基于CAD/CAM模具設(shè)計與制造的研究

任玉珠

（沈陽職業(yè)技術(shù)學院，沈陽 110045 ）

1 模具設(shè)計與制造概述

模具自身的特殊性決定了模具的設(shè)計與制造是一個不可分割的整體。由于模具的型腔多為復雜的曲面或曲線所構(gòu)成，因而其制造過程大量應(yīng)用了數(shù)控技術(shù)。近年CAD/CAE/CAM商業(yè)軟件日益普及，使得計算機不僅被用來進行模具的設(shè)計和數(shù)控程序的生成，而且還被用來模擬模具的成型和使用過程。

2 模具的種類

根據(jù)應(yīng)用于成型加工的對象和各種工藝過程的不同，模具可具體分為沖壓模、塑料模、壓鑄模、鍛造模、鑄造模、玻璃模、粉末冶金模、橡膠模等。綜合各種模具的共同特點，總體上可將模具分為三大類：1）金屬板材成型模具，如冷沖模等；2）金屬體積成型模具，如鍛模、壓鑄模等；3）非金屬制品用成型模具，如塑料注射模、壓縮模。其中，如果不考慮成型的材料是金屬還是非金屬，可將體積成型模具統(tǒng)稱為型腔模。

模具的外形通?？梢愿鶕?jù)壓制機械的要求設(shè)計，而在模具中要描述其成型對象的輪廓，則通常要依靠一定的造型方法去設(shè)計并做出制造方案，而這些恰好是CAD / CAM軟件的應(yīng)用領(lǐng)域所在。

3 模具設(shè)計與制造的特點

由于不同類型的模具涉及各種不同的專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，因此模具設(shè)計的專業(yè)性較強，需要根據(jù)一定的設(shè)計方法來進行設(shè)計。

1）從二維設(shè)計向三維設(shè)計轉(zhuǎn)變

從設(shè)計手段看，傳統(tǒng)的模具設(shè)計主要采用二維設(shè)計，即首先將三維的制品零件通過投影生成若干個二維視圖來表示，然后在此基礎(chǔ)上再進行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，畫出模具的裝配圖及各個零件圖。目前模具的設(shè)計手段正逐步從傳統(tǒng)的二維設(shè)計向三維設(shè)計轉(zhuǎn)變。

2）三維CAD技術(shù)的出現(xiàn)徹底解決了二維設(shè)計的弊端

整個模具制品零件及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計可以直接在非常直觀的三維環(huán)境下進行。當模具制品及模具零件的三維模型設(shè)計完成后，可直接根據(jù)投影關(guān)系自動生成工程圖，徹底解決了傳統(tǒng)二維設(shè)計繁瑣、相互干涉的弊端。

3）模具設(shè)計推動了CAD、CAM技術(shù)的不斷發(fā)展

模具屬于標準化程度較高的產(chǎn)品，模具設(shè)計中使用的模架及各種標準零件可以直接從CAD系統(tǒng)中建立的標準目錄庫中直接調(diào)用，大大提高了設(shè)計的質(zhì)量與效率。同時，三維CAD系統(tǒng)中設(shè)計生成的模具零件三維模型可直接用于模具的分析模擬及數(shù)控加工編程等后續(xù)應(yīng)用，適應(yīng)了現(xiàn)代化生產(chǎn)和CAD／CAM集成技術(shù)的要求。為了更好地解決模具設(shè)計中所提出的各種新問題，又進一步推動了CAD、CAM技術(shù)的不斷發(fā)展。

4）模具設(shè)計率先使用先進的制造方法、新材料、新工藝

為了盡量縮短模具制造周期，各種先進的制造方法如快速原型制造、逆向工程、高速加工及網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造等技術(shù)也隨著在模具制造業(yè)中的率先應(yīng)用而獲得發(fā)展和完善。除此之外，為了提高模具的使用壽命，各種新材料、新工藝及先進的熱處理、表面處理技術(shù)也在模具制造業(yè)中率先獲得應(yīng)用。

4 模具設(shè)計與制造中CAD/CAM的應(yīng)用

1）模具設(shè)計中大量應(yīng)用了特征三維造型技術(shù)

