAM的電話筒模具設(shè)計與制造

石從繼，黃 海

（華中科技大學(xué) 武昌分校 自動化系，武漢 430064）

0 引言

模具設(shè)計是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備，隨著我國逐步成為全球制造業(yè)的基地，模具行業(yè)得到了迅速的發(fā)展。在模具設(shè)計過程中，傳統(tǒng)的二維設(shè)計正逐步被基于產(chǎn)品三維數(shù)字化設(shè)計方式所取代。為了適應(yīng)新形式下的新任務(wù)，人們可以借助于計算機(jī)中的設(shè)計軟件的CAD／CAM技術(shù)的卓越功能來實現(xiàn)模具的輔助設(shè)計與輔助制造功能，從而大大縮短模具的生產(chǎn)周期和降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。Mastercam軟件是由美國CNC Software開發(fā)的CAD／CAM系統(tǒng), 是一個集成設(shè)計與制造的CAD／CAM軟件，可以滿足一般產(chǎn)品的三維設(shè)計，模具設(shè)計和數(shù)控加工自動編程。本文通過實例介紹利用Mastercam軟件的CAD/CAM功能來實現(xiàn)電話筒模具的型腔、型芯的設(shè)計過程。

1 基于CAD/CAM的電話筒零件的三維造型

要利用Mastercam軟件實現(xiàn)電話筒的模具設(shè)計與制造，首先要對電話筒進(jìn)行三維造型。Mastercam軟件具有較強(qiáng)的計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)功能，它可以實現(xiàn)二維繪圖或者三維實體造型的功能，通過Mastercam命令中的曲面和實體命令，可以實現(xiàn)三維曲面和實體造型。在Mastercam軟件下，利用矩形命令、直線命令及圓弧命令繪制電話筒線框架，利用牽引曲面命令、掃描曲面命令及曲面倒圓角命令由線框架對電話筒整體造型。圖1是電話筒的三維模型。由電話筒的三維模型可知，電話筒主要由上蓋和下蓋組成（如圖2和圖3所示），所以其模具也分別由上蓋凸模和凹模及下蓋凸模和凹模組成，在Mastercam軟件下分別對上、下蓋的凸模和凹模進(jìn)行設(shè)計與數(shù)控加工。

圖1 電話筒三維模型

圖2 上蓋三維模型

圖3 下蓋三維模型

2 電話筒上、下蓋凸模和凹模的 CAD設(shè)計

電話筒模具設(shè)計主要包括上、下蓋的凸凹模設(shè)計，關(guān)鍵是其型芯、型腔的設(shè)計。在Mastercam軟件下，先利用電話筒整體造型，采用曲線切割、曲線編移等命令將電話筒拆分為上蓋和下蓋(如圖2和圖3所示)，然后使用擠出功能，分別創(chuàng)建上、下蓋凸模和凹模模板，最后利用Mastercam軟件的布爾運算和圖層隱藏功能生成上、下蓋的型芯、型腔，其設(shè)計結(jié)果如圖4-圖7所示。

圖4 上蓋凸模

圖5 上蓋凹模

圖6 下蓋凸模

圖7 下蓋凹模

3 電話筒上、下蓋凸模和凹模的CAM設(shè)計

利用Mastercam軟件的CAD功能完成了電話筒上、下蓋凸模和凹模CAD設(shè)計后,下一步就可以利用Mastercam軟件的CAM功能對上、下蓋凸模和凹模進(jìn)行數(shù)控自動編程。Mastercam軟件具有強(qiáng)大的計算機(jī)輔助制造(CAM)功能。它的CAM數(shù)控編程命令包括刀具路徑(Toolpaths)和公用管理(Nc utils)。在刀具路徑命令功能下，可以完成包括外形輪廓的銑削、鉆孔、挖槽、面銑、曲面加工、多軸(三軸、四軸、五軸)加工等操作，以及工作設(shè)定、刀具路徑轉(zhuǎn)換、管理和修改操作等。公用管理包括路徑模擬、實體驗證、批次模式、程式過濾、后置處理、加工報表、定義刀具和定義材料等。

