高征兵，秦永法

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 揚(yáng)州 225127）

0 引言

注射模具傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要是依賴工程技術(shù)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，至于模具的設(shè)計(jì)速度、質(zhì)量及可靠性程度，因設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)而異。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)不斷發(fā)展，出現(xiàn)了多種 CAD/CAM軟件，如 SolidWorks、Inventor、MDT、Cimatron、 Mastercam 、Pro/E 、UG、CATIA等等。這些軟件的出現(xiàn)，為模具設(shè)計(jì)與制造工作擺脫了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法提供了有力的保證[1]。其中Pro/E是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PTC）推出的新一代基于特征、具有全相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的CAD/CAM參數(shù)化軟件，它具有產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)、裝配、模具設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、動(dòng)態(tài)模擬仿真等優(yōu)勢(shì)功能，但其加工功能因其參數(shù)設(shè)置較為繁瑣而不利于推廣。Mastercam是美國(guó)CNC Software公司推出的一種基于PC機(jī)平臺(tái)的CAD/CAM軟件，由于其卓越的加工功能，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空、造船、模具等領(lǐng)域。然而Mastercam的設(shè)計(jì)功能相對(duì)薄弱，在進(jìn)行復(fù)雜曲面造型時(shí)比較困難，而這正是Pro/E的優(yōu)勢(shì)所在[2]。將Pro/E的塑料模具設(shè)計(jì)功能與Mastercam的加工仿真功能相結(jié)合，既能提高模具的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，又能提高模具的精度，還能為實(shí)際加工操作提供借鑒[3,4]。本文以水杯注射模具為例闡述基于Pro/E和Mastercam的注射模設(shè)計(jì)及加工仿真一體化的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)注射模具方向的畢業(yè)設(shè)計(jì)步驟及技巧進(jìn)行介紹。

1 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書

實(shí)際生產(chǎn)中，模具設(shè)計(jì)任務(wù)書通常由塑料制件工藝員根據(jù)成型塑料制件的任務(wù)書提出，模具設(shè)計(jì)人員以成型塑料制件任務(wù)書、模具設(shè)計(jì)任務(wù)書為依據(jù)來設(shè)計(jì)模具。

對(duì)于本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)，任務(wù)書由畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師給出。本畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書中給出的水杯塑件如圖1所示?；贑AD/CAM技術(shù)的注射模具畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書的內(nèi)容有如下幾個(gè)方面內(nèi)容：

1）課題應(yīng)達(dá)到的目的：說明畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)該達(dá)到的培養(yǎng)目的。

2）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求：畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)的簡(jiǎn)單描述，開展畢業(yè)設(shè)計(jì)條件的說明，選作該課學(xué)生需要具備的基礎(chǔ)。

3）課題成果的要求：明確該畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的成果的總量，通常包括論文內(nèi)容和篇幅、圖紙、外文科技文獻(xiàn)的翻譯、實(shí)習(xí)報(bào)告等方面的具體要求。

4）主要參考文獻(xiàn)：教師指定學(xué)生需要閱讀的主要文獻(xiàn)。

圖1 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(水杯)

5）課題工作進(jìn)度計(jì)劃：教師根據(jù)教學(xué)計(jì)劃安排，確定課題的進(jìn)度計(jì)劃結(jié)點(diǎn)，以及學(xué)生各階段需要完成的工作。

2 畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告

學(xué)生在熟悉畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書、畢業(yè)實(shí)習(xí)、閱讀文獻(xiàn)等環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，需要做一次畢業(yè)設(shè)計(jì)的開題報(bào)告，考核小組會(huì)對(duì)開題報(bào)告進(jìn)行審核。該報(bào)告包括以下兩項(xiàng)主要內(nèi)容：

1）結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述。綜述本課題國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀、主要研究方法、已有主要研究成果等。

2）本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：

（1）本課題需要研究或解決的問題：

設(shè)計(jì)塑料件成型模具；模具三維造型；繪制模具零件圖、裝配圖；模具模擬仿真加工。

（2）研究手段（途徑）：

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAD/CAM技術(shù)必將引入到塑料模具畢業(yè)設(shè)計(jì)中。本文闡述了一種注射模CAD/CAM一體化技術(shù)。運(yùn)用Pro/E軟件的通用功能模塊及其模架設(shè)計(jì)專家（EMX）模塊，進(jìn)行塑件及其注射模設(shè)計(jì)，并將模具中的成形零部件模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到Mastercam中進(jìn)行數(shù)控編程和加工仿真。具體包括：

