基于Mastercam的管卡模具設(shè)計(jì)與加工仿真的研究

張錦榮， 羅彥琦

（東莞理工學(xué)院城市學(xué)院，廣東東莞 523419）

0 引言

在現(xiàn)代化工業(yè)制造中，模具是制造各種產(chǎn)品的重要工藝裝備。塑料加工行業(yè)中約有95%的產(chǎn)品靠模具生產(chǎn)。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品的更新?lián)Q代日益頻繁，使模具產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)周期變得越來越短，這就對(duì)模具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者和生產(chǎn)者提出了越來越高的要求。針對(duì)這些需求，各類新技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生。Mastercam是美國(guó)CNC Software Inc.公司設(shè)計(jì)開發(fā)的一套計(jì)算機(jī)輔助制造軟件，它有效地將CAD和CAM這兩大功能整合在一起，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、航空、造船、模具、電子和家電等領(lǐng)域，尤其在模具行業(yè)更有聲譽(yù)[1]。Mastercam提供了理想零件外形所需的設(shè)計(jì)環(huán)境，其強(qiáng)大三維造型功能可以設(shè)計(jì)出復(fù)雜的曲面、曲線零件。本文通過實(shí)例介紹利用Mastercam軟件來實(shí)現(xiàn)管卡模具的設(shè)計(jì)及模擬加工過程。

1 管卡成型工藝性及模具結(jié)構(gòu)分析

管卡塑件外形尺寸小，壁厚僅為1 mm，塑件材料為PP（聚丙烯），屬于熱塑性塑料，塑料溶體流程短，性能指標(biāo)見表1[2-3]。

表1 PP（聚丙烯）性能指標(biāo)

通過對(duì)塑件進(jìn)行分析計(jì)算確定模具結(jié)構(gòu)形式如下：PP材料成型收縮率較大，制品壁厚均勻，形狀簡(jiǎn)單，制品內(nèi)表面為圓弧面，型芯與凹模取統(tǒng)一脫模斜度為45′。分型面取在塑件最大截面處垂直于合模方向，采用一模一腔結(jié)構(gòu)，澆口形式為矩形側(cè)澆口。脫模只采用頂桿、拉料桿頂出形式，頂桿安裝在頂出板上，通過頂出導(dǎo)向柱和復(fù)位桿實(shí)現(xiàn)頂出和復(fù)位。模具較小且有型芯可利用間隙排氣。

2 管卡塑件的CAD造型設(shè)計(jì)

利用CAD軟件實(shí)現(xiàn)管卡零件的二維圖形繪制和三維造型設(shè)計(jì)。在CAD軟件下，利用直線命令、圓弧命令、倒角、鏡像等命令繪制管卡的塑件圖，如圖1所示。在Pro/E軟件中利用拉伸、旋轉(zhuǎn)及倒圓角等命令完成管卡三維造型，如圖2所示。

由圖2可知，管卡主要由卡環(huán)（圖中右邊部分）和定位孔（圖中左邊部分）兩部分構(gòu)成。通過分析確定其模具由卡環(huán)動(dòng)模鑲塊、定位孔定模鑲塊組成。在Pro/E軟件下分別對(duì)卡環(huán)和定位孔的動(dòng)模、定模鑲塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 管卡動(dòng)模、定模鑲塊及型芯的CAD設(shè)計(jì)

圖1 管卡二維圖

圖2 管卡三維造型

管卡模具設(shè)計(jì)主要包括卡環(huán)和定位孔的動(dòng)、定模鑲塊設(shè)計(jì)及型芯設(shè)計(jì)，其中鑲塊設(shè)計(jì)直接關(guān)系到模具精度和質(zhì)量，是設(shè)計(jì)過程的關(guān)鍵所在。在Pro/E軟件下實(shí)現(xiàn)管卡整體造型，在成型實(shí)體功能模塊下，采用拉伸、旋轉(zhuǎn)、鏡像、倒圓角、陣列/切剪[4]等命令生成管卡動(dòng)、定模鑲塊、型芯、頂桿的三維模型，其設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 管卡動(dòng)模鑲塊三維模型

圖4 管卡定模鑲塊三維模型

圖5 管卡頂桿三維模型

圖6 管卡型芯三維模型

4 管卡模具的CAM設(shè)計(jì)

利用Mastercam軟件的CAD功能完成了管卡動(dòng)、定模鑲塊及型芯的CAD設(shè)計(jì)后,下一步即利用Mastercam軟件的CAM功能對(duì)管卡模具零件進(jìn)行自動(dòng)編程。編程命令包括公用管理（Ncutils）和刀具路徑（Toolpaths）。使用刀具路徑功能指令，可以完成鉆孔、復(fù)雜曲面加工、銑削、面銑、挖槽等多鐘操作，還可以完成刀具路徑、CNC程序和工作設(shè)定等。公用管理包括刀路模擬、程式過濾、全選、路徑轉(zhuǎn)換、實(shí)體驗(yàn)證、重新計(jì)算、后處理等[4-7]。

