鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 姜金三
tDVdl^# ozG:f*{T 一、引言
c i>=45@J I'hQbLlG 模具工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)行業(yè)，模具工業(yè)的發(fā)展水平標(biāo)志著一個(gè)國家的工業(yè)水平及產(chǎn)品開發(fā)能力。模具行業(yè)涉及了汽車工業(yè)、航空航天、軍工企業(yè)、家電工業(yè)、包裝工業(yè)和日用五金等幾乎全部的工業(yè)門類。在過去的20年中，我國模具工業(yè)得到了長足的進(jìn)步，模具CAD/CAM技術(shù)的成功應(yīng)用為我國的模具工業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。現(xiàn)代模具技術(shù)的發(fā)展，在很大程度上依賴于模具標(biāo)準(zhǔn)化程度、優(yōu)質(zhì)模具材料的研究、先進(jìn)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)和專用的機(jī)床設(shè)備及生產(chǎn)技術(shù)管理等。其中CAD/CAM技術(shù)在模具生產(chǎn)中的應(yīng)用，無疑占有很重要的地位。它被認(rèn)為是現(xiàn)代模具技術(shù)的核心和重要的發(fā)展方向。為了提高模具企業(yè)的設(shè)計(jì)水平和加工能力，中國模具協(xié)會向全國模具行業(yè)推薦適合于模具企業(yè)使用的CAD/CAM系統(tǒng)。模具設(shè)計(jì)和加工使用的CAD/CAM系統(tǒng)，不要求系統(tǒng)十分龐大，但對某些方面要求較高，如曲面造型、三軸數(shù)控加工等。
f|)t[,c a4YyE LXe CAD/CAM系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件包括各種類型的計(jì)算機(jī)、存儲設(shè)備和輸入輸出設(shè)備。CAD/CAM系統(tǒng)的軟件是根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)備的配置，為適合某一個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域，所能完成某些特定功能的一組計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序�，F(xiàn)今CAD/CAM系統(tǒng)軟件有Auto CAD、MasterCAM、3Dmax和Pro/ENGINEER等。CAM技術(shù)發(fā)展至今，無論在軟硬件平臺、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)等方面都發(fā)生了翻天覆地地變化。CAM的軟件平臺是Windows NT或Windows 2000，硬件平臺是高檔PC或NT工作站系列。隨著高檔NC控制系統(tǒng)的PC化、網(wǎng)絡(luò)化及CAM的專業(yè)化與智能化的發(fā)展，編程也可能會有較大的發(fā)展。它們擯棄了多層菜單式的界面形式，取而代之的是Windows界面，操作簡便，并附有項(xiàng)目管理和工藝管理樹結(jié)構(gòu)。新一代CAM系統(tǒng)是基于知識的智能化的CAM系統(tǒng)，它面向?qū)ο蠛凸に囂卣�，能夠�?dú)立運(yùn)行，使相關(guān)性編程成為可能，并提供更方便的工藝管理手段。
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,?% 二、CAD/CAM在彩顯屏底模具制造中的應(yīng)用
:SGQ4@BV hW&UG#PY> 傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)和制造方法主要有以下幾個(gè)方面的不足：(1)一次性設(shè)計(jì)合理性差；(2)設(shè)計(jì)、制造的串行工作模式周期長，效率低，不適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的形勢；(3)過度依賴設(shè)計(jì)制造人員的經(jīng)驗(yàn)積累。
CTYkjeej dQb?Zi7 g 隨著CAD/CAM系統(tǒng)功能的日趨成熟，CAD/CAM系統(tǒng)在各方面都得到廣泛應(yīng)用，尤其在模具行業(yè)中的應(yīng)用大大簡化了工藝設(shè)計(jì)過程，提高了模具的制造精度�，F(xiàn)代模具制造工藝(見圖1)彌補(bǔ)了上述不足，增加了CAE(Computer Aided Engineering)和CAT(Computer Aided Testing)兩項(xiàng)功能。通過CAE，進(jìn)行有限元分析。而CAT工序主要是利用三坐標(biāo)測量儀，對已加工完模具的三維工作面最后檢驗(yàn)是否合格，同時(shí)檢測的數(shù)據(jù)可以反饋給CAD工序，作為模具三維工作面的造型改進(jìn)的參考。