①水杯三維造型。應(yīng)用Pro/E中拉伸、拔模、倒圓角、掃描等相關(guān)命令生成水杯模型。

②模具設(shè)計(jì)。包括定、動(dòng)模的設(shè)計(jì)及模架的選用。在分析塑料制件工藝性的基礎(chǔ)上確定模具的結(jié)構(gòu)方案，主要內(nèi)容有：分型面；型腔數(shù)目及配置；澆注系統(tǒng)和排氣結(jié)構(gòu)；型腔、型芯的結(jié)構(gòu)及固定方式；頂出機(jī)構(gòu)類型；溫度控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)等方面。綜合以上條件確定標(biāo)準(zhǔn)模架型號(hào)。

③模架的設(shè)計(jì)。利用Pro/E的外掛程序EMX（模架設(shè)計(jì)專家）來設(shè)計(jì)模具模架。

④注射機(jī)選用后基本參數(shù)的校核。參數(shù)的校核分為兩部分：所選用的注射機(jī)能否滿足塑件成型所需的注射量、注射壓力及鎖模力；所設(shè)計(jì)的模具尺寸、推出裝置等參數(shù)是否在所選擇的注射機(jī)的技術(shù)規(guī)范內(nèi)。

⑤模具定、動(dòng)模加工模擬仿真。將Pro/E系統(tǒng)中的模型以IGES數(shù)據(jù)文件的格式轉(zhuǎn)入到Mastercam中進(jìn)行模擬仿真加工。

⑥繪圖。用Pro/E、AutoCAD等軟件生成模具裝配圖、定模、動(dòng)模等二維工程圖。

3 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書的主要內(nèi)容

3.1 水杯的三維造型

根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書所提供的水杯工程圖，在Pro/E的【零件】模塊下，通過旋轉(zhuǎn)、倒圓角、拔模、掃描等特征造型方法，創(chuàng)建如圖2所示的水杯模型。

3.2 水杯注射模主要零部件設(shè)計(jì)

Pro/E中的Pro/MOLDESIGN模塊提供了非常方便實(shí)用的三維環(huán)境下的注射模具設(shè)計(jì)與分析工具。利用這些工具，可以在有制件的三維造型情況下建立起模具裝配模型、設(shè)計(jì)分型面、澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)，生成模具成型零件的三維造型，從而完成模具核心部分的設(shè)計(jì)工作；該模塊還提供了如拔模檢測(cè)、厚度檢測(cè)、分型面檢測(cè)、投影面積計(jì)算、充模仿真、開模仿真、干涉檢測(cè)等分析功能，利用這些功能可使模具設(shè)計(jì)更為合理、準(zhǔn)確，且能避免設(shè)計(jì)中不必要的重復(fù)勞動(dòng)。基于Pro/E的注射模成型零部件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。由于塑件中等尺寸，采用一模兩件即可滿足生產(chǎn)需要。根據(jù)水杯所使用的材料（尼龍1010，ρ=1.05g/cm3），設(shè)置收縮率為0.5%，利用Pro/E的【制造】/【模具型腔】模塊設(shè)計(jì)水杯模具，所設(shè)計(jì)的模具開模仿真如圖4所示。

圖2 水杯模型

圖3 成型零部件設(shè)計(jì)流程圖

3.3 模架及其他零件設(shè)計(jì)

