胡禮廣，汪紅波

（浙江師范大學(xué) 機(jī)電技術(shù)研究中心，金華 321019）

0 引言

近年來，塑料制品的使用越來越廣泛，在很多方面，它已成為金屬制品的替代物。塑料模具作為成型方式中的一種，是家用電器、汽車和航空航天等領(lǐng)域中塑料制品的重要生產(chǎn)工具。由于模具成型方式具有生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，可節(jié)約材料及生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，發(fā)展模具工業(yè)已成為當(dāng)代促進(jìn)塑料制品及機(jī)電產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)廉價(jià)生產(chǎn)的重要手段。對于注塑模具設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要依靠模具設(shè)計(jì)師的直覺和經(jīng)驗(yàn)，模具通常經(jīng)過反復(fù)的試模和修正才能投入生產(chǎn)，模具的設(shè)計(jì)周期長，成本高。而Pro/Engineer軟件是采用了先進(jìn)的基于特征的參數(shù)化技術(shù)推出的用于產(chǎn)品三維模型設(shè)計(jì)、加工、分析及繪圖等CAD/CAE/CAM一體化軟件系統(tǒng)；具有3D實(shí)體造型、單一資料庫以及以特征作為設(shè)計(jì)單位等特點(diǎn)，通過提供參數(shù)化設(shè)計(jì)，單一全關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)、功能齊全的模塊，可使設(shè)計(jì)者隨時(shí)計(jì)算出產(chǎn)品的體積、面積、質(zhì)心、重量、慣性矩等，而且不論在3D或2D圖形上做尺寸修改，其相關(guān)的2D或3D實(shí)體模型及裝配、制造等也自動(dòng)修改。并且由于Pro/Engineer在設(shè)計(jì)中導(dǎo)入制造的概念，因此可隨時(shí)對特征做合理、不違反集合的順序調(diào)整、插入、刪除、重新定義等修正動(dòng)作，真正實(shí)現(xiàn)了CAD/CAM/CAE的有機(jī)集成，可以很好地滿足模具制造的快速響應(yīng)。

1 Pro/Engineer在注塑模具設(shè)計(jì)中的基本功能

Pro/Engineer是參數(shù)化技術(shù)和行為建模技術(shù)互相滲透的結(jié)晶，參數(shù)化技術(shù)是Pro/Engineer的核心功能。Pro/Engineer具有特征參數(shù)化建模，大型部件裝配，基于Web零件庫；Pro/mechanical結(jié)構(gòu)、熱、運(yùn)動(dòng)、疲勞、塑性等分析，動(dòng)畫仿真；Pro/desktop概念設(shè)計(jì)；Pro/mol design模具設(shè)計(jì)，大型三維CAD系統(tǒng)等功能。Pro/Engineer采用單一數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì),具有獨(dú)特的參數(shù)化設(shè)計(jì)概念，將每個(gè)尺寸看作獨(dú)立的可變的參數(shù)，只要定義或修改這些參數(shù)就可以再生改變模型。Pro/Engineer直接采用三維造型架構(gòu)，借助參數(shù)化設(shè)計(jì), 設(shè)計(jì)人員可以運(yùn)用數(shù)學(xué)運(yùn)算方式建立尺寸之間的關(guān)系，然后修改前面定義的相關(guān)參數(shù)，這樣就輕易地計(jì)算出造型表面、體積、重量等了解要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的相關(guān)特性，減少了設(shè)計(jì)花費(fèi)的時(shí)間，并減少出現(xiàn)不必要的錯(cuò)誤。

Pro/Engineer的集成功能是一種重要功能。模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的集成關(guān)鍵是建立單一的圖形數(shù)據(jù)庫，在CAD、CAE、CAM各單元之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)傳遞與轉(zhuǎn)換，使CAM、CAE階段完全吸收CAD三維圖形，減少中間建模時(shí)間和誤差。借助計(jì)算機(jī)利用Pro/Engineer的分析功能對模具性能、模具結(jié)構(gòu)、加工精度、液體在模具的流動(dòng)情況以及模具設(shè)計(jì)工作過程中的溫度分析情況等進(jìn)行反復(fù)修改和優(yōu)化, 將問題發(fā)現(xiàn)于正式生產(chǎn)前, 大大縮短制模時(shí)間, 提高模具加工精度。

