本文介紹了Gs125型摩托車汽缸蓋模具的CAD/CAM相關應用。

　　1前言

　　傳統上大多數設計和制造由順序安排且由互不關聯的專家或專業人員分別進行。隨著經濟的發展，市場競爭日趨激烈，產品的更新換代速度及精度要求愈來愈高，傳統的設計、制造方法使得新產品試制周期長，不利于企業在市場的競爭。一體化技術是綜合優化設計、制造過程的系統方法，它具有兩個特點：單一數據庫替代多數據庫;三維多方式數據交流替代二維圖紙交流。

　　2Gs125型摩托車汽缸蓋特點

　　Gs125型摩托車汽缸蓋由曲面形成的基體、基體上許多圓形和方形的凸臺、筋位構成，各曲面相互間用大量不等半徑的倒圓曲面連接，形成了汽缸蓋非常復雜和特殊的外型。缸蓋上有多個用于安裝軸的孔，要求具有極高的定位精度，而且壁厚不均勻，增加了建模難度，見圖1。

圖1

　　3模具CAD/CAM的設計流程

　　為了保證模具制造周期和質量，制定嚴格的CAD/CAM設計流程，見圖2。

圖2

　　(1)產品的CAD建模

　　Gs125型摩托車汽缸蓋外形非常復雜，建模難度相當大，為保證既快又準地建立產品模型，確定合理的建模順序和思路是決定成功與否的關鍵：對產品模型進行分解，確定產品的結構特征;根據主要的結構特征建立特征曲線。先建立汽缸蓋俯視圖的最大外輪廓線，并拉伸生成三維實體;由側視圖特征曲線生成網格面和掃描面;用生成的曲面去修剪拉伸體，形成產品基體外型;在此基礎上，利用布爾運算，增補其它局部特征;輸入壁厚值，抽空生成內腔;最后，增加筋條特征，再倒圓，建立整個汽缸蓋產品模型，見圖1。

　　在建立汽缸蓋模型時，同時考慮模具結構和分型面形狀，還有模具所需要的參數：幾何公差和拔模斜度等，為后續的模具設計打下基礎。

　　(2)模具設計

　　利用UG提供的工具，對產品模型進行編輯，將材料收縮率加到模型中，將產品模型轉變成模具模型，據此模型進行模具設計。Gs125型汽缸蓋正面有兩個Φ15mm的孔，兩側面各有一個Φ34mm的斜孔，后面也有一個Φ12mm的斜孔，故型腔須采用滑塊抽芯，整套模具結構主要包括動、定模和滑塊，其中型腔、型芯采用鑲件，流道及入水口設在型芯鑲件。下面是生成滑塊、型腔、型芯模型的方案：

　　滑塊：生成滑塊二維特征曲線，通過拉伸(Extrude)生成實體，再用模具模型的外表面剪去不需要部分，便得出滑塊實體模型。

　　型腔：生成310×260×110方塊(Block)作為型腔鑲件，編輯模具模型，將Hollow特征壓制(Suppress)，利用布爾運算，用編輯后的模具模型和滑塊模型去“減”鑲件，形成型腔的主要結構模型，在此基礎上增加特征，從而生成型腔，見圖3(a)。

　　型芯：生成310×260×70方塊(Block)作為型芯鑲件，提取(Extract)模具模型的內腔表面生成Region特征，以此特征通過替換(Patch)鑲件頂面生成型芯的主要結構模型，再生成流道、入水口及頂干孔，從而生成型芯，見圖3(b)。

圖3

　　最后設計動、定模板、澆道系統、頂桿等零件。完畢后，將所有零件裝配在一起，檢查是否干涉。

　　(3)模具數控編程

　　Gs125型摩托車汽缸蓋的內外表面由許多曲面組成，外形復雜，而且料厚不均勻，不能簡單用型腔表面的刀具定位點通過同心偏移壁厚值而獲得型芯的刀具定位點，故編程任務較為艱巨。雖然Unigraphics具有數控編程模塊，但在實際編程時，仍然存在許多缺點：在連續多曲面加工時，模具表面殘余留量不均勻;精加工接近垂直曲面時，在曲面邊界，刀具頻繁提刀，嚴重影響加工效率，見圖4;清根程序走刀方式不合理。所以，完全依賴軟件自動編程，程序根本無法使用。如何編出高效率、高質量的數控程序，很大程度上，取決于編程者制定的工藝。

