基于Cimatron的雙輪機頭前蓋模具設計與數控加工編程

趙仕宇，詹艷然，潘玉成，潘健輝，林建山

（1.寧德職業技術學院機電工程系，福建 福安 355000;2.福州大學機械工程及自動化學院，福建 福州 350108）

隨著塑料工業的不斷發展，塑料產品在工業及生活用品中所占的比例越來越大[1]，塑料模具的設計與制造過程，已成為模具設計人員關注的熱點。先進的模具設計與制造技術，決定了塑料產品的品質，是現代模具企業生存的關鍵因素之一。對于形狀較為復雜的塑料零件，其模具設計與數控加工過程，有著緊密的聯系，因此，實現其設計與制造的一體化，顯得尤為重要。CAD/CAM軟件經過40多年的發展，有了許多較為成熟的產品，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進行調研發現，Cimatron E已成為該地區使用最廣泛的模具三維CAD/CAM一體化軟件之一。Cimatron E集零件設計、模具設計和NC加工于一體，為模具制造業提供了全面的解決方案，是當今模具設計與制造業公認的首選產品[2]。本文將以Cimatron E軟件為平臺，介紹雙輪機頭前蓋的設計與制造過程。

1 雙輪機頭前蓋三維造型

雙輪機頭前蓋的材料為聚甲醛（POM），是一種高結晶熱塑性聚合物，具有表面光滑、吸水率小、尺寸穩定、耐磨、強度高、抗拉、抗壓、自潤滑性能好等優點，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]。根據生產企業要求，該零件需進行大批量生產，精度等級為IT6級，表面粗糙度Ra=3.2 μm。由于該零件形狀結構較為復雜（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，可經由 IGES、VDA、STL、STEP等多種數據接口，導入由其他三維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行建模。圖1為根據企業提供的工程圖，直接利用Cimatron E的三維造型模塊進行建模的雙輪機頭前蓋三維模型。

圖1 雙輪機頭前蓋結構圖

2 雙輪機頭前蓋模具設計

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

（1）布局零件，確定塑料模具的型腔數目。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、塑件成型的生產效益和模具制造難度等。因此，根據該零件的生成規模、制造精度等級、表面粗糙度等級以及生產企業的要求，確定采用一模兩腔；

（2）創建分型面。分型面是決定模具結構形式的重要因素，其與模具的整體機構、澆注系統設計、塑件的脫模與模具的制造工藝等有關，不僅關系到塑件的正常成型和脫模，而且還涉及模具結構和制造成本。分型面的總體選擇原則是：保證塑件品質、便于制品脫模和簡化模具結構。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；

（3）創建零件毛坯。確定分型面后，即可在Cimatron中進行分模設計并創建零件毛坯；

（4）調入模架。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。由于零件為機頭前蓋，外表面品質要求較高，因此采用點澆口成型制品；

圖2 雙輪機頭前蓋型腔圖

圖3 雙輪機頭前蓋型芯圖

（5）在Cimatron E中，添加其他模具附件。

設計完成后的模具總裝圖，如圖4所示。

圖4 雙輪機蓋前頭模具總裝圖

3 雙輪機頭前蓋數控加工編程

Cimatron E擁有一套數字化編程系統。首先，可在Cimatron E的CAD環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；然后經由軟件的CAM編程環境，進行加工參數設置；最后由軟件自動進行刀位計算和后處理，生成所需的數控代碼[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應用極其廣泛[5]。本節主要介紹雙輪機頭前蓋型芯的數控加工編程過程。

雙輪機頭前蓋型芯如圖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，形狀結構較為復雜，并且不能使用較大直徑的刀具。編程時，首先將加工原點設定在分模面中心距零件底部30 mm處，其具體的數控編程工藝分析與規劃如下：

（1）粗銑型芯曲面。選擇【體積銑】的【粗加工環形銑】加工程序，使用直徑D10R4環刀，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環刀，對上工步留下較多毛坯余量進行加工，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【根據角度精銑】加工程序，使用直徑D2R0.5環刀，對零件進行精銑，加工余量為零，其刀路軌跡為圖5（c）所示。

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

圖5 雙輪機頭前蓋型芯刀路軌跡圖

通過對上述刀路軌跡進行仿真加工，可獲得雙輪機頭前蓋型芯的仿真結果，如圖6所示。

圖6 仿真結果圖

獲得滿意的仿真結果后，即可生成NC代碼。實際加工時，應根據特定的機床系統，對代碼進行適當地修改。

4 結束語

本文介紹了以Cimatron E軟件為平臺，對結構復雜的雙輪機頭前蓋進行三維造型設計、模具設計和數控加工編程的過程，實現了模具的CAD/CAM一體化。應用CAD/CAM一體化技術，改變了傳統模具設計與制造的手段，將使模具設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，提高產品品質，對企業快速響應客戶需求，提高市場競爭力，有著非常重要的意義。

[1]劉方輝，錢心遠，張 杰.CAD/CAE/CAM技術在現代塑料模具設計制造中的應用[J].模具工業，2010，30(1)：1-6.

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

[3]高漢華，何冰強.塑料成型工藝與模具設計[M].大連：大連理工大學出版社，2007.

[4]傅信國.零件造型設計和模具數控加工編程[M].北京：清華大學出版社，2008.

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