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塑料模具 |
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Delcam软件在模具设计制造中的应用 |
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作者：成都航天模塑股份有限公司 雷涛 |
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笔者所在的公司是一家专业制造各类汽车塑料件模具的公司，经过几十年的发展，在注塑模具的制造上有自己独特技术和经验。随着计算机技术的飞速发展和应用，模具的制造技术也日新月异，我公司在20世纪90年代初开始应用CAD/CAM技术于模具制造。2000年，我们在原有软件的基础上购买了英国Delcam公司的PowerSHAPE和PowerMILL软件，经过这几年在模具中的应用，取得了非常好的效果，提高了工作效率，缩短了模具制造时间，提高了加工质量。
当然，任何软件都有它的不足，而我们就应该合理选择，充分发挥软件的最佳功能。笔者经过多年的应用和比较认为，PowerSHAPE和PowerMILL是很适合模具制造行业的，尤其是PowerSHAPE简捷的曲面造型技术和电极拆分，对加快分模和电极设计有较大的帮助。至于PowerMILL的安全、方便、快速的特点更是独树一帜，特别是PowerMILL的高速铣和五轴功能优势更为明显。下面以近期某套模具为例，介绍PowerSHAPE和PowerMILL软件的一些应用。
一、PowerSHAPE的应用
Delcam提供了Windows环境下全中文用于复杂形体零件及模具设计、制造与测量的CAD/CAM集成系统解决方案。示例产品的三维数据，如图1所示。该产品是某新车型仪表台上的控制器部面板，装配关系复杂，表面有纹理要求。产品外形尺寸为475mm×310 mm×400mm，属于典型的超深腔(模具型腔深达410mm)加工，在加工工艺上要有特殊的要求才能完成模具的制造。 
图1 产品的三维数据
本产品为某新车型仪表台上的控制器部面板，装配关系复杂，表面有纹理要求。产品外形尺寸为 475 × 310 × 400 ，属于典型的超深腔 ( 模具型腔深达 410mm) 加工，在加工工艺上要有特殊的要求才能完成模具的制造。由于要求从接到数据到首件合格样件只有 100 天时间，经过认真考虑为了省出产品缝实体时间和大量电极的拆分与管理，我选择 Powershape 分模， Powermill 进行加工。  
定模 动模
图2 分模情况
在进行分模时就要综合考虑后续的加工工艺，电极的拆分。因为这种复杂模具的制造是不允许犯错误的，特别是在设计阶段，否则将造成不可挽回的损失。 Powershape 具有方便强大的曲面编辑功能，能够快速的制作和修改分型面，检查拔模角，分析模型的精度和正确性。 
图3 曲面编辑
由于产品的原始数据是IGES格式的，虽然曲面复杂且数量很多，但为了节省时间笔者没有逐一检查分析曲面质量，因为经过多年的应用深知，PowerMILL具有良好的容错能力，即使输入模型中存在间隙，也可产生出无过切的加工路径。如果模型中的间隙大于公差，PowerMILL将提刀到安全Z高度；如果模型间隙小于公差，刀具则将沿工件表面加工，跨过间隙，因此它的安全性很高。但是如果采用高速铣的加工方式，就必须考虑模型质量。在高速加工中不影响刀具的模型缺陷将不会影响刀具路径，但是影响刀具的模型缺陷将严重影响加工路径。
因为本套模具是超深型腔，并且主要型腔处的宽度只有35mm左右，加工难度很大，为了避免在加工中出现因为刀具伸出过长在快速切削中产生偏摆，导致发生过切这种致命缺陷，除了在加工编程时要充分考虑加工的工艺、策略之外，在造型时就要分析判断，不要将一些特征曲面，如内角等留下，而使用刀具来保证形状，如下图4所示。
图4 造型时要有圆角过度
因此我总结数控加工编程对 CAD 模型的需求有以下几点：（对高速加工更为明显）
• 确保造型精度至少要与加工精度一致；
• 小心在数据转换中造成的错误；
• 避免在加工模型中存在隐性特征如需要刀具直径来保证的内部导角等；
• 避免在加工模型中存在不能或不必要的特征；
• 加工模型造型中所花费的准备时间能大大节省编程和加工的时间，提高制造效率。
在这套模具的造型中，充分应用 PowerSHAPE 强大的曲面编辑功能，快速准确的完成了模具的分模设计工作。当然若 PowerSHAPE 在以后的升级版本中能更加完善其实体功能，那就比较完善了。这套模具的特殊性决定了将要使用大量的电极，如果没有好的电极制作和管理功能，也将极大的制约模具的制造周期和加工精度！而 Delcam 的电极模块 ( PS-Electrode) ， 是我所使用的软件中最实用，最方便，最可靠，最快速的电极设计系统。根据电极向导的提示可以很快的产生出所需要的电极，并且同时产生电极的零件图和电加工的位置图，杜绝了出错的可能性，提高了效率。在制作电极的过程中不必考虑整个模型的精度，而只需要将产生电极的曲面缝合成实体就可以了。
图5选取电极区域
图6延伸选项
图7指定电极板坯
图8指定电极夹持
