基于MasterCAM模具凹模的数控加工

陈婵玉

（中山市技师学院，广东 中山 528429）

0 引言

随着生活质量的提升，电器外观设计不但要求实用而且还要美观，其造型亦变得越来越复杂，加工要求也越来越高，无疑对模具加工提出了新的要求。造型复杂的零件通常需要借助CAM软件进行编程加工，通过数控技术为精密复杂的零件加工提供保障。常用的CAM软件有UG、PowerMILL、Cimatron 和 MasterCAM 等。MasterCAM由美国CNC Software公司开发，集中了强大的CAD/CAM功能，该软件具有操作简便、容易上手的特点，被广泛应用于机械工程等多个领域。在CAM方面，MasterCAM提供了丰富的粗精加工功能，包括了二维特征与三维特征的加工，不同类型的粗精加工刀路虽各有特点，但是又可以交叉使用，非常灵活多变。选择刀路时只有结合零件的造型特点以及加工技术要求，针对不同的加工要求，将CAD/CAM功能融为一体，科学规划数控加工工艺才能更好地保证加工质量。

1 零件加工工艺分析

图1所示为某电器外壳注塑模具的凹模，塑件成形材料为PP，电器外壳大小为232.25 mm×192.67 mm×47.29 mm。模具采用一模一腔，该凹模曲面造型复杂，凹模前端为长方形凹槽，凹槽上方侧边斜面拔模角度为20.0°，其他侧边为直壁边，最小圆角半径为5 mm，深度为-22.15 mm。长方形凹槽内嵌一大小为60 mm×15 mm的小长方形凹槽，圆角半径为4.3 mm，深度为-36.95 mm，形成台阶高度差为14.8 mm。与长方形凹槽相连的2个圆弧槽为三阶式圆弧台阶，侧边斜面拔模角度为5.0°，圆弧半径分别为6.096mm、8.128mm、9.144mm，其中8.128mm和9.144 mm两圆弧曲面通过椎形曲面相连，最小曲面半径为11.595mm。主体部位曲面跨度大，成铲形曲面，由平面、斜面和圆弧曲面交叉构成，曲面间形成的交线明显，最小圆弧曲面半径为1.536 mm。底部为兜形曲面，最小圆弧半径为10.160 mm，深度为-47.289 mm。U型尾部底面为平整斜面，角度为-8.849°，两侧边拔模角度为23.935°，中间为直壁边，平整斜底面与侧边相连的圆弧曲面半径为5.00 mm。

图1 电器外壳凹模

加工时凹模材料选用P20预硬塑料模具钢，硬度为30～42 HRC。零件表面粗糙度要求为Ra3.2，模具尺寸为300 mm×280 mm×60 mm。

2 加工难点分析与加工策略

曲面跨度大，平整面、不规则斜面与圆弧曲面交叉形成的复杂曲面是整个零件的加工难点，特别是细小曲面处的清角加工。同时，加工深度大，对刀具伸长装夹刚性变差，易产生弹刀过切等问题，在加工过程中需特别注意。如何根据MasterCAM自身刀路特点选择适合的方法进行加工，是保证加工质量的前提。

现根据凹模的材质和结构特点，制定凹模加工方法与加工工艺，提出“整体开粗，区域优化”的加工策略。

2.1 整体开粗，提高效率

电器外壳凹模主体为凹槽，选择直径为32 mm，圆角半径为4 mm的圆鼻刀通过曲面挖槽粗加工刀路进行整体粗加工，主体曲面部分下刀时采用螺旋式进刀，螺旋半径可设为刀具直径的10%～30%，设置“沿着边界渐降下刀”选项，以保证进刀成功，避免发生插刀现象，引起机床抖动。虎口处设为由外侧进行，刀路效果如图2所示。

