CAD/CAM在模具设计与加工中的关键技术

冯志辉

【摘要】随着机械技术水平的快速提升，模具设计正朝着快速、高效、精密的方向发展。以往单纯依靠经验和操作技术实现模具制造的方法已经无法满足实际要求。随着信息化的发展，CAD/CMD软件技术被逐渐应用于设计领域，推动了现在制造技术的飞速发展。本文就 CAD/CAM 软件技术在模具设计与制造中需要注意的技巧和事项甲乙阐述。希望本文能够起到抛砖引玉的作用，以此不断提升零件的制造精度与模具质量。

【关键词】关键技术；模具设计制造；CAD/CAM

引言

传统的模具制造由于生产周期较长、加工质量低以及产品升级较慢、成型工艺参数不稳定等诸多因素制约着模具的发展。伴随着计算机与互联网技术的快速发展，将CAD/CAM技术引入模具设计与制造已经成为该行业发展的趋势。通过CAD/CAM软件技术，我们不但能投提高模具设计与加工的速度，还能大幅降低劳动强度、提升制造业的精度。

一、常用 CAD /CAM 软件概况

随着计算机技术的普及以及现代制造技术的应用各种二级和三级CAD/CAM软件应运而生，并且在使用中具有不同的优势。以AutoCAD，UG，Pro/E等為主的CAD软件常用作零件建模以及绘制零部件图。CAM软件的主要作用是加工零部件设备，通过该软件可以生成标准的G代码，当前较为常见的CAM软件主要包括：MasterCAM、北航海尔的CAXA制造工程师以及Cimatron等等。在众多的CAD/CAM软件中，Pro/E与MasterCAM更具代表性。美国PTC公司推出的Pro/E属于较新的CAD/CAE/CAM软件，该软件可被应用于零件设计、数控加工、铂金件设计、结构分析、模具设计、有限分析以及产品数据库管理等多方面，因此该软件具有较为强大的功能。而由美国cnc software公司推出的Mastercam是以PC为基本平台的CAD/CAM软件，该软件在加工能力方面具有较强的功能。该软件不仅能够对刀位轨迹进行校验、编程，还能对切削与加工过程进行仿真处理，因此该软件具有独到的生成加工代码优势。这两种软件各具优势，因此我们将数控加工技术更强的Mastercam与造型功能优势明显的Pro/E软件结合起来，能够实现设计与加工的有机融合。本文也正是在Pro/E与MasterCAM这两种软件的基础上针对CAD/CAM软件在注塑模具方面的设计与加工进行阐述。

二、模具设计与加工的常用流程

本文以注塑模具为例对Pro/E及Mastercam模具设计与制造加以分析（相关流程图见下图：）流程主要包括两方面：计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造CAM。而CAD部分又可以简单的划分为：三维建模、模型检测与分析和模具组件的设计等三方面。CAM软件技术主要有：加工操作环境的设定、相关工艺参数与刀具的分析和设定、处理相关文件及加工。注塑模具与Pro/E之间包括三个主要模块：模具设计和模座设计模块以及塑料顾问模块。设计模具的零部件和组件主要使用模具设计模块，该模块的功能主要包括：对注射零件的收缩率加以设置；设计模具方案；设计模具的型芯、型腔以及滑块、相关模具零件；将标准元件添加进模具组件中；对注射流道、水道进行设计；检查模具分模和房展开模，通过仿真金属查找出开模时与其他模具元件之间是否产生干涉，进而确定出分模时是否能够实现正常的开模。创建模型是设计模具的基础，我们必须先在Pro/E环境下拉伸、切除、抽壳以及拔模时实现模型的创建工作。进而以模型为基础实现在模具设计模块（ Pro/MOLDESIGN） 的基础上创建、修改以及模具元件和组件的分析。为了有效优化设计模块，我们一般分析和模拟塑料顾问模块对产品与模具之间的数值，通过分析我们可以得到相关的设计缺陷，并改进相应的模具结构与工艺参数。在此前提下，我们利用相应的模具通过CAM软件生成数控代码并进行加工。

