基于MasterCAM的特種陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)及模具加工

雖然CAD/CAM技術(shù)已在機(jī)械、汽車、電子、服裝等行業(yè)得到了較為廣泛應(yīng)用，但在特種陶瓷行業(yè)還沒有得到足夠的重視，應(yīng)用程度遠(yuǎn)低于其他，以至于目前的特種陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)仍以手工操作為主，模具制作手段也相對落后。這種缺乏足夠創(chuàng)新意識的狀況已嚴(yán)重制約了特種陶瓷行業(yè)發(fā)展，務(wù)必盡快得到改善，才能使我國的特種陶瓷行業(yè)盡早趕上世界先進(jìn)水平。

    目前國內(nèi)應(yīng)用的CAD/CAM軟件的種類較多，具有代表性的有Pro/ENGINEER、MasterCAM、Cimatron、UG、CAXA等，下面主要介紹基于MasterCAM軟件的特種陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)及模具加工技術(shù)。

    基于CAD/CAM技術(shù)的特種陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)及模具制作過程一般可按圖1所示的步驟進(jìn)行。

圖1 采用CAD/CAM技術(shù)的特種陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)及模具制作一般過程

    現(xiàn)以圖2所示的胡椒磨芯為例，具體說明使用MasterCAM軟件進(jìn)行特種陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)及模具制作過程。

圖2 胡椒磨芯造型設(shè)計(jì)

1.結(jié)構(gòu)分析

    在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)當(dāng)分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，找出產(chǎn)品特殊的點(diǎn)、線、面，并用適當(dāng)?shù)牧烤呒右詼y量，記下測量數(shù)據(jù)，同時(shí)要考慮到產(chǎn)品的收縮率，在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)調(diào)整其尺寸大小。

2.造型設(shè)計(jì)

    隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，人們對各種各樣產(chǎn)品品種的需要不斷更新，特種陶瓷產(chǎn)品也不斷有新的產(chǎn)品出現(xiàn)。新的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)，可借助于計(jì)算機(jī)及設(shè)計(jì)軟件來完成。也就是說，設(shè)計(jì)人員只要通過鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備將設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)輸入到設(shè)計(jì)軟件中去，人們便可以看到由計(jì)算機(jī)按照設(shè)計(jì)師的意圖設(shè)計(jì)的產(chǎn)品樣本了。MasterCAM軟件提供了豐富的曲面、實(shí)體等三維產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)手段，特別是對一些特種陶瓷產(chǎn)品的不規(guī)則形狀也可以進(jìn)行比較精確的表達(dá)，還可以通過材質(zhì)、光源等方面的渲染設(shè)置給人以仿真的視覺效果。本例胡椒磨芯可通過實(shí)體擠出(Extrude)、實(shí)體舉升(Loft)、實(shí)體旋轉(zhuǎn)(Revolve)等手段得到產(chǎn)品的造型，如圖3所示。

圖3 胡椒磨芯模具型腔

   產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)該根據(jù)客戶的需要進(jìn)行適當(dāng)產(chǎn)品造型修改，最后利用MasterCAM進(jìn)行模具型腔生成及加工程序的生成工作。

3.具型腔生成 

   根據(jù)胡椒磨芯全套模具的實(shí)際尺寸，生成胡椒磨芯模具毛坯，與胡椒磨芯進(jìn)行Boolean(實(shí)體布爾運(yùn)算)生成胡椒磨芯模具型腔，如圖3所示。這里要根據(jù)產(chǎn)品干燥及燒成收縮情況，對模具型腔按給定的收縮率（1.15）進(jìn)行縮放。

4.胡椒磨芯電極設(shè)計(jì)

    因胡椒磨芯模具型腔形狀特殊，有垂直的4條棱，又有40個(gè)相互交錯(cuò)的傾斜棱角，如圖4所示，很難直接進(jìn)行機(jī)械加工，最好用電火花成形機(jī)床進(jìn)行加工。同時(shí)，要根據(jù)電火花機(jī)床的實(shí)際火花間隙(大約0.05mm)，把胡椒磨芯模具型腔縮放，生成胡椒磨芯紫銅電極。

圖4 胡椒磨芯紫銅電極

5.胡椒磨芯電極加工

(1)加工工藝分析

    根據(jù)胡椒磨芯紫銅電極特點(diǎn)，為了獲得較好的加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，應(yīng)采用單刃指形合金銑刀進(jìn)行加工。刀桿直徑為3.18mm，刀刃直徑為1.6mm，前角為5°，后角為25°，副后角為15°，副偏角為15°，如圖5所示。粗加工每次進(jìn)刀0.25mm，進(jìn)刀速度為150mm/min，精加工每次進(jìn)刀0.05mm，進(jìn)刀速度為50mm/min。

