CAD/CAM在模具设计与加工中的关键技术

0 引言

    模具是工业生产的基础工艺装备。在飞机、汽车、发动机、电机、电器、电子、仪表和通信等产品中，60%—80%的零部件都要依靠模具成形。模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，因为模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力，并在很大程度上决定企业的生产空间。振兴和发展我国的模具工业，已经是人们的普遍共识。模具作为一种高效率的工艺装备，具有节约原材料、制件成本低廉等优点。随着模具工业的发展，快速、高效、精密成为模具设计的基本要求。零件多品种、小批量已成为当前的生产趋势，传统的主要依靠技术人员的经验和操作技能来进行模具设计与制造，已不能为满足现代模具设计与制造要求，传统的模具设计制造方法模具设计技术水平低，加工质量差，生产周期长，新产品的更新换代慢及成型工艺参数不稳定等制约着模具工业的发展，所以传统的方法已不能适应当前发展的需要。目前随着计算机技术的快速发展，计算机技术在模具设计制造中的应用越来越广泛。CAD/CAM（Computer-Aided Design/Computer-Aided Manufacturing）技术引入模具设计与制造已是必然趋势，CAD/CAM不仅能加快模具的设计与加工过程，而且能缩短设计周期，降低劳动强度，提高制造造精度，本文就CAD/CAM软件在模具设计制造中的一些技术作一些探讨。

1 常见CAD/CAM软件简介

    随着计算机技术及现代制造技术的迅速发展，各种二维及三维CAD/CAM软件应运而生，且各具特色。CAD软件主要完成零件的建模及零部件图的绘制，常见的CAD软件有AutoCAD，UG，Pro/E等。CAM软件用来生成标准的G代码，用来实现零件的加工，常见CAM软件有：北航海尔的CAXA制造工程师以及MasterCAM，Cimatron等。Pro/E和MasterCAM是其中用的较多的CAD/CAM软件。PRO/E是美国PTC公司推出的新一代CAD/CAE/CAM软件，它功能非常强大，利用它可以进行零件设计、产品装配、数控加工、钣金件设计、模具设计、机构分析、有限元分析和产品数据库管理等，被广泛应用于工业设计、机械等众多行业。Mastercam是由美国cnc software公司推出的基于PC平台上的CAD/CAM软件，具有很强的加工功能，它不仅能对刀位轨迹进行编程及校验，而且能够对切削加工过程仿真，在生成加工代码方面具有独到的优势。由于Mastercam主要针对数控加工，零件的设计造型功能不强，因此将Pro/E强大的造型功能和Mastercam可靠的加工功能结合起来将会使零件的设计与加工更加快捷方便。以Pro/E和MasterCAM软件为例就CAD/CAM软件在注塑模具设计与加工中的关键技术进行探讨。

2 模具设计与加工的一般流程

    以注塑模具为例运用Pro/E及Mastercam进行模具设计与制造的流程如图1所示：它主要包括两大部分，计算机辅助设计(CAD)及计算机辅助制造CAM，CAD部分主要包括产品三维建模、模型检测与分析及模具组件设计。CAM部分包括设定加工操作环境、刀具及工艺参数分析与设定及后处理文件配置与加工。在Pro/E中与注塑模具有关的的主要模块有3个：模具设计模块、模座设计模块、塑料顾问模块。模具设计模块主要用于设计模具零部件及组件，它包括如下功能：设置注射零件的收缩率；对模具进行方案设计；对模具型腔、型芯、滑块以及相关模具零件进行设计；在模具组件中添加标准元件；设计注射流道和水道；进行模具分模检查及开模仿真，以便发现模具元件在开模时是否与其他模具元件发生相互干涉．以确认模具在分模过程中能否正常开模。模具设计的基础是模型的创建，因此，需要首先在Pro/E环境下在零件模块中通过拉伸、切除、抽壳及拔模等造型功能创建零件模型，然后根据零件模型在模具设计模块Pro/MOLDESIGN）中创建、修改、分析模具元件其组件。为了使设计模块得到优化，可以利用塑料顾问模块对模具和产品进行数值分析模拟，以便分析设计缺陷并进行工艺参数及模具结构的改进。设计好的模具在CAM部分进行数控代码生成成及加工。