2 注塑模具設(shè)計(jì)基本流程

1）建立注塑模型(model) 建立注塑模型并將設(shè)計(jì)模型裝配到其中。當(dāng)設(shè)計(jì)模型裝入注塑模型后，即作為一個(gè)參考模型(rel model)被替代了。參考模型是設(shè)計(jì)模型的一個(gè)拷貝，他們之間建立了一個(gè)關(guān)系。也就是說，修改了注塑模型，參考模型也會(huì)自動(dòng)改變；也可直接修改參考模型，然后將注塑模型regenerate，也能得到理想的效果。

圖1 注塑模具設(shè)計(jì)的基本流程圖

2）確定最優(yōu)開模方向，根據(jù)工藝需要為參考模型增加拔模斜度及圓角。

3）生成參考模型分模線和注塑模型分模面，分模線可從參考模型中提取或依據(jù)參考模型確定。它們是一些注塑特征，用于確定分模面的位置，要利用(Pro/casting) 功能開模。

4）設(shè)置收縮率利用Shrine 功能為整個(gè)模型設(shè)置收縮率。

5）注塑模型特征操作，增補(bǔ)加工孔、增加澆口等特征并進(jìn)行裝配，沿分模面確定開模步驟，可以檢查干涉(Global Interference)并對模型進(jìn)行必要的修改。

設(shè)計(jì)的基本流程如圖1所示。

3 Pro/Engineer的數(shù)控加工編程流程

Pro/Engineer軟件提供了功能強(qiáng)大的數(shù)控編程模塊Pro /NC。其制造模塊具有車削、銑削、鉆削等多種功能，其加工環(huán)境設(shè)置完全符合工況，可靈活進(jìn)行機(jī)床和工件坐標(biāo)系的設(shè)置，在不同工序可以設(shè)置不同的工件坐標(biāo)系，便于工件的找正裝夾，保證加工精度。

圖2為Pro/NC的數(shù)控編程流程圖：首先建立加工模型，根據(jù)被加工零件的技術(shù)要求、幾何形狀、尺寸及工藝要求將實(shí)際運(yùn)行加工程序的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)及操作參數(shù)存放在Pro/NC數(shù)據(jù)庫中，然后確定加工路線和工藝參數(shù)、切削參數(shù)及輔助功能，設(shè)置加工刀具的路徑參數(shù)，Pro/NC會(huì)獲得實(shí)際加工時(shí)的刀具路徑，然后按數(shù)控機(jī)床所采用的代碼驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。

4 收音機(jī)上蓋注塑模具設(shè)計(jì)

4.1 建立手機(jī)外殼三維模型

造型良好的三維模型是進(jìn)行模具設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，收音機(jī)上蓋曲面較多，通過曲面造型、曲面合并、加厚、拉伸剪切、陣列等命令建立實(shí)體模型，如圖3、圖4所示。