現(xiàn)代產(chǎn)品根據(jù)使用要求及美學要求來進行設(shè)計，在此同時要考慮材料性能、成型工藝、模具結(jié)構(gòu)、成型設(shè)備、生產(chǎn)批量及生產(chǎn)成本等各方面的要求。基于特征的三維造型軟件的應(yīng)用，為設(shè)計師提供了強大的設(shè)計編輯平臺。使用參數(shù)化特征造型技術(shù)，能很方便地生成產(chǎn)品的三維參數(shù)化模型，調(diào)整參數(shù)值即可實現(xiàn)設(shè)計模型快速修改，為后續(xù)的模具設(shè)計與分析計算打下良好的基礎(chǔ)。

2）PC平臺上的CAD/CAM軟件在模具行業(yè)的應(yīng)用

20世紀90年代前，能支持模具設(shè)計與制造的CAD/CAM軟件主要采用UNIX操作系統(tǒng)，并運行在各類圖形工作站上。目前各工作站版軟件均相繼移植了微機版，甚至推出了完全Windows風格界面的軟件。特別是模具數(shù)控加工中的計算機輔助編程，不少模具企業(yè)已能應(yīng)用自如，并獲得了良好的經(jīng)濟效益。

3）模具遠程協(xié)同制造在CAD/CAM中的集成應(yīng)用

使用計算機輔助完成模具的整個設(shè)計與制造，必然要用到各種CAD/CAM專業(yè)軟件。為了使設(shè)計與制造數(shù)據(jù)能在這些軟件間進行暢通的數(shù)據(jù)交換，必須要實現(xiàn)這些軟件的集成。

傳統(tǒng)意義上的CAD/CAM集成是指一個軟件本身的各種設(shè)計與制造功能的集成，如高端CAD/CAM集成軟件PRO/E、UGII中就集成了零件設(shè)計、反求工程、裝配設(shè)計、模具設(shè)計、工程圖及NC加工編程等諸多功能。但隨著全球經(jīng)濟一體化的不斷推進及模具設(shè)計與制造領(lǐng)域中專業(yè)化分及協(xié)同制造的需要，更需要基于網(wǎng)絡(luò)的模具CAD/CAM集成軟件來支持。

4）專業(yè)的模具CAD/CAM功能及智能化程度在不斷提高

傳統(tǒng)的CAD/CAM軟件使用比較復雜，各種選項的選擇及參數(shù)的設(shè)置必須由用戶作出正確的判斷，否則軟件無法為用戶提供符合實際情況的正確結(jié)果。如模具設(shè)計中非常關(guān)鍵的零件分模面的構(gòu)造，在很多軟件中需要通過使用通用功能一步步地構(gòu)造來實現(xiàn)。

基于知識、面向制造的智能化模具CAD/CAM軟件的出現(xiàn)，將大大提高模具設(shè)計的效率與質(zhì)量。如Cimatronit中的模具專家功能，能根據(jù)脫模方向自動生成分模線，優(yōu)化生成分模面后，再自動分割出凸、凹模。再如CAXA軟件中的知識加工功能，通過簡單的參數(shù)設(shè)置即可完成從支持層間切削的高效粗加工、基于殘留量的半精加工到精加工的整個典型模具加工過程。

在西方工業(yè)發(fā)達國家，模具設(shè)計與制造過程中的CAD/CAM的應(yīng)用已非常普遍，可完全實現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計至模具NC加工的無紙化。所以能否將CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用于模具設(shè)計與制造的全過程已成為模具企業(yè)繼續(xù)發(fā)展的必要條件。

5 CAM主要加工方法

主要包括粗加工、精加工、銑槽加工、知識加工。

5.1 粗加工

區(qū)域粗加工：主要用于加工型腔，選用二軸半加工，根據(jù)給定的輪廓和島嶼，可以生成分層的加工軌跡，也可以生成中間有多個島的平面區(qū)域加工軌跡；

等高線粗加工：主要用于凸模加工，選用兩軸半加工，按指定的等高距離逐步下降，一層一層地加工并基于補加工的曲面或?qū)嶓w以截距相等的平面求出交線，以這些輪廓、島進行加工；掃描線粗加工：主要用于多曲面形成的凸模和凹模的加工，適合兩軸半加工；擺線粗加工：適用于比較平緩曲面的凸模和凹模的加工，適用兩軸半加工；插銑式粗加工和導動線粗加工。

5.2 精加工

參數(shù)線精加工：用于三軸聯(lián)動加工三維曲面；等高線精加工：用于陡峭曲面加工；掃描線精加工：用于選用頂點路徑切削方式，可用于多曲面形成的凸模和凹模的加工；淺平面精加工：用于零件模型中平坦區(qū)域的加工；限制線精加工：用于截面線或斜壁形的凸凹模的加工；導動線精加工：用于截面線或斜壁形的凸凹模的加工；輪廓線精加工、三維偏置精加工和。