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n 66 _#X 三、工藝流程分析
}z #8vE; |Sq>uC) 彩顯玻殼模具是生產(chǎn)高質(zhì)量彩色顯示器玻殼的關(guān)鍵部分。由于彩色顯示器玻殼特殊的服役條件，對模具材料、內(nèi)在質(zhì)量和尺寸精度等都提出了嚴(yán)格的要求，制造難度很大。日本、美國和德等國家為此進(jìn)行了20多年的開發(fā)研究，其各大彩色顯象管玻殼生產(chǎn)公司都擁有各自彩色顯示器玻殼模具生產(chǎn)專有技術(shù)和固定的模具生產(chǎn)基地。
cCIEG e6 25r=Xv 彩顯玻殼模具的使用性能要求其材料應(yīng)具有較高的熱疲勞性能、較好的蠕變性能和良好的綜合機(jī)械性能，即不僅要保證模具在使用過程中塑性變形小，而且要有利于機(jī)械加工和修復(fù)。對于其物理性能則要求具有穩(wěn)定一致的熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱率和比熱等參數(shù)。另外，玻殼壓機(jī)以及配用的整套模具是高精度運(yùn)轉(zhuǎn)配合的機(jī)器，各部分之間的配合精度極高，加上玻殼尺寸一致性要求，從而提出了對模具尺寸精度的高要求。要求屏底模有較高的蠕變極限、良好的熱疲勞性能，并能耐氧化、耐高溫。
^=j$~*(LmX *yx :nwmo 玻殼屏底模的加工工序一般分為為粗加工、一次加工和二次加工。根據(jù)彩顯屏底模的形狀及加工特性，二次加工的曲面精度要求很高，其定位基準(zhǔn)均為底座下平面，為了減少裝夾次數(shù)，縮短工時(shí)，二次加工需要全部在數(shù)控銑床或數(shù)控加工中心上進(jìn)行。
QNY{ p k o-_ a0j 為了充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的功能，在確定加工方案時(shí)應(yīng)考慮數(shù)控機(jī)床使用的合理性和經(jīng)濟(jì)性，一個(gè)零件往往可能有多種加工方案。例如，某些二維輪廓的側(cè)面可能是高度不太大的斜面，可利用三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床經(jīng)過循環(huán)走刀銑出該輪廓，如圖2所示，但是，這種方案耗費(fèi)工時(shí)太長，且表面質(zhì)量不高。應(yīng)采用成型刀進(jìn)行成型銑削，如圖3所示。本設(shè)計(jì)中的15°斜面的銑削采用成型刀銑削，效果良好。
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"- sz7}Mb 圖2 周向循環(huán)銑削 圖3 成型銑削
;a"Ukh Uan ;}X 7@ 在數(shù)控加工中，為了盡量減少輔助工時(shí)，要特別注意使用夾具來保證迅速完成加工零件的定位和夾緊過程。在加工中要盡量減少工件裝夾次數(shù)，在一次裝夾中，應(yīng)盡可能多地完成各個(gè)工序工步，為此，定位時(shí)要考慮便于各個(gè)表面都被加工的定位方式。以底座下平面為定位基準(zhǔn)，可以方便地完成其他各個(gè)曲面的加工。
q!4dK4 `#5 4m:E:zVn 四、三維曲面和實(shí)體造型
%k_JLddlW ;N|6C+y MasterCAM軟件的造型功能，使用戶在制作三維模型時(shí)，充分體會到它的魅力。對目前常見的數(shù)控機(jī)床，MasterCAM幾乎都有后置處理程序，因此這些機(jī)床都可以使用此軟件來編程。MasterCAM由Designs(造型)、Mill(銑削加工)、Lather(車削加工)和 Wire(數(shù)控加工模擬)4個(gè)模塊組成。而Design(造型)模塊是基礎(chǔ)，它也包含在Mill(銑削加工)模塊中。
w# ['{GL R0WJdW # 空間球面是主要的設(shè)計(jì)和加工面。下面介紹繪制三維圖過程。
3h&s=e! a/1{tDA 設(shè)置構(gòu)圖深度為0，即Z：0.0000，構(gòu)圖面Cplane：T(俯視圖)，視角Gview：T(俯視圖)，單擊Create—Rectangle—One point(繪圖—矩形—矩形基準(zhǔn)點(diǎn))，設(shè)置矩形的寬度和高度，基準(zhǔn)點(diǎn)為原點(diǎn)，矩形即可繪制出來。單擊適度化按鈕，可將視圖調(diào)整到最佳狀態(tài)。
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E 圖4 1/8曲面構(gòu)成
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tZ9+LL 圖5 1/4昆氏曲面
d{ &z^ P<1zXs.H 曲面有許多種，按其形成方式分為三類：幾何圖形曲面、自由形式曲面和編輯過的曲面，在生成曲面的過程中，要靈活運(yùn)用動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)、放大和適度化等操作。對于球面，選用生成昆氏曲面的方法，注意應(yīng)首先將1和2間的圓弧分成兩段，在圖4中對1/8曲面進(jìn)行操作，也可完成另外1/8曲面的操作，生成如圖5所示的1/4昆氏曲面。其余曲面，選用掃描曲面的生成。全部掃描完之后如圖7所示，封底操作同上用掃描曲面，最后將其鏡像拷貝生成實(shí)體如圖8所示的整個(gè)零件完整實(shí)體。
