手機外殼的Pro／E模具設計與Master CAM數控加工

摘要：利用Pro/E Wildfire4.0進行模具設計，結合Master CAM 5X進行數控加工，選擇手機外殼零件，綜合應用野火版Pro/E和Master CAM軟件完成模具設計與制造過程采用CAD/CAM技術完成手機外殼的模具設計及型芯模具零件的仿真模擬加工，大大縮短了模具設計與制造的生產周期。

隨著計算機技術的不斷發展，模具CAD/CAM技術在模具設計與制造中扮演越來越重要的角色。模具CAD/CAM是一項高技術、高效益的系統工種。它以計算機軟件的形式，為用戶提供一種有效的輔助工具，使工種技術人員能借助于計算機對產品、模具結構、數控加工及成本等進行設計和優化。Pro/Engineer(簡稱Pro/E)是一種全方位的3D產品參數化設計軟件，特別適合于新產品開發、模具設計方面的設計工作。Master CAM在數控加工中可以直接加工曲面及實體，具有強勁的曲面粗加工及靈活的曲面精加工功能，主要應用于機械、電子、汽車和航空等行業的模具制造。因此利用Pro/E設計模具零件，再用Master CAM模擬加工模具零件，給出加工程序，是目前模具行業中普遍采用的CAD/CAM輔助工作模式。

文章以手機外殼零件為例，采用Pro/E Wildfire4.0進行模具設計，Master CAM 5X進行數控加工，完成了手機外殼零件的模具設計與制造過程，整個流程如圖1所示。Pro/E創建模具分型面，快速生成模具成型零件，然后將圖形數據轉換到Master CAM軟件中，制定合適的數控加工工藝，確定具體的加工方式及加工參數，進行模擬加工，再將生成的加工程序輸送到數控加工中心或數控銑床的控制系統進行自動加工。

1 設計前準備

模具CAD/CAM設計與加工任務包括Pro/E系統中三維造型過程、模具設計過程以及Master CAM系統中模具工作零件數控加工過程，因此在設計與加工前首先在計算機中建立一個專用文件夾。為了把零件三維造型文件、零件的模具設計文件、轉換的數據文件及Master CAM的加工文件都存在專用文件夾中，可將該文件夾設置為當前工作目錄。

啟動Pro/E，執行菜單欄中【文件】/【設置工作目錄】，系統彈出【選取工作目錄】對話框，選擇建立的專用文件夾，單擊確定按鈕。

2 基于Pro/E的零件建模

利用Pro/Engineer 系統下的零件模塊對手機外殼進行三維造型，通過拉伸、抽殼、拉伸剪切、陣列、倒圓角等命令建立實體模型如圖2所示。

3 基于Pro/E的模具設計

手機外殼三維造型完成后，利用Pro/Engineer系統下的制造模塊進行模具設計，具體步驟如下：

1)啟動模具設計模塊，選擇【菜單管理器】中的【模具模型】/【裝配】/【參照模型】，調入手機外殼模具的參照模型，在裝配操作欄中選擇【缺省】選項，完成參照模型的裝配。

2)設置收縮率。選擇【菜單管理器】中的【收縮】/【按尺寸】，輸入收縮比率為“0.005”，按回車鍵確認。收縮率的設定與手機外殼零件的材料有關。

3)創建模具毛坯，選擇【菜單管理器】中的【模具模型】/【創建】/【工件】/【手動】，手動創建毛坯工件。在【創建選項】對話框中選擇【創建特征】，選擇【菜單管理器】中的【加材料】/【拉伸】/【實體】/【完成】命令，通過拉伸特征創建如圖3所示的模具毛坯工件。

4)設計分型面。選擇菜單欄中的【插入】/【模具幾何】/【分型曲面】，運用復制、粘帖、延伸分型面方法創建分型面，在復制分型面時選中“排除曲面并填充孔”。

5)創建模具體積塊。單擊分割體積塊按鈕，在【分割體積塊】菜單中選擇/【兩個體積塊】/【所有工件】/【完成】命令，運用上面創建的分型面作為分割工具完成模具體積塊創建。系統高亮顯示毛坯工件的上半部分，彈出屬性對話框，接受默認名稱mold_vol_1，單擊【著色】，單擊【確定】。系統高亮顯示毛坯工件的下半部分，彈出屬性對話框，接受默認名稱mold_vol_2，單擊【著色】，單擊【確定】。

6)抽取模具元件

單擊型腔插入按鈕，系統彈出“創建模具元件”對話框.單擊【全選】，選取全部體積塊，單擊【確定】，單擊【完成返回】。手機外殼的模具零件創建完成，型腔零件如圖4所示，型芯零件如圖5所示。

7)充模仿真和模擬開模

單擊菜單管理器中的【鑄模】/【創建】，在打開的文本框中輸入鑄模零件的名稱，單擊確定。Pro/E在完成鑄模零件后，可進行裝配干涉檢查，如果檢測到有干涉，會以黃色曲線標示：如果干涉嚴重，必須重新定義模具元件。

完成零件的干涉檢查后，Pro/E系統能模擬開模過程，使用戶可以清楚地觀看到手機外殼零件的模具型腔、型芯結構，以便檢查設計的適用性。

單擊菜單管理器中的【模具進料口】/【定義間距】/【定義移動】輸入移動距離，完成移動。模具開模如圖6所示。

4 在Master CAM中建立模具的加工模型

通過導入Pro/E系統中的被加工模具零件的數據，在Master CAM中建立手機外殼模具零件的加工模型。

IGES圖形交換文件格式是Pro/E和Master CAM都支持的文件格式，IGES文件在這兩種設計軟件中均具有操作性。因此手機外殼的模具設計完成后，在Pro/E系統中將型腔、型芯零件轉換為IGES格式，然后轉入Master CAM系統進行加工。

