基于Pro/Engineer的注塑模具CAD/CAM

胡禮廣，汪紅波

（浙江師范大學 機電技術研究中心，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域中塑料制品的重要生產工具。由于模具成型方式具有生產效率高，產品質量穩定，可節約材料及生產成本低等特點，發展模具工業已成為當代促進塑料制品及機電產品優質廉價生產的重要手段。對于注塑模具設計，傳統的設計方法主要依靠模具設計師的直覺和經驗，模具通常經過反復的試模和修正才能投入生產，模具的設計周期長，成本高。而Pro/Engineer軟件是采用了先進的基于特征的參數化技術推出的用于產品三維模型設計、加工、分析及繪圖等CAD/CAE/CAM一體化軟件系統；具有3D實體造型、單一資料庫以及以特征作為設計單位等特點，通過提供參數化設計，單一全關聯的數據、功能齊全的模塊，可使設計者隨時計算出產品的體積、面積、質心、重量、慣性矩等，而且不論在3D或2D圖形上做尺寸修改，其相關的2D或3D實體模型及裝配、制造等也自動修改。并且由于Pro/Engineer在設計中導入制造的概念，因此可隨時對特征做合理、不違反集合的順序調整、插入、刪除、重新定義等修正動作，真正實現了CAD/CAM/CAE的有機集成，可以很好地滿足模具制造的快速響應。

1 Pro/Engineer在注塑模具設計中的基本功能

Pro/Engineer是參數化技術和行為建模技術互相滲透的結晶，參數化技術是Pro/Engineer的核心功能。Pro/Engineer具有特征參數化建模，大型部件裝配，基于Web零件庫；Pro/mechanical結構、熱、運動、疲勞、塑性等分析，動畫仿真；Pro/desktop概念設計；Pro/mol design模具設計，大型三維CAD系統等功能。Pro/Engineer采用單一數據庫的設計,具有獨特的參數化設計概念，將每個尺寸看作獨立的可變的參數，只要定義或修改這些參數就可以再生改變模型。Pro/Engineer直接采用三維造型架構，借助參數化設計, 設計人員可以運用數學運算方式建立尺寸之間的關系，然后修改前面定義的相關參數，這樣就輕易地計算出造型表面、體積、重量等了解要設計的產品的相關特性，減少了設計花費的時間，并減少出現不必要的錯誤。

Pro/Engineer的集成功能是一種重要功能。模具CAD/CAE/CAM系統的集成關鍵是建立單一的圖形數據庫，在CAD、CAE、CAM各單元之間實現數據的自動傳遞與轉換，使CAM、CAE階段完全吸收CAD三維圖形，減少中間建模時間和誤差。借助計算機利用Pro/Engineer的分析功能對模具性能、模具結構、加工精度、液體在模具的流動情況以及模具設計工作過程中的溫度分析情況等進行反復修改和優化, 將問題發現于正式生產前, 大大縮短制模時間, 提高模具加工精度。

2 注塑模具設計基本流程

1）建立注塑模型(model) 建立注塑模型并將設計模型裝配到其中。當設計模型裝入注塑模型后，即作為一個參考模型(rel model)被替代了。參考模型是設計模型的一個拷貝，他們之間建立了一個關系。也就是說，修改了注塑模型，參考模型也會自動改變；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 注塑模具設計的基本流程圖

2）確定最優開模方向，根據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）設置收縮率利用Shrine 功能為整個模型設置收縮率。

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

設計的基本流程如圖1所示。

3 Pro/Engineer的數控加工編程流程

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

圖2為Pro/NC的數控編程流程圖：首先建立加工模型，根據被加工零件的技術要求、幾何形狀、尺寸及工藝要求將實際運行加工程序的各項環境參數及操作參數存放在Pro/NC數據庫中，然后確定加工路線和工藝參數、切削參數及輔助功能，設置加工刀具的路徑參數，Pro/NC會獲得實際加工時的刀具路徑，然后按數控機床所采用的代碼驅動數控機床進行加工。

4 收音機上蓋注塑模具設計

4.1 建立手機外殼三維模型

造型良好的三維模型是進行模具設計的基礎，收音機上蓋曲面較多，通過曲面造型、曲面合并、加厚、拉伸剪切、陣列等命令建立實體模型，如圖3、圖4所示。

圖3 收音機3D圖及爆炸圖

圖4 收音機上蓋塑件3D圖

4.2 創建模具模型

模具模型包括參照模型和工件，參照模型是設計模具的參照，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。為了保證各個型腔熔體能同時均衡充滿，一般選擇平衡式的型腔布置。由于收音機是一屬家用電器，需要大批量生產，對外觀的質量有一定的要求，也就是制件的上表面不能有澆口的痕跡。為了提高生產效率，該模具設計采用的是一模兩腔，平衡式型腔布置。具體創建過程如下：1）導入參考模型及布置型腔。啟動Pro/Engineer系統，通過EMX新建一個項目，進入模具設計工作界面后，在菜單管理器中依次點選模具模型→定位參照零件，在查找文件對話框中打開收音機上蓋模型。在元件布局對話框中，參照模型起點與定向選CSO，布局起點選擇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，平衡式型腔布置設置完成，如圖5所示。2）創建工件。在菜單管理器中依次點選模具模型→創建→工件→手動，在彈出的對話框中輸入工件名為：Work piece，再依次選則實體→加材料→拉伸→實體→完成，在“特征構建”工具欄中選擇草繪工具，打開草繪功能面板，選取基準面MOLDBASE2X2Y為草繪平面，選擇MOLDBASE2X2Z作為頂參考，草繪矩形，雙側拉伸，即完成工件的創建。