随后 PS-Electrode 模块也能自动产生电极加工图纸和电加工位置图，杜绝了人为出错的可能性，这里由于篇幅有限就不叙述。 这套模具共拆分出了 180 多个电极，用这种方法节省了大量宝贵的时间，为按时按质量完成供货打下了坚实的基础！接下来讲一下 POWERMILL 在模具的加工编程中的应用。
为了能够竟可能的在制造过程中节省出宝贵的时间，就要最大限度的发挥机床的功能，高速度、高质量的完成数控加工任务。我的经验是将高速铣的一些加工策略、准则，合理的和有选择的应用于非高速铣中也能够大幅度的缩短加工时间，提高加工质量！要满足高速加工的要求：高转速、高进给、无尖角、恒定负载等，就必须要选择具有丰富的加工策略的 CAM 系统！ POWERMILL 是基于知识、基于工艺特征的、有多种独有加工方式、全程防过切、适用于高速加工的一款智能化 CAM 系统。 POWERMILL 对高速加工的要求有以下几点：
• 保持刀具许可的切削负载
• 保持恒定的切深和切宽
• 保持机床许可的加工速度和加速度
• 控制切削方向
• 避免尖角转向
• 保证最小的空程时间
• 保证最小的切削时间
高速加工的粗加工所应采取的工艺方案是：高切削速度、高进给率和小切削量的组合， POWERMILL 的粗加工（区域清除）尽可能地保持刀具负荷的稳定，减少任何切削方向的突然变化，从而减少切削速度的降低，并且尽量采取顺铣的加工方式，粗加工中的赛车线加工方式，是 POWERMILL 独有的一种极为适合高速加工原理的加工方式，增加了刀路运动的光滑性、平衡性，避免刀路突然转向，频繁的切入切出所造成的冲击。因为本套模具的定模型腔深度超过了 400mm ， 在粗 . 精加工中应分段设置相适应的参数。下图为某段粗加工的主要参数的设置。 
图9 粗加工参数设置示例
Powermill 粗加工中的区域过滤选项可对于不具备中心切削能力的刀具，系统会自动过滤掉刀具盲区干涉的区域的粗加工路径 。 编程时必须避免直接下刀，使用偏置加工策略，而不是使用传统的平行加工策略。在可能的情况下，都应从工件的中心开始向外加工，以尽量减少全刀宽切削。在粗加工完成后，再做一些局部的去残余量加工程序，以达到留给半精和精加工余量均匀的目的。精加工的基本要求是要获得很高的精度、光滑的零件表面质量，轻松实现精细区域的加工， PowerMILL 提供了多种高速精加工策略，如三维偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。这些策略可保证切削过程光顺、稳定，确保能快速切除工件上的材料，得到高精度、光滑的切削表面。在定模的精加工中主要采用了等高精加工，螺旋等高精加工的策略。如下图所示 : 
图10 螺旋等高精加工
等高精加工，这是一种刀具在恒定Z高度层上切削的加工策略。可设置每层Z高度之间的刀具的切入和切出，以消除刀痕。也可选取此策略中的螺旋选项，产生出无切入切出的螺旋等高精加工刀具路径。如果要获得高的表面质量，切入和切出工件时，无论是粗加工还是精加工，都应使用使用圆弧切入和切出方法来切入或离开工件。应尽量避免垂直下刀，直接接近零件表面，因为这样会降低切削速度，同时会在零件表面上留下很多刀痕。PowerMILL会尽可能地用圆弧拟合刀具路径中的尖角，从而使具有“前视”（look-ahead）功能、预知后续刀具路径情况的新型CNC机床能在加工过程中保持更稳定的进给率。这些圆弧在CNC刀具路径中以G2或G3命令输出，如图11所示。 
图11 圆弧的CNC刀具路径
动模型芯高差大，外型复杂，加工精度高，因此先加工顶面，然后重新装夹完成四侧面的加工。在这个过程中，因为要多次定位找正零点，增加了误差。PowerMILL提供了非常方便的坐标系设定方法，可以任意激活其中一个作为当前的加工坐标系。动模型芯的刀路轨迹就全部在一个项目文件内完成，可以使程序编制间的相互影响变得直观，使得刀路的编辑和优化非常方便，可以将整个模型的加工模拟一次完成，检验所有刀路的合理性，正确性。在程序的编制过程中可以很方便地对刀具路径进行各种编辑，比如任意地裁减、复制、镜像、排序、移动等，并且计算速度很快。另外，实际加工过程中刀具、刀柄、夹具的干涉碰撞是操作者最为担心的问题，PowerMILL提供精确的刀具、刀柄、夹具的干涉检查，自动截掉发生碰撞的刀具路径与指令，并可以给出不发生碰撞的最短夹刀长度，指导操作者最优化备刀准备，具有非常实际的意义，如图12所示。通过对PowerMILL的灵活运用，笔者编制的本套模具动定模的100多条数控程序在实际加工中没有经过任何的增减、修改就高效高质的完成了加工任务，为模具的如期交付赢得了时间。
图12 加工过程仿真
PowerMILL 还具有非常多的实用功能，我也将在实际工作中进一步的学习应用，发挥软件的最佳功能，创造更大的效益。上面所述有不太完全的地方请各位读者原谅，谢谢！
通信地址：成都市八一八信箱二分箱航天模塑股份有限公司技术中心 610100
联系电话： 028 — 84805250 (end)
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(2/15/2006) |
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