【转帖】模具CAM中的CAD模型准备

模具CAM中的CAD模型准备
  
一、前言
当今的模具制造中越来越追求制造的精密性，一方面曲面形状越来越复杂、另一方面对曲面的光顺程度要求越来越高，这对模具CAM 提出了更高的要求。
在数控技术逐渐普及的今天，模具曲面的精加工中钳工或电火花的工时越来越多的被数控精加工所代替。以往复杂型面的模具主要靠钳工的技能来完成，对CAD模型的质量要求不高。经高速铣削精加工后的模具型面，仅需略加抛光便可使用。因而数控精加工的表面质量在很大程度上取决于CAD模型质量。
另一方面，在编制数控程序之前，必须为每一道工序甚至为每一种加工方式准备好CAD模型。当今的CAM系统虽然具有许多功能可以解决加工中出现的问题，但是如果在CAD模式下就将这些问题解决好，就可以在数控编程时从根本上消除这些问题。
在对模具型面进行数控加工前，CAD模型要做以下几个方面的准备工作。
二、对输入曲面的修复
1. 存在的问题
随着模具CAD的普及，目前模具厂家与用户之间的复杂曲面的文件传递已经基本上由电子文件即数字模型所取代。由于各厂家所使用的CAD系统不同，因此必须经IGES或STEP等格式变换后输入。在输出输入的过程中，由于各个系统的精度不同，以及输出格式的限制，往往会使输入的曲面产生各种问题。最常见的问题有曲面边界不连续、断裂，曲面扭曲和曲面丢失等。由此可产生以下问题：第一，在模具结构设计中，不可能用这样的曲面构造出高质量的参数化驱动的特征模型来；第二，曲面质量直接影响到数控加工后的质量，有些问题曲面还可能造成过切等事故。
2. 解决方法
(1)移动顶点
经IGES或STEP变换后输入到 Pro/ENGINEER的曲面文件，常常在裁剪和相切处精度不够。例如，在原系统中相切的没有缝隙的曲面在输入到Pro/ENGINEER中就变成了有缝隙的曲面，如图1所示。
  
a)渲染图 b)线框图
图1 模型转换后的缺陷
图1中所示的曲面是圆弧曲面的一部分，因此，其四个顶点应与上下两个圆弧面的顶点重合，如果直接用Pro/ENGINEER系统中的边界合并功能，则会使曲面不符合要求。在这种情况下，应首先使用Pro/ENGINEER中的重定义功能，移动曲面的顶点，使其顶点重合，如图2所示。
  
图2 Pro/ENGINEER对模型的修改 图3 修改完成后的模型
这之后，再利用其间隙功能对曲面间的缝隙进行压缩使其融合成一个完整的曲面。融合后的曲面如图3所示。
(2)重新构造曲面边界
如果输入曲面的质量很差，则必须将其删除，再根据其边界对其进行重构。在重构时首先检查其边界是否连续，否则，应对其周围的曲面边界进行调整。
三、提高CAD模型的精度
CAD模型的精度必须高于CAM系统的精度，尤其是在高速铣时更应提高CAD模型的精度。高速铣的优势之一就是表面精度高，但其前提条件是有一个高精度的模型。
CAD模型的造型方法是影响精度的重要原因。曲面的光顺性， 尤其是曲面拼接处的光顺性往往影响精加工后的表面质量。
四、进行必要的模型修改
对于不同的加工工序或加工方式，都应进行一些必要的模型修改。
1. 为粗加工准备模型
粗加工的目的是为了以最高的效率去除余量，但如果为粗加工准备的CAD模型不合适，就达不到目的。
(1) 去除半径过小的凹槽
图4所示的刀具为粗加工用的R25的球头铣刀，而曲面上的凹槽的半径为R5，因此，刀具在经过这样的凹槽时基本上切不进去，但刀路在经过凹槽时还是要发生抖动，刀具在经过此处时必须降低走刀速度，影响了加工效率。因此，最好是在粗加工时，将与加工刀具半径相差得比较大的凹槽填平，以便使粗加工的刀路平稳，提高加工速度。
2. 对边缘曲面进行适当的延长
由于毛坯制作的误差和加工余量的需要，实际上需加工的区域经常比图纸上标注的大，因此需要适当扩大加工区域，以避免在工件上垂直下刀。虽然一些CAM软件具有刀路延拓功能，但由于只能在刀具前进方向延拓，而曲面延展能在各个方向上控制刀路的长度。
3. 构造必要的安全面
对于已加工好的一些曲面，如果不加以保护，则会划伤表面。这个问题虽然也可以用CAM软件中的设置安全区域的方式解决，但由于加工工序较多，在每道序中都要根据余量、刀具直径及其他情况设置参数，操作较繁琐，且容易出错。如预先设置好安全面，则可以使后续操作简洁，准确。
4. 为防止跳刀对曲面进行适当的连接
在进行等高线加工时，如果加工曲面在水平方向不连续，则会在加工时产生如图5所示的跳刀现象。
  
图5 等高线加工时的跳刀现象 图6 将断面光顺地连接
后形成的刀路
如果将断面在不妨碍其他曲面的加工的情况下光顺地连接起来，则可消除跳刀现象，而且连接的刀路比较光顺，如图6所示。
5. 构造必要的曲线
(1) 对轮廓曲线进行修整
由于通常数控加工所用的轮廓曲线多为输入曲线，一些看起来很光顺的曲线，在仔细检查后会发现有断裂、打结现象。这些现象会造成加工刀路的跳刀和过切，因此必须对轮廓曲线在公差允许的范围内进行修整。
(2) 构造最佳的加工曲线
在Pro/ENGINEER等软件中都具有在两条曲线之间自动排刀进行加工的功能，因此，可以在CAD模型上构造有利于加工的曲线。
图7所示的曲面是由几个曲面片所拼成的曲面，按一般的直线走刀方式加工。图8所示是构造了两条边界曲线，所有刀路均在两条曲线之间。比较图7和图8，图8 的加工方式刀路的转折和跳刀都较少。
  
图7 直线走刀方式形成的刀路 图8 构造了两条边界曲
线后形成的刀路
五、结论
综上所述，要加工出高质量的模具型面，一定要在编制数控程序之前，为每道工序、每一种加工方式作好必要的模型准备，尽量把问题放在CAD模型中解决。
笔者在编制东风汽车公司铸造二厂的富康轿车铸件排气歧管、转向节等铸模和其他类型模具的数控程序时均遵循这种方式，效果良好。
  
原作者：湖北汽车工业学院材工系 李芳华