任玉珠

（沈陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽(yáng) 110045 ）

1 模具設(shè)計(jì)與制造概述

模具自身的特殊性決定了模具的設(shè)計(jì)與制造是一個(gè)不可分割的整體。由于模具的型腔多為復(fù)雜的曲面或曲線所構(gòu)成，因而其制造過(guò)程大量應(yīng)用了數(shù)控技術(shù)。近年CAD/CAE/CAM商業(yè)軟件日益普及，使得計(jì)算機(jī)不僅被用來(lái)進(jìn)行模具的設(shè)計(jì)和數(shù)控程序的生成，而且還被用來(lái)模擬模具的成型和使用過(guò)程。

2 模具的種類

根據(jù)應(yīng)用于成型加工的對(duì)象和各種工藝過(guò)程的不同，模具可具體分為沖壓模、塑料模、壓鑄模、鍛造模、鑄造模、玻璃模、粉末冶金模、橡膠模等。綜合各種模具的共同特點(diǎn)，總體上可將模具分為三大類：1）金屬板材成型模具，如冷沖模等；2）金屬體積成型模具，如鍛模、壓鑄模等；3）非金屬制品用成型模具，如塑料注射模、壓縮模。其中，如果不考慮成型的材料是金屬還是非金屬，可將體積成型模具統(tǒng)稱為型腔模。

模具的外形通常可以根據(jù)壓制機(jī)械的要求設(shè)計(jì)，而在模具中要描述其成型對(duì)象的輪廓，則通常要依靠一定的造型方法去設(shè)計(jì)并做出制造方案，而這些恰好是CAD / CAM軟件的應(yīng)用領(lǐng)域所在。

3 模具設(shè)計(jì)與制造的特點(diǎn)

由于不同類型的模具涉及各種不同的專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，因此模具設(shè)計(jì)的專業(yè)性較強(qiáng)，需要根據(jù)一定的設(shè)計(jì)方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1）從二維設(shè)計(jì)向三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變

從設(shè)計(jì)手段看，傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)主要采用二維設(shè)計(jì)，即首先將三維的制品零件通過(guò)投影生成若干個(gè)二維視圖來(lái)表示，然后在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，畫出模具的裝配圖及各個(gè)零件圖。目前模具的設(shè)計(jì)手段正逐步從傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)向三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。

2）三維CAD技術(shù)的出現(xiàn)徹底解決了二維設(shè)計(jì)的弊端

整個(gè)模具制品零件及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以直接在非常直觀的三維環(huán)境下進(jìn)行。當(dāng)模具制品及模具零件的三維模型設(shè)計(jì)完成后，可直接根據(jù)投影關(guān)系自動(dòng)生成工程圖，徹底解決了傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)繁瑣、相互干涉的弊端。

3）模具設(shè)計(jì)推動(dòng)了CAD、CAM技術(shù)的不斷發(fā)展

模具屬于標(biāo)準(zhǔn)化程度較高的產(chǎn)品，模具設(shè)計(jì)中使用的模架及各種標(biāo)準(zhǔn)零件可以直接從CAD系統(tǒng)中建立的標(biāo)準(zhǔn)目錄庫(kù)中直接調(diào)用，大大提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)量與效率。同時(shí)，三維CAD系統(tǒng)中設(shè)計(jì)生成的模具零件三維模型可直接用于模具的分析模擬及數(shù)控加工編程等后續(xù)應(yīng)用，適應(yīng)了現(xiàn)代化生產(chǎn)和CAD／CAM集成技術(shù)的要求。為了更好地解決模具設(shè)計(jì)中所提出的各種新問(wèn)題，又進(jìn)一步推動(dòng)了CAD、CAM技術(shù)的不斷發(fā)展。

4）模具設(shè)計(jì)率先使用先進(jìn)的制造方法、新材料、新工藝

為了盡量縮短模具制造周期，各種先進(jìn)的制造方法如快速原型制造、逆向工程、高速加工及網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造等技術(shù)也隨著在模具制造業(yè)中的率先應(yīng)用而獲得發(fā)展和完善。除此之外，為了提高模具的使用壽命，各種新材料、新工藝及先進(jìn)的熱處理、表面處理技術(shù)也在模具制造業(yè)中率先獲得應(yīng)用。

4 模具設(shè)計(jì)與制造中CAD/CAM的應(yīng)用

1）模具設(shè)計(jì)中大量應(yīng)用了特征三維造型技術(shù)

現(xiàn)代產(chǎn)品根據(jù)使用要求及美學(xué)要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在此同時(shí)要考慮材料性能、成型工藝、模具結(jié)構(gòu)、成型設(shè)備、生產(chǎn)批量及生產(chǎn)成本等各方面的要求?；谔卣鞯娜S造型軟件的應(yīng)用，為設(shè)計(jì)師提供了強(qiáng)大的設(shè)計(jì)編輯平臺(tái)。使用參數(shù)化特征造型技術(shù)，能很方便地生成產(chǎn)品的三維參數(shù)化模型，調(diào)整參數(shù)值即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模型快速修改，為后續(xù)的模具設(shè)計(jì)與分析計(jì)算打下良好的基礎(chǔ)。

