手机外壳的Pro／E模具设计与Master CAM数控加工

摘要：利用Pro/E Wildfire4.0进行模具设计，结合Master CAM 5X进行数控加工，选择手机外壳零件，综合应用野火版Pro/E和Master CAM软件完成模具设计与制造过程采用CAD/CAM技术完成手机外壳的模具设计及型芯模具零件的仿真模拟加工，大大缩短了模具设计与制造的生产周期。

随着计算机技术的不断发展，模具CAD/CAM技术在模具设计与制造中扮演越来越重要的角色。模具CAD/CAM是一项高技术、高效益的系统工种。它以计算机软件的形式，为用户提供一种有效的辅助工具，使工种技术人员能借助于计算机对产品、模具结构、数控加工及成本等进行设计和优化。Pro/Engineer(简称Pro/E)是一种全方位的3D产品参数化设计软件，特别适合于新产品开发、模具设计方面的设计工作。Master CAM在数控加工中可以直接加工曲面及实体，具有强劲的曲面粗加工及灵活的曲面精加工功能，主要应用于机械、电子、汽车和航空等行业的模具制造。因此利用Pro/E设计模具零件，再用Master CAM模拟加工模具零件，给出加工程序，是目前模具行业中普遍采用的CAD/CAM辅助工作模式。

文章以手机外壳零件为例，采用Pro/E Wildfire4.0进行模具设计，Master CAM 5X进行数控加工，完成了手机外壳零件的模具设计与制造过程，整个流程如图1所示。Pro/E创建模具分型面，快速生成模具成型零件，然后将图形数据转换到Master CAM软件中，制定合适的数控加工工艺，确定具体的加工方式及加工参数，进行模拟加工，再将生成的加工程序输送到数控加工中心或数控铣床的控制系统进行自动加工。

1 设计前准备

模具CAD/CAM设计与加工任务包括Pro/E系统中三维造型过程、模具设计过程以及Master CAM系统中模具工作零件数控加工过程，因此在设计与加工前首先在计算机中建立一个专用文件夹。为了把零件三维造型文件、零件的模具设计文件、转换的数据文件及Master CAM的加工文件都存在专用文件夹中，可将该文件夹设置为当前工作目录。

启动Pro/E，执行菜单栏中【文件】/【设置工作目录】，系统弹出【选取工作目录】对话框，选择建立的专用文件夹，单击确定按钮。

2 基于Pro/E的零件建模

利用Pro/Engineer 系统下的零件模块对手机外壳进行三维造型，通过拉伸、抽壳、拉伸剪切、阵列、倒圆角等命令建立实体模型如图2所示。

3 基于Pro/E的模具设计

手机外壳三维造型完成后，利用Pro/Engineer系统下的制造模块进行模具设计，具体步骤如下：

1)启动模具设计模块，选择【菜单管理器】中的【模具模型】/【装配】/【参照模型】，调入手机外壳模具的参照模型，在装配操作栏中选择【缺省】选项，完成参照模型的装配。

2)设置收缩率。选择【菜单管理器】中的【收缩】/【按尺寸】，输入收缩比率为“0.005”，按回车键确认。收缩率的设定与手机外壳零件的材料有关。

3)创建模具毛坯，选择【菜单管理器】中的【模具模型】/【创建】/【工件】/【手动】，手动创建毛坯工件。在【创建选项】对话框中选择【创建特征】，选择【菜单管理器】中的【加材料】/【拉伸】/【实体】/【完成】命令，通过拉伸特征创建如图3所示的模具毛坯工件。

4)设计分型面。选择菜单栏中的【插入】/【模具几何】/【分型曲面】，运用复制、粘帖、延伸分型面方法创建分型面，在复制分型面时选中“排除曲面并填充孔”。

5)创建模具体积块。单击分割体积块按钮，在【分割体积块】菜单中选择/【两个体积块】/【所有工件】/【完成】命令，运用上面创建的分型面作为分割工具完成模具体积块创建。系统高亮显示毛坯工件的上半部分，弹出属性对话框，接受默认名称mold_vol_1，单击【着色】，单击【确定】。系统高亮显示毛坯工件的下半部分，弹出属性对话框，接受默认名称mold_vol_2，单击【着色】，单击【确定】。

6)抽取模具元件

单击型腔插入按钮，系统弹出“创建模具元件”对话框.单击【全选】，选取全部体积块，单击【确定】，单击【完成\返回】。手机外壳的模具零件创建完成，型腔零件如图4所示，型芯零件如图5所示。

7)充模仿真和模拟开模

单击菜单管理器中的【铸模】/【创建】，在打开的文本框中输入铸模零件的名称，单击确定。Pro/E在完成铸模零件后，可进行装配干涉检查，如果检测到有干涉，会以黄色曲线标示：如果干涉严重，必须重新定义模具元件。

完成零件的干涉检查后，Pro/E系统能模拟开模过程，使用户可以清楚地观看到手机外壳零件的模具型腔、型芯结构，以便检查设计的适用性。

单击菜单管理器中的【模具进料口】/【定义间距】/【定义移动】输入移动距离，完成移动。模具开模如图6所示。

4 在Master CAM中建立模具的加工模型

通过导入Pro/E系统中的被加工模具零件的数据，在Master CAM中建立手机外壳模具零件的加工模型。

IGES图形交换文件格式是Pro/E和Master CAM都支持的文件格式，IGES文件在这两种设计软件中均具有操作性。因此手机外壳的模具设计完成后，在Pro/E系统中将型腔、型芯零件转换为IGES格式，然后转入Master CAM系统进行加工。