5.3 補加工

補加工是根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要，對底部夾角等細微的部分進行補加工。等高線補加工：用于實體、曲面多部位的補加工，也可以用于凹模和凸模的加工；筆式清根加工：用于實體多部位的補加工，也可用于凹模和凸模的加工；區(qū)域式補加工：用于實體多部位的補加工，也可以用于凹模加工及深形和淺形的型腔夾角的補加工。

5.4 銑槽加工

模具是一些比較特殊的零件，有很多的槽需要加工。這些槽大體可以分為直槽、環(huán)形槽、2D和3D槽，它們需用到下列的加工方法。

掃描式銑槽：用于實體多部位的補加工，也可以用于凹模和凸模的加工，是用掃描線的方式生成銑槽軌跡；曲線式銑槽：可適用于實體多部位的加工，也可以用于凹模和凸模的加工，用于生成3D曲線式銑槽軌跡。

5.5 知識加工包括生成模板和應(yīng)用模板

生成模板：用于記錄用戶已經(jīng)成熟或定型的加工流程，在模板文件中記錄加工流程的各個工步的加工參數(shù)。

應(yīng)用模板：用于記錄用戶已經(jīng)成熟或定型的加工流程，在模板文件中記錄加工流程的各個工步的加工參數(shù)。

6 CAM在模具設(shè)計與制造中的關(guān)鍵技術(shù)

6.1 盡量用二維替代三維

大多數(shù)機床在三維曲面或?qū)嶓w的加工中使用直線插補方式，它沒有直接生成的二維軌跡的精度高，也沒有生成二維軌跡的速度快。所以CAM加工中的基本原則是能用二維軌跡完成的，盡量不用三維軌跡做。由此看出，會有很多在設(shè)計中做三維造型的產(chǎn)品，在加工中只需要一些二維輪廓。比如用三維設(shè)計造型完成的三維實體如圖1(a)所示：

如果采用加工造型，完全可以全部采用二維加工軌跡。只需要繪制如圖1(b)所示的二維線框圖，就能滿足其要求。

6.2 工藝對造型的特殊需求

用于三軸加工的造型，由于需要考慮加工工藝，其造型形狀有時也和設(shè)計造型迥然不同。比如設(shè)計造型如圖2(a)所示，如果直接對此實體圖進行加工，其上表面加工軌跡如圖2(b)所示（參數(shù)線加工，不做任何工藝處理的情況）。

如果造型時考慮工藝及造型效率和軌跡生成效率，只需要作二維輪廓及一張原始曲面，即可完全滿足加工對造型的需求。對上述曲面做參數(shù)線加工后生成的軌跡將不會在被加工后的表面邊緣留下折點及進出刀痕跡如圖2(c)所示。因此它所用的時間會明顯比設(shè)計造型用的時間短。生成軌跡時，在設(shè)計造型中，需要處理的是實體，系統(tǒng)將從實體上剝離曲面，然后再對曲面進行加工。而對加工造型，僅僅需要處理現(xiàn)有的曲面即可，速度上要比處理實體快很多。

圖1 三維實體造型與二維線框圖

6.3 混合模型的使用

混合模型在加工造型中用的很多。它可以是實體、曲面、二維線框的任意混合使用。在設(shè)計造刑上的混合模型一般是實體和曲面的混合，很少用到線框、曲面的混合。在加工造型中，這種混合應(yīng)用的主要目地也是為了簡化模型，提高效率。設(shè)計造型如圖3所示：

圖2 設(shè)計造型、加工造型、二維造型

圖3 三維實體、曲面、二維線框混合使用

在其腔體加工過程中，可以被簡化為曲面和線框的混合模型。簡化后的模型在造型和加工中效率都比較高。

6.4 化整為零提高運行效率

在PC機上進行三維實體設(shè)計，當零件的復雜程度加大時，運行效率會很低。對于CAM來說，同樣會遇到這種問題，較好的解決方法就是化整為零。CAM不同于CAD，復雜零件如果拆開設(shè)計會有很多麻煩，CAM則是完全可以的。很多企業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗證明，將一個零件分成很多局部進行CAM造型及加工是可行的，即完成了設(shè)計任務(wù)，又使軟件運行速度成級數(shù)速率提高。

7 結(jié)束語

利用CAM、CAD進行模具設(shè)計與制造，提高工藝文件質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，降低勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

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