本文介紹了Gs125型摩托車汽缸蓋模具的CAD/CAM相關(guān)應(yīng)用。

　　1前言

　　傳統(tǒng)上大多數(shù)設(shè)計(jì)和制造由順序安排且由互不關(guān)聯(lián)的專家或?qū)I(yè)人員分別進(jìn)行。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，市場競爭日趨激烈，產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度及精度要求愈來愈高，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造方法使得新產(chǎn)品試制周期長，不利于企業(yè)在市場的競爭。一體化技術(shù)是綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造過程的系統(tǒng)方法，它具有兩個(gè)特點(diǎn)：單一數(shù)據(jù)庫替代多數(shù)據(jù)庫;三維多方式數(shù)據(jù)交流替代二維圖紙交流。

　　2Gs125型摩托車汽缸蓋特點(diǎn)

　　Gs125型摩托車汽缸蓋由曲面形成的基體、基體上許多圓形和方形的凸臺、筋位構(gòu)成，各曲面相互間用大量不等半徑的倒圓曲面連接，形成了汽缸蓋非常復(fù)雜和特殊的外型。缸蓋上有多個(gè)用于安裝軸的孔，要求具有極高的定位精度，而且壁厚不均勻，增加了建模難度，見圖1。

圖1

　　3模具CAD/CAM的設(shè)計(jì)流程

　　為了保證模具制造周期和質(zhì)量，制定嚴(yán)格的CAD/CAM設(shè)計(jì)流程，見圖2。

圖2

　　(1)產(chǎn)品的CAD建模

　　Gs125型摩托車汽缸蓋外形非常復(fù)雜，建模難度相當(dāng)大，為保證既快又準(zhǔn)地建立產(chǎn)品模型，確定合理的建模順序和思路是決定成功與否的關(guān)鍵：對產(chǎn)品模型進(jìn)行分解，確定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征;根據(jù)主要的結(jié)構(gòu)特征建立特征曲線。先建立汽缸蓋俯視圖的最大外輪廓線，并拉伸生成三維實(shí)體;由側(cè)視圖特征曲線生成網(wǎng)格面和掃描面;用生成的曲面去修剪拉伸體，形成產(chǎn)品基體外型;在此基礎(chǔ)上，利用布爾運(yùn)算，增補(bǔ)其它局部特征;輸入壁厚值，抽空生成內(nèi)腔;最后，增加筋條特征，再倒圓，建立整個(gè)汽缸蓋產(chǎn)品模型，見圖1。

　　在建立汽缸蓋模型時(shí)，同時(shí)考慮模具結(jié)構(gòu)和分型面形狀，還有模具所需要的參數(shù)：幾何公差和拔模斜度等，為后續(xù)的模具設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

　　(2)模具設(shè)計(jì)

　　利用UG提供的工具，對產(chǎn)品模型進(jìn)行編輯，將材料收縮率加到模型中，將產(chǎn)品模型轉(zhuǎn)變成模具模型，據(jù)此模型進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。Gs125型汽缸蓋正面有兩個(gè)Φ15mm的孔，兩側(cè)面各有一個(gè)Φ34mm的斜孔，后面也有一個(gè)Φ12mm的斜孔，故型腔須采用滑塊抽芯，整套模具結(jié)構(gòu)主要包括動(dòng)、定模和滑塊，其中型腔、型芯采用鑲件，流道及入水口設(shè)在型芯鑲件。下面是生成滑塊、型腔、型芯模型的方案：

　　滑塊：生成滑塊二維特征曲線，通過拉伸(Extrude)生成實(shí)體，再用模具模型的外表面剪去不需要部分，便得出滑塊實(shí)體模型。

　　型腔：生成310×260×110方塊(Block)作為型腔鑲件，編輯模具模型，將Hollow特征壓制(Suppress)，利用布爾運(yùn)算，用編輯后的模具模型和滑塊模型去“減”鑲件，形成型腔的主要結(jié)構(gòu)模型，在此基礎(chǔ)上增加特征，從而生成型腔，見圖3(a)。

　　型芯：生成310×260×70方塊(Block)作為型芯鑲件，提取(Extract)模具模型的內(nèi)腔表面生成Region特征，以此特征通過替換(Patch)鑲件頂面生成型芯的主要結(jié)構(gòu)模型，再生成流道、入水口及頂干孔，從而生成型芯，見圖3(b)。

圖3

　　最后設(shè)計(jì)動(dòng)、定模板、澆道系統(tǒng)、頂桿等零件。完畢后，將所有零件裝配在一起，檢查是否干涉。

　　(3)模具數(shù)控編程

　　Gs125型摩托車汽缸蓋的內(nèi)外表面由許多曲面組成，外形復(fù)雜，而且料厚不均勻，不能簡單用型腔表面的刀具定位點(diǎn)通過同心偏移壁厚值而獲得型芯的刀具定位點(diǎn)，故編程任務(wù)較為艱巨。雖然Unigraphics具有數(shù)控編程模塊，但在實(shí)際編程時(shí)，仍然存在許多缺點(diǎn)：在連續(xù)多曲面加工時(shí)，模具表面殘余留量不均勻;精加工接近垂直曲面時(shí)，在曲面邊界，刀具頻繁提刀，嚴(yán)重影響加工效率，見圖4;清根程序走刀方式不合理。所以，完全依賴軟件自動(dòng)編程，程序根本無法使用。如何編出高效率、高質(zhì)量的數(shù)控程序，很大程度上，取決于編程者制定的工藝。

