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作者：李剑玲 李维    来源：机床与液压

1前言
传统上大多数设计和制造由顺序安排且由互不关联的专家或专业人员分别进行。随着经济的发展，市场竞争日趋激烈，产品的更新换代速度及精度要求愈来愈高，传统的设计、制造方法使得新产品试制周期长，不利于企业在市场的竞争。一体化技术是综合优化设计、制造过程的系统方法，它具有两个特点：单一数据库替代多数据库；三维多方式数据交流替代二维图纸交流。
2Gs125型摩托车汽缸盖特点
Gs125型摩托车汽缸盖由曲面形成的基体、基体上许多圆形和方形的凸台、筋位构成，各曲面相互间用大量不等半径的倒圆曲面连接，形成了汽缸盖非常复杂和特殊的外型。缸盖上有多个用于安装轴的孔，要求具有极高的定位精度，而且壁厚不均匀，增加了建模难度，见图1。

图1

3模具CAD/CAM的设计流程
为了保证模具制造周期和质量，制定严格的CAD/CAM设计流程，见图2。

图2

(1)产品的CAD建模
Gs125型摩托车汽缸盖外形非常复杂，建模难度相当大，为保证既快又准地建立产品模型，确定合理的建模顺序和思路是决定成功与否的关键：对产品模型进行分解，确定产品的结构特征；根据主要的结构特征建立特征曲线。先建立汽缸盖俯视图的最大外轮廓线，并拉伸生成三维实体；由侧视图特征曲线生成网格面和扫描面；用生成的曲面去修剪拉伸体，形成产品基体外型；在此基础上，利用布尔运算，增补其它局部特征；输入壁厚值，抽空生成内腔；最后，增加筋条特征，再倒圆，建立整个汽缸盖产品模型，见图1。
在建立汽缸盖模型时，同时考虑模具结构和分型面形状，还有模具所需要的参数：几何公差和拔模斜度等，为后续的模具设计打下基础。
(2)模具设计
利用UG提供的工具，对产品模型进行编辑，将材料收缩率加到模型中，将产品模型转变成模具模型，据此模型进行模具设计。Gs125型汽缸盖正面有两个Φ15mm的孔，两侧面各有一个Φ34mm的斜孔，后面也有一个Φ12mm的斜孔，故型腔须采用滑块抽芯，整套模具结构主要包括动、定模和滑块，其中型腔、型芯采用镶件，流道及入水口设在型芯镶件。下面是生成滑块、型腔、型芯模型的方案：
滑块：生成滑块二维特征曲线，通过拉伸（Extrude）生成实体，再用模具模型的外表面剪去不需要部分，便得出滑块实体模型。
型腔：生成310×260×110方块（Block）作为型腔镶件，编辑模具模型，将Hollow特征压制（Suppress），利用布尔运算，用编辑后的模具模型和滑块模型去“减”镶件，形成型腔的主要结构模型，在此基础上增加特征，从而生成型腔，见图3(a)。
型芯：生成310×260×70方块（Block）作为型芯镶件，提取（Extract）模具模型的内腔表面生成Region特征，以此特征通过替换（Patch）镶件顶面生成型芯的主要结构模型，再生成流道、入水口及顶干孔，从而生成型芯，见图3(b)。

图3

最后设计动、定模板、浇道系统、顶杆等零件。完毕后，将所有零件装配在一起，检查是否干涉。
(3)模具数控编程
Gs125型摩托车汽缸盖的内外表面由许多曲面组成，外形复杂，而且料厚不均匀，不能简单用型腔表面的刀具定位点通过同心偏移壁厚值而获得型芯的刀具定位点，故编程任务较为艰巨。虽然Unigraphics具有数控编程模块，但在实际编程时，仍然存在许多缺点：在连续多曲面加工时，模具表面残余留量不均匀；精加工接近垂直曲面时，在曲面边界，刀具频繁提刀，严重影响加工效率，见图4；清根程序走刀方式不合理。所以，完全依赖软件自动编程，程序根本无法使用。如何编出高效率、高质量的数控程序，很大程度上，取决于编程者制定的工艺。

图4

根据材料的切削性能及硬度、刀具材质、机床特性和模具热处理要求，制定型腔、型芯主要加工方案：用φ32（R6）mm合金刀实行等高线开粗移去大部分多余材料，切深为0.8mm，留余量1.2mm；局部开粗以保证材料留量均匀，为精加工作准备；用φ12（R6）球头刀半精加工，留热处理变形量1.0mm；模具热处理后，型腔用电极由电火花加工，而型芯则先用φ12（R6）球头刀半精加工，留余量0.15mm，然后用φ10（R5）球头刀精加工，留抛光余量0.03mm，最后用φ6（R3）清根。
型腔编程时，在滑块槽端口偏移刀具半径（φ32）16.5mm处拉伸曲面以形成封闭区域。为方便开粗，在尖角部位预钻φ8mm的工艺孔防止弹刀过切，在深度最低的位置预钻φ12mm的落刀孔。半精加工时，滑块槽部位分开编程，采用参数线走刀方式，其余部分采用多曲面连续精加工，为获得均匀的切削路径，驱动边界为分型面最大轮廓，切削角度为57°。型芯编程时，先钻顶杆孔和工艺落刀孔，流道系统和型位分开编程。型位开粗时，先用φ32（R6）mm合金刀加工至深度52.5mm，然后用φ12mm平底刀进行局部开粗，使留量均匀，以方便精加工。精加工时，采用边界驱动方法，投影矢量为刀具轴，切削角度为52°，以获得均匀的切削路径和防止频繁提刀浪费时间，见图5。清根时，按工艺要求进行人工装配，从上至下切削，使切削量均匀防止过切。

图5

(4)加工仿真
使用计算机进行虚拟加工仿真检查刀具路径正确与否，是现代先进制造方法的必要环节。先将型腔、型芯等的内部刀具路径转变为刀具定位文本文件（*.cls），然后虚拟出各零件的加工毛胚，使虚拟坐标系与编程坐标系一致，并将它转变为STL模型。仿真时，用不同颜色表示各个工序的切削结果，能够 “真实地”观察到刀具切削的整个加工过程。虚拟结果显示出所编程序走刀方式合理，各个工序的切削量均匀，无过切和撞刀现象。
(5)数控加工
为了缩短加工时间，确保效率，利用加工中心的自动换刀功能进行连续不间断加工。为此，我根据加工中心的控制系统，编辑旧的机床数据后处理文件，在各工序的刀具路径开头自动插入换刀命令（M06）。然后将刀具路径（刀具定位点）用新的机床数据后处理文件后处理，转变为机床可执行的NC程序，再将NC程序通过RS232接口送到加工中心，由程序驱动刀具进行切削加工。
4结束语
随着计算机硬件及应用软件的高速发展，CAD/CAM技术应用于工程设计领域愈加广泛，一体化设计已成为现代工业设计与制造的先进方法。而本文所设计的Gs125型摩托车汽缸盖就是使用这一方法的典范：从产品模型、模具设计、数控编程等，全过程均共享同一数据库、实现无图纸化交流；同时采用参数化设计，产品模型的任何改变，相关环节将自动更新，明显减小设计和制造的反复次数。这种先进的设计思路对企业进行新产品开发，提高市场竞争能力，具有一定的推广价值。
李剑玲（广东省机械学校，广州510635）
李维（广东省机械研究所，广州510630）(end)

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