三、模具设计与加工过程中的主要技术

（一）灵活运用模具设计中的建模方法

使用Pro/E我们可以通过两种发发设计出相应的模架和相应的组件。其一，以Pro/E为基础的EMX（即：注塑模具设计专家）来设计模具。在Pro/E的前提下EMX属于知识库的模架装配插件，此模块能够创建相应的模架组件，并能提供各种品牌的标准架组件。由于在装配和修改零件上具有很强的优势，可以很好地节省设计费用和设计时间。其二，设计模具组件时采用参数化方法。如果涉及到模具库扩展、非标准件模具组件设计时，该方法具有很强的优势。在ProE前提下，PRO/PROGRAM模块能够解决零件与组件模型的程序列表编程问题，这样使用者可以很便捷的设计组件参数。以Pro/E提供的相应编辑功能可以更加灵活的设计产品，并且大大缩短了不同版本产品的设计时间，并能简单的建立产品零件库。该软件还能自行设置相应的提示语，使用者根据提示输入相应的参数值。此外，该软件还适合不同版本的零件设计，并通过相互关系设定出组件间的尺寸关系。使用过程中我们可以运用IF-ELSE语句保证Pro/E依照实际条件实现自我判断的功能。使用该模块编制的程序秩序在系统自创程序上添加很少的代码就可以实现新程序的编制。该软件可以简单的实现三维模型的参数设计。Pro/PROGRAM只能够提供很少的语句，如果程序相对较大则需采用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Pro/TOOLKIT等其他更为高级的程序设计技术。同时，影响程序编写较大的是模型的构建流程，创建一个零件时，我们能够使用不同的方法。因此，我们要确保构建流程的合理性，否则会直接损害该零件。正是如此，我们建模时不能同义词建立出很多尺寸，要保证尺寸的单独特征性。这种建模形式相对繁琐，但能保证后续工作的准确便捷。

（二）仿真模具加工的主要技术

数控技术的不断发展大大提升了模具加工的精度。CAD/CAM具有很强的无缝衔接优势，这不仅很大程度上提升了自动化的程度，还大幅缩短了从设计到制造的时间周期。由于Pro/E本身自带NC模块，因而可以直接设置毛坯以及工艺和切削参数，并实现刀具路径的岩石和仿真目的，然后可以生成最终的数控代码。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。然而，虽然Pro/E具有较强的实体参数化造型功能与模具设计优势，但其存在设置参数较为繁琐的缺点。反观MasterCAM，它虽然产品造型与模具设计能力相对较差，但其具有可靠便捷的数控加工优势。所以，我们一般 讲Pro/E模具设计功能与MasterCAM的加工仿真优势加以组合，该方法是当前数控加工与模具制造行业中较为常用的工作模式。以下将Pro/E的模具设计与MasterCAM加工流程加以介绍：

1.数据格式的转换

通过MasterCAM我们可以直接读取IGES、DXF、SAT、DWG等各种形式文件。我们将这些文件中的IGES作为主要的数据交换标准。当在Pro/E之中设计好模具之后，我们通过大概相应的模具文件来选择相应菜单中的【文件】、【保存副本】等命令，并以IGES格式保存相应的文件。继而启动Mastercam9.0系统中的【Mill9】模块，通过选择档案——>档案转换——>GES/读取命令这一过程转换为IG-ES形式的文件。同时，为了保证坐标的一致性，我们还需对坐标加以处理。

2.加工工艺的分析

分析模具工艺主要包括：坯料加工、确定对刀点、对外形的规划以及确定刀具的路径，还包括规划曲面等高外形、粗加工刀具路径等等。图2展示了如何在刀具库对话框中选择出相应的刀具，进而设定出相应的刀具参数和外形铣削参数。

图2 刀具库对话框

（三）生成加工模拟及数控代码

当设置好工艺参数后，我们可以选择“刀具路径”主菜单中的“实体验证”功能，这样可以进行事前模拟加工，如果有误会直接生成NC代码。完整的CAM系统由主处理程序Main与后置理程序两部分组成。主处理程序通过接收用户输入的信息，并加以编译、计算和处理表现出刀具路径数据（在坐标系中）。由于该文件无法直接用作数控装置控制指令，当结果放置于刀位数据CLD文件之中时，还需有相应的后置处理程序作为保证。以计算机编写的程序为主的后置处理程序可以将CLD文件内容与功能信息信息加以转换，生成数控机床能够接受的加工程序代码。这种加工程序代码有不同的规定，所以要有相应的后置处理程序为依托。通常情况下，CAM配有相应的常用处理程序，但是很多产国系统缺乏必要的后处理程序，在这种情况下，我们必须修改以及重新设计后处理程序。只有这样才能生成我们所需的NC代码，满足机床格式。最终代码可以通过DNC实现直接加工，或者通过RS232接口输入到机床实现加工。

结束语

CAD/CAM技术的引入和逐渐普及大幅提高了模具设计质量，并将设计周期大幅压缩。随着各种复杂零部件的出现，将逐渐CAD/CAM技术一体化的速度，更便于模具设计和制造。我们需要通过实践不断研究和总结CAD/CAM及时，使其更好的服務于模具设计和制造工作。

参考文献

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