基于Mastercam的管卡模具設計與加工仿真的研究

張錦榮， 羅彥琦

（東莞理工學院城市學院，廣東東莞 523419）

0 引言

在現代化工業制造中，模具是制造各種產品的重要工藝裝備。塑料加工行業中約有95%的產品靠模具生產。隨著社會的不斷發展，產品的更新換代日益頻繁，使模具產品的研制、生產周期變得越來越短，這就對模具產品的設計者和生產者提出了越來越高的要求。針對這些需求，各類新技術的開發與應用應運而生。Mastercam是美國CNC Software Inc.公司設計開發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，尤其在模具行業更有聲譽[1]。Mastercam提供了理想零件外形所需的設計環境，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軟件來實現管卡模具的設計及模擬加工過程。

1 管卡成型工藝性及模具結構分析

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，制品內表面為圓弧面，型芯與凹模取統一脫模斜度為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頂出和復位。模具較小且有型芯可利用間隙排氣。

2 管卡塑件的CAD造型設計

利用CAD軟件實現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（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動模鑲塊、定位孔定模鑲塊組成。在Pro/E軟件下分別對卡環和定位孔的動模、定模鑲塊進行設計。

3 管卡動模、定模鑲塊及型芯的CAD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量，是設計過程的關鍵所在。在Pro/E軟件下實現管卡整體造型，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

4 管卡模具的CAM設計

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，在局部區域還留有加工余量，為了確保產品加工精度，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

5 管卡模具的數控加工仿真及程序生成

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[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，通過后處理生成數控加工程序。生成的NC數控代碼經過修改后輸出到數控加工中心機床（西門子840D數控系統）上，配置相應的后處理文件，刀具路徑經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]。

6 結語

Mastercam軟件操作簡單，能同時滿足二維、三維結構設計的需要，在數控自動編程加工上更具優勢。通過將Mastercam的CAD/CAM技術運用到實際生產制造領域中，可以有效提高模具的設計水平和加工質量，有效縮短模具制造周期，降低勞動強度，節省生產成本，從而使模具行業的發展速度能夠滿足日益增長的社會需求。