3.1 電話筒下蓋凸模CAM設(shè)計

先對電話筒下蓋凸模三維模型進(jìn)行分析,其成型部分的外形為弧面、臺階面和頂部的圓弧面，分型面為曲面。加工坐標(biāo)原點X：取模型的中心；Y：取模型的中心；Z：取頂面所在的平面。

1）由于該電話筒下蓋凸模有較大的加工余量，所以首先要進(jìn)行粗加工。根據(jù)工件尺寸大小，粗加工選用直徑為10mm的平刀加工，刀具半徑為5mm。根據(jù)刀具參數(shù)計算得到主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min，進(jìn)給率為1200mm/min，每次切深為2.0mm。

2）進(jìn)行粗加工后，在局部區(qū)域還存在較大的加工余量，為保證精加工的加工質(zhì)量，對該凸模進(jìn)行半精加工，以使零件的周邊保留均勻的加工余量。半精加工使用直徑為6mm，刀具半徑為3mm的球刀，每層切深取2.0mm。主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min，機(jī)床進(jìn)給率為1000mm/min。

3）再對該凸模外形進(jìn)行精加工，切去半精加工余留下的殘料，保證零件的表面質(zhì)量。使用的是直徑為6mm的球刀，主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min，進(jìn)給率為1000mm/min。

4）在精加工后，電話筒下蓋凸模側(cè)面上還留有余量，所以采用曲面精加工平行式陡斜面方法。使用直徑為4mm的平刀，設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min，機(jī)床進(jìn)給率為1000mm/min。

如表1所示各工步的內(nèi)容、加工方式、刀具、進(jìn)給、轉(zhuǎn)速等機(jī)械參數(shù)。

表1 電話筒下蓋凸模加工工步

3.2 電話筒下蓋凹模CAM設(shè)計

電話筒下蓋凹模的數(shù)控自動編程主要包括：加工坯料及對刀點的確定、曲面挖槽粗加工刀具路徑、等高外形粗加工刀具路徑、平行精加工刀具路徑及流線精加工刀具路徑等內(nèi)容。

同樣的操作步驟，可以對上蓋的凸模和凹模進(jìn)行數(shù)控自動編程。

4 電話筒上、下蓋凸模和凹模的數(shù)控加工仿真

生成電話筒上、下蓋凸模和凹模的加工走刀路線后，可用Mastercam軟件的實體切削仿真功能來檢驗刀具路徑的正確性。運用實體切削仿真功能，即可在屏幕上模擬實際切削過程，顯示材料去除過程和進(jìn)行刀具干涉檢查，檢驗生成的刀具軌跡是否滿足要求，查看切削后的工件表面，確保不會出現(xiàn)過切,并能自動計算和顯示刀具運動所需時間，為實際加工提供參考依據(jù)。如圖8所示，為電話筒上、下蓋凸模和凹模的仿真加工效果圖。

圖8 上、下蓋凸模和凹模的仿真加工效果圖

5 實際加工

數(shù)控仿真加工完成后，確認(rèn)生成的刀具路徑無誤后即可執(zhí)行后處理(post)，亦即機(jī)器自動根據(jù)設(shè)置的參數(shù)生成數(shù)控程序。對于不同的數(shù)控設(shè)備，其數(shù)控系統(tǒng)可能不盡相同，選用的后置處理程序也就有所不同。由于電話筒上、下蓋凸模和凹模是在學(xué)校數(shù)控實訓(xùn)基地的一臺配有FANUC 18M高速立式加工中心加工的,所以后置處理程序選用的是MPFAN.PST,后置處理生成的NC數(shù)控代碼經(jīng)適當(dāng)修改，就可以輸出到數(shù)控加工中心機(jī)床上(高峰850A)，并進(jìn)行相應(yīng)的操作，加工出該電話筒的模具。

6 結(jié)束語

Mastercam軟件是當(dāng)前較實用的CAD/CAM軟件之一，操作簡單方便，它在模具的輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計和輔助制造方面都發(fā)揮著巨大的作用，這種作用既貫徹了動態(tài)化、智能化、可視化的設(shè)計理念，又貫徹了精確性、快速性、有效性的加工規(guī)范，可以大大提高模具的設(shè)計水平和加工質(zhì)量，從而使我國的模具行業(yè)發(fā)展速度能滿足社會不斷增長的客觀需要。

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