美國采用“實質等同原則”指導其轉基因食品安全立法工作。該原則的基本含義是：轉基因食品是與其它食品沒有任何差別的食品，在立法中，轉基因食品與其他食品一樣適用常規法律。這是因為美國政府認為：科學是管制體制的基石。在沒有確鑿證據證明轉基因食品有害的情況下，對于轉基因食品就應該采取與普通食品同等的態度，不應過度管制。

圖5 塑件型腔數量及布置

4.3 設置收縮率

從模具中取出注塑件后，由于溫度及壓力的變化會產生收縮現象，通過設置適當的收縮率來放大參照模型，便可獲得正確的注塑零件。收縮率的設定與材料的選取有關，本例材料收縮率取0.005，采用根據零件尺寸設定收縮率的方式來設置收縮率。單擊模具→收縮→按尺寸→設置→所有尺寸。

在信息框內并輸入收縮率0.005，確定即完成收縮率的設定。

4.4 構建分型面

在模具的設計、制造過程中，模具的分型面的創建最為關鍵，Pro/Engineer提供了非常強大的曲面創建和操作功能，可以通過多種方式來創建分型面。該模具的設計難點之一就是分型面的設計與在Pro/Engineer中的實現，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。最后采用合并曲面的方式生成分型面。1）填補靠破孔。將工件隱藏起來，先完成一個靠破孔的填補，單擊分型面→創建→確定，接受缺省的分型面名稱，單擊增加→復制→完成，選取不含靠破孔的所有外表面，然后雙擊“填充環”選項，選取收音機蓋上表面，單擊確定，即完成靠破孔的填補。用同樣的方法完成另外一個曲面靠破孔的修補。2）延拓曲面。修改前面構建的分型面，單擊延拓→沿方向→向上至曲面→完成，選擇每個外殼前端缺口輪廓線，延拓至相對應的工件外表面。3）構建平面部分分型面。修改前面構建的分型面，單擊增加→平整→完成→新設置，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2→確認，該模具的分型面就構建好了，如圖6所示。

4.5 拆分模具體積塊

所謂建立體積塊，就是將已經創建的工件以分型面為參照，分割為數個體積塊。依次單擊模具體積塊→分割→2個體積塊→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

體積塊只是一個有體積無質量的虛擬體，不是實體模具組件，所以接下來要進行實體元件抽取工作。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 設計澆口和流道

采用側澆口，2點進澆，可減少熔料在模腔內流動的距離，便于注射成型。采用圓形斷面分流道，散熱量小，充模阻力小，澆口凍結時間長，可提高制件成型質量。具體設計步驟如下：用旋轉切除材料的方法完成主流道的設計，分流道單擊特征→型腔組件→流道→導圓角，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?！鷦摻?，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

步驟為模具進料孔→定義間距→定義移動→選取模具元件的一條豎直方向的棱為參考方向，指向外側的方向為正向,輸入100作為移動距離。如圖10所示。

圖10 開模模擬

4.10 利用模具專家系統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的止動銷，LRK類型的定模側定位環。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 模具主要零件的數控加工

對本副模具而言，型腔的加工過程較為復雜，加工過程細節考慮也較多。因此在這里只對型腔模塊進行數控編程及加工模擬。

5.1 對型腔進行加工工藝分析

型腔上表面由2個復雜的曲面，澆道和1個平面組成，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 建立制造模型和設置制造環境

1）創建加工幾何模型。以第一個工序為例，采用曲面銑削的方式來加工型腔上表面的復雜曲面，選取型腔上表面的復雜曲面為銑削曲面，進行編程加工。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序列設置完成的。應根據機床的加工能力、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）加工參數的設置。Pro/Engineer制造參數設置是在參數樹管理器對話框中完成的，制造參數分為6大部分：NCL(刀位文件)名稱、切割選項、切割參數、進給參數、機械參數、入口/出口參數等，其中每一部分都有多個要求設置的參數，累計達80個左右。Pro/Engineer的參數設置是比較復雜的，一般加工設置時，可選簡化的參數設置項，它通常包含了上述6類參數中必須設置的幾個重要參數?，F針對型腔的加工，在選用曲面銑削加工方式后，參數設置主要考慮工件材料、刀具類型、機床性能，加工工藝性和加工效率等。

5.3 生成刀具路徑

數控(NC)系列設置完成后，在Pro/Engineer的NC序列菜單中選擇“軌跡演示”命令，系統自動生成刀具路徑，經過屏幕演示、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數據”命令生成CL刀位文件，如圖12所示，此文件經過后處理就能生成符合要求的NC程序。而NC程序通過RS232數據接口上傳給數控機床，就可以自動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，數控加工仿真專用軟件，具備同時進行刀具軌跡和機床運動仿真的功能，采用先進的3維顯示及虛擬現實技術，對數控加工過程的模擬達到了極其逼真的程度，監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自動調用VERICU軟件進行仿真加工，如圖13所示。

圖12 型腔數控加工的CL數據（部分）

6 結束語

Pro/Engineer軟件不僅具有強大的造型功能，也具有優異的模具設計和加工制造功能。運用Pro/Engineer中的模具設計模塊，可以很簡捷地將模具

圖13 VER ICU軟件數控仿真加工

元件提取，大大提高了模具設計效率,降低設計成本。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雜模具零件的曲面加工，使加工中心在制造過程中發揮了更大的作用，大大提高了模具制造效率，真正意義上實現了產品的全相關性設計與制造一體化。

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

[2] 屠立,陳峰.基于PRO/E的參數化特征造型在零件設計中的應用[J].輕工機械,2006,24(3):59261.