2）PC平臺(tái)上的CAD/CAM軟件在模具行業(yè)的應(yīng)用

20世紀(jì)90年代前，能支持模具設(shè)計(jì)與制造的CAD/CAM軟件主要采用UNIX操作系統(tǒng)，并運(yùn)行在各類圖形工作站上。目前各工作站版軟件均相繼移植了微機(jī)版，甚至推出了完全Windows風(fēng)格界面的軟件。特別是模具數(shù)控加工中的計(jì)算機(jī)輔助編程，不少模具企業(yè)已能應(yīng)用自如，并獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3）模具遠(yuǎn)程協(xié)同制造在CAD/CAM中的集成應(yīng)用

使用計(jì)算機(jī)輔助完成模具的整個(gè)設(shè)計(jì)與制造，必然要用到各種CAD/CAM專業(yè)軟件。為了使設(shè)計(jì)與制造數(shù)據(jù)能在這些軟件間進(jìn)行暢通的數(shù)據(jù)交換，必須要實(shí)現(xiàn)這些軟件的集成。

傳統(tǒng)意義上的CAD/CAM集成是指一個(gè)軟件本身的各種設(shè)計(jì)與制造功能的集成，如高端CAD/CAM集成軟件PRO/E、UGII中就集成了零件設(shè)計(jì)、反求工程、裝配設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、工程圖及NC加工編程等諸多功能。但隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的不斷推進(jìn)及模具設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域中專業(yè)化分及協(xié)同制造的需要，更需要基于網(wǎng)絡(luò)的模具CAD/CAM集成軟件來(lái)支持。

4）專業(yè)的模具CAD/CAM功能及智能化程度在不斷提高

傳統(tǒng)的CAD/CAM軟件使用比較復(fù)雜，各種選項(xiàng)的選擇及參數(shù)的設(shè)置必須由用戶作出正確的判斷，否則軟件無(wú)法為用戶提供符合實(shí)際情況的正確結(jié)果。如模具設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的零件分模面的構(gòu)造，在很多軟件中需要通過(guò)使用通用功能一步步地構(gòu)造來(lái)實(shí)現(xiàn)。

基于知識(shí)、面向制造的智能化模具CAD/CAM軟件的出現(xiàn)，將大大提高模具設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量。如Cimatronit中的模具專家功能，能根據(jù)脫模方向自動(dòng)生成分模線，優(yōu)化生成分模面后，再自動(dòng)分割出凸、凹模。再如CAXA軟件中的知識(shí)加工功能，通過(guò)簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置即可完成從支持層間切削的高效粗加工、基于殘留量的半精加工到精加工的整個(gè)典型模具加工過(guò)程。

在西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，模具設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中的CAD/CAM的應(yīng)用已非常普遍，可完全實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)至模具NC加工的無(wú)紙化。所以能否將CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用于模具設(shè)計(jì)與制造的全過(guò)程已成為模具企業(yè)繼續(xù)發(fā)展的必要條件。

5 CAM主要加工方法

主要包括粗加工、精加工、銑槽加工、知識(shí)加工。

5.1 粗加工

區(qū)域粗加工：主要用于加工型腔，選用二軸半加工，根據(jù)給定的輪廓和島嶼，可以生成分層的加工軌跡，也可以生成中間有多個(gè)島的平面區(qū)域加工軌跡；

等高線粗加工：主要用于凸模加工，選用兩軸半加工，按指定的等高距離逐步下降，一層一層地加工并基于補(bǔ)加工的曲面或?qū)嶓w以截距相等的平面求出交線，以這些輪廓、島進(jìn)行加工；掃描線粗加工：主要用于多曲面形成的凸模和凹模的加工，適合兩軸半加工；擺線粗加工：適用于比較平緩曲面的凸模和凹模的加工，適用兩軸半加工；插銑式粗加工和導(dǎo)動(dòng)線粗加工。

5.2 精加工

參數(shù)線精加工：用于三軸聯(lián)動(dòng)加工三維曲面；等高線精加工：用于陡峭曲面加工；掃描線精加工：用于選用頂點(diǎn)路徑切削方式，可用于多曲面形成的凸模和凹模的加工；淺平面精加工：用于零件模型中平坦區(qū)域的加工；限制線精加工：用于截面線或斜壁形的凸凹模的加工；導(dǎo)動(dòng)線精加工：用于截面線或斜壁形的凸凹模的加工；輪廓線精加工、三維偏置精加工和。

5.3 補(bǔ)加工

補(bǔ)加工是根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要，對(duì)底部夾角等細(xì)微的部分進(jìn)行補(bǔ)加工。等高線補(bǔ)加工：用于實(shí)體、曲面多部位的補(bǔ)加工，也可以用于凹模和凸模的加工；筆式清根加工：用于實(shí)體多部位的補(bǔ)加工，也可用于凹模和凸模的加工；區(qū)域式補(bǔ)加工：用于實(shí)體多部位的補(bǔ)加工，也可以用于凹模加工及深形和淺形的型腔夾角的補(bǔ)加工。