利用Pro/E中的Pro/MOLDESIGN模塊設(shè)計(jì)注射模具時(shí)，一般都要應(yīng)用外掛的EMX（模架設(shè)計(jì)專家）來設(shè)計(jì)模具模架。EMX提供了一個(gè)智能、自動(dòng)化模架和模具組件的數(shù)據(jù)庫(kù)。應(yīng)用該模塊能大大縮短模具設(shè)計(jì)人員花費(fèi)在創(chuàng)建、定制和細(xì)化模架部件上的時(shí)間。在組件創(chuàng)建完成后，程序會(huì)自動(dòng)完成相鄰板料和組件上的間隙切口，以及鉆孔和螺紋等操作。程序還能夠自動(dòng)檢測(cè)整個(gè)模具的開啟順序，包括滑塊、提鉤和頂桿等動(dòng)作。由于Pro/E為國(guó)外研發(fā)的軟件，目前在EMX4.1中還沒有符合我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的模架，制作中通常選用與GB類似的模架[5]。水杯模具的定模塊是側(cè)向滑動(dòng)模塊，若采用二板式模架，斜導(dǎo)柱又安裝在定模塊上，顯然結(jié)構(gòu)不合理，因此需要采用增加一塊定模墊板的三板式結(jié)構(gòu)。結(jié)合GB/T12556－1990《塑料注射模中小型模架及技術(shù)條件》和EMX中模架類型，初步選用模板尺寸為560×630的A4型模架。使用EMX設(shè)計(jì)模架的基本流程如圖5所示。本文所設(shè)計(jì)的水杯模具三維裝配圖如圖6所示。

圖4 模具開模仿真

3.4 選擇注射機(jī)及校核

注射模是安裝在注射機(jī)上使用的，在設(shè)計(jì)模具時(shí)，除了應(yīng)掌握注射成型的工藝過程外，還必須將所設(shè)計(jì)的模具與所選用的注射機(jī)全面地聯(lián)系起來，才能生產(chǎn)出合格的塑料制品。因此，應(yīng)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行校核。

3.4.1 選擇注射機(jī)

應(yīng)用Pro/E中的【分析】/【模型】/【質(zhì)量屬性】及【分析】/【測(cè)量】/【區(qū)域】命令求出單個(gè)塑件的體積、質(zhì)量分 別 為：v=93.78cm3，m=98.47g，在分型面上的投影面積：A=10750.82mm2?？紤]流道凝料、公稱注射量等因素，求得實(shí)際注射量體積為：351.68cm3。根據(jù)分型面面積及型腔壓力，求出鎖模力為322.5KN。

由水杯尺寸、實(shí)際注射量體積及鎖模力，初步選擇型號(hào)XS-ZY-1000的注射成型機(jī)。

3.4.2 相關(guān)參數(shù)的校核

參數(shù)的校核分為兩部分：1）所選用的注射機(jī)能否滿足塑件成型所需的注射量、注射壓力及鎖模力。2）對(duì)上述2中所設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行校核，包括模具厚度、開模行程、推出裝置、模具外形尺寸與安裝尺寸、注射機(jī)定位孔與模具定位圈的配合及噴嘴等進(jìn)行校核。只有這些參數(shù)都在所選注射機(jī)的技術(shù)規(guī)范內(nèi)，才表示所設(shè)計(jì)的模具與所選用的注射機(jī)相配套。否則，重新設(shè)計(jì)模具或重選注射機(jī)，直到相配套為止。經(jīng)過校核表明，本文所設(shè)計(jì)模具的尺寸參數(shù)在注射機(jī)的技術(shù)規(guī)范內(nèi)。

圖5 EMX設(shè)計(jì)模架流程圖

圖6 水杯模具三維造型

3.5 生成二維工程圖

利用Pro/E的【繪圖】模塊及AutoCAD軟件綜合編輯得到如圖7所示的二維裝配圖（主視圖），使用類似的方法生成相應(yīng)零件的二維工程圖。

3.6 基于Mastercam的數(shù)控加工仿真

Mastercam卓越的數(shù)控加工能力是工業(yè)界普遍認(rèn)同的，它可以通過對(duì)模具元件選擇合適的加工方法和工藝參數(shù)來生成精確的加工刀具路徑，具有可靠的軌跡校驗(yàn)和模擬仿真功能，當(dāng)模擬仿真滿足加工要求后，利用其后置處理模塊生成數(shù)控加工程序；它具有良好的數(shù)據(jù)交換接口， 支 持 IGES、STEP、VDA、DXF、DWG、Parasolid 等數(shù)據(jù)格式[6]。

圖7 水杯模具（主視圖）

基于Mastercam的數(shù)控加工流程如圖8所示。下面以切減后的動(dòng)模（如

圖10所示，切除部分作為推件板）為例說明其具體應(yīng)用。

1）從Pro/E系統(tǒng)將切減后的動(dòng)模以IGES數(shù)據(jù)文件的格式轉(zhuǎn)入到Mastercam中。

2）加工坯料及對(duì)刀點(diǎn)的確定。在刀具路徑設(shè)置之前，先確定加工幾何圖形所需要的坯料尺寸及加工邊界，并將圖形中心的最高點(diǎn)移到系統(tǒng)坐標(biāo)原點(diǎn)，便于加工時(shí)以圖形中心對(duì)刀。

