－－江蘇春蘭機械製造有限公司　張曉陸

本文以櫃機面板注射模具數控加工為例，結合作者多年的注射模具加工經驗，精闢地介紹了 Cimatron E 軟體在模具加工中的應用，希望對模具技術人員有一定的幫助和借鑒作用。
一、引言
Cimatron E 的數控加工技術一直處於世界領先的地位，被世界普遍認為是最傑出的數控編程設計系統之一。它除了提供加工領域中全面的加工應用，如數控銑削（ 2.5 ∼ 5 軸）、數控鑽孔、數控車、數控沖裁、數控線切割和電極設計等，還為用戶提供了代表當今最領先的加工技術－基於知識的加工、自動化 NC 和基於毛坯殘留知識三大技術為基礎的智慧 NC 。智慧 NC 標誌著 Cimatron 在加工領域的重大技術突破。智能 NC 方式為用戶實現了單擊一鍵即可完成 NC 加工。當用戶每次完成了一個特定工作中的加工程序定義時，只要簡單地把該加工過程儲存為技術範本即可。下一次用戶若有加工工藝相似的零件要處理時，刀具軌跡會自動生成。毛坯殘留知識允許用戶在任何時間檢查實際的毛坯餘量，用戶還可以針對自己的採用的加工策略和加工目的對加工軌跡進行裁剪。毛坯殘留知識可以對照用戶新的幾何模型，調整刀具軌跡的生成，進行刀具軌跡的優化。優化包括去除空走刀，自動調整進給率，去除尖角來產生平緩的刀具運動，或在夾頭干涉的情況下，自動分割刀具軌跡以避免干涉，自動建議新的加工刀具來加工未加工到的區域等。 Cimatron 提供了可靠而直觀的軌跡校驗和仿真模似，支援每一加工工序或零件／毛坯的比較分析，它以彩色圖的形式顯示當前加工結果及其餘量，具有視覺化的加工的仿真模擬功能強大，使用戶可以檢查加工過程的合理性與正確性，可以任意部切旋轉來觀察加工的結果，還可以進行多達五軸仿真校驗，定量分析，加工工時估算等等，用戶也可以手工單步檢查生成的刀具軌跡。 Cinatron 也為用戶提供了靈活方便的軌跡編輯，用戶可以對已有的刀具軌跡進行拷貝：陣列拷貝和旋轉拷貝還可以用手工的方式對生成的刀具軌跡進行方便而靈活的修改：刪除選擇的走刀步驟，裁減選擇的走刀步驟的增加用戶自己的指定走刀，對刀具軌跡進行投影等。 Cimatron 為滿足對加工質量、效率日益提高的要求提供了高速銑削技術，如 NURBS 插補 G 代碼，尖角部位的圓滿走刀，從外到內的毛坯光滑環切，刀具載荷的分析與自動優化等其他工具。

如圖 1 所示的面板是櫃機的主要部件，是由複雜曲面組成，面板設計的好壞將直接影響到櫃式空調器的外觀和產品質量。採用 Cimatron E5.0 軟體建立面板的三維資料模型，以此為基礎進行快速分模設計（ Quick Split ）及數控編程，然後將後置處理的程式傳送至數控機床上完成面板模具的實際加工。



圖 1 櫃機面板三維模型

二、工藝流程分析

櫃機面板模具是生產高質量櫃式空調器的重要組成部分。由於櫃機面板的外觀條件與裝配性能，對模具材料、內在質量和尺寸精度等都提出了嚴格的要求，製造難度很大。我司在充分吸收日本空調器模具結構設計精華的基礎上經過多年的開發研究，已擁有專業的生產技術，並逐步成為蘇中地區重要的模具生產基地。

注射模具的加工工序一般分為為粗加工、半精加工和精加工等工序。根據櫃機面板動定模芯的形狀及加工特性，二次加工的曲面精度要求很高，其定位基準均為底座下平面，為了減少裝夾次數，縮短工時，二次加工需要全部在數控銑床或數控加工中心上進行。在數控加工中，為了儘量減少輔助工時，要特別注意使用夾具來保證迅速完成加工零件的定位和夾緊過程。在加工中要儘量減少工件裝夾次數，在一次裝夾中，應盡可能多地完成各個工序工步，為此，定位時要考慮便於各個表面都被加工的定位方式。以模芯下平面為定位基準，可以方便地完成其他各個曲面的加工。

