張錦榮, 羅彥琦
(東莞理工學院城市學院,廣東東莞 523419)
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,這就對模具產(chǎn)品的設計者和生產(chǎn)者提出了越來越高的要求。針對這些需求,各類新技術的開發(fā)與應用應運而生。Mastercam是美國CNC Software Inc.公司設計開發(fā)的一套計算機輔助制造軟件,它有效地將CAD和CAM這兩大功能整合在一起,廣泛應用于機械、汽車、航空、造船、模具、電子和家電等領域,尤其在模具行業(yè)更有聲譽[1]。Mastercam提供了理想零件外形所需的設計環(huán)境,其強大三維造型功能可以設計出復雜的曲面、曲線零件。本文通過實例介紹利用Mastercam軟件來實現(xiàn)管卡模具的設計及模擬加工過程。
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,性能指標見表1[2-3]。
表1 PP(聚丙烯)性能指標
通過對塑件進行分析計算確定模具結構形式如下:PP材料成型收縮率較大,制品壁厚均勻,形狀簡單,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,采用一模一腔結構,澆口形式為矩形側澆口。脫模只采用頂桿、拉料桿頂出形式,頂桿安裝在頂出板上,通過頂出導向柱和復位桿實現(xiàn)頂出和復位。模具較小且有型芯可利用間隙排氣。
利用CAD軟件實現(xiàn)管卡零件的二維圖形繪制和三維造型設計。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)兩部分構成。通過分析確定其模具由卡環(huán)動模鑲塊、定位孔定模鑲塊組成。在Pro/E軟件下分別對卡環(huán)和定位孔的動模、定模鑲塊進行設計。
圖1 管卡二維圖
圖2 管卡三維造型
管卡模具設計主要包括卡環(huán)和定位孔的動、定模鑲塊設計及型芯設計,其中鑲塊設計直接關系到模具精度和質(zhì)量,是設計過程的關鍵所在。在Pro/E軟件下實現(xiàn)管卡整體造型,在成型實體功能模塊下,采用拉伸、旋轉、鏡像、倒圓角、陣列/切剪[4]等命令生成管卡動、定模鑲塊、型芯、頂桿的三維模型,其設計結果如圖3~圖6所示。
圖3 管卡動模鑲塊三維模型
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
利用Mastercam軟件的CAD功能完成了管卡動、定模鑲塊及型芯的CAD設計后,下一步即利用Mastercam軟件的CAM功能對管卡模具零件進行自動編程。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程序和工作設定等。公用管理包括刀路模擬、程式過濾、全選、路徑轉換、實體驗證、重新計算、后處理等[4-7]。
管卡模具相對簡單,成型面主要包括外輪廓凸圓面、臺階面、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原點坐標X、Y,Z坐標取頂面所在的平面。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單,利用銑、磨完成粗加工。銑床下料,動模鑲塊銑至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中對鑲塊的成型部分及背面頂桿和型芯沉孔進行粗加工,根據(jù)工件的設計尺寸,選用合金平刀,直徑為4 mm,主軸轉速5000 r/min,進給速率1200 mm/min,切削深度為0.2 mm。進行粗加工后,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,主軸轉速調(diào)整為8000 r/min,進給速率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,鑒于刀具的長度和直徑問題,對于較深的凹槽不能直接使用刀具進行切削加工,故使用電極進行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、研磨膏等對模具成型部分進行拋光。
表2 管卡動模鑲塊主要加工工步
生成管卡定模鑲件和動模的加工走刀路徑后,使用Mastercam的實體切削仿真功能檢驗刀具路徑是否存在錯誤。選擇操作管理中的實體驗證,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,能自動計算和顯示加工過程所需時間,為實際加工提供參考依據(jù)[8-12]。如圖7~圖10所示為管卡動模、定模鑲件、頂桿、型芯的模擬刀具路徑圖。
圖7 動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)控加工中心機床(西門子840D數(shù)控系統(tǒng))上,配置相應的后處理文件,刀具路徑經(jīng)檢驗和適當修改后就可以進行相應的操作,加工出該管卡模具[13-15]。
Mastercam軟件操作簡單,能同時滿足二維、三維結構設計的需要,在數(shù)控自動編程加工上更具優(yōu)勢。通過將Mastercam的CAD/CAM技術運用到實際生產(chǎn)制造領域中,可以有效提高模具的設計水平和加工質(zhì)量,有效縮短模具制造周期,降低勞動強度,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的社會需求。