用CATIA设计加工活塞模具(article)

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李震 李超
  
笔者所在单位是一个专业生产活塞的中德合资企业。生产中采用的浇注模具主要是利用CATIA-CAD/CAM系统和NC数控机床进行活塞模具的设计和加工制造。具体流程如图1所示：
一、 活塞的详细设计  
利用原有的活塞零件二维图纸进行三维模型设计，由于原图纸不是由三维模型转换形成，有一些结构和尺寸不合理，在进行三维模型设计时不能实现，我们就根据实际情况采取了最接近原要求的方法来实现。同时，针对活塞的结构特点，我们把它分成两部分：外部结构和内部结构。外部结构形成活塞的外表面，内部结构形成活塞的腔体表面。在两部分形成后，用外部结构减去内部结构，即形成活塞的主体形状。
由于设计时主要采用CATIA的实体设计功能，那么设计过程中的倒角处理就显得相当灵活。一般情况下我们按照“由大到小，内外相换”的规律，“由大到小”即由大倒角到小倒角的次序，这样在数学模型的计算上比较好处理；“内外相换”在当前结构中不能做出，可以在它的反模上进行。
二、 模具的工艺设计
在活塞零件的三维模型基础上，结合生产实际情况进行活塞模具的设计。由于详细设计和模具设计是两个工作性质不同的阶段，我们在模具设计时利用CATIA的SOLIDE-PUBLISH/IMPORT功能将活塞的模型IMPORT到模具模型中，这样模具模型的数据量就相当小，结构树也相当简洁。如果活塞的模型改动时，我们也非常容易通过CHANGE-LINK的功能修改模具模型。
而且，由于CATIA所具有的这种功能，结合活塞模具的整个设计加工实际流程，应用现在流行的并行过程的概念，不同阶段的工作同时进行，如图2所示，在保证模具质量的前提下，大大缩短了模具设计加工的工期，为公司的新产品生产试制争取了宝贵的时间。
活塞模具分为：芯模、外模、顶模。考虑到芯模的拔模需要，结合浇注机的结构，我们又将芯模分为五部分；考虑到数控加工的需要，在外模上加装活块（这主要受限制于笔者所在公司的数控加工设备，排除这情况，完全可以进行整体设计加工）。
由于模具设计加工的工作比较多，在本次任务的一开始，我们对一些常用的结构以及浇注系统做了规范设计，在此基础上，采用CATIA软件的Detail Design、Paramtric Variational Modeler、Feature Design 的不同方式进行设计。
在模具的实际过程中，直接调用或对其进行一些简单的修改，这样可以缩短设计时间。随着数据库的增多，节省时间的效果就越明显。
根据浇注机的要求，每套模具出两个活塞。
三、 二维出图设计
在活塞模具的三维模型基础上，结合企业应用的标准和模具加工的过程，利用CATIA软件的二维绘图功能，进行活塞模具的二维图纸设计。
CATIA软件的SPACE和DRAW两种设计模式的有机集成，可以非常容易地生成二维图和标注尺寸，生产部门根据图纸进行备料，数控加工前的加工制造。
DRAW模式跟踪SPACE模式的功能在设计中较实用，当三维模型修改后，我们可以及时对二维图纸进行更新，图形和尺寸标注都随之更新，保证和三维模型的一致。
四、 NC数控编程
在活塞模具中，我们只对芯模和外模的镶块做数控加工。根据以往的加工工艺和CATIA软件数控编程的功能，把加工划分为：粗加工，半精加工，清根，精加工，局部精加工。
在具体编程过程中，我们用到了CATIA 软件的不同NC编程方法：
1. Local Cavity Roughing。
此方法用于工件的粗加工，主要应用对象是在一个规则的毛坯上加工出形状比较复杂工件的情况。
2． Guided Cutting: Parallel to Plane；Offset from Curve； Face Isoparametrics。
此方法主要用于工件整体的半精加工、精加工过程。
3． 3-Axis Isoparametric Surface。
4． Local Z Milling。
后两种方法一般用于工件局部的半精加工、清根加工过程。
这些只是 CATIA软件中曲面加工功能的一部分。CATIA软件具有丰富的曲面加工功能，而且每种加工方法里又有比较多的选项及参数，我们可以针对不同的工件、不同的部位来选择不同的加工方法和不同的选项及参数，以达到最后的加工效果。
当然，这也需要我们具备比较好的实际加工经验。
NC程序后置处理：
CATIA软件中有一个刀具库存取模块（TSA），它除了进行刀具的管理外，最主要的是NC程序后置处理。通常CATIA所计算出的刀具轨迹格式为：Apt Source 和Catia Clfile(我们用的是Apt Source格式)，它们并不能直接用于数控加工，需要利用TSA对Apt Source格式的文件进行后置处理，把它们转换成机床能够识别的NC data。
五、 制造加工
由于机床数控系统的内存比较小，不能把整个NC程序装入机床，可以利用现有和机床相连计算机的通讯软件，把NC程序输入机床，以实时控制机床的加工。