图2 整体曲面挖槽粗加工刀路

然后继续选择直径较小的圆鼻刀通过曲面等高外形精加工刀路进行整体二次粗加工，以进一步减小加工余量。

2.2 半精加工，线框控制

为了清除粗加工留下的余量，使精加工时余量均匀，需进行半精加工。零件曲面主要是斜面与圆弧曲面为主，主体曲面沿中心处下沉，因此半精加工与精加工时宜采用曲面等高外形刀路，形成分层加工。但是由于曲面间的过渡变化大，通常情况下采用曲面等高外形刀路进行精加工时，对于曲面造型变化大的位置往往会产生过多的跳刀或刀路间隙不均匀等情况。为避免这种情况的发生，除了常用的在XY方向范围进行边界控制外，还可添加通过投影等方式构建而成的如图3（a）所示Z方向控制线作为边界，使生成的刀路紧贴加工曲面，曲面等高外形精加工刀路效果如图3（b）所示，除绕开平坦位置外，其他的位置都平缓地加工到位，刀路的间隙得到有效控制,有利于获得较好的表面质量。

图3 曲面等高外形精加工刀路

2.3 根据曲面特点选择刀路，提高刀路适应性

MasterCAM提供的刀路各有特点，适用的加工特征亦不相同，如三维刀路中曲面平行铣削刀路宜加工相对平缓的曲面，而曲面等高外形精加工刀路宜加工相对比较陡的曲面，特别是斜面。平整曲面加工除了可采用如标准挖槽和平面铣削等二维刀路外，还可采用三维曲面挖槽刀路。电器外壳铲形主体曲面中的6个小平整曲面的精加工，考虑到方便加工范围的控制采用了曲面挖槽刀路进行加工。分别提取6个平整曲面的边界作为加工边界线，生成刀路如图4所示。

图4 平整曲面加工

在曲面精加工时应尽量顺着曲面的纹路方向进行加工，以取得好的光洁度。考虑到各曲面间过渡位置的特点，采用曲面流线或平行铣削精加工刀路，为防止过切，应将与加工曲面相连接的周边曲面设为干涉曲面。

2.4 清角加工

圆鼻刀或球刀由于刀具几何形状的特点，在加工底部为平底面的拔模曲面时会留下一些残留余量，余量高度通常约为所用刀具的一个圆角半径。为此，精加工时需要对这些部位进行清角加工，一般采用平底立铣刀清角。对于其他不规则曲面的加工则需要根据其最小圆弧半径选择合适的球刀进行清角加工。曲面等高外形精加工刀路、曲面熔接精加工或曲面投影精加工刀路常作为清角加工刀路。

2.5 规划工艺路线

根据凹模加工难点分析与加工策略，采用如表1所示的加工工艺安排。

3 后处理加工

将编制后的刀路进行调试检查，实体仿真切削确认无误后，利用MasterCAM的后处理功能将加工刀具路径的轨迹生成所需的NC代码输入加工中心进行加工，其中后处理生成的加工程序经编辑如下：

%

N1 G21 G54

N2 G0 G17 G40 G49 G80 G90

N3 T1 M6

N4 G0 G90 G54 X-182.4 Y-139.7 S1600 M3

N5 G43 H1 Z5.M8

N6 Z.75

N7 G1 Z-.25 F500.

N8 X-118.11 F3000.

N9 Y-122.655

………

N9667 X60.472 Y58.951

N9668 Z-11.847 F200.

N9669 G0 Z5.

N9670 M5

N9673 M30

%

4结语

实践加工中只有不断尝试总结，在原有CAD图档的基础上认真分析零件的结构特点和加工技术要求，并根据MasterCAM各种刀路的加工特点选择相应的加工对象，灵活构建辅助曲线和曲面，将MasterCAM提供的CAD/CAM功能做到相辅相承，融为一体，才能充分发挥刀路的优势，优化数控加工工艺，从而高效率、高质量地完成加工任务。

［1］ 党新安，劳庆海.MasterCAM曲面加工参数的优化选择［J］.煤矿机械，2006（9）：127-130.

［2］ 邓奕.MasterCAM数控加工技术［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［3］ 薛山.Mastercam X5实用教程［M］.北京：清华大学出版社，2012.