圖4

　　根據材料的切削性能及硬度、刀具材質、機床特性和模具熱處理要求，制定型腔、型芯主要加工方案：用φ32(R6)mm合金刀實行等高線開粗移去大部分多余材料，切深為0.8mm，留余量1.2mm;局部開粗以保證材料留量均勻，為精加工作準備;用φ12(R6)球頭刀半精加工，留熱處理變形量1.0mm;模具熱處理后，型腔用電極由電火花加工，而型芯則先用φ12(R6)球頭刀半精加工，留余量0.15mm，然后用φ10(R5)球頭刀精加工，留拋光余量0.03mm，最后用φ6(R3)清根。

　　型腔編程時，在滑塊槽端口偏移刀具半徑(φ32)16.5mm處拉伸曲面以形成封閉區域。為方便開粗，在尖角部位預鉆φ8mm的工藝孔防止彈刀過切，在深度最低的位置預鉆φ12mm的落刀孔。半精加工時，滑塊槽部位分開編程，采用參數線走刀方式，其余部分采用多曲面連續精加工，為獲得均勻的切削路徑，驅動邊界為分型面最大輪廓，切削角度為57°。型芯編程時，先鉆頂桿孔和工藝落刀孔，流道系統和型位分開編程。型位開粗時，先用φ32(R6)mm合金刀加工至深度52.5mm，然后用φ12mm平底刀進行局部開粗，使留量均勻，以方便精加工。精加工時，采用邊界驅動方法，投影矢量為刀具軸，切削角度為52°，以獲得均勻的切削路徑和防止頻繁提刀浪費時間，見圖5。清根時，按工藝要求進行人工裝配，從上至下切削，使切削量均勻防止過切。

圖5

　　(4)加工仿真

　　使用計算機進行虛擬加工仿真檢查刀具路徑正確與否，是現代先進制造方法的必要環節。先將型腔、型芯等的內部刀具路徑轉變為刀具定位文本文件(*.cls)，然后虛擬出各零件的加工毛胚，使虛擬坐標系與編程坐標系一致，并將它轉變為STL模型。仿真時，用不同顏色表示各個工序的切削結果，能夠“真實地”觀察到刀具切削的整個加工過程。虛擬結果顯示出所編程序走刀方式合理，各個工序的切削量均勻，無過切和撞刀現象。

　　(5)數控加工

　　為了縮短加工時間，確保效率，利用加工中心的自動換刀功能進行連續不間斷加工。為此，我根據加工中心的控制系統，編輯舊的機床數據后處理文件，在各工序的刀具路徑開頭自動插入換刀命令(M06)。然后將刀具路徑(刀具定位點)用新的機床數據后處理文件后處理，轉變為機床可執行的NC程序，再將NC程序通過RS232接口送到加工中心，由程序驅動刀具進行切削加工。

　　4結束語

　　隨著計算機硬件及應用軟件的高速發展，CAD/CAM技術應用于工程設計領域愈加廣泛，一體化設計已成為現代工業設計與制造的先進方法。而本文所設計的Gs125型摩托車汽缸蓋就是使用這一方法的典范：從產品模型、模具設計、數控編程等，全過程均共享同一數據庫、實現無圖紙化交流;同時采用參數化設計，產品模型的任何改變，相關環節將自動更新，明顯減小設計和制造的反復次數。這種先進的設計思路對企業進行新產品開發，提高市場競爭能力，具有一定的推廣價值。

　　李劍玲(廣東省機械學校，廣州510635)

　　李維(廣東省機械研究所，廣州510630)