CAD/CAM軟件在高精密模具設(shè)計制造中的應(yīng)用

（濟寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟寧 272037）

近年來，模具設(shè)計制造逐漸向著高精密方向發(fā)展，其中CAD（計算機輔助設(shè)計）/CAM（計算機輔助制造）軟件的推廣應(yīng)用引發(fā)了模具設(shè)計制造的重大變革，并將高精密模具設(shè)計加工帶向了前所未有的技術(shù)高度。國內(nèi)模具行業(yè)經(jīng)歷了近十年的發(fā)展取得了巨大的成就，但距離模具制造強國仍有巨大差距。因此，對高精密模具設(shè)計制造中CAD/CAM 軟件的應(yīng)用進行研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 CAD/CAM軟件的內(nèi)涵與應(yīng)用優(yōu)勢

CAD 即計算機輔助設(shè)計，指的是利用計算機及圖形設(shè)備幫助設(shè)計人員進行設(shè)計工作，設(shè)計人員利用該類軟件可進行計算、分析與比較，并從中篩選出最佳方案。利用CAD軟件進行設(shè)計與傳統(tǒng)的設(shè)計方式有明顯不同。其是根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)計劃及對產(chǎn)品功能的要求，不再僅僅依賴于設(shè)計者的知識與經(jīng)驗去設(shè)計，而是運用包括設(shè)計者本人與存儲在計算機中的多種知識，在CAD 系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的支持下進行設(shè)計。這樣設(shè)計出的產(chǎn)品遠遠優(yōu)于單個設(shè)計師憑個人腦力與能力設(shè)計出的產(chǎn)品，CAD 輸出的結(jié)果也不僅僅是裝配圖與零件圖，還包括設(shè)計、制造等過程中應(yīng)用計算機所需的各類信息。CAM 即計算機輔助制造，具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化與過程自動化2 個方面的功能，能夠通過控制計算機數(shù)值來控制制造生產(chǎn)過程[1]。

數(shù)據(jù)加工是CAD/CAM 軟件發(fā)揮效益最直接、最顯著的環(huán)節(jié)之一。通常情況下，加工對象的形狀越復(fù)雜，加工精度越高，設(shè)計更改越頻繁，數(shù)據(jù)加工的優(yōu)越性越容易得到發(fā)揮。從設(shè)計到制造的全過程來看，CAD/CAM 軟件具備3個典型的技術(shù)特點。1）產(chǎn)品開發(fā)的集成。對于一個完全集成的CAD/CAM 軟件而言，其能夠輔助工程師完成從概念設(shè)計到工程功能分析，再到制造的整個產(chǎn)品開發(fā)過程。2）相關(guān)性。CAD/CAM 軟件通過應(yīng)用主模型方法，將設(shè)計與制造過程中的所有應(yīng)用關(guān)聯(lián)起來。3）并行協(xié)作。CAD/CAM 軟件通過應(yīng)用主模型、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM、產(chǎn)品可視化（PV）以及杠桿運用Internet 技術(shù)，支持企業(yè)范圍的并行協(xié)作。

CAD/CAM 軟件不僅引發(fā)了生產(chǎn)模式的變革，還推動了市場的發(fā)展，在包括制造業(yè)在內(nèi)的多個領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。在模具設(shè)計制造中，CAD/CAM 軟件的應(yīng)用優(yōu)勢十分顯著。1）使用CAD/CAM 軟件可顯著提升模具設(shè)計制造的質(zhì)量。借助CAD/CAM 軟件可對模具斷面幾何形狀進行繪制，還可對斷面周長及中心進行計算，所以其精度較高，設(shè)計制造出的模具也更科學(xué)合理。2）使用CAD/CAM 軟件可明顯縮短模具設(shè)計制造的時間。該類軟件對設(shè)計制作者的技術(shù)要求較低，較傳統(tǒng)的手工繪圖而言，該繪圖方式可縮減一半以上的時間，并極大地縮短了圖紙修改的時間，降低了時間成本。3）使用CAD/CAM 軟件可有效節(jié)約模具生產(chǎn)成本。該類軟件利用計算機實現(xiàn)了模具的自動化設(shè)計制造，特別是在復(fù)雜高精密模具型面加工過程中，該類軟件的應(yīng)用極大地減少了加工調(diào)試的次數(shù)，節(jié)約了人力、物力、財力，有效地降低了生產(chǎn)成本。4）使用CAD/CAM 軟件可有效減少工作量。CAD/CAM 軟件的應(yīng)用實現(xiàn)了模具的自動化設(shè)計制造，使設(shè)計人員可以從繁重的工作中成功解脫出來，投身于更具有創(chuàng)造性的工作中去[2]。

