基于Cimatron的雙輪機(jī)頭前蓋模具設(shè)計與數(shù)控加工編程

趙仕宇，詹艷然，潘玉成，潘健輝，林建山

（1.寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，福建 福安 355000;2.福州大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，福建 福州 350108）

隨著塑料工業(yè)的不斷發(fā)展，塑料產(chǎn)品在工業(yè)及生活用品中所占的比例越來越大[1]，塑料模具的設(shè)計與制造過程，已成為模具設(shè)計人員關(guān)注的熱點。先進(jìn)的模具設(shè)計與制造技術(shù)，決定了塑料產(chǎn)品的品質(zhì)，是現(xiàn)代模具企業(yè)生存的關(guān)鍵因素之一。對于形狀較為復(fù)雜的塑料零件，其模具設(shè)計與數(shù)控加工過程，有著緊密的聯(lián)系，因此，實現(xiàn)其設(shè)計與制造的一體化，顯得尤為重要。CAD/CAM軟件經(jīng)過40多年的發(fā)展，有了許多較為成熟的產(chǎn)品，包括美國的Pro/Engineer、德國的Unigraphics NX以及以色列的Cimatron等。

通過對福建省福安市周邊企業(yè)進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，Cimatron E已成為該地區(qū)使用最廣泛的模具三維CAD/CAM一體化軟件之一。Cimatron E集零件設(shè)計、模具設(shè)計和NC加工于一體，為模具制造業(yè)提供了全面的解決方案，是當(dāng)今模具設(shè)計與制造業(yè)公認(rèn)的首選產(chǎn)品[2]。本文將以Cimatron E軟件為平臺，介紹雙輪機(jī)頭前蓋的設(shè)計與制造過程。

1 雙輪機(jī)頭前蓋三維造型

雙輪機(jī)頭前蓋的材料為聚甲醛（POM），是一種高結(jié)晶熱塑性聚合物，具有表面光滑、吸水率小、尺寸穩(wěn)定、耐磨、強(qiáng)度高、抗拉、抗壓、自潤滑性能好等優(yōu)點，廣泛用于制造耐磨傳動件、汽車儀表板、各種儀器外殼、蓋罩、箱體等[3]。根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)要求，該零件需進(jìn)行大批量生產(chǎn)，精度等級為IT6級，表面粗糙度Ra=3.2 μm。由于該零件形狀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜（見圖1），因此采用注射成型。

Cimatron E提供了多種靈活的零件三維建模方式，可經(jīng)由 IGES、VDA、STL、STEP等多種數(shù)據(jù)接口，導(dǎo)入由其他三維CAD軟件建立的零件模型；也可直接采用Cimatron E提供的三維造型模塊進(jìn)行建模。圖1為根據(jù)企業(yè)提供的工程圖，直接利用Cimatron E的三維造型模塊進(jìn)行建模的雙輪機(jī)頭前蓋三維模型。

圖1 雙輪機(jī)頭前蓋結(jié)構(gòu)圖

2 雙輪機(jī)頭前蓋模具設(shè)計

本零件所用材料為POM，平均厚度2 mm，根據(jù)有關(guān)資料，設(shè)置零件的收縮率為1.25%[3]。利用Cimatron E的模具設(shè)計模塊Mold Setup Wizard，可以方便地完成雙輪機(jī)頭前蓋的模具設(shè)計，其基本步驟為：

（1）布局零件，確定塑料模具的型腔數(shù)目。塑料模具可以是一模一腔，也可以是一模多腔，在確定型腔數(shù)目時，主要考慮：塑件的尺寸精度、模具制造成本、塑件成型的生產(chǎn)效益和模具制造難度等。因此，根據(jù)該零件的生成規(guī)模、制造精度等級、表面粗糙度等級以及生產(chǎn)企業(yè)的要求，確定采用一模兩腔；

（2）創(chuàng)建分型面。分型面是決定模具結(jié)構(gòu)形式的重要因素，其與模具的整體機(jī)構(gòu)、澆注系統(tǒng)設(shè)計、塑件的脫模與模具的制造工藝等有關(guān)，不僅關(guān)系到塑件的正常成型和脫模，而且還涉及模具結(jié)構(gòu)和制造成本。分型面的總體選擇原則是：保證塑件品質(zhì)、便于制品脫模和簡化模具結(jié)構(gòu)。因此，本零件的分型面選擇在最大截面處，并使其型腔完全置于定模一側(cè)；

