薄壁手機殼注塑模型腔CAD/CAM仿真加工與NC程序檢驗方法研究

馬松柏

（北京工商大學，北京 100048）

0 引言

近年來，CAD/CAM技術(shù)在模具設(shè)計制造方面得到了迅速發(fā)展和廣泛應用，借助許多功能強大的通用軟件可獨立完成模具零件的CAD設(shè)計與CAM仿真加工，如利用UG/Mold（或ProE/EMX）設(shè)計模具、UG/CAM（或ProE/NC）進行仿真加工及后處理并輔以其他軟件進行模具模擬制造。但由于零件形狀的復雜多變，為滿足設(shè)計的靈活性與高效性，僅僅依靠一種軟件往往是不夠的，CAD軟件間彼此數(shù)據(jù)交換與共享、并聯(lián)設(shè)計的重要性逐漸顯現(xiàn)，且多數(shù)仿真軟件生成的刀具軌跡往往不考慮機床的具體結(jié)構(gòu)和工件的裝夾方式,其操作過程也與實際加工過程不相一致，不能確保生成的NC代碼程序在數(shù)控加工機床上能夠安全、正確的執(zhí)行。

為有效解決上述問題，提出以薄壁手機殼注塑模型腔的設(shè)計與仿真加工、NC代碼程序模擬檢驗的過程為例說明CAD數(shù)據(jù)交換與并聯(lián)設(shè)計及數(shù)控仿真檢驗方法，其中CAD模具設(shè)計采用Autodesk Inventor 2012/Molddesign模塊得到模具產(chǎn)品型腔零件，經(jīng)格式轉(zhuǎn)換后在UG NX8.0/CAM模塊下進行仿真加工，再將后處理得到的NC代碼加工程序在斯沃數(shù)控仿真軟件上進行實際加工前的檢驗修正，檢驗環(huán)境為FANUC 0iM三軸數(shù)控銑床加工中心，其仿真操作面板與機床實際操作面板完全吻合，仿真檢驗過程考慮了刀具、工件裝夾方式等因素，仿真操作與實際機床操作近乎完全一致，最終的仿真結(jié)果驗證了該方法的實用性與可行性。

1 模具CAD/CAM并聯(lián)設(shè)計—仿真加工檢驗方法簡介

模具CAD/CAM并聯(lián)設(shè)計—仿真加工檢驗方法主要由產(chǎn)品CAD數(shù)字化3D模型建模模塊、產(chǎn)品CAM加工應用模塊，及仿真加工檢驗模塊三部分組成。圖1為CAD/CAM并聯(lián)設(shè)計—仿真加工檢驗流程圖。

圖1 CAD/CAM并聯(lián)設(shè)計—仿真加工檢驗流程

創(chuàng)建產(chǎn)品的數(shù)字化3D模型可利用常用的CAD軟件來完成，如Creo(早期版本為Pro/E)、UGNX、Inventor、CATIA、SolidWorks等通用軟件，將創(chuàng)建好的3D數(shù)字化模型通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式保存為IGES、STEP、SAT等中間格式文件，建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫并上傳到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；再將數(shù)據(jù)庫中的3D數(shù)字化模型文件導入到CAM加工應用模塊進行仿真加工與后處理，得到零件的NC代碼程序，CAM加工應用模塊可以是任何現(xiàn)有通用軟件或二次開發(fā)軟件；加工檢驗模塊則在與機床實際加工高度接近的斯沃數(shù)控仿真軟件環(huán)境中完成。各模塊間彼此互聯(lián)，保證設(shè)計意圖的全面準確執(zhí)行，便于及時快速地發(fā)現(xiàn)問題，達到設(shè)計與加工并行的目的。下面以一薄壁手機殼注塑模型腔的設(shè)計與仿真加工說明該方法的實行過程。