圖3 收音機(jī)3D圖及爆炸圖

圖4 收音機(jī)上蓋塑件3D圖

4.2 創(chuàng)建模具模型

模具模型包括參照模型和工件，參照模型是設(shè)計(jì)模具的參照，工件是表示直接參與溶料成型的模具元件的總體積。多型腔模的型腔布置有平衡式和非平衡式兩種。為了保證各個(gè)型腔熔體能同時(shí)均衡充滿，一般選擇平衡式的型腔布置。由于收音機(jī)是一屬家用電器，需要大批量生產(chǎn)，對外觀的質(zhì)量有一定的要求，也就是制件的上表面不能有澆口的痕跡。為了提高生產(chǎn)效率，該模具設(shè)計(jì)采用的是一模兩腔，平衡式型腔布置。具體創(chuàng)建過程如下：1）導(dǎo)入?yún)⒖寄Ｐ图安贾眯颓?。啟?dòng)Pro/Engineer系統(tǒng)，通過EMX新建一個(gè)項(xiàng)目，進(jìn)入模具設(shè)計(jì)工作界面后，在菜單管理器中依次點(diǎn)選模具模型→定位參照零件，在查找文件對話框中打開收音機(jī)上蓋模型。在元件布局對話框中，參照模型起點(diǎn)與定向選CSO，布局起點(diǎn)選擇CAVITY_1，布局選擇矩形，定向選擇Y對稱，X增量輸入-100，Y增量輸入-60，一模二腔，平衡式型腔布置設(shè)置完成，如圖5所示。2）創(chuàng)建工件。在菜單管理器中依次點(diǎn)選模具模型→創(chuàng)建→工件→手動(dòng)，在彈出的對話框中輸入工件名為：Work piece，再依次選則實(shí)體→加材料→拉伸→實(shí)體→完成，在“特征構(gòu)建”工具欄中選擇草繪工具，打開草繪功能面板，選取基準(zhǔn)面MOLDBASE2X2Y為草繪平面，選擇MOLDBASE2X2Z作為頂參考，草繪矩形，雙側(cè)拉伸，即完成工件的創(chuàng)建。

美國采用“實(shí)質(zhì)等同原則”指導(dǎo)其轉(zhuǎn)基因食品安全立法工作。該原則的基本含義是：轉(zhuǎn)基因食品是與其它食品沒有任何差別的食品，在立法中，轉(zhuǎn)基因食品與其他食品一樣適用常規(guī)法律。這是因?yàn)槊绹J(rèn)為：科學(xué)是管制體制的基石。在沒有確鑿證據(jù)證明轉(zhuǎn)基因食品有害的情況下，對于轉(zhuǎn)基因食品就應(yīng)該采取與普通食品同等的態(tài)度，不應(yīng)過度管制。

圖5 塑件型腔數(shù)量及布置

4.3 設(shè)置收縮率

從模具中取出注塑件后，由于溫度及壓力的變化會(huì)產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)氖湛s率來放大參照模型，便可獲得正確的注塑零件。收縮率的設(shè)定與材料的選取有關(guān)，本例材料收縮率取0.005，采用根據(jù)零件尺寸設(shè)定收縮率的方式來設(shè)置收縮率。單擊模具→收縮→按尺寸→設(shè)置→所有尺寸。

在信息框內(nèi)并輸入收縮率0.005，確定即完成收縮率的設(shè)定。

4.4 構(gòu)建分型面

在模具的設(shè)計(jì)、制造過程中，模具的分型面的創(chuàng)建最為關(guān)鍵，Pro/Engineer提供了非常強(qiáng)大的曲面創(chuàng)建和操作功能，可以通過多種方式來創(chuàng)建分型面。該模具的設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一就是分型面的設(shè)計(jì)與在Pro/Engineer中的實(shí)現(xiàn)，該零件靠破孔比較多，為了分模的需要，首先必須將靠破孔填補(bǔ)。最后采用合并曲面的方式生成分型面。1）填補(bǔ)靠破孔。將工件隱藏起來，先完成一個(gè)靠破孔的填補(bǔ)，單擊分型面→創(chuàng)建→確定，接受缺省的分型面名稱，單擊增加→復(fù)制→完成，選取不含靠破孔的所有外表面，然后雙擊“填充環(huán)”選項(xiàng)，選取收音機(jī)蓋上表面，單擊確定，即完成靠破孔的填補(bǔ)。用同樣的方法完成另外一個(gè)曲面靠破孔的修補(bǔ)。2）延拓曲面。修改前面構(gòu)建的分型面，單擊延拓→沿方向→向上至曲面→完成，選擇每個(gè)外殼前端缺口輪廓線，延拓至相對應(yīng)的工件外表面。3）構(gòu)建平面部分分型面。修改前面構(gòu)建的分型面，單擊增加→平整→完成→新設(shè)置，選擇參照零件底部平面為草繪平面，MOULD2FRONT為頂參考，引用工件外形作為草圖即可，單擊確認(rèn)退出草繪。4）合并分型面。將前面三步的分型面合并，單擊合并→側(cè)2→確認(rèn)，該模具的分型面就構(gòu)建好了，如圖6所示。