（3）創(chuàng)建零件毛坯。確定分型面后，即可在Cimatron中進(jìn)行分模設(shè)計并創(chuàng)建零件毛坯；

（4）調(diào)入模架。本零件使用450×450的模架，分別將型芯（圖2）、型腔（圖3）附加到動、定模板，型芯和型腔材料都為40Cr。由于零件為機(jī)頭前蓋，外表面品質(zhì)要求較高，因此采用點澆口成型制品；

圖2 雙輪機(jī)頭前蓋型腔圖

圖3 雙輪機(jī)頭前蓋型芯圖

（5）在Cimatron E中，添加其他模具附件。

設(shè)計完成后的模具總裝圖，如圖4所示。

圖4 雙輪機(jī)蓋前頭模具總裝圖

3 雙輪機(jī)頭前蓋數(shù)控加工編程

Cimatron E擁有一套數(shù)字化編程系統(tǒng)。首先，可在Cimatron E的CAD環(huán)境中完成待加工零件的三維模型，提供加工零件的表面幾何信息；然后經(jīng)由軟件的CAM編程環(huán)境，進(jìn)行加工參數(shù)設(shè)置；最后由軟件自動進(jìn)行刀位計算和后處理，生成所需的數(shù)控代碼[4]。Cimantron E NC模塊所生成的刀路軌跡，具有人性化、時間短、提刀少、效率高等特點，因此目前在模具加工行業(yè)應(yīng)用極其廣泛[5]。本節(jié)主要介紹雙輪機(jī)頭前蓋型芯的數(shù)控加工編程過程。

雙輪機(jī)頭前蓋型芯如圖3所示，該零件毛坯尺寸為320 mm×200 mm×83 mm，主要由曲面、斜面、槽、孔等組成，形狀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且不能使用較大直徑的刀具。編程時，首先將加工原點設(shè)定在分模面中心距零件底部30 mm處，其具體的數(shù)控編程工藝分析與規(guī)劃如下：

（1）粗銑型芯曲面。選擇【體積銑】的【粗加工環(huán)形銑】加工程序，使用直徑D10R4環(huán)刀，留加工余量1 mm，其刀路軌跡為圖 5（a）所示。

（2）二次開粗。選擇【體積銑】的【二次開粗】加工程序，使用直徑D4R1環(huán)刀，對上工步留下較多毛坯余量進(jìn)行加工，并留加工余量0.4 mm，其刀路軌跡為圖 5（b）所示。

（3）精銑型芯曲面。選擇【曲面銑】的【根據(jù)角度精銑】加工程序，使用直徑D2R0.5環(huán)刀，對零件進(jìn)行精銑，加工余量為零，其刀路軌跡為圖5（c）所示。

（4）精銑水平區(qū)域。選擇【曲面銑】的【精銑水平區(qū)域】加工程序，使用直徑D1R0.25環(huán)刀，對零件平面進(jìn)行精銑，其刀路軌跡為圖5（d）所示。

圖5 雙輪機(jī)頭前蓋型芯刀路軌跡圖

通過對上述刀路軌跡進(jìn)行仿真加工，可獲得雙輪機(jī)頭前蓋型芯的仿真結(jié)果，如圖6所示。

圖6 仿真結(jié)果圖

獲得滿意的仿真結(jié)果后，即可生成NC代碼。實際加工時，應(yīng)根據(jù)特定的機(jī)床系統(tǒng)，對代碼進(jìn)行適當(dāng)?shù)匦薷摹?/p>

4 結(jié)束語

本文介紹了以Cimatron E軟件為平臺，對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的雙輪機(jī)頭前蓋進(jìn)行三維造型設(shè)計、模具設(shè)計和數(shù)控加工編程的過程，實現(xiàn)了模具的CAD/CAM一體化。應(yīng)用CAD/CAM一體化技術(shù)，改變了傳統(tǒng)模具設(shè)計與制造的手段，將使模具設(shè)計與加工工作越來越方便、快捷，有效地縮短了模具制造周期，降低成本，提高產(chǎn)品品質(zhì)，對企業(yè)快速響應(yīng)客戶需求，提高市場競爭力，有著非常重要的意義。

[1]劉方輝，錢心遠(yuǎn)，張 杰.CAD/CAE/CAM技術(shù)在現(xiàn)代塑料模具設(shè)計制造中的應(yīng)用[J].模具工業(yè)，2010，30(1)：1-6.

[2]賴新建，劉錫榮，劉春文，等.Cimatron E模具設(shè)計基礎(chǔ)教程[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[3]高漢華，何冰強(qiáng).塑料成型工藝與模具設(shè)計[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2007.

[4]傅信國.零件造型設(shè)計和模具數(shù)控加工編程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[5]何秋梅.基于Cimatron E的相機(jī)面殼凸模的數(shù)控加工編程[J].模具技術(shù)，2010（3）：48-53.