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WW.=>]7; 圖6 面的生成 圖7 1/4曲面的構(gòu)成
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84Gw_ 圖8 實(shí)體構(gòu)成
E+gUzz5 _z;N|Xe 五、曲面加工仿真模擬
c72/e7gV SFHa(JOS 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造一般分為CAD、CAM及后處理(POST)等3個(gè)步驟。CAD的功能是生成機(jī)械加工中工件的幾何模型。CAM的功能是生成一種通用的刀具位置(刀具路徑)數(shù)據(jù)文件(NCI文件)，該文件包含有加工中進(jìn)刀量、主軸轉(zhuǎn)速和冷卻控制等指令。后處理則是使用CNC控制器相應(yīng)的后處理器將NCI文件解譯成用戶CNC控制器可以解讀的NC碼。有了CAD模型后，就可利用CAM系統(tǒng)提供的多種形式的刀具軌跡生成功能進(jìn)行數(shù)控編程。刀具路徑模擬是生成NC文件的必要前提，即數(shù)控工藝的創(chuàng)成為NC加工程序的生成準(zhǔn)備了必要的工藝信息。
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d1>E 下面以屏底模具的曲面部分的加工為例，介紹刀具軌跡的生成。在MasterCAM中，不同的加工模組用不同的參數(shù)來定義其生成的刀具路徑。這里采用的是三維銑床加工系統(tǒng)的挖槽加工。設(shè)定毛坯參數(shù)（進(jìn)行工作設(shè)定）， 生成挖槽式刀具路徑，選擇所需加工的曲面，選擇挖槽銑削刀并設(shè)定刀具參數(shù)如圖9和圖10所示。
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i$q 圖9 刀具參數(shù)設(shè)定一
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f`Nu] #i 圖10 刀具參數(shù)設(shè)定二
OP @PB| Z`D#L[z$ 在設(shè)置挖槽粗加工參數(shù)時(shí)涉及到走刀路線選擇問題。如圖11所示的3種凹槽加工的走刀路線中，圖11b的走刀路線與球面輪廓最為接近，所以選圖11b的路線。
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8r5j~Df 圖11 三種走刀路線
w*?JW +Fk.B@KT, 6gv.n 系統(tǒng)會自動(dòng)計(jì)算曲面，進(jìn)行刀具路徑的生成。生成的刀具路徑如圖12所示。
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B}vI<?c 圖12 刀具路徑生成
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A U \(Iy>L. 刀具路徑生成后，可進(jìn)行實(shí)體模擬，如圖13所示。
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^vzNs>eJ 圖13 實(shí)體仿真模擬
d(tq;2- qVf~ \H@ 六、CNC文件的生成
#8'%CUF*<8 a 3H S!/ 刀具路徑生成后經(jīng)后置處理，就可以生成NC文件，即自動(dòng)生成數(shù)控加工程序，這些程序可應(yīng)用于加工中心進(jìn)行零件實(shí)體加工。本例中生成的曲面粗加工CNC程序較長，此處省略。
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.PLfc; 七、結(jié)束語
b3Do{1BV MSA*XDnN CAM技術(shù)的迅猛發(fā)展，軟硬件水平的進(jìn)一步完善，為模具工業(yè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，為企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和生產(chǎn)水平的發(fā)展帶來了質(zhì)的飛躍，已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)信息化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化的必然選擇。MasterCAM具備CAD/CAM功能，兼容性很好，能與幾乎所有的數(shù)控機(jī)床配合使用。它具有很強(qiáng)的三維立體造型功能和加工功能，并可進(jìn)行刀具路徑仿真模擬，可以自動(dòng)生成用于多種數(shù)控機(jī)床的NC代碼，高效地進(jìn)行零件加工。我們所生成的CNC程序經(jīng)生產(chǎn)使用，完全滿足了彩顯模具的數(shù)控加工要求。