4.5 拆分模具體積塊

所謂建立體積塊，就是將已經(jīng)創(chuàng)建的工件以分型面為參照，分割為數(shù)個(gè)體積塊。依次單擊模具體積塊→分割→2個(gè)體積塊→所有工件→完成→確定。為芯腔體積塊輸入名稱“cavity”，為型芯體積塊輸入名稱“core”。

4.6 抽取模具元件

體積塊只是一個(gè)有體積無質(zhì)量的虛擬體，不是實(shí)體模具組件，所以接下來要進(jìn)行實(shí)體元件抽取工作。單擊模具元件→抽取，選擇型芯型腔再單擊確定，完成即可。圖7為模具型芯、型腔。

4.7 設(shè)計(jì)澆口和流道

采用側(cè)澆口，2點(diǎn)進(jìn)澆，可減少熔料在模腔內(nèi)流動(dòng)的距離，便于注射成型。采用圓形斷面分流道，散熱量小，充模阻力小，澆口凍結(jié)時(shí)間長，可提高制件成型質(zhì)量。具體設(shè)計(jì)步驟如下：用旋轉(zhuǎn)切除材料的方法完成主流道的設(shè)計(jì)，分流道單擊特征→型腔組件→流道→導(dǎo)圓角，草繪流道線路即可。生成的澆口、流道如圖8所示。

圖8 澆口位置模流分析及澆口位置

4.8 充模仿真

單擊鑄?！鷦?chuàng)建，輸入澆鑄件的名稱“mold”即可，生成如圖9所示的澆鑄件。

圖9 澆注件仿真

4.9 開模模擬

步驟為模具進(jìn)料孔→定義間距→定義移動(dòng)→選取模具元件的一條豎直方向的棱為參考方向，指向外側(cè)的方向?yàn)檎?輸入100作為移動(dòng)距離。如圖10所示。

圖10 開模模擬

4.10 利用模具專家系統(tǒng)EMX完成模座和其他輔助零件

單擊EMX4.1→模具基體→組件定義，彈出模具組件定義對話框。單擊“載入/保存組件”彈出組件對話框鉤選“Fataba_2p”復(fù)選框，選擇“SA_Type”類型。單擊載入→確定，回到“模具組件定義”對話框，取基體尺寸。雙擊B板輸入厚度，雙擊U板，輸入厚度。選取M16的止動(dòng)銷，LRK類型的定模側(cè)定位環(huán)。單擊“模具組件”對話框下面的確定按鈕。單擊模具基體→裝配元件，在彈出的對話框中單擊“選擇所有對象”，圖11為最終的模具總裝圖。

圖11 模具總裝配圖

5 模具主要零件的數(shù)控加工

對本副模具而言，型腔的加工過程較為復(fù)雜，加工過程細(xì)節(jié)考慮也較多。因此在這里只對型腔模塊進(jìn)行數(shù)控編程及加工模擬。

5.1 對型腔進(jìn)行加工工藝分析

型腔上表面由2個(gè)復(fù)雜的曲面，澆道和1個(gè)平面組成，由于3部分所選的刀具和加工方法不一樣，所以分為3道工序加工，即先銑曲面，再加工澆道，最后銑平面。