5.4 銑槽加工

模具是一些比較特殊的零件，有很多的槽需要加工。這些槽大體可以分為直槽、環(huán)形槽、2D和3D槽，它們需用到下列的加工方法。

掃描式銑槽：用于實(shí)體多部位的補(bǔ)加工，也可以用于凹模和凸模的加工，是用掃描線的方式生成銑槽軌跡；曲線式銑槽：可適用于實(shí)體多部位的加工，也可以用于凹模和凸模的加工，用于生成3D曲線式銑槽軌跡。

5.5 知識(shí)加工包括生成模板和應(yīng)用模板

生成模板：用于記錄用戶已經(jīng)成熟或定型的加工流程，在模板文件中記錄加工流程的各個(gè)工步的加工參數(shù)。

應(yīng)用模板：用于記錄用戶已經(jīng)成熟或定型的加工流程，在模板文件中記錄加工流程的各個(gè)工步的加工參數(shù)。

6 CAM在模具設(shè)計(jì)與制造中的關(guān)鍵技術(shù)

6.1 盡量用二維替代三維

大多數(shù)機(jī)床在三維曲面或?qū)嶓w的加工中使用直線插補(bǔ)方式，它沒(méi)有直接生成的二維軌跡的精度高，也沒(méi)有生成二維軌跡的速度快。所以CAM加工中的基本原則是能用二維軌跡完成的，盡量不用三維軌跡做。由此看出，會(huì)有很多在設(shè)計(jì)中做三維造型的產(chǎn)品，在加工中只需要一些二維輪廓。比如用三維設(shè)計(jì)造型完成的三維實(shí)體如圖1(a)所示：

如果采用加工造型，完全可以全部采用二維加工軌跡。只需要繪制如圖1(b)所示的二維線框圖，就能滿足其要求。

6.2 工藝對(duì)造型的特殊需求

用于三軸加工的造型，由于需要考慮加工工藝，其造型形狀有時(shí)也和設(shè)計(jì)造型迥然不同。比如設(shè)計(jì)造型如圖2(a)所示，如果直接對(duì)此實(shí)體圖進(jìn)行加工，其上表面加工軌跡如圖2(b)所示（參數(shù)線加工，不做任何工藝處理的情況）。

如果造型時(shí)考慮工藝及造型效率和軌跡生成效率，只需要作二維輪廓及一張?jiān)记?，即可完全滿足加工對(duì)造型的需求。對(duì)上述曲面做參數(shù)線加工后生成的軌跡將不會(huì)在被加工后的表面邊緣留下折點(diǎn)及進(jìn)出刀痕跡如圖2(c)所示。因此它所用的時(shí)間會(huì)明顯比設(shè)計(jì)造型用的時(shí)間短。生成軌跡時(shí)，在設(shè)計(jì)造型中，需要處理的是實(shí)體，系統(tǒng)將從實(shí)體上剝離曲面，然后再對(duì)曲面進(jìn)行加工。而對(duì)加工造型，僅僅需要處理現(xiàn)有的曲面即可，速度上要比處理實(shí)體快很多。

圖1 三維實(shí)體造型與二維線框圖

6.3 混合模型的使用

混合模型在加工造型中用的很多。它可以是實(shí)體、曲面、二維線框的任意混合使用。在設(shè)計(jì)造刑上的混合模型一般是實(shí)體和曲面的混合，很少用到線框、曲面的混合。在加工造型中，這種混合應(yīng)用的主要目地也是為了簡(jiǎn)化模型，提高效率。設(shè)計(jì)造型如圖3所示：

圖2 設(shè)計(jì)造型、加工造型、二維造型

圖3 三維實(shí)體、曲面、二維線框混合使用

在其腔體加工過(guò)程中，可以被簡(jiǎn)化為曲面和線框的混合模型。簡(jiǎn)化后的模型在造型和加工中效率都比較高。

6.4 化整為零提高運(yùn)行效率

在PC機(jī)上進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計(jì)，當(dāng)零件的復(fù)雜程度加大時(shí)，運(yùn)行效率會(huì)很低。對(duì)于CAM來(lái)說(shuō)，同樣會(huì)遇到這種問(wèn)題，較好的解決方法就是化整為零。CAM不同于CAD，復(fù)雜零件如果拆開設(shè)計(jì)會(huì)有很多麻煩，CAM則是完全可以的。很多企業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)證明，將一個(gè)零件分成很多局部進(jìn)行CAM造型及加工是可行的，即完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，又使軟件運(yùn)行速度成級(jí)數(shù)速率提高。

7 結(jié)束語(yǔ)

利用CAM、CAD進(jìn)行模具設(shè)計(jì)與制造，提高工藝文件質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

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