4.1 Pro/E系统转出IGES数据文件

在Pro/E系统的软件界面的模型树列表中mold_vol_1.PRT手机外壳型腔零件上单击右键，在弹出的快捷菜单中选择【打开】，然后选择【文件】/【保存副本】对话框。在【类型】选择“IGES(*.igs)”格式，在弹出的【导出IGES】选择曲面，单击【确定】，将型腔零件输出为IGES曲面格式文件。

型芯零件采取同样方法转换成IGES格式文件，以便Master CAM软件调用。

4.2 Master CAM系统转入IGES文件

打开MasterCAM，在菜单栏中点击【文件】/【打开文件】，文件类型选择IGES，选择所存型腔文件名，完成IGES格式文件的转入。

单击【等角视图】，单击【侧视构图面】，单击【全屏显示】。回主菜单，选择【转换】/【旋转】，选择所有曲面，在弹出的旋转参数设置对话框，输入旋转角度“90”，对导入的模型进行坐标调整处理。

型芯零件采取同样方法在Master CAM系统中转入IGES数据文件，并进行坐标调整。

5 手机外壳模具型芯零件数控加工模拟

Master CAM中铣削是用来生成铣削加工刀具路径，可以进行外形铣削、型腔加工、平面加工等模拟，允许用刀路模拟实体仿真来图形化地编辑和修改刀具路径。刀具路径生成后，经过仿真加工并确定无差错后就可以进行后处理，通过后处理将刀具路径文件转换成数控NC程序，传送至数控机床进行加工。

Master CAM曲面铣削加工提供了多种曲面粗、精加工方法。手机外壳型腔的加工过程与型芯加工过程类似，以手机外壳型芯加工为例说明Master CAM数控模拟加工的具体过程。

5.1 确定加工坯料和对刀点

选择【机床类型】/【铣削】/【默认】，选择默认铣床。在刀具路径管理器对话框中进行工件设置，单击“边界盒”按钮，弹出【边界盒选项】对话框，选择工件形状为立方体，完成坯料的设置。

5.2 刀具路径的设置过程

根据手机外壳模具型芯零件的外形特点，应采用挖槽粗加工、平行精加工和浅平面精加工相结合的方式来编制程序。考虑手机外壳型芯零件上的按键小凸台，最后采用交线清角精加工来完成模拟加工过程。

1)曲面挖糟粗加工

选择【刀具路径】/【曲面粗加工】/【粗加工挖槽加工】，针对加工零件的特点，选用圆鼻刀进行粗加工，通过设置曲面参数、粗加工参数、切削深度、挖槽参数等切除坯料上大部分的工件材料，加工余量为0.5 mm。

2)半精加工

粗加工刀具间距和切削深度较大，余料很多，为了去除过多的余料，使精加工余量均匀，选择【刀具路径】/【曲面精加工】/【精加工平行铣削】进行半精加工。手机外壳型芯零件上许多小凸台，为了保证模具表面加工质量，选取球刀进行平行精加工，通过设置刀具路径的曲面参数、精加工平行铣削参数完成半精加工过程，留下0.2 mm左右的余量。选择球刀加工一方面可以承受粗加工所留余料而不会断刀，同时不能留下过多的余料而给后续精加工造成困难。

3)浅平面精加工

为了提高手机外壳型芯零件顶部平坦区域曲面的加工质量，达到零件的加工精度和表面粗糙度值要求，选择【刀具路径】/【曲面精加工】/【精加工浅平面加工】进行精加工。在【精加工浅平面加工】对话框中选择球刀作为刀具参数，设置合适的浅平面精加工参数完成精加工，使型芯零件顶部平坦区域的残料不留有余料，加工余量为0。

4)交线清角曲面精加工

选择【刀具路径】/【曲面精加工】/【交线清角加工】进行清角加工。手机外壳型芯零件上按键的区域由于精加工刀具进不去而留下余料，因此选择平刀加工，设置合适的交线清角精加工参数完成去除按键区域的余料。

5.3 模拟仿真加工

刀具路径生成后，可以对生成的加工路径进行实体模拟，检查生成的加工路径是否合理、加工表面是否光滑、是否有过切现象。

在操作管理器中单击【选择所有操作】/【实体模拟】，在弹出的“实体切削验证”对话框中，选择模拟方式为“最终结果”，单击“播放”按钮，实体加工模拟结果如图7所示。如果出现加工路径不合理、加工表面不光滑、过切等情况，需重新编辑加工轨迹，直到满意为止。

5.4 生成数控加工代码

刀具路径检验无误后，利用Mastcr CAM后处理模块，自动生成加工手机外壳型芯零件所需要的数控程序。

6 结束语

在现代集成制造系统中，CAD/CAM软件技术是核心，而Pro/E和Master CAM无疑是CAD/CAM软件王国中的奇葩，这两款软件在先进制造企业中有着举足轻重的地位。Pro/E和Master CAM相结合的模具设计与加工模式可以缩短模具研发时间，大大提高了模具的加工精度和生产效率，对提高市场响应速度，增强企业竞争力有非常重要的意义。