塑料模具三维型面造型和数控加工

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塑料模具三维型面造型和数控加工 杜家熙 宁欣 本文通过对小音箱前面板模具的凸模进行三维造型和数控加工的研究，给出了型面三维造型和数控加工技术相结合在模具制造中的应用步骤。造型设计与数控加工有机的结合，对小型模具加工将是很好的选择。

在模具制造中，三维型面的加工一直是一个难点。在传统的加工中，三维型面一直采用大量的研修来实现，这样就必然影响模具的质量和加工效率。如果能将型面三维造型和数控加工技术相结合，就能够大大提高工作效率和模具质量。

模具型面三维造型和数控加工技术是现代化模具生产中不可缺少的一部分，也是CAD/CAM技术在模具生产中应用的核心内容。对模具型面造型和数控加工技术进行研究，具有重要的理论和现实意义。

小音箱前面板的模具，凸凹模形状复杂，造型困难，传统的加工甚至难以实现，即使能够实现也不能保证精度，加工效率极低。本文将利用MasterCAM9.0对小音箱前面板模具的凸模进行三维造型和数控加工研究。

一、小音箱前面板凸模的加工造型设计

小音箱前面板模具，如图1所示。

利用产品曲面模型进行靠破孔填充生成小音箱前面板凸模，造型设计步骤如下：

(1)打开预先作好的小音箱前面板文件； ) Z' W, p0 ]4 A% v9 J$ `　　(2)选择 Main Menu命令回主菜单； ' X6 m' U( q* B　　(3)选择Create/surface/trim/extend/fill holes命令，填充靠破孔； ( Y, n6 C. P4 }" g/ x" O' o　　(4)选择Main Menu命令回主菜单； 　　(5)选择Xform/Rotate/All/Entities命令，旋转所有几何图形； 6 j6 f+ O& F0 _3 \/ \; z7 C' {　　(6)选择Main Menu 命令回主菜单； 　　(7)选择create/curve/One edge命令，绘制曲面的一条边界； 4 u0 |$ a1 w- a6 n　　(8)选择Main Menu 命令回主菜单； 　　(9)选择子菜单中的Level命令，系统弹出图层设定对话框，关闭第2～4层，单击OK按钮； * l$ X4 _ c) _& F4 `# @0 P& B　　(10)选择Modify/trim/2entities命令，进行两物体修剪； 1 i# [" _/ Q2 f/ l　　(11)选择Main Menu命令回主菜单； # V* u1 x- ]! r- `3 y+ S　　(12)选择Xform/Ofs ctour 命令，进行串联偏移； , H3 p" ~; o' J. `, E6 i　　(13)选择Main Menu命令回主菜单； % P, C0 D6 I- ~　　(14)选择Create/Surface/Trim/Extend 命令，进行曲面修剪延伸； 　　(15)选择Main Menu命令回主菜单； , j2 C9 @6 V0 P" S8 D　　(16)选择子菜单中的Level命令，系统将弹出图层设定对话框，打开　　　　　　　　　　　　　　　　　第2～4层，单击“OK”按钮，凸模结果如图1所示。

二、小音箱前面板凸模的轨迹生成及虚拟加工

加工前的准备：把图形中心点移到坐标原点，图形最高点移到Z=0处。

1.采用Φ20的圆鼻刀对凸模45°平行粗加工，预留量为1

粗加工步骤如下:

(1)单击顶部工具栏中的俯视构图面按钮； / y0 s- h! I$ g8 d0 N　　(2)选择Toolpaths/Surface/Rough/Parallel命令，进行曲面平行粗加工； / F7 K& e# J3 W7 T" W% S& v, m　　(3)选择Boss命令，进行凸体曲面平行粗加工； 1 ~, w- f$ O4 u. x. K　　(4)选择All/Surface命令，对所有曲面进行平行粗加工； d2 ]3 ^9 e/ j" p* E　　(5)选择Done命令执行； 　　(6)系统弹出的曲面平行粗加工对话框，在刀具栏空白区内单击鼠标右键，在弹出的菜中选择[Get Tool Form Library]命令，系统弹出刀具库对话框，选择一把φ20的圆鼻刀，单击“Ok”按钮； 3 b& H; z: M/ b. [+ c+ n　　(7)在刀具参数设定对话框内，选择[Parameters]选项卡，输入相关参数，单击Ok按钮； 　　(8)选择曲面平行粗加工对话框中的[Surface Parameters]选项卡，输入相关参数； 　　(9)选择曲面平行粗加工对话框中的[Rough Parallel Parameters]选项卡，输入相关参数，单击“确定”按钮； 0 d, p! ^% h" T% D' c　　(10)选择Done命令； 8 |7 {! N8 Z) {7 F* J　　(11)系统产生平行粗加工刀具路径； 3 U* ?/ b3 o9 w　　(12)选择Backup命令，返回上一层菜单； 　　(13)选择Job Setup命令，进行工件参数设定，在弹出的工件参数设定对话框中输入工件设定参数，单击“Ok”按钮； 5 e% v8 O. m; z. E9 E" ~　　(14)选择Operations命令，系统弹出加工操作管理对话框； 　　(15)单击Verify 按钮，进行实体加工模拟，系统弹出实体加工模拟播放对话框，单击执行按钮，Φ20的圆鼻刀对凸模平行粗加工；