圖8 基于Mastercam的數(shù)控加工流程圖

3）選擇加工內(nèi)容及刀具路徑。根據(jù)水杯動(dòng)模特點(diǎn)，中間兩大孔采用在XOY平面做圓弧插補(bǔ)銑削（挖槽）的加工方式，其余8個(gè)小孔采用鉆削加工方式來編制程序。按照“先粗后精”、“先主后次”、“先面后孔”、“基準(zhǔn)先行”的原則[7]，擬定加工工藝方案。然后為各工序設(shè)置刀具進(jìn)給速度、提刀速度、主軸轉(zhuǎn)速、加工余量等參數(shù)。當(dāng)?shù)毒呗窂皆O(shè)計(jì)完畢后，顯示的加工軌跡如圖9所示，再通過實(shí)體驗(yàn)證、持續(xù)執(zhí)行等命令顯示出如圖10所示的加工仿真效果圖。

4）生成數(shù)控加工代碼。當(dāng)確認(rèn)仿真加工與實(shí)際加工要求相符合時(shí)，就可以執(zhí)行后處理程序，選擇對(duì)應(yīng)的后置處理文件（如數(shù)控系統(tǒng)為FANUC時(shí)，選用MPFAN.PST文件）將刀具路徑轉(zhuǎn)換為數(shù)控機(jī)床所能接受的數(shù)控程序，最后根據(jù)需要將系統(tǒng)自動(dòng)生成的NC代碼傳輸?shù)綌?shù)控加工設(shè)備的控制器內(nèi)。

圖9 刀具路徑軌跡效果圖

圖10 模具加工仿真效果圖

4 畢業(yè)設(shè)計(jì)成果

1）三維造型圖：水杯（如圖2所示）、模具裝配圖（如圖6所示）及模具成型零件、模架主要零件造型圖。

2）主要模具二維工程圖清單：模具裝配圖（A0，1張，如圖7所示）、定模（A2，1張）、動(dòng)模（A2，1張）、定模板（A2，1張）、定模座板（A2，1張）、動(dòng)模板（A2，1張）、動(dòng)模座板（A2，1張）、動(dòng)模墊板（A2，1張）、推件板（A3，1張）、推桿固定板和推桿墊板（A2，1張）。

3）開模仿真效果圖（如圖4所示）。

4）定模、動(dòng)模加工仿真效果圖（如圖10所示）。

5）說明書 1份。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于CAD/CAM進(jìn)行塑料模具畢業(yè)設(shè)計(jì)，通過學(xué)生綜合運(yùn)用模具知識(shí)及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造的知識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力、初步的科學(xué)研究能力。結(jié)合我院的培養(yǎng)情況及用人單位的反饋信息，選做基于CAD/CAM技術(shù)注射模畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的畢業(yè)生，具有較強(qiáng)的崗位適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)力。因此，基于CAD/CAM的塑料模具畢業(yè)設(shè)計(jì)課題是能夠達(dá)到畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)的目標(biāo)。

[1] 齊曉杰.塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社.2006.

[2] 何滿才.Pro/E模具設(shè)計(jì)與Mastercam數(shù)控加工[M].北京:人民郵電出版社.2008.

[3] 李成林, 高文科, 李婧.基于Pro/E的注塑模具設(shè)計(jì)與Mastercam加工[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化, 2010, 39(1):43-45.

[4] 何修旭, 黃瑤, 王雷.基于Pro/E和Mastercam的注塑模設(shè)計(jì)與加工[J].模具技術(shù), 2010(1):40-43,63.

[5] 凱德.精通Pro/E中文野火版模具設(shè)計(jì)[M].北京: 中國(guó)青年出版社.2007.

[6] 門超.基于Pro/E及MasterCAM環(huán)境下的模具設(shè)計(jì)與加工[J].裝備制造技術(shù), 2007(11):80-81.

[7] 趙建華, 薛瓊, 張寧.CAD/CAM技術(shù)在數(shù)碼相機(jī)面殼模具中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化, 2009(4):93,94,118.