三、數控加工

Cimatron E5.0 軟體具有強大的加工能力，而且也能讀取如 UG 、 Pro/ENGINEER 等其他軟體的資料進行加工。用 CimatronNC 模組進行數控加工自動智慧化編程，其步驟如下：

(1) 根據模型特點，擬訂加工工藝；
(2) 進行每步編程，確定加工方法以及刀具、進給速度、刀間距等參數，生成刀具路徑，並進行刀具路徑的類比檢查；
(3) 生成 NC 程式；
(4) 用 CNC 傳輸軟體將 NC 程式傳輸給相應的數控機床；
(5) 準備好加工毛坯、刀具、夾具後在數控機床上加工。

下面以此模具的定模芯為例簡述其數控銑削加工過程：


圖 2 面板注射模定模芯（包含四個方壓板）

如圖 2 所示為面板注射模定模芯，其毛坯尺寸為 1050mm × 650mm × 90mm ，整體加工高度為 50mm 。整個模型採用 Cimatron E5.0 軟體加工模組進行數控加工，基準角在右下角，用內六角螺釘將四個方鐵塊固定於定模芯上，在實際加工時只需將這四個方鐵塊固定在機床工作臺上即可，其加工過程為：先粗加工整體外形 → 區部粗加工（清角） → 半精加工成型曲面及四周相連曲面 → 精加工成型曲面及四周相連曲面 → 精加工牆角根部的方式。

1. 整體粗加工（ WCUT ）
使用 D63 （ R8 ）玉米銑刀，採用 3D 體積塊螺旋加工方式（ Volume Milling -Sipral Cut - 3D ），安全平面（ CLEARANCE PLANE ）為 150mm ，螺旋角（ Ramp Angle ）為 5° ，加工的最大高度（ Z-top ）為 90mm ，加工的最低高度（ Z-bottom ）為 40mm ，切深 (Down Step) 為 0.75 mm ，步距 (Side Step) 為 30 mm ，粗加工餘量（ Part Surface Offset ）為 0.5 mm ，加工精度（ Part Surface Toleranc ）為 0.1mm ，銑削方向（ Milling Direction ）為 Climb Milling ，切割方向（ Cut Direction ）為 Inside Out ，零件是否為開放零件（ Open Part ）為 NO ，主軸轉速（ SPINDLE_SPEED ）為 1000r/min ，進給速度 (CUT_FEED) 為 1200mm /min 。使用程式執行（ Exetute ）功能，加工刀具軌跡如圖 3 所示。同時，對加工進行仿真模擬（ Simulation ）檢查和過切檢查。整個定模芯的外形被銑出，符合工藝的要求。接著進行後置處理 (Post) ，自動產生程式，送至 CNC 加工中心進行數控加工。


圖 3 粗加工整體外形

2. 區部粗加工 (WCUT FINISH)

半精加工選用 D24 （ R6 ）塗層鑲片銑刀，採用曲面銑削 (Surface Milling ， By Layers) 的加工方式，安全平面（ CLEARANCE PLANE ）為 150mm ，加工的最大高度（ Z-top ）為 90mm ，加工的最低高度（ Z-bottom ）為 40mm ，切深 (Down Step) 為 0.45 mm ，粗加工餘量（ Part Surface Offset ）為 0.4 mm ，加工精度（ Part Surface Toleranc ）為 0.1mm ，銑削方向（ Milling Direction ）為 Climb Milling ，切割方向（ Cut Direction ）為 Inside Out ，零件是否為開放零件（ Open Part ）為 NO ，主軸轉速（ SPINDLE_SPEED ）為 1300r/min ，進給速度 (CUT_FEED) 為 1000mm /min 。使用程式執行（ Exetute ）功能，加工刀具軌跡如圖 4 所示。同時，對加工進行仿真模擬（ Simulation ）檢查和過切檢查。整個定模芯的的牆壁餘量被去除大部分，為球刀加工做好準備，符合工藝的要求。接著進行後置處理 (Post) ，自動產生程式，送至 CNC 加工中心進行數控加工。