4.1 Pro/E系統轉出IGES數據文件

在Pro/E系統的軟件界面的模型樹列表中mold_vol_1.PRT手機外殼型腔零件上單擊右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇【打開】，然后選擇【文件】/【保存副本】對話框。在【類型】選擇“IGES(*.igs)”格式，在彈出的【導出IGES】選擇曲面，單擊【確定】，將型腔零件輸出為IGES曲面格式文件。

型芯零件采取同樣方法轉換成IGES格式文件，以便Master CAM軟件調用。

4.2 Master CAM系統轉入IGES文件

打開MasterCAM，在菜單欄中點擊【文件】/【打開文件】，文件類型選擇IGES，選擇所存型腔文件名，完成IGES格式文件的轉入。

單擊【等角視圖】，單擊【側視構圖面】，單擊【全屏顯示】。回主菜單，選擇【轉換】/【旋轉】，選擇所有曲面，在彈出的旋轉參數設置對話框，輸入旋轉角度“90”，對導入的模型進行坐標調整處理。

型芯零件采取同樣方法在Master CAM系統中轉入IGES數據文件，并進行坐標調整。

5 手機外殼模具型芯零件數控加工模擬

Master CAM中銑削是用來生成銑削加工刀具路徑，可以進行外形銑削、型腔加工、平面加工等模擬，允許用刀路模擬實體仿真來圖形化地編輯和修改刀具路徑。刀具路徑生成后，經過仿真加工并確定無差錯后就可以進行后處理，通過后處理將刀具路徑文件轉換成數控NC程序，傳送至數控機床進行加工。

Master CAM曲面銑削加工提供了多種曲面粗、精加工方法。手機外殼型腔的加工過程與型芯加工過程類似，以手機外殼型芯加工為例說明Master CAM數控模擬加工的具體過程。

5.1 確定加工坯料和對刀點

選擇【機床類型】/【銑削】/【默認】，選擇默認銑床。在刀具路徑管理器對話框中進行工件設置，單擊“邊界盒”按鈕，彈出【邊界盒選項】對話框，選擇工件形狀為立方體，完成坯料的設置。

5.2 刀具路徑的設置過程

根據手機外殼模具型芯零件的外形特點，應采用挖槽粗加工、平行精加工和淺平面精加工相結合的方式來編制程序。考慮手機外殼型芯零件上的按鍵小凸臺，最后采用交線清角精加工來完成模擬加工過程。

1)曲面挖糟粗加工

選擇【刀具路徑】/【曲面粗加工】/【粗加工挖槽加工】，針對加工零件的特點，選用圓鼻刀進行粗加工，通過設置曲面參數、粗加工參數、切削深度、挖槽參數等切除坯料上大部分的工件材料，加工余量為0.5 mm。

2)半精加工

粗加工刀具間距和切削深度較大，余料很多，為了去除過多的余料，使精加工余量均勻，選擇【刀具路徑】/【曲面精加工】/【精加工平行銑削】進行半精加工。手機外殼型芯零件上許多小凸臺，為了保證模具表面加工質量，選取球刀進行平行精加工，通過設置刀具路徑的曲面參數、精加工平行銑削參數完成半精加工過程，留下0.2 mm左右的余量。選擇球刀加工一方面可以承受粗加工所留余料而不會斷刀，同時不能留下過多的余料而給后續精加工造成困難。

3)淺平面精加工

為了提高手機外殼型芯零件頂部平坦區域曲面的加工質量，達到零件的加工精度和表面粗糙度值要求，選擇【刀具路徑】/【曲面精加工】/【精加工淺平面加工】進行精加工。在【精加工淺平面加工】對話框中選擇球刀作為刀具參數，設置合適的淺平面精加工參數完成精加工，使型芯零件頂部平坦區域的殘料不留有余料，加工余量為0。

4)交線清角曲面精加工

選擇【刀具路徑】/【曲面精加工】/【交線清角加工】進行清角加工。手機外殼型芯零件上按鍵的區域由于精加工刀具進不去而留下余料，因此選擇平刀加工，設置合適的交線清角精加工參數完成去除按鍵區域的余料。

5.3 模擬仿真加工

刀具路徑生成后，可以對生成的加工路徑進行實體模擬，檢查生成的加工路徑是否合理、加工表面是否光滑、是否有過切現象。

在操作管理器中單擊【選擇所有操作】/【實體模擬】，在彈出的“實體切削驗證”對話框中，選擇模擬方式為“最終結果”，單擊“播放”按鈕，實體加工模擬結果如圖7所示。如果出現加工路徑不合理、加工表面不光滑、過切等情況，需重新編輯加工軌跡，直到滿意為止。

5.4 生成數控加工代碼

刀具路徑檢驗無誤后，利用Mastcr CAM后處理模塊，自動生成加工手機外殼型芯零件所需要的數控程序。

6 結束語

在現代集成制造系統中，CAD/CAM軟件技術是核心，而Pro/E和Master CAM無疑是CAD/CAM軟件王國中的奇葩，這兩款軟件在先進制造企業中有著舉足輕重的地位。Pro/E和Master CAM相結合的模具設計與加工模式可以縮短模具研發時間，大大提高了模具的加工精度和生產效率，對提高市場響應速度，增強企業競爭力有非常重要的意義。