CAD/CAM在模具設計與加工中的關鍵技術

時間：2024-08-12 09:02:57 模具設計

　　隨著制造業信息化時代的到來，現代制造技術快速發展，各種CAD/CAM(Computer-Aided Design/Computer-Aided Manufacturing)軟件在工業設計領域得到了廣泛的應用，CAD/CAM技術應用于模具設計與加工成為模具發展的必然趨勢。今天小編就給大家講講關于CAD/CAM在模具設計與加工中的關鍵技術，大家一起來看看吧。

　　探討了CAD/CAM軟件在模具設計制造中應用過程以及一些軟件使用注意事項和技巧。以Pro/E和MasterCAM軟件在注塑模具中的應用為例就CAD/CAM軟件在模具設計與加工中的關鍵技術進行探討。提高了零件的制造精度和模具設計質量，縮短了模具設計周期。CAD/CAM一體化技術使模具設計制造更加便捷方便。

　　模具是工業生產的基礎工藝裝備。在飛機、汽車、發動機、電機、電器、電子、儀表和通信等產品中，60%—80%的零部件都要依靠模具成形。模具生產技術水平的高低，已成為衡量一個國家產品制造水平高低的重要標志，因為模具在很大程度上決定著產品的質量、效益和新產品的開發能力，并在很大程度上決定企業的生產空間。振興和發展我國的模具工業，已經是人們的普遍共識。

　　模具作為一種高效率的工藝裝備，具有節約原材料、制件成本低廉等優點。隨著模具工業的發展，快速、高效、精密成為模具設計的基本要求。零件多品種、小批量已成為當前的生產趨勢，傳統的主要依靠技術人員的經驗和操作技能來進行模具設計與制造，已不能為滿足現代模具設計與制造要求，傳統的模具設計制造方法模具設計技術水平低，加工質量差，生產周期長，新產品的更新換代慢及成型工藝參數不穩定等制約著模具工業的發展，所以傳統的方法已不能適應當前發展的需要。

　　目前隨著計算機技術的快速發展，計算機技術在模具設計制造中的應用越來越廣泛。CAD/CAM(Computer-Aided Design/Computer-Aided Manufacturing)技術引入模具設計與制造已是必然趨勢，CAD/CAM不僅能加快模具的設計與加工過程，而且能縮短設計周期，降低勞動強度，提高制造造精度，本文就CAD/CAM軟件在模具設計制造中的一些技術作一些探討。

　　一、常見CAD/CAM軟件簡介

　　隨著計算機技術及現代制造技術的迅速發展，各種二維及三維CAD/CAM軟件應運而生，且各具特色。CAD軟件主要完成零件的建模及零部件圖的繪制，常見的CAD軟件有AutoCAD，UG，Pro/E等。CAM軟件用來生成標準的G代碼，用來實現零件的加工，常見CAM軟件有：北航海爾的CAXA制造工程師以及MasterCAM，Cimatron等。

　　Pro/E和MasterCAM是其中用的較多的CAD/CAM軟件。PRO/E是美國PTC公司推出的新一代CAD/CAE/CAM軟件，它功能非常強大，利用它可以進行零件設計、產品裝配、數控加工、鈑金件設計、模具設計、機構分析、有限元分析和產品數據庫管理等，被廣泛應用于工業設計、機械等眾多行業。

　　Mastercam是由美國cnc software公司推出的基于PC平臺上的CAD/CAM軟件，具有很強的加工功能，它不僅能對刀位軌跡進行編程及校驗，而且能夠對切削加工過程仿真，在生成加工代碼方面具有獨到的優勢。由于Mastercam主要針對數控加工，零件的設計造型功能不強，因此將Pro/E強大的造型功能和Mastercam可靠的加工功能結合起來將會使零件的設計與加工更加快捷方便。以Pro/E和MasterCAM軟件為例就CAD/CAM軟件在注塑模具設計與加工中的關鍵技術進行探討。

　　二、模具設計與加工的一般流程

　　以注塑模具為例運用Pro/E及Mastercam進行模具設計與制造的流程如圖1所示：它主要包括兩大部分，計算機輔助設計(CAD)及計算機輔助制造CAM，CAD部分主要包括產品三維建模、模型檢測與分析及模具組件設計。CAM部分包括設定加工操作環境、刀具及工藝參數分析與設定及后處理文件配置與加工。在Pro/E中與注塑模具有關的的主要模塊有3個：模具設計模塊、模座設計模塊、塑料顧問模塊。

　　模具設計模塊主要用于設計模具零部件及組件，它包括如下功能：設置注射零件的收縮率;對模具進行方案設計;對模具型腔、型芯、滑塊以及相關模具零件進行設計;在模具組件中添加標準元件;設計注射流道和水道;進行模具分模檢查及開模仿真，以便發現模具元件在開模時是否與其他模具元件發生相互干涉。

　　以確認模具在分模過程中能否正常開模。模具設計的基礎是模型的創建，因此，需要首先在Pro/E環境下在零件模塊中通過拉伸、切除、抽殼及拔模等造型功能創建零件模型，然后根據零件模型在模具設計模塊Pro/MOLDESIGN)中創建、修改、分析模具元件其組件。為了使設計模塊得到優化，可以利用塑料顧問模塊對模具和產品進行數值分析模擬，以便分析設計缺陷并進行工藝參數及模具結構的改進。設計好的模具在CAM部分進行數控代碼生成成及加工。

