CAD/CAM在模具設計與加工中的關鍵技術

馮志輝

【摘要】隨著機械技術水平的快速提升，模具設計正朝著快速、高效、精密的方向發(fā)展。以往單純依靠經(jīng)驗和操作技術實現(xiàn)模具制造的方法已經(jīng)無法滿足實際要求。隨著信息化的發(fā)展，CAD/CMD軟件技術被逐漸應用于設計領域，推動了現(xiàn)在制造技術的飛速發(fā)展。本文就 CAD/CAM 軟件技術在模具設計與制造中需要注意的技巧和事項甲乙闡述。希望本文能夠起到拋磚引玉的作用，以此不斷提升零件的制造精度與模具質(zhì)量。

【關鍵詞】關鍵技術；模具設計制造；CAD/CAM

引言

傳統(tǒng)的模具制造由于生產(chǎn)周期較長、加工質(zhì)量低以及產(chǎn)品升級較慢、成型工藝參數(shù)不穩(wěn)定等諸多因素制約著模具的發(fā)展。伴隨著計算機與互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，將CAD/CAM技術引入模具設計與制造已經(jīng)成為該行業(yè)發(fā)展的趨勢。通過CAD/CAM軟件技術，我們不但能投提高模具設計與加工的速度，還能大幅降低勞動強度、提升制造業(yè)的精度。

一、常用 CAD /CAM 軟件概況

隨著計算機技術的普及以及現(xiàn)代制造技術的應用各種二級和三級CAD/CAM軟件應運而生，并且在使用中具有不同的優(yōu)勢。以AutoCAD，UG，Pro/E等為主的CAD軟件常用作零件建模以及繪制零部件圖。CAM軟件的主要作用是加工零部件設備，通過該軟件可以生成標準的G代碼，當前較為常見的CAM軟件主要包括：MasterCAM、北航海爾的CAXA制造工程師以及Cimatron等等。在眾多的CAD/CAM軟件中，Pro/E與MasterCAM更具代表性。美國PTC公司推出的Pro/E屬于較新的CAD/CAE/CAM軟件，該軟件可被應用于零件設計、數(shù)控加工、鉑金件設計、結構分析、模具設計、有限分析以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理等多方面，因此該軟件具有較為強大的功能。而由美國cnc software公司推出的Mastercam是以PC為基本平臺的CAD/CAM軟件，該軟件在加工能力方面具有較強的功能。該軟件不僅能夠?qū)Φ段卉壽E進行校驗、編程，還能對切削與加工過程進行仿真處理，因此該軟件具有獨到的生成加工代碼優(yōu)勢。這兩種軟件各具優(yōu)勢，因此我們將數(shù)控加工技術更強的Mastercam與造型功能優(yōu)勢明顯的Pro/E軟件結合起來，能夠?qū)崿F(xiàn)設計與加工的有機融合。本文也正是在Pro/E與MasterCAM這兩種軟件的基礎上針對CAD/CAM軟件在注塑模具方面的設計與加工進行闡述。

二、模具設計與加工的常用流程

本文以注塑模具為例對Pro/E及Mastercam模具設計與制造加以分析（相關流程圖見下圖：）流程主要包括兩方面：計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助制造CAM。而CAD部分又可以簡單的劃分為：三維建模、模型檢測與分析和模具組件的設計等三方面。CAM軟件技術主要有：加工操作環(huán)境的設定、相關工藝參數(shù)與刀具的分析和設定、處理相關文件及加工。注塑模具與Pro/E之間包括三個主要模塊：模具設計和模座設計模塊以及塑料顧問模塊。設計模具的零部件和組件主要使用模具設計模塊，該模塊的功能主要包括：對注射零件的收縮率加以設置；設計模具方案；設計模具的型芯、型腔以及滑塊、相關模具零件；將標準元件添加進模具組件中；對注射流道、水道進行設計；檢查模具分模和房展開模，通過仿真金屬查找出開模時與其他模具元件之間是否產(chǎn)生干涉，進而確定出分模時是否能夠?qū)崿F(xiàn)正常的開模。創(chuàng)建模型是設計模具的基礎，我們必須先在Pro/E環(huán)境下拉伸、切除、抽殼以及拔模時實現(xiàn)模型的創(chuàng)建工作。進而以模型為基礎實現(xiàn)在模具設計模塊（ Pro/MOLDESIGN） 的基礎上創(chuàng)建、修改以及模具元件和組件的分析。為了有效優(yōu)化設計模塊，我們一般分析和模擬塑料顧問模塊對產(chǎn)品與模具之間的數(shù)值，通過分析我們可以得到相關的設計缺陷，并改進相應的模具結構與工藝參數(shù)。在此前提下，我們利用相應的模具通過CAM軟件生成數(shù)控代碼并進行加工。