5.2 建立制造模型和設(shè)置制造環(huán)境

1）創(chuàng)建加工幾何模型。以第一個(gè)工序?yàn)槔?，采用曲面銑削的方式來加工型腔上表面的?fù)雜曲面，選取型腔上表面的復(fù)雜曲面為銑削曲面，進(jìn)行編程加工。2）刀具的選擇。Pro/Engineer中刀具選擇是在制造管理器對話框中的NC序列設(shè)置完成的。應(yīng)根據(jù)機(jī)床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其他相關(guān)因素正確選用刀具。本例第一工序中刀具選擇粗銑直徑為10，半精銑直徑為5，長度為100，材料為GY8的立銑刀。3）加工參數(shù)的設(shè)置。Pro/Engineer制造參數(shù)設(shè)置是在參數(shù)樹管理器對話框中完成的，制造參數(shù)分為6大部分：NCL(刀位文件)名稱、切割選項(xiàng)、切割參數(shù)、進(jìn)給參數(shù)、機(jī)械參數(shù)、入口/出口參數(shù)等，其中每一部分都有多個(gè)要求設(shè)置的參數(shù)，累計(jì)達(dá)80個(gè)左右。Pro/Engineer的參數(shù)設(shè)置是比較復(fù)雜的，一般加工設(shè)置時(shí)，可選簡化的參數(shù)設(shè)置項(xiàng)，它通常包含了上述6類參數(shù)中必須設(shè)置的幾個(gè)重要參數(shù)?，F(xiàn)針對型腔的加工，在選用曲面銑削加工方式后，參數(shù)設(shè)置主要考慮工件材料、刀具類型、機(jī)床性能，加工工藝性和加工效率等。

5.3 生成刀具路徑

數(shù)控(NC)系列設(shè)置完成后，在Pro/Engineer的NC序列菜單中選擇“軌跡演示”命令，系統(tǒng)自動(dòng)生成刀具路徑，經(jīng)過屏幕演示、過切檢測,如果沒有問題就可選擇“完成序列”命令完成體積塊銑削加工的NC序列，再選擇“CL數(shù)據(jù)”命令生成CL刀位文件，如圖12所示，此文件經(jīng)過后處理就能生成符合要求的NC程序。而NC程序通過RS232數(shù)據(jù)接口上傳給數(shù)控機(jī)床，就可以自動(dòng)完成模具型腔的加工。

5.4 VERICU軟件仿真加工

VERICUT由CGTECH公司開發(fā)，數(shù)控加工仿真專用軟件，具備同時(shí)進(jìn)行刀具軌跡和機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真的功能，采用先進(jìn)的3維顯示及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對數(shù)控加工過程的模擬達(dá)到了極其逼真的程度，監(jiān)測加工過程中存在的問題，以避免不必要的損失。選取加工系列后，單擊“屏幕演示”→“NC檢測”，Pro/Engineer自動(dòng)調(diào)用VERICU軟件進(jìn)行仿真加工，如圖13所示。

圖12 型腔數(shù)控加工的CL數(shù)據(jù)（部分）

6 結(jié)束語

Pro/Engineer軟件不僅具有強(qiáng)大的造型功能，也具有優(yōu)異的模具設(shè)計(jì)和加工制造功能。運(yùn)用Pro/Engineer中的模具設(shè)計(jì)模塊，可以很簡捷地將模具

圖13 VER ICU軟件數(shù)控仿真加工

元件提取，大大提高了模具設(shè)計(jì)效率,降低設(shè)計(jì)成本。Pro/NC模塊在模具加工中解決了以往手工編程無法解決的復(fù)雜模具零件的曲面加工，使加工中心在制造過程中發(fā)揮了更大的作用，大大提高了模具制造效率，真正意義上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的全相關(guān)性設(shè)計(jì)與制造一體化。

[1] 舒飛.Pro/ENGINEER Wildfire 2.0中文版模具設(shè)計(jì)白金手冊[M].北京:中國電力出版社,2005.

[2] 屠立,陳峰.基于PRO/E的參數(shù)化特征造型在零件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].輕工機(jī)械,2006,24(3):59261.