管卡模具相對(duì)簡(jiǎn)單，成型面主要包括外輪廓凸圓面、臺(tái)階面、型芯、型芯孔、冷卻水孔的加工及分型面為平面。取模型的中心作為加工坐標(biāo)原點(diǎn)坐標(biāo)X、Y，Z坐標(biāo)取頂面所在的平面。其各部位加工工藝如下：

1）外輪廓粗加工。由于管卡模具鑲塊外輪廓形狀簡(jiǎn)單，利用銑、磨完成粗加工。銑床下料，動(dòng)模鑲塊銑至50 mm×23mm×60 mm，單邊留量+0.2 mm，定模鑲塊銑床加工至50 mm×23 mm×35 mm，單邊留量+0.2 mm，動(dòng)模鑲塊磨床加工至50 mm×23 mm×60 mm，單邊留量-0.01 mm，定模鑲塊磨床加工至50 mm×23 mm×35 mm，單邊留量-0.01 mm。

2）外形輪廓粗加工后再在CNC中對(duì)鑲塊的成型部分及背面頂桿和型芯沉孔進(jìn)行粗加工，根據(jù)工件的設(shè)計(jì)尺寸，選用合金平刀，直徑為4 mm，主軸轉(zhuǎn)速5000 r/min，進(jìn)給速率1200 mm/min，切削深度為0.2 mm。進(jìn)行粗加工后，在局部區(qū)域還留有加工余量，為了確保產(chǎn)品加工精度，需要進(jìn)行一次半精加工，使之與零件的加工余量保持一致。半精加工使用直徑為2 mm，刀具為球刀，半徑為1 mm，主軸轉(zhuǎn)速調(diào)整為8000 r/min，進(jìn)給速率1000 mm/min，切削深度為0.1 mm。

3）由于該模具定模鑲塊中存在凹槽，鑒于刀具的長(zhǎng)度和直徑問題，對(duì)于較深的凹槽不能直接使用刀具進(jìn)行切削加工，故使用電極進(jìn)行EDM（電火花）精加工，電極材料為紫銅，若電極尺寸較大，可以采用石墨加工。

4）線切割一般用于尖角位或者圓孔加工，動(dòng)模鑲塊中φ4 mm頂桿孔和定模鑲塊中的φ11.5 mm鑲軸孔即采用線切割加工。此處所有孔線切割加工兩遍，第一遍加工余量0.1 mm，第二遍加工后保證孔的精度為+0.01 mm。

5）模具在CNC、EDM加工后，利用砂紙、油石、研磨膏等對(duì)模具成型部分進(jìn)行拋光。

表2 管卡動(dòng)模鑲塊主要加工工步

5 管卡模具的數(shù)控加工仿真及程序生成

生成管卡定模鑲件和動(dòng)模的加工走刀路徑后，使用Mastercam的實(shí)體切削仿真功能檢驗(yàn)刀具路徑是否存在錯(cuò)誤。選擇操作管理中的實(shí)體驗(yàn)證，在顯示屏上模擬切削過程，檢查刀具干涉和顯示材料去除過程情況，驗(yàn)證刀具路徑是否選擇正確，檢查切削后的工件表面，避免過切情況，能自動(dòng)計(jì)算和顯示加工過程所需時(shí)間，為實(shí)際加工提供參考依據(jù)[8-12]。如圖7～圖10所示為管卡動(dòng)模、定模鑲件、頂桿、型芯的模擬刀具路徑圖。

圖7 動(dòng)模鑲件的模擬刀具路徑圖

圖8 定模鑲件的模擬刀具路徑圖

圖9 頂桿模擬刀具路徑圖

圖10 型芯的模擬刀具路徑圖

模擬仿真加工完成后，通過后處理生成數(shù)控加工程序。生成的NC數(shù)控代碼經(jīng)過修改后輸出到數(shù)控加工中心機(jī)床（西門子840D數(shù)控系統(tǒng)）上，配置相應(yīng)的后處理文件，刀具路徑經(jīng)檢驗(yàn)和適當(dāng)修改后就可以進(jìn)行相應(yīng)的操作，加工出該管卡模具[13-15]。

6 結(jié)語(yǔ)

Mastercam軟件操作簡(jiǎn)單，能同時(shí)滿足二維、三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，在數(shù)控自動(dòng)編程加工上更具優(yōu)勢(shì)。通過將Mastercam的CAD/CAM技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)制造領(lǐng)域中，可以有效提高模具的設(shè)計(jì)水平和加工質(zhì)量，有效縮短模具制造周期，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省生產(chǎn)成本，從而使模具行業(yè)的發(fā)展速度能夠滿足日益增長(zhǎng)的社會(huì)需求。