基于MasterCAM的彩显模具数控加工应用研究

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一、引言

    模具工业是国民经济的基础行业，模具工业的发展水平标志着一个国家的工业水平及产品开发能力。模具行业涉及了汽车工业、航空航天、军工企业、家电工业、包装工业和日用五金等几乎全部的工业门类。在过去的20年中，我国模具工业得到了长足的进步，模具CAD/CAM技术的成功应用为我国的模具工业的发展起到了重要的推动作用。现代模具技术的发展，在很大程度上依赖于模具标准化程度、优质模具材料的研究、先进的设计与制造技术和专用的机床设备及生产技术管理等。其中CAD/CAM技术在模具生产中的应用，无疑占有很重要的地位。它被认为是现代模具技术的核心和重要的发展方向。为了提高模具企业的设计水平和加工能力，中国模具协会向全国模具行业推荐适合于模具企业使用的CAD/CAM系统。模具设计和加工使用的CAD/CAM系统，不要求系统十分庞大，但对某些方面要求较高，如曲面造型、三轴数控加工等。

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    CAD/CAM系统的计算机硬件包括各种类型的计算机、存储设备和输入输出设备。CAD/CAM系统的软件是根据系统硬件设备的配置，为适合某一个或多个设计应用领域，所能完成某些特定功能的一组计算机应用程序。现今CAD/CAM系统软件有Auto CAD、MasterCAM、3Dmax和Pro/ENGINEER等。CAM技术发展至今，无论在软硬件平台、系统结构和功能特点等方面都发生了翻天覆地地变化。CAM的软件平台是Windows NT或Windows 2000，硬件平台是高档PC或NT工作站系列。随着高档NC控制系统的PC化、网络化及CAM的专业化与智能化的发展，编程也可能会有较大的发展。它们摈弃了多层菜单式的界面形式，取而代之的是Windows界面，操作简便，并附有项目管理和工艺管理树结构。新一代CAM系统是基于知识的智能化的CAM系统，它面向对象和工艺特征，能够独立运行，使相关性编程成为可能，并提供更方便的工艺管理手段。

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二、CAD/CAM在彩显屏底模具制造中的应用

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    传统的模具设计和制造方法主要有以下几个方面的不足：(1)一次性设计合理性差；(2)设计、制造的串行工作模式周期长，效率低，不适应现代制造业发展的形势；(3)过度依赖设计制造人员的经验积累。

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    随着CAD/CAM系统功能的日趋成熟，CAD/CAM系统在各方面都得到广泛应用，尤其在模具行业中的应用大大简化了工艺设计过程，提高了模具的制造精度。现代模具制造工艺(见图1)弥补了上述不足，增加了CAE(Computer Aided Engineering)和CAT(Computer Aided Testing)两项功能。通过CAE，进行有限元分析。而CAT工序主要是利用三坐标测量仪，对已加工完模具的三维工作面最后检验是否合格，同时检测的数据可以反馈给CAD工序，作为模具三维工作面的造型改进的参考。

 
图1 现代模具制造工艺

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三、工艺流程分析

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    彩显玻壳模具是生产高质量彩色显示器玻壳的关键部分。由于彩色显示器玻壳特殊的服役条件，对模具材料、内在质量和尺寸精度等都提出了严格的要求，制造难度很大。日本、美国和德等国家为此进行了20多年的开发研究，其各大彩色显象管玻壳生产公司都拥有各自彩色显示器玻壳模具生产专有技术和固定的模具生产基地。

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    彩显玻壳模具的使用性能要求其材料应具有较高的热疲劳性能、较好的蠕变性能和良好的综合机械性能，即不仅要保证模具在使用过程中塑性变形小，而且要有利于机械加工和修复。对于其物理性能则要求具有稳定一致的热膨胀系数、导热率和比热等参数。另外，玻壳压机以及配用的整套模具是高精度运转配合的机器，各部分之间的配合精度极高，加上玻壳尺寸一致性要求，从而提出了对模具尺寸精度的高要求。要求屏底模有较高的蠕变极限、良好的热疲劳性能，并能耐氧化、耐高温。

 

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    玻壳屏底模的加工工序一般分为为粗加工、一次加工和二次加工。根据彩显屏底模的形状及加工特性，二次加工的曲面精度要求很高，其定位基准均为底座下平面，为了减少装夹次数，缩短工时，二次加工需要全部在数控铣床或数控加工中心上进行。

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    为了充分发挥数控机床的功能，在确定加工方案时应考虑数控机床使用的合理性和经济性，一个零件往往可能有多种加工方案。例如，某些二维轮廓的侧面可能是高度不太大的斜面，可利用三坐标联动数控铣床经过循环走刀铣出该轮廓，如图2所示，但是，这种方案耗费工时太长，且表面质量不高。应采用成型刀进行成型铣削，如图3所示。本设计中的15°斜面的铣削采用成型刀铣削，效果良好。