圖 4 區部粗加工

3. 半精加工 (SRFPKT)

使用 D16 （ R8 ）球頭銑刀，採用投影曲面銑削 (Surface Milling ， Parallel Cut) 的加工方式，安全平面（ CLEARANCE PLANE ）為 150mm ，加工的最大高度（ Z-top ）為 90mm ，加工的最低高度（ Z-bottom ）為 40mm ，步距 (Side Step) 為 0.8 mm ，粗加工餘量（ Part Surface Offset ）為 0.25 mm ，加工精度（ Part Surface Toleranc ）為 0.05mm ，銑削方向（ Cutter Direction ）為 Bidir ，切割角（ Milling at Angle ）為 45° ，方向（ Direction ）為 Both:Up&Down ，主軸轉速（ SPINDLE_SPEED ）為 1500r/min ，進給速度 (CUT_FEED) 為 900mm /min 。使用程式執行（ Exetute ）功能，加工刀具軌跡如圖 5 所示。同時，對加工進行仿真模擬（ Simulation ）檢查和過切檢查。整個定模芯的的餘量被去除大部分，為 D10 （ R5 ）球刀加工做好準備，符合工藝的要求。接著進行後置處理 (Post) ，自動產生程式，送至 CNC 加工中心進行數控加工。



圖 5 半精加工分型面

4. 精加工 (SRFPKT)

使用 D10 （ R5 ）球頭銑刀，採用投影曲面銑削 (Surface Milling ， Parallel Cut) 的加工方式，安全平面（ CLEARANCE PLANE ）為 150mm ，加工的最大高度（ Z-top ）為 90mm ，加工的最低高度（ Z-bottom ）為 40mm ，步距 (Side Step) 為 0.2mm ，粗加工餘量（ Part Surface Offset ）為 0mm ，加工精度（ Part Surface Toleranc ）為 0.01mm ，銑削方向（ Cutter Direction ）為 Bidir ，切割角（ Milling at Angle ）為 135° ，方向（ Direction ）為 Both:Up&Down ，主軸轉速（ SPINDLE_SPEED ）為 1800r/min ，進給速度 (CUT_FEED) 為 800mm /min 。使用程式執行（ Exetute ）功能，加工刀具軌跡如圖 6 所示。同時，對加工進行仿真模擬（ Simulation ）檢查和過切檢查。整個定模芯的大部分範圍被精銑到位，符合工藝的要求。接著進行後置處理 (Post) ，自動產生程式，送至 CNC 加工中心進行數控加工。


圖 6 精加工分型面

5. 精加工二 (WCUT FINISH)

半精加工選用 D20 （ R0.8 ）端銑刀，採用曲面銑削 (Surface Milling ， By Layers) 的加工方式，安全平面（ CLEARANCE PLANE ）為 150mm ，加工的最大高度（ Z-top ）為 90mm ，加工的最低高度（ Z-bottom ）為 40mm ，切深 (Down Step) 為 0.45 mm ，粗加工餘量（ Part Surface Offset ）為 0 mm ，加工精度（ Part Surface Toleranc ）為 0.01mm ，銑削方向（ Milling Direction ）為 Mixed Milling ，切割方向（ Cut Direction ）為 Inside Out ，零件是否為開放零件（ Open Part ）為 NO ，主軸轉速（ SPINDLE_SPEED ）為 1400r/min ，進給速度 (CUT_FEED) 為 1000mm /min 。使用程式執行（ Exetute ）功能，加工刀具軌跡如圖 7 所示。同時，對加工進行仿真模擬（ Simulation ）檢查和過切檢查。整個定模芯的的牆壁根部餘量被去除，符合工藝的要求。接著進行後置處理 (Post) ，自動產生程式，送至 CNC 加工中心進行數控加工。



圖 7 清角加工

四、結束語

在櫃機面板模具的加工過程中，由於採用了 Cimatron 的數控加工技術，大大降低了人工設計和普通設備加工所造成的誤差，使銑床、電加工、鉗工、拋光的工作量和勞動強度大大減少，提高了模具的加工效率，縮短了模具的製造週期，也提高了模具的質量，而且可以實現無圖加工，為企業帶來了良好的經濟效益。
原載《 CAD/CAM 與製造業資訊化》雜誌