(16)单击实体加工模拟播放对话框右上角的关闭按钮，关闭实体加工模拟。

2.采用Φ20的平铣刀对凸模45°浅平面精加工

主要步骤如下：

(1)选择Surface/Finish/Shallow命令，进行曲面浅平面精加工； 　　(2)选择All/Surfaces命令，对所有曲面进行浅平面精加工； 　　(3)选择Done 命令执行； . O0 F* ?2 ~' I　　(4)系统弹出曲面浅平面精加工对话框，在刀具栏空白区内单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择[Get Tool From Library]命令，系统弹出刀具库对话框，选择一把φ20的平铣刀，单击“Ok”按钮； 　　(5)在刀具参数设定对话框内，选择[Parameters]选项卡，输入刀具参数，单击“Ok”按钮； # s! L$ |; r% D$ t　　(6)选择曲面浅平面精加工对话框中的[Surface Parameters]选项卡，输入参数； 　　(7)选择曲面浅平面精加工对话框中的[Finish Shallow Parameters]选项卡，输入参数，单击(确定)按钮； 　　(8)选择Done命令执行； & g5 f2 {6 t3 J) x( I% y　　(9)单击顶部工具栏中的屏幕刷新按钮，系统产生浅平面精加工刀具路径； % y) h2 ]: ~9 w8 w( T3 [- F- K8 y　　(10)选择Backup命令，返回上一层菜单； 　　(11)选择Operations命令，系统弹出加工操作管理对话框； ! x( j( b0 K9 d/ d- r; l　　(12)实体加工模拟同上。

3.采用Φ6的球头刀对凸模45°平行精加工

(1)选择Surface/Finish/Parallel 命令，进行曲面平行精加工； ( c g$ n9 `- p　　(2)选择All/Surfaces命令，对所有曲面进行平行精加工； $ T I% |1 T6 P0 p1 w3 E　　(3)选择Done命令执行； 　　(4)系统弹出曲面平行精加工对话框，在刀具栏空白区内单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择[Get Tool From Livrary]命令，系统弹出刀具库对话框，选择一把φ6的球头刀，单击“Ok”按钮； 　　(5)在刀具参数设定对话框内，选择[Parameters]选项卡，输入参数，单击“Ok”按钮； 　　(6)选择曲面平行精加工对话框中的[Surface Parameters]选项卡，输入参数，单击[Check Surface/Solid]选项中的[Select]按钮，按组合键Alt+T关闭刀具路径显示，选择Add命令，选择如图2所示的平面p27为干涉面；

 

图2 干涉面选择

(7)选择Done命令，结束干涉面选择； $ T3 J3 _' r, J5 P! t4 K, w, v　　(8)选择Done命令执行，系统返回曲面平行精加工对话框； 　　(9)选择曲面平行精加工对话框中的[Finish Parallel Parameters]选项卡，输入的参数，单击[确定]按钮； 　　(10)选择Done 命令执行； 　　(11)按组合键Alt+T打开刀具路径显示，系统产生如图3所示的平行精加工刀具路径； 　　(12)选择Backup命令，返回上一层菜单； & D2 G k* z1 v　　(13)选择Operations命令，系统弹出加工操作管理对话框； R7 ~0 r# |3 @3 `" s6 P　　(14)单击Select All 按钮，即选择所有的加工操作； 　　(15)单击Verify按钮，进行实体加工模拟，系统弹出实体加工模拟播放对话框，单击执行按钮，Φ6的球刀对凸模平行精加工结果如图3所示； 　　(16)单击Post按钮，自动生成全部加工程序(限于篇幅程序略)。

 

图3 总刀具加工路径

三、程序修改、程序传输和数控加工

1. 程序修改

CAD/CAM在加工中心上的应用是以程序为纽带的，而生成的NC程序，有的指令或符号往往与加工中心或数控机床不兼容，这就需要根据采用的系统进行程序修改。我们采用的是SIMENS802D系统，对生成的程序作如下修改：

(1)将生成的NC程序中的半径符号R，改为CR=； 　　(2)根据零件的实际要求和机床的实际情况，对主轴速度S、进给率F、有无切削液等参数进行适当修改； 4 a) Z5 E, k! x/ B5 s$ h0 w　　(3)生成的NC程序有很多说明性的部分(在括号内的部分)，这可以增加程序的可读性，便于操作员管理程序，在不影响加工结果的情况下也可删去。

2. 程序传输

数控程序的传输可以利用CAD/CAM软件的通信功能，通过接口与数控机床进行通信，也可以通过专用的通信软件，如DNC软件进行传输。本例采用软件的方式传输。

通过控制系统的RS232接口，可以从机床中读出数据并传输到外部设备中，同样，也可以从外部设备把数据再读入到机床中。

读入操作步骤：

(1)打开“程序管理器”，进入NC程序主目录； ' G" {; X3 R# K6 r　　(2)按“读入”键，按此键通过RS232接口装载零件程序； % D2 s/ |/ G( d- Z$ o$ N" H! ?　　(3)在PC机上选定程序，按“回车”键； 4 ?+ R1 P2 x- Z# T3 g2 v' Z! ?　　(4)按机床上的“启动”键，用此键启动输入过程。

3．数控加工

根据工件的特点和机床的情况，选用压板夹具夹紧毛坯，再进行合理的对刀，启动机床运行程序，即可完成加工。

四、结束语

为了提高模具的质量、精度和生产效率，人们在模具生产过程中越来越广泛地使用CAD/CAM设计和CNC数控加工相结合的制造方式。如何使模具结构更合理，数控加工效率和精度更高，一直是模具设计和制造人员努力研究的方向。特别是对三维型面的造型和加工，传统的造型和加工方法很难实现，即使能够实现效率和精度也很低，因此将造型设计与数控加工有机地结合起来，对小型模具加工将是很好的选择。