Cimatron E软件在模具制造中应用

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一、引言

    Cimatron E的数控加工技术一直处于世界领先的地位，被世界普遍认为是最杰出的数控编程设计系统之一。它除了提供加工领域中全面的加工应用，如数控铣削（2.5～5轴）、数控钻孔、数控车、数控冲裁、数控线切割和电极设计等，还为用户提供了代表当今最领先的加工技术－基于知识的加工、自动化NC和基于毛坯残留知识三大技术为基础的智能NC。智能NC标志着Cimatron在加工领域的重大技术突破。智能NC方式为用户实现了单击一键即可完成NC加工。当用户每次完成了一个特定工作中的加工过程定义时，只要简单地把该加工过程储存为技术模板即可。下一次用户若有加工工艺相似的零件要处理时，刀具轨迹会自动生成。毛坯残留知识允许用户在任何时间检查实际的毛坯余量，用户还可以针对自己的采用的加工策略和加工目的对加工轨迹进行裁剪。毛坯残留知识可以对照用户新的几何模型，调整刀具轨迹的生成，进行刀具轨迹的优化。优化包括去除空走刀，自动调整进给率，去除尖角来产生平缓的刀具运动，或在夹头干涉的情况下，自动分割刀具轨迹以避免干涉，自动建议新的加工刀具来加工未加工到的区域等。Cimatron提供了可靠而直观的轨迹校验和仿真模似，支持每一加工工序或零件／毛坯的比较分析，它以彩色图的形式显示当前加工结果及其余量，具有可视化的加工的仿真模拟功能强大，使用户可以检查加工过程的合理性与正确性，可以任意部切旋转来观察加工的结果，还可以进行多达五轴仿真校验，定量分析，加工工时估算等等，用户也可以手工单步检查生成的刀具轨迹。Cinatron也为用户提供了灵活方便的轨迹编辑，用户可以对已有的刀具轨迹进行拷贝：阵列拷贝和旋转拷贝还可以用手工的方式对生成的刀具轨迹进行方便而灵活的修改：删除选择的走刀步骤，裁减选择的走刀步骤的增加用户自己的指定走刀，对刀具轨迹进行投影等。Cimatron为满足对加工质量、效率日益提高的要求提供了高速铣削技术，如NURBS插补G代码，尖角部位的圆满走刀，从外到内的毛坯光滑环切，刀具载荷的分析与自动优化等其他工具。
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    如图1所示的面板是柜机的主要部件，是由复杂曲面组成，面板设计的好坏将直接影响到柜式空调器的外观和产品质量。采用Cimatron E5.0软件建立面板的三维数据模型，以此为基础进行快速分模设计（Quick Split）及数控编程，然后将后置处理的程序传送至数控机床上完成面板模具的实际加工。
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图1柜机面板三维模型
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二、工艺流程分析
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, K7 K' N% o2 O+ G3 c& G9 n    柜机面板模具是生产高质量柜式空调器的重要组成部分。由于柜机面板的外观条件与装配性能，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。我司在充分吸收日本空调器模具结构设计精华的基础上经过多年的开发研究，已拥有专业的生产技术，并逐步成为苏中地区重要的模具生产基地。

4 f, z: ^* q/ f- Z; k4 |    注射模具的加工工序一般分为为粗加工、半精加工和精加工等工序。根据柜机面板动定模芯的形状及加工特性，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。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。以模芯下平面为定位基准，可以方便地完成其他各个曲面的加工。
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三、数控加工
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    Cimatron E5.0软件具有强大的加工能力，而且也能读取如ug、Pro/ENGINEER等其他软件的数据进行加工。用CimatronNC模块进行数控加工自动智能化编程，其步骤如下：

( x& c' G6 o  c+ k7 V    (1)根据模型特点，拟订加工工艺；

    (2)进行每步编程，确定加工方法以及刀具、进给速度、刀间距等参数，生成刀具路径，并进行刀具路径的模拟检查；
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2 h! ]0 H5 a( J3 [4 m* q# r    (3)生成NC程序；

    (4)用CNC传输软件将NC程序传输给相应的数控机床；

    (5)准备好加工毛坯、刀具、夹具后在数控机床上加工。

+ P. H/ r! j5 K7 E' j5 C    下面以此模具的定模芯为例简述其数控铣削加工过程：
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图2面板注射模定模芯（包含四个方压板）
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7 V5 `* I% |$ A9 H9 r- W- p* E3 g8 C    如图2所示为面板注射模定模芯，其毛坯尺寸为1050mm×650mm×90mm，整体加工高度为50mm。整个模型采用Cimatron E5.0软件加工模块进行数控加工，基准角在右下角，用内六角螺钉将四个方铁块固定于定模芯上，在实际加工时只需将这四个方铁块固定在机床工作台上即可，其加工过程为：先粗加工整体外形→区部粗加工（清角）→半精加工成型曲面及四周相连曲面→精加工成型曲面及四周相连曲面→精加工墙角根部的方式。
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    1. 整体粗加工（WCUT）

  _6 p5 c# _  ?    使用D63（R8）玉米铣刀，采用3D体积块螺旋加工方式（Volume Milling -Sipral Cut - 3D），安全平面（CLEARANCE PLANE）为150mm，螺旋角（Ramp Angle）为5°，加工的最大高度（Z-top）为90mm，加工的最低高度（Z-bottom）为40mm，切深(Down Step)为0.75 mm，步距(Side Step)为30 mm，粗加工余量（Part Surface Offset）为0.5 mm，加工精度（Part Surface Toleranc）为0.1mm，铣削方向（Milling Direction）为Climb Milling，切割方向（Cut Direction）为Inside Out，零件是否为开放零件（Open Part）为NO，主轴转速（SPINDLE_SPEED）为1000r/min，进给速度(CUT_FEED)为1200mm/min。使用程序执行（Exetute）功能，加工刀具轨迹如图3所示。同时，对加工进行仿真模拟（Simulation）检查和过切检查。整个定模芯的外形被铣出，符合工艺的要求。接着进行后置处理(Post)，自动产生程序，送至CNC加工中心进行数控加工。