2 CAD/CAM軟件在高精密模具設(shè)計制造中的具體應(yīng)用

2.1 CAD/CAM常用軟件的一般使用流程

作為較為常用的CAD 軟件，Pro/E 的一般使用流程分10 步。1）創(chuàng)設(shè)模具模型，系統(tǒng)通過讀取和錄入零件的設(shè)計內(nèi)容，完成胚料的裝配及實體創(chuàng)建。2）軟件借助模具完成成品收縮率的計算與設(shè)計。3）對模具分型面進行設(shè)計，該步驟難度較大，并直接決定了設(shè)計乃至整個模具產(chǎn)品的質(zhì)量。4）利用分型面將胚料劃分為多個型芯體積，并創(chuàng)建砂芯體積、斜頂體積等數(shù)據(jù)。5）轉(zhuǎn)換型芯體積，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榘纪鼓！⑸靶?、滑塊等組件。6）結(jié)合模具特征設(shè)計澆道系統(tǒng)，如Sprue、Runner、Gat 等。7）鑄造模型，設(shè)計澆筑各模型部件。8）借助Analysis 檢測模具零件。9）依托模具打開功能動態(tài)演示開模動作，進一步檢測和了解模具的制作過程。10）完成底座的裝配設(shè)計，確保其與產(chǎn)品相互匹配，并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫方便后續(xù)使用維護[3]。

模具設(shè)計工作結(jié)束后，需要根據(jù)圖紙采購模架等對模具進行加工，并將加工好的部件裝入模胚中，生產(chǎn)出完整的模具。模具加工需要借助CAM 軟件，其核心應(yīng)用軟件有UG、Mastercam 等。以Mastercam 為例，首先，要通過主菜單打開設(shè)計好的模芯零件，執(zhí)行菜單命令，并在菜單對話框中輸入零件的尺寸、原點、材料等數(shù)據(jù)。其次，設(shè)置完成之后需要結(jié)合零件特征選取不同的加工方法，并對切削深度、刀具、加工參數(shù)等進行設(shè)置。最后，要依據(jù)對應(yīng)操作進入模擬界面，對模具進行模擬加工，并在對話框中設(shè)置保存項，將其以NCI 或NC 形式保存，并選擇加工該文件[4]。

2.2 CAD/CAM軟件在高精密模具立體模型設(shè)計中的應(yīng)用

高精密模具大多數(shù)都有立體及曲面加工的要求，傳統(tǒng)設(shè)計多采用平面設(shè)計的方法，即借助投影設(shè)備得到立體模具的多個平面視圖，再對模具架構(gòu)進行設(shè)計，繪制出模具對應(yīng)的零件圖、裝配圖。而CAD 軟件可以直接建立立體模型，使高精密模具設(shè)計由平面設(shè)計成功轉(zhuǎn)向立體設(shè)計。高精密模具的設(shè)計要遵循需求及美學(xué)原則，兼顧制造工藝、材料特征、模具架構(gòu)、成本費用、批量生產(chǎn)等多方面因素，而集特征三維模型技術(shù)于一體的CAD 軟件創(chuàng)設(shè)了設(shè)計繪圖平臺，可便捷、高速地生成參數(shù)化立體模型，借助變動的參數(shù)即可完成模型的修改工作。運用CAM 軟件時需遵循二維軌跡原則，由于模具設(shè)計更傾向于平面軌跡，部分高精密模具的設(shè)計涉及混合模型的使用，如立體、曲面、平面等，因此，模具腔型的設(shè)計需采用立體和曲面的混合模型，為了簡化模型、提高生產(chǎn)效率，往往需要借助CAM 軟件將其化整為零，CAD 軟件并不支持復(fù)雜零件的拆解設(shè)計，CAM 軟件則完全支持，其可以將部分復(fù)雜零件劃分成多個局部進行設(shè)計，再借助CAM 軟件進行加工，這樣可以有效提高效率。

2.3 CAD/CAM軟件在高精密模具加工仿真中的應(yīng)用

由于高速加工對加工工藝、數(shù)控指令等方面要求極高，因此，需要借助CAD/CAM 軟件優(yōu)化編程與刀具進給功率，使主軸速度達到12 000 r/min 以上，使其可以更好地適應(yīng)大型汽車覆蓋件模具的加工要求。與此同時，要想滿足高精度模具的要求就需要通過CAD/CAM 軟件的無縫銜接，大幅縮短了模具設(shè)計制造的周期。