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图2 周向循环铣削                                 图3 成型铣削

    在数控加工中，为了尽量减少辅助工时，要特别注意使用夹具来保证迅速完成加工零件的定位和夹紧过程。在加工中要尽量减少工件装夹次数，在一次装夹中，应尽可能多地完成各个工序工步，为此，定位时要考虑便于各个表面都被加工的定位方式。以底座下平面为定位基准，可以方便地完成其他各个曲面的加工。

四、三维曲面和实体造型

    MasterCAM软件的造型功能，使用户在制作三维模型时，充分体会到它的魅力。对目前常见的数控机床，MasterCAM几乎都有后置处理程序，因此这些机床都可以使用此软件来编程。MasterCAM由Designs(造型)、Mill(铣削加工)、Lather(车削加工)和 Wire(数控加工模拟)4个模块组成。而Design(造型)模块是基础，它也包含在Mill(铣削加工)模块中。 

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空间球面是主要的设计和加工面。下面介绍绘制三维图过程。 

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    设置构图深度为0，即Z：0.0000，构图面Cplane：T(俯视图)，视角Gview：T(俯视图)，单击Create—Rectangle—One point(绘图—矩形—矩形基准点)，设置矩形的宽度和高度，基准点为原点，矩形即可绘制出来。单击适度化按钮，可将视图调整到最佳状态。

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图4 1/8曲面构成

 

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图5 1/4昆氏曲面

    曲面有许多种，按其形成方式分为三类：几何图形曲面、自由形式曲面和编辑过的曲面，在生成曲面的过程中，要灵活运用动态旋转、放大和适度化等操作。对于球面，选用生成昆氏曲面的方法，注意应首先将1和2间的圆弧分成两段，在图4中对1/8曲面进行操作，也可完成另外1/8曲面的操作，生成如图5所示的1/4昆氏曲面。其余曲面，选用扫描曲面的生成。全部扫描完之后如图7所示，封底操作同上用扫描曲面，最后将其镜像拷贝生成实体如图8所示的整个零件完整实体。

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图6 面的生成               图7 1/4曲面的构成
 
图8 实体构成

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五、曲面加工仿真模拟

    产品的设计制造一般分为CAD、CAM及后处理(POST)等3个步骤。CAD的功能是生成机械加工中工件的几何模型。CAM的功能是生成一种通用的刀具位置(刀具路径)数据文件(NCI文件)，该文件包含有加工中进刀量、主轴转速和冷却控制等指令。后处理则是使用CNC控制器相应的后处理器将NCI文件解译成用户CNC控制器可以解读的NC码。有了CAD模型后，就可利用CAM系统提供的多种形式的刀具轨迹生成功能进行数控编程。刀具路径模拟是生成NC文件的必要前提，即数控工艺的创成为NC加工程序的生成准备了必要的工艺信息。

    下面以屏底模具的曲面部分的加工为例，介绍刀具轨迹的生成。在MasterCAM中，不同的加工模组用不同的参数来定义其生成的刀具路径。这里采用的是三维铣床加工系统的挖槽加工。设定毛坯参数（进行工作设定）， 生成挖槽式刀具路径，选择所需加工的曲面，选择挖槽铣削刀并设定刀具参数如图9和图10所示。

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图9 刀具参数设定一

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图10 刀具参数设定二

    在设置挖槽粗加工参数时涉及到走刀路线选择问题。如图11所示的3种凹槽加工的走刀路线中，图11b的走刀路线与球面轮廓最为接近，所以选图11b的路线。

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a b c图11 三种走刀路线

    系统会自动计算曲面，进行刀具路径的生成。生成的刀具路径如图12所示。

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图12 刀具路径生成

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    刀具路径生成后，可进行实体模拟，如图13所示。

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图13 实体仿真模拟

六、CNC文件的生成

 

    刀具路径生成后经后置处理，就可以生成NC文件，即自动生成数控加工程序，这些程序可应用于加工中心进行零件实体加工。本例中生成的曲面粗加工CNC程序较长，此处省略。

七、结束语

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    CAM技术的迅猛发展，软硬件水平的进一步完善，为模具工业提供了强有力的技术支持，为企业的产品设计、制造和生产水平的发展带来了质的飞跃，已经成为现代企业信息化、集成化和网络化的必然选择。MasterCAM具备CAD/CAM功能，兼容性很好，能与几乎所有的数控机床配合使用。它具有很强的三维立体造型功能和加工功能，并可进行刀具路径仿真模拟，可以自动生成用于多种数控机床的NC代码，高效地进行零件加工。我们所生成的CNC程序经生产使用，完全满足了彩显模具的数控加工要求。