3 模具设计与加工中的关键技术

3.1 模具设计中建模方法的灵活运用

    通过Pro/E可以用2种方法设计模架及其组件。第一种方法是基于Pro/E的模具设计EMX（注塑模具设计专家）进行模具设计。EMX是Pro/E提供的一个基于知识库的模架装配插件，通过该模块可以进行模架组件的创建，它提供了多种品牌的标准框架组件，通过定义不同元件的尺寸就可以生成模架组件，方便了零件的装配和修改，从而节省设计时间和费用。第二种方法通过参数化方法设计模具组件。当需要对模具库进行扩充或者设计非标准模具组件时，参数化建模方法提供了很大的方便。PRO/E的PRO/PROCRAM模块提供了基于零件和组件模型的程序列表编程技术，以便用户进行零件和组件的参数化设计。PRO/E提供的程序编辑功能，使产品设计的更加灵活，能在较短时间内建立不同版本的产品，方便了产品零件库的建立。在零件模块下，PRO/E提供的PROGRAM具有设置输入提示句，方便用户根据提示输入特定的参数值；能够生成不同版本的零件；通过关系式建立尺寸之间的关系；通过IF—ELSE语句运用，让PRO/E能够根据条件自动判断等功能。利用该模块编制参数化设计程序比较简单，在系统自动创建的程序列表基础上只需添加少量代码，就可以实现三维模型的参数化设计功能。但是由于PRO/PROGRAM模块提供的语句较少，要设计功能强大一些的程序时需要采用更高级的程序设计技术，如PRO/TOOLKIT等。另外，模型的构建流程对程序的编写有很大的影响，一个零件的创建可以有多种方法，如果构建流程不合理，可能会带来零件的不能重生。所以在建模过程中尽量让重要尺寸用单独的特征来表示，不要一次建立很多个尺寸特征，这虽然建模的时候很快，但给后续工作带来很多麻烦。

3.2 模具加工仿真中的关键技术

    随着数控技术的发展，模具加工的精度也越来越高，CAD/CAM的无缝衔接使得模具从设计到制造周期缩短，自动化程度得到很大提高。模具经过设计及分析后，最终要生成数控程序并控制数控机床进行加工。Pro/E本身自带有一个NC模块，在该模块下可以进行毛坯设置、工艺参数及切削参数设置，并进行刀具路径演示及仿真，最终生成数控代码。然而，Pro/E在实体参数化造型功能及模具设计方面有较强的优势，但在加工方面因其参数设置较为繁琐，而MasterCAM在产品造型及模具设计方面不如Pro/E，但在数控加工方面比较可靠方便，因此，利用Pro/E进行模具设计利用MasterCAM进行加工仿真及加工是目前模具行业和数控加工领域中普遍的工作模式。Pro/E下设计的模具在MasterCAM下进行操作流程如下。

图1 模具设计与制造流程图

3.2.1 数据格式转换

    MasterCAM可读取提IGES，SAT，DXF，DWG等多种格式的文件，其中IGES是应用最广泛的一种数据交换标准，因此，在Pro/E中完成模具设计后，需要打开模具文件，选择菜单栏中的【文件】/【保存副本】命令，将文件保存为IGES格式的文件。然后启动Mastercam9.0系统的【Mill 9】模块，选择档案/档案转换/IGES/读取命令，转入IGES文件，并对坐标进行处理，使得坐标一致。

3.2.2 加工工艺分析

    工艺分析主要包括加工坯料、对刀点的确定、规划外形加工刀具路径，规划曲面等高外形粗加工刀具路径等内容。在如图2所示的刀具库对话框中选择加工用刀具，在图3所示刀具参数设定对话框中对刀具参数及外形铣削参数进行设置。

图2 刀具库对话框

3.2.3 加工模拟及数控代码生成

    工艺参数设置好后，就可以选择“刀具路径”主菜单下的“实体验证”功能进行模拟加工，如果加工模拟无误，则可以生成NC代码。但是一个完整的CAM系统包括了主处理程序（Main Processor)和后置理程序Post Processor）2部分。主处理程序的功能是接收用户输入的信息，并且对它进行编译、计算、处理，将刀具路径数据在一般的坐标系中表现出来，将处理的结果放置在刀位数据CLDCutter Location Data)文件中，这种文件不能直接用作数控装置的控制指令，因此必须有一个后置处理程序。后置处理程序是按照数控机床的功能及数控加工程序格式的要而编写的计算机程序。它将CLD文件的内容和功能信息信息转换成某种数控机床控制单元所能接收的数控加工程序代码。由于不同的数控系统加工程序代码的规定各不相同，因此针对不的数控系统系统需要提供不同的后置处理程。一般情况下CAM对于常用系统都配有相应的后处理程序，但对于有些国产系统没有相应的后处理程序，就需要用户修改或者设计后处理程序，从而生成满足相应机床格式的NC代码。最后将生成的数控代码通过RS232接口输入机床或者通过DNC直接加工。

图3 刀具参数设定对话框

4 结语

    由于CAD/CAM技术的应用，提高了模具设计质量，缩短了模具设计周期，提高了零件的制造精度。特别是随着零件复杂程度的增加，CAD/CAM技术一体化使模具设计制造更加便捷，具有广泛的应用前景。

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