圖5 單刃指形銑刀

(2)生成加工軌跡

    選用合適的數(shù)控加工方法，生成加工軌跡是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。MasterCAM提供了Parallel（平行加工），Radial（放射狀加工），Project（投影加工），F(xiàn)lowline（曲面流線），Contour（等高加工） ， Pocket（ 挖槽加工） ，Plunge（鉆削加工）等10多種曲面粗、精加工方法。本例胡椒磨芯紫銅電極粗加工采用Pocket（挖槽加工），精加工采用Contour（等高加工）。

(3)模擬仿真加工

    對生成的加工軌跡進(jìn)行Verify(模擬加工)，檢查生成的加工軌跡是否合理，盡量避免加工過程中的失誤。

(4)生成加工程序

    針對加工胡椒磨芯紫銅電極用的數(shù)控機(jī)床及其配備的數(shù)控系統(tǒng)，設(shè)置特定的數(shù)控代碼、數(shù)控程序格式及參數(shù)，并按照加工機(jī)床的配置要求，把上述已經(jīng)生成的刀具加工軌跡轉(zhuǎn)化成能用于控制數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工的數(shù)控加工程序。下面是加工胡椒磨芯紫銅電極的數(shù)控加工程序的一部分：

%

O0000

(PROGRAM NAME - 胡椒磨芯

051221-3)

(DATE=DD-MM-YY - 22-12-05

TIME=HH:MM - 19:16)

N100G21

N102G0G17G40G49G80G90

( 1. DRILL TOOL - 1 DIA. OFF.

- 1 LEN. - 1 DIA. - 1.6)

N104T1M6

N 1 0 6 G 0 G 9 0 X - 1 1 . 5 9 6 Y 0 .

A0.S4774M3

N108G43H1Z4.8

N110Z1.

N112G1Z-.25F150.

N114G2X11.596R11.596F286.4

N116X.674Y-11.576R11.596

N118X-11.596Y0.R11.596

N856G0Z-11.338

N858Z-7.338

N860M5

N862G91G28Z0.

N864G28X0.Y0.A0.

N866M30

%

(5)進(jìn)行數(shù)控加工

    準(zhǔn)備好胡椒磨芯紫銅電極毛坯，磨好單刃指形銑刀，開動數(shù)控雕銑機(jī)床后，就可以將上述生成的數(shù)控加工程序通過計(jì)算機(jī)傳輸?shù)仁侄蝹魉徒o數(shù)控機(jī)床，再一次模擬運(yùn)行刀具軌跡，確保數(shù)控加工的準(zhǔn)確性，最后正式由數(shù)控雕銑機(jī)床完成加工。

6.胡椒磨芯模具型腔加工

    由數(shù)控雕銑機(jī)床加工完成的胡椒磨芯紫銅電極，經(jīng)鉗工修磨、拋光后達(dá)到電極所要求的尺寸和表面粗糙度后，安裝到電火花機(jī)床的主軸上。調(diào)整好電極、毛坯的垂直度和平行度，確保電極、毛坯的同軸度誤差在0.01mm之內(nèi)，最后設(shè)置好數(shù)控電火花機(jī)床的加工參數(shù)（如下表所示），并完成胡椒磨芯模具型腔的加工。

7.結(jié)束語

    隨著人民生活水平的不斷提高和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對日用品和藝術(shù)陶瓷的需求多樣化趨勢越來越明顯，同時(shí)特種工業(yè)陶瓷的應(yīng)用也越來越廣泛，復(fù)雜、精密、多品種、高質(zhì)量和短期交貨將是今后陶瓷產(chǎn)品需求的趨勢，CAD/CAM技術(shù)能很好地解決這一問題，因此，改革陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)及模具加工中傳統(tǒng)工藝，采用先進(jìn)的制造技術(shù)提高陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模具制造質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)的成本，顯得非常重要。

    在特種陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)及模具加工中應(yīng)用CAD/CAM軟件，可提高陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，便于產(chǎn)品改型和改進(jìn)工作，便于產(chǎn)品開發(fā)過程中各環(huán)節(jié)人員相互之間以及與客戶之間的交流，實(shí)現(xiàn)陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)與模具制作間的良好銜接，而且可提高模具設(shè)計(jì)和加工質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)的成本。