圖4

　　根據(jù)材料的切削性能及硬度、刀具材質(zhì)、機(jī)床特性和模具熱處理要求，制定型腔、型芯主要加工方案：用φ32(R6)mm合金刀實(shí)行等高線開粗移去大部分多余材料，切深為0.8mm，留余量1.2mm;局部開粗以保證材料留量均勻，為精加工作準(zhǔn)備;用φ12(R6)球頭刀半精加工，留熱處理變形量1.0mm;模具熱處理后，型腔用電極由電火花加工，而型芯則先用φ12(R6)球頭刀半精加工，留余量0.15mm，然后用φ10(R5)球頭刀精加工，留拋光余量0.03mm，最后用φ6(R3)清根。

　　型腔編程時(shí)，在滑塊槽端口偏移刀具半徑(φ32)16.5mm處拉伸曲面以形成封閉區(qū)域。為方便開粗，在尖角部位預(yù)鉆φ8mm的工藝孔防止彈刀過切，在深度最低的位置預(yù)鉆φ12mm的落刀孔。半精加工時(shí)，滑塊槽部位分開編程，采用參數(shù)線走刀方式，其余部分采用多曲面連續(xù)精加工，為獲得均勻的切削路徑，驅(qū)動(dòng)邊界為分型面最大輪廓，切削角度為57°。型芯編程時(shí)，先鉆頂桿孔和工藝落刀孔，流道系統(tǒng)和型位分開編程。型位開粗時(shí)，先用φ32(R6)mm合金刀加工至深度52.5mm，然后用φ12mm平底刀進(jìn)行局部開粗，使留量均勻，以方便精加工。精加工時(shí)，采用邊界驅(qū)動(dòng)方法，投影矢量為刀具軸，切削角度為52°，以獲得均勻的切削路徑和防止頻繁提刀浪費(fèi)時(shí)間，見圖5。清根時(shí)，按工藝要求進(jìn)行人工裝配，從上至下切削，使切削量均勻防止過切。

圖5

　　(4)加工仿真

　　使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行虛擬加工仿真檢查刀具路徑正確與否，是現(xiàn)代先進(jìn)制造方法的必要環(huán)節(jié)。先將型腔、型芯等的內(nèi)部刀具路徑轉(zhuǎn)變?yōu)榈毒叨ㄎ晃谋疚募?*.cls)，然后虛擬出各零件的加工毛胚，使虛擬坐標(biāo)系與編程坐標(biāo)系一致，并將它轉(zhuǎn)變?yōu)镾TL模型。仿真時(shí)，用不同顏色表示各個(gè)工序的切削結(jié)果，能夠“真實(shí)地”觀察到刀具切削的整個(gè)加工過程。虛擬結(jié)果顯示出所編程序走刀方式合理，各個(gè)工序的切削量均勻，無過切和撞刀現(xiàn)象。

　　(5)數(shù)控加工

　　為了縮短加工時(shí)間，確保效率，利用加工中心的自動(dòng)換刀功能進(jìn)行連續(xù)不間斷加工。為此，我根據(jù)加工中心的控制系統(tǒng)，編輯舊的機(jī)床數(shù)據(jù)后處理文件，在各工序的刀具路徑開頭自動(dòng)插入換刀命令(M06)。然后將刀具路徑(刀具定位點(diǎn))用新的機(jī)床數(shù)據(jù)后處理文件后處理，轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)床可執(zhí)行的NC程序，再將NC程序通過RS232接口送到加工中心，由程序驅(qū)動(dòng)刀具進(jìn)行切削加工。

　　4結(jié)束語

　　隨著計(jì)算機(jī)硬件及應(yīng)用軟件的高速發(fā)展，CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域愈加廣泛，一體化設(shè)計(jì)已成為現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)與制造的先進(jìn)方法。而本文所設(shè)計(jì)的Gs125型摩托車汽缸蓋就是使用這一方法的典范：從產(chǎn)品模型、模具設(shè)計(jì)、數(shù)控編程等，全過程均共享同一數(shù)據(jù)庫、實(shí)現(xiàn)無圖紙化交流;同時(shí)采用參數(shù)化設(shè)計(jì)，產(chǎn)品模型的任何改變，相關(guān)環(huán)節(jié)將自動(dòng)更新，明顯減小設(shè)計(jì)和制造的反復(fù)次數(shù)。這種先進(jìn)的設(shè)計(jì)思路對企業(yè)進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)，提高市場競爭能力，具有一定的推廣價(jià)值。

　　李劍玲(廣東省機(jī)械學(xué)校，廣州510635)

　　李維(廣東省機(jī)械研究所，廣州510630)