三、模具設計與加工過程中的主要技術

（一）靈活運用模具設計中的建模方法

使用Pro/E我們可以通過兩種發(fā)發(fā)設計出相應的模架和相應的組件。其一，以Pro/E為基礎的EMX（即：注塑模具設計專家）來設計模具。在Pro/E的前提下EMX屬于知識庫的模架裝配插件，此模塊能夠創(chuàng)建相應的模架組件，并能提供各種品牌的標準架組件。由于在裝配和修改零件上具有很強的優(yōu)勢，可以很好地節(jié)省設計費用和設計時間。其二，設計模具組件時采用參數(shù)化方法。如果涉及到模具庫擴展、非標準件模具組件設計時，該方法具有很強的優(yōu)勢。在ProE前提下，PRO/PROGRAM模塊能夠解決零件與組件模型的程序列表編程問題，這樣使用者可以很便捷的設計組件參數(shù)。以Pro/E提供的相應編輯功能可以更加靈活的設計產(chǎn)品，并且大大縮短了不同版本產(chǎn)品的設計時間，并能簡單的建立產(chǎn)品零件庫。該軟件還能自行設置相應的提示語，使用者根據(jù)提示輸入相應的參數(shù)值。此外，該軟件還適合不同版本的零件設計，并通過相互關系設定出組件間的尺寸關系。使用過程中我們可以運用IF-ELSE語句保證Pro/E依照實際條件實現(xiàn)自我判斷的功能。使用該模塊編制的程序秩序在系統(tǒng)自創(chuàng)程序上添加很少的代碼就可以實現(xiàn)新程序的編制。該軟件可以簡單的實現(xiàn)三維模型的參數(shù)設計。Pro/PROGRAM只能夠提供很少的語句，如果程序相對較大則需采用模塊提供的語句較少，要設計功能強大一些的程序時需要采用Pro/TOOLKIT等其他更為高級的程序設計技術。同時，影響程序編寫較大的是模型的構建流程，創(chuàng)建一個零件時，我們能夠使用不同的方法。因此，我們要確保構建流程的合理性，否則會直接損害該零件。正是如此，我們建模時不能同義詞建立出很多尺寸，要保證尺寸的單獨特征性。這種建模形式相對繁瑣，但能保證后續(xù)工作的準確便捷。

（二）仿真模具加工的主要技術

數(shù)控技術的不斷發(fā)展大大提升了模具加工的精度。CAD/CAM具有很強的無縫銜接優(yōu)勢，這不僅很大程度上提升了自動化的程度，還大幅縮短了從設計到制造的時間周期。由于Pro/E本身自帶NC模塊，因而可以直接設置毛坯以及工藝和切削參數(shù)，并實現(xiàn)刀具路徑的巖石和仿真目的，然后可以生成最終的數(shù)控代碼。模具經(jīng)過設計及分析后，最終要生成數(shù)控程序并控制數(shù)控機床進行加工。然而，雖然Pro/E具有較強的實體參數(shù)化造型功能與模具設計優(yōu)勢，但其存在設置參數(shù)較為繁瑣的缺點。反觀MasterCAM，它雖然產(chǎn)品造型與模具設計能力相對較差，但其具有可靠便捷的數(shù)控加工優(yōu)勢。所以，我們一般 講Pro/E模具設計功能與MasterCAM的加工仿真優(yōu)勢加以組合，該方法是當前數(shù)控加工與模具制造行業(yè)中較為常用的工作模式。以下將Pro/E的模具設計與MasterCAM加工流程加以介紹：

1.數(shù)據(jù)格式的轉換

通過MasterCAM我們可以直接讀取IGES、DXF、SAT、DWG等各種形式文件。我們將這些文件中的IGES作為主要的數(shù)據(jù)交換標準。當在Pro/E之中設計好模具之后，我們通過大概相應的模具文件來選擇相應菜單中的【文件】、【保存副本】等命令，并以IGES格式保存相應的文件。繼而啟動Mastercam9.0系統(tǒng)中的【Mill9】模塊，通過選擇檔案——>檔案轉換——>GES/讀取命令這一過程轉換為IG-ES形式的文件。同時，為了保證坐標的一致性，我們還需對坐標加以處理。

2.加工工藝的分析

分析模具工藝主要包括：坯料加工、確定對刀點、對外形的規(guī)劃以及確定刀具的路徑，還包括規(guī)劃曲面等高外形、粗加工刀具路徑等等。圖2展示了如何在刀具庫對話框中選擇出相應的刀具，進而設定出相應的刀具參數(shù)和外形銑削參數(shù)。

圖2 刀具庫對話框

（三）生成加工模擬及數(shù)控代碼

當設置好工藝參數(shù)后，我們可以選擇“刀具路徑”主菜單中的“實體驗證”功能，這樣可以進行事前模擬加工，如果有誤會直接生成NC代碼。完整的CAM系統(tǒng)由主處理程序Main與后置理程序兩部分組成。主處理程序通過接收用戶輸入的信息，并加以編譯、計算和處理表現(xiàn)出刀具路徑數(shù)據(jù)（在坐標系中）。由于該文件無法直接用作數(shù)控裝置控制指令，當結果放置于刀位數(shù)據(jù)CLD文件之中時，還需有相應的后置處理程序作為保證。以計算機編寫的程序為主的后置處理程序可以將CLD文件內(nèi)容與功能信息信息加以轉換，生成數(shù)控機床能夠接受的加工程序代碼。這種加工程序代碼有不同的規(guī)定，所以要有相應的后置處理程序為依托。通常情況下，CAM配有相應的常用處理程序，但是很多產(chǎn)國系統(tǒng)缺乏必要的后處理程序，在這種情況下，我們必須修改以及重新設計后處理程序。只有這樣才能生成我們所需的NC代碼，滿足機床格式。最終代碼可以通過DNC實現(xiàn)直接加工，或者通過RS232接口輸入到機床實現(xiàn)加工。

結束語

CAD/CAM技術的引入和逐漸普及大幅提高了模具設計質(zhì)量，并將設計周期大幅壓縮。隨著各種復雜零部件的出現(xiàn)，將逐漸CAD/CAM技術一體化的速度，更便于模具設計和制造。我們需要通過實踐不斷研究和總結CAD/CAM及時，使其更好的服務于模具設計和制造工作。

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