以Pro/E 為例，其自身攜帶NC 模塊，可進行毛坯、工藝參數(shù)、切削參數(shù)等的設(shè)置，并可以對刀具路徑進行仿真演示，最終生成相應(yīng)的數(shù)控代碼，但Pro/E 的加工參數(shù)設(shè)置過于煩瑣，而Mastercam 雖然在產(chǎn)品造型、模具設(shè)計方面不如Pro/E，但在數(shù)控加工方面十分便捷，因此，二者的銜接貫通了模具的設(shè)計與加工仿真各環(huán)節(jié)。在Mastercam 軟件下，Pro/E 的操作流程為首先轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，借助Mastercam 讀取IGES、SAT、DXF、DWG 等格式文件，在Pro/E 中完成設(shè)計后需打開相應(yīng)的模具文件，選取菜單欄中的文件/保存副本命令，隨后啟動Mastercam 軟件的Mill 9 模塊，執(zhí)行檔案/檔案轉(zhuǎn)換/IGES/讀取命令，將其轉(zhuǎn)化為IGES 文件，并處理坐標(biāo)，使之保持一致。其次，選擇加工工藝，包括模具加工設(shè)計坯料、對刀點的確定、外形規(guī)劃、曲面規(guī)劃等內(nèi)容，可借助刀具庫對話框選擇響應(yīng)的加工刀具，并對刀具及外形銑削等參數(shù)進行設(shè)置。最后，加工模擬與代碼生成，設(shè)置好參數(shù)后可選擇“刀具路徑”的“實體驗證”功能，對模具進行模擬加工，如果加工無誤，可生成NC 代碼，CAM 軟件涉及主處理程序、后置理程序，前者負責(zé)接收用戶輸入的信息，并將數(shù)據(jù)體現(xiàn)在坐標(biāo)系中，存儲為CLD文件，但該文件無法直接用作數(shù)控指令，需要有一個科學(xué)的后置處理程序，系統(tǒng)將CLD 文件信息轉(zhuǎn)化為數(shù)控機床所能接收的NC 程序代碼，并借助RS-232 接口錄入機床或直接進行加工[5]。

2.4 CAD/CAM 軟件在高精密模具檢測中的應(yīng)用

對于高精密模具檢測而言，傳統(tǒng)檢測方式采用的是可移動式的三坐標(biāo)測量儀，隨著高速加工技術(shù)的應(yīng)用，傳統(tǒng)的測量方式已經(jīng)無法滿足高精密模具的測量需求，需要借助三坐標(biāo)測量儀與CAD/CAM 軟件的配合，完成模具的測量工作。當(dāng)然，這2 種方法的效果大相徑庭，通常而言，CAD/CAM軟件的測量空間為3 250 mm×2 090 mm×1 370 mm，而三坐標(biāo)測量儀精度約0.015 mm，其最大測量質(zhì)量約為40 t?？梢姡珻AD/CAM 軟件的應(yīng)用極大地提高了測量精度，為了保證高精密模具測量精度的長期穩(wěn)定性，需要將測量儀置于恒溫20 ℃的環(huán)境中，避免受到灰塵、振動等因素的影響，將其與外界環(huán)境隔絕開來，并置于由100 t 氣墊支撐的混凝土支座上。除了對模具的品質(zhì)進行測量外，還需要對零件的整個加工過程及工序質(zhì)量進行檢測。通常情況下，高精密模具加工需檢測2 次，第一次是在沖壓工序前進行測量，第二次是在沖壓后進行測量，2 次檢測均需要對模具上、下模型腔的狀態(tài)進行檢測，先利用理論計算法明晰其理論厚度，再對模具的制造全過程進行檢測[6]。

3 結(jié)語

作為工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備，模具設(shè)計制造技術(shù)水平是衡量一個國家制造水平的重要指標(biāo)，并直接決定了企業(yè)的生產(chǎn)空間。隨著各行各業(yè)對高精密模具設(shè)計制造需求的逐步提高，CAD/CAM 軟件的引入已經(jīng)成為必然趨勢，其不僅能夠提高模具的設(shè)計質(zhì)量、縮短模具的設(shè)計周期，還能使高精密模具的設(shè)計制造更便捷、更高效，所以具有十分廣闊的應(yīng)用前景。應(yīng)注意的是CAD/CAM 軟件在應(yīng)用過程中仍存在不少技術(shù)難題，必須不斷深化研究，完善設(shè)計軟件，引入人工智能技術(shù)，進一步提升CAD/CAM 軟件的應(yīng)用效果。