　　三、模具設計與加工中的關鍵技術

　　模具設計中建模方法的靈活運用

　　通過Pro/E可以用2種方法設計模架及其組件。第一種方法是基于Pro/E的模具設計EMX(注塑模具設計專家)進行模具設計。EMX是Pro/E提供的一個基于知識庫的模架裝配插件，通過該模塊可以進行模架組件的創建，它提供了多種品牌的標準框架組件，通過定義不同元件的尺寸就可以生成模架組件，方便了零件的裝配和修改，從而節省設計時間和費用。第二種方法通過參數化方法設計模具組件。當需要對模具庫進行擴充或者設計非標準模具組件時，參數化建模方法提供了很大的方便。PRO/E的PRO/PROCRAM模塊提供了基于零件和組件模型的程序列表編程技術，以便用戶進行零件和組件的參數化設計。

　　PRO/E提供的程序編輯功能，使產品設計的更加靈活，能在較短時間內建立不同版本的產品，方便了產品零件庫的建立。在零件模塊下，PRO/E提供的PROGRAM具有設置輸入提示句，方便用戶根據提示輸入特定的參數值;能夠生成不同版本的零件;通過關系式建立尺寸之間的關系;通過IF—ELSE語句運用，讓PRO/E能夠根據條件自動判斷等功能。

　　利用該模塊編制參數化設計程序比較簡單，在系統自動創建的程序列表基礎上只需添加少量代碼，就可以實現三維模型的參數化設計功能。但是由于PRO/PROGRAM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更高級的程序設計技術，如PRO/TOOLKIT等。另外，模型的構建流程對程序的編寫有很大的影響，一個零件的創建可以有多種方法，如果構建流程不合理，可能會帶來零件的不能重生。所以在建模過程中盡量讓重要尺寸用單獨的特征來表示，不要一次建立很多個尺寸特征，這雖然建模的時候很快，但給后續工作帶來很多麻煩。

　　模具加工仿真中的關鍵技術

　　隨著數控技術的發展，模具加工的精度也越來越高，CAD/CAM的無縫銜接使得模具從設計到制造周期縮短，自動化程度得到很大提高。模具經過設計及分析后，最終要生成數控程序并控制數控機床進行加工。Pro/E本身自帶有一個NC模塊，在該模塊下可以進行毛坯設置、工藝參數及切削參數設置，并進行刀具路徑演示及仿真，最終生成數控代碼。

　　然而，Pro/E在實體參數化造型功能及模具設計方面有較強的優勢，但在加工方面因其參數設置較為繁瑣，而MasterCAM在產品造型及模具設計方面不如Pro/E，但在數控加工方面比較可靠方便，因此，利用Pro/E進行模具設計利用MasterCAM進行加工仿真及加工是目前模具行業和數控加工領域中普遍的工作模式。Pro/E下設計的模具在MasterCAM下進行操作流程如下。

　　數據格式轉換

　　MasterCAM可讀取提IGES，SAT，DXF，DWG等多種格式的文件，其中IGES是應用最廣泛的一種數據交換標準，因此，在Pro/E中完成模具設計后，需要打開模具文件，選擇菜單欄中的【文件】/【保存副本】命令，將文件保存為IGES格式的文件。然后啟動Mastercam9.0系統的【Mill 9】模塊，選擇檔案/檔案轉換/IGES/讀取命令，轉入IGES文件，并對坐標進行處理，使得坐標一致。

　　加工工藝分析

　　工藝分析主要包括加工坯料、對刀點的確定、規劃外形加工刀具路徑，規劃曲面等高外形粗加工刀具路徑等內容。在如圖2所示的刀具庫對話框中選擇加工用刀具，在圖3所示刀具參數設定對話框中對刀具參數及外形銑削參數進行設置。

　　加工模擬及數控代碼生成

　　工藝參數設置好后，就可以選擇“刀具路徑”主菜單下的“實體驗證”功能進行模擬加工，如果加工模擬無誤，則可以生成NC代碼。但是一個完整的CAM系統包括了主處理程序(Main Processor)和后置理程序Post Processor)2部分。主處理程序的功能是接收用戶輸入的信息，并且對它進行編譯、計算、處理，將刀具路徑數據在一般的坐標系中表現出來，將處理的結果放置在刀位數據CLDCutter Location Data)文件中，這種文件不能直接用作數控裝置的控制指令，因此必須有一個后置處理程序。后置處理程序是按照數控機床的功能及數控加工程序格式的要而編寫的計算機程序。

　　它將CLD文件的內容和功能信息信息轉換成某種數控機床控制單元所能接收的數控加工程序代碼。由于不同的數控系統加工程序代碼的規定各不相同，因此針對不的數控系統系統需要提供不同的后置處理程。一般情況下CAM對于常用系統都配有相應的后處理程序，但對于有些國產系統沒有相應的后處理程序，就需要用戶修改或者設計后處理程序，從而生成滿足相應機床格式的NC代碼。最后將生成的數控代碼通過RS232接口輸入機床或者通過DNC直接加工。

　結語

　　由于CAD/CAM技術的應用，提高了模具設計質量，縮短了模具設計周期，提高了零件的制造精度。特別是隨著零件復雜程度的增加，CAD/CAM技術一體化使模具設計制造更加便捷，具有廣泛的應用前景。

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