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4 y$ c3 r- Z2 |, a8 b) O4 w) z图3 粗加工整体外形

8 I0 V0 O3 w  Q- `4 K% H    2. 区部粗加工(WCUT FINISH)
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* m! U7 v. m5 w# e    半精加工选用D24（R6）涂层镶片铣刀，采用曲面铣削(Surface Milling， By Layers)的加工方式，安全平面（CLEARANCE PLANE）为150mm，加工的最大高度（Z-top）为90mm，加工的最低高度（Z-bottom）为40mm，切深(Down Step)为0.45 mm，粗加工余量（Part Surface Offset）为0.4 mm，加工精度（Part Surface Toleranc）为0.1mm，铣削方向（Milling Direction）为Climb Milling，切割方向（Cut Direction）为Inside Out，零件是否为开放零件（Open Part）为NO，主轴转速（SPINDLE_SPEED）为1300r/min，进给速度(CUT_FEED)为1000mm/min。使用程序执行（Exetute）功能，加工刀具轨迹如图4所示。同时，对加工进行仿真模拟（Simulation）检查和过切检查。整个定模芯的的墙壁余量被去除大部分，为球刀加工做好准备，符合工艺的要求。接着进行后置处理(Post)，自动产生程序，送至CNC加工中心进行数控加工。



; ^: z) n6 w* I0 ?图4 区部粗加工

2 O% d% ~3 ]8 N# B1 d    3. 半精加工(SRFPKT)

4 X+ E" y8 i1 `# q) k5 ?# p    使用D16（R8）球头铣刀，采用投影曲面铣削(Surface Milling， Parallel Cut)的加工方式，安全平面（CLEARANCE PLANE）为150mm，加工的最大高度（Z-top）为90mm，加工的最低高度（Z-bottom）为40mm，步距(Side Step)为0.8 mm，粗加工余量（Part Surface Offset）为0.25 mm，加工精度（Part Surface Toleranc）为0.05mm，铣削方向（Cutter Direction）为Bidir，切割角（Milling at Angle）为45°，方向（Direction）为Both:Up&Down，主轴转速（SPINDLE_SPEED）为1500r/min，进给速度(CUT_FEED)为900mm/min。使用程序执行（Exetute）功能，加工刀具轨迹如图5所示。同时，对加工进行仿真模拟（Simulation）检查和过切检查。整个定模芯的的余量被去除大部分，为D10（R5）球刀加工做好准备，符合工艺的要求。接着进行后置处理(Post)，自动产生程序，送至CNC加工中心进行数控加工。
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: m) R" k) s* i" _% M% N; T1 f图5 半精加工分型面
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% \" n, ]$ i( C, G2 W& G3 s/ f/ ?6 R# Q; o    4. 精加工(SRFPKT)
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( [" @: w! V+ q" y1 E- l    使用D10（R5）球头铣刀，采用投影曲面铣削(Surface Milling， Parallel Cut)的加工方式，安全平面（CLEARANCE PLANE）为150mm，加工的最大高度（Z-top）为90mm，加工的最低高度（Z-bottom）为40mm，步距(Side Step)为0.2mm，粗加工余量（Part Surface Offset）为0mm，加工精度（Part Surface Toleranc）为0.01mm，铣削方向（Cutter Direction）为Bidir，切割角（Milling at Angle）为135°，方向（Direction）为Both:Up&Down，主轴转速（SPINDLE_SPEED）为1800r/min，进给速度(CUT_FEED)为800mm/min。使用程序执行（Exetute）功能，加工刀具轨迹如图6所示。同时，对加工进行仿真模拟（Simulation）检查和过切检查。整个定模芯的大部分范围被精铣到位，符合工艺的要求。接着进行后置处理(Post)，自动产生程序，送至CNC加工中心进行数控加工。
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" m! _6 S. N/ b# b图6精加工分型面
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1 Q& u+ \- s2 k! @; J    5. 精加工二(WCUT FINISH)

    半精加工选用D20（R0.8）端铣刀，采用曲面铣削(Surface Milling， By Layers)的加工方式，安全平面（CLEARANCE PLANE）为150mm，加工的最大高度（Z-top）为90mm，加工的最低高度（Z-bottom）为40mm，切深(Down Step)为0.45 mm，粗加工余量（Part Surface Offset）为0 mm，加工精度（Part Surface Toleranc）为0.01mm，铣削方向（Milling Direction）为Mixed Milling，切割方向（Cut Direction）为Inside Out，零件是否为开放零件（Open Part）为NO，主轴转速（SPINDLE_SPEED）为1400r/min，进给速度(CUT_FEED)为1000mm/min。使用程序执行（Exetute）功能，加工刀具轨迹如图7所示。同时，对加工进行仿真模拟（Simulation）检查和过切检查。整个定模芯的的墙壁根部余量被去除，符合工艺的要求。接着进行后置处理(Post)，自动产生程序，送至CNC加工中心进行数控加工。
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图7 清角加工
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2 a3 S9 ?3 v0 |四、结束语
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; ~/ I6 P, N& y6 {# W4 ~( C    在柜机面板模具的加工过程中，由于采用了Cimatron的数控加工技术，大大降低了人工设计和普通设备加工所造成的误差，使铣床、电加工、钳工、抛光的工作量和劳动强度大大减少，提高了模具的加工效率，缩短了模具的制造周期，也提高了模具的质量，而且可以实现无图加工，为企业带来了良好的经济效益。