2 基于Inventor/Molddesign的模具型腔3D數(shù)字化模型創(chuàng)建

加工對象為薄壁手機殼模具型腔，這里直接利用薄壁手機殼的三維Inventor模型設(shè)計模具，Autodesk Inventor 2012軟件的Molddesign模具設(shè)計功能易于使用，尤其是補面(Patch)和分型面的創(chuàng)建簡便快速，和其他專業(yè)模具設(shè)計軟件的基本流程類似，導入設(shè)計零件、選擇材料、創(chuàng)建模具模型、收縮率設(shè)置、創(chuàng)建分型面和體積塊、分型面檢測、分模、加載模架、創(chuàng)建行位并放置滑塊、澆注系統(tǒng)設(shè)計和頂出系統(tǒng)設(shè)計等，其中薄壁手機殼的尺寸為108mm×57mm×15mm，壁厚1mm，創(chuàng)建平面補片后分型面采用拉伸生成分型面的方式創(chuàng)建，分模后得到模具型腔3D模型，簡化流程如圖2所示。

圖2 模具簡化設(shè)計流程

3 基于UG NX8.0/CAM的模具型腔仿真加工

創(chuàng)建好的模具型腔的尺寸為150mm×80mm×40mm，最小圓角半徑1mm，將其轉(zhuǎn)換為IGES格式文件并導入到UG/NX8.0裝配環(huán)境，創(chuàng)建與模具型腔相同尺寸的拉伸毛坯幾何體后轉(zhuǎn)入UG/CAM加工環(huán)境。將機床坐標系MCS設(shè)定為毛坯頂面，分析模具型腔的結(jié)構(gòu)特點，模具型腔無側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)，采用三軸數(shù)控銑床加工中心即可加工，選擇合適刀具，制定如圖3所示加工策略，加工方案按照表1加工工藝規(guī)劃表執(zhí)行：粗加工采用型腔銑削跟隨工具的切削方式開粗，以頂面為定位基準,加工部位包括上下表面內(nèi)外輪廓、上表面（2層）、下表面（3層）、下表面圓角面，生成如圖4所示粗加工刀具軌跡。精加工采用曲面區(qū)域銑削跟隨周邊的切削方式，銑削范圍為型腔下表面，內(nèi)輪廓表面，生成如圖5所示精加工刀具軌跡。仿真加工完成后處理器選擇“MILL_3_AXIS”，單位選擇“公制/部件”，生成的NC程序代碼文件如圖6所示，將代碼文件轉(zhuǎn)存為斯沃數(shù)控仿真軟件可調(diào)用的*.cnc格式文件。

圖3 制定加工策略 圖4 粗加工刀具軌跡

圖5 精加工刀具軌跡 圖6 后處理文件

表1 加工工藝規(guī)劃表

4 基于斯沃數(shù)控仿真軟件環(huán)境檢驗NC加工程序

圖7為斯沃數(shù)控仿真軟件FANUC 0iM三軸數(shù)控銑床加工中心界面，界面左側(cè)為機床床身，右上為程序操控面板、右下為機床操控面板。仿真加工檢驗NC程序的操作步驟如下：

1）設(shè)置毛坯：長方體80mm×150mm×40mm，如圖8所示；

2）設(shè)定工件裝夾方式：工藝板(壓板)裝夾，如圖9所示第一行第二項；

3）按表1刀具參數(shù)設(shè)定刀具并載入刀架，如圖10所示；

4）對刀設(shè)定工件坐標系原點，XY方向采用基準芯棒（H100mmD20mm）及塞尺（厚1mm），如圖11所示，Z方向采用刀尖試切對刀，對刀完成后依次單擊程序操控面板上如下按鈕輸入坐標值坐標系 測量（X51、Y86、Z0）；

圖7 斯沃數(shù)控仿真軟件界面

圖8 設(shè)置毛坯 圖9 設(shè)定工件裝夾

運行經(jīng)檢驗修正后的NC代碼程序正確可信，且仿真檢驗操作過程與實際機床的操作過程高度接近，可直接用于實際加工。

圖10 選擇與裝夾刀具 圖11 對刀

圖12 粗加工仿真 圖13 精加工仿真

圖14 精加工刀路測量與G代碼 圖15 模具型腔仿真結(jié)果

5 結(jié)束語

注塑模設(shè)計和生產(chǎn)中的CAD/CAE技術(shù)已被廣泛的應用，基于多種軟件聯(lián)合應用于模具CAD/CAM仿真加工與檢驗的方法指導實際設(shè)計生產(chǎn)是重要的發(fā)展趨勢，應用此方法在提高一次試模的成功率的同時，還可以縮短生產(chǎn)周期，節(jié)省生產(chǎn)成本，該方法具有較高的應用價值。

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