浅谈CAM技术在模具工业中的应用

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模具是制造业中使用最大、影响面广的工具产品。没有型腔模、压铸模、铸模、深拉模和冲压模，就无法生产出被广泛应用和具有竞争价格的塑料件、合金压铸件、钢板件和锻件。在现代批量生产中，没有高水平的模具，就没有高质量产品，它对企业提高生产效率、降低生产成本也有重要作用。模具制造已成为先进制造技术的一个重要组成部分。制造模具的材料通常是难加工材料，目前国内模具型腔一般都釆用电火花加工成型和高速加工技术。现代加工技术中，模具制造业是最早应用计算机技术来提高设计、制造水平的。自从现代高速加工技术被引进模具制造工业以来，计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助测量（CAT）、反求工程（RE）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助制造（CAM）和快速原型制造（RP）等在模具制造中获得了广泛而有效的应用。下面只简要介绍高速加工中CAM技术的应用情况。

计算机辅助制造（CAM）主要用来解决产品造型设计和分析、加工问题，可完成模具产品造型、产品可装配性检查、动态流体分析等工作。常用软件有UG、Pro/Engineer、Mastercam、Cimatron和CAXA等，这些软件都具有模具设计开发功能。运用知识工程技术(KBE)，把模具设计原理、经验、技能和规范等结合到系统中，设计人员只要输入工况参数、工程参数或应用要求，系统就能自动推理构造出符合要求的数字化几何模型。有的设计软件如（UG）还具有数据读入、零件建模、缩放控制、自动模型布局、分模等功能，通过使用过程模板和标准件库，把过程向导技术应用于模具的优化设计中，使只有最基础模具设计概念的初级设计人员也能设计出高质量的模具来，大大提高了模具设计工作的效率。

由于模具的型腔大多数由复杂曲面构成，在高速数控机床上加工时，数控编程是一项繁重工作，编程质量在很大程度上决定了模具零件的加工质量。影响模具零件编程质量的主要因素有：加工工艺路线、刀具类型、走刀方式和方向、切削用量、转角清根的处理以及加工精度与过切的检查等。高速加工的工艺路线是影响模具制造质量的主要因素。以往加工工艺是否合理完全决定于编程人员的个人经验，一不小心，常会忽略一些技术细节，如下刀点不正确、抬刀的安全高度不够、走刀方式不理想、没有定义过切检查面等。如果在试加工中复查不严，不及时纠正，轻者会造成打刀、降低模具制造质量，造成工件返工；重者造成工件报废，甚至发生人身设备事故。

在CAM软件的模拟仿真环境下，这些问题可以得到很好解决；在计算机软件上虚构出高速数控机床的加工环境，放上一个预先做好的“毛坯”，让“刀具”进行动态模拟仿真，其情形就像真实加工过程一样，仿真过程可以随时暂停，仿真时间可以自由控制，以便编程设计人员进行检查。模拟仿真结束后，编程设计人员即可根据“刀具”运行的情况和“工件”加工后的效果来调整加工工艺路线。这种虚拟加工技术，既可减轻编程人员的精神负担，又可保证模具的制造质量。釆用高速切削技术（HSC）和CAD/CAM技术后，模具的生产周期可缩短约40%。

高速加工对加工工艺、走刀方式比传统方式有着特殊要求，因而要求CAM系统能够满足这些特定工艺要求。为了能够确保最大切削效率，又保证在高速切削时加工安全性，CAM系统应能根据加工瞬时余量大小，自动对进给率进行优化处理，以确保高速加工刀具受力状态的平稳性，提高刀具使用寿命。CAM软件在生成刀具轨迹方面具备了以下功能：

1.应保持刀具轨迹的平稳，避免突然加速或减速

2.应避免刀具轨迹中走刀方向的突然变化，以免因局部过切而造成刀具或设备的损坏。

3.残余余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般应采用多次加工或采用系列刀具从大到小分层加工，避免用小刀一次加工完成，还应避免全力宽切削。

4.下刀或行间过度部分最好采用倾斜式下刀、螺旋下刀或圆弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料；行间连接采用圆弧连接。

5.刀具轨迹裁剪修复功能也很重要，可通过精确裁剪减少空刀，提高效率，也可用于零件局部变化时的编程，此时只需修改变化的部分，无须对整个模型重编。

6.刀具轨迹编辑功能非常重要，避免多余空走刀、抬刀，可通过对刀具轨迹镜像、复制、旋转等操作，避免重复计算。

7.可提供优秀的可视化仿真加工模拟与过切检查。

生产实践表明，高速加工技术在模具制造中有加工精度高、表面质量好和生产效率高等特点。举几个典型应用实例。

用制造插座的压铸模具为例，材料硬度为54HRC。釆用传统加工时的工艺过程是：粗加工-线切割-淬火-EDM 成形-抛光，加工总工时为55h。釆用高速加工时工艺过程是：粗加工-淬火-HSC-抛光，加工总工时仅为14.5h。工效提高近4倍。高速加工后的模具表面质量极佳，还可大幅度降低生产成本。

另一个例子是连杆的锻模，材料硬度为60HRC，原来用电火花加工型腔需15h，电极制作需2h，共计17h。改用高速硬铣削后，表面粗糙度达Ra0.5~0.6um，质量完全符合要求，整个锻模加工只需200min，工效提高5倍。当用直径为3mm 的球头铣刀对锻模型面进行精铣加工时，为了实现151m/min 的切削速度，主轴转速应达到16000r/min。

以生产卡车外壳的大型模具为例，现在釆用高速加工方法制造，粗加工刀具为直径25.4mm 的球头铣刀，主轴转速9000r/min，进给速度5000mm/min；精加工刀具为直径8mm的球头铣刀，主轴转速20000r/min，进给量2000mm/min，高速铣削后达到的表面粗糙度为1um。因此不必再进行手工研磨，只需用油石抛光。和原来釆用的电加工工艺相比，手工操作时间减少了40%。