基于CAD/CAM模具設計與制造的研究

任玉珠

（沈陽職業技術學院，沈陽 110045 ）

1 模具設計與制造概述

模具自身的特殊性決定了模具的設計與制造是一個不可分割的整體。由于模具的型腔多為復雜的曲面或曲線所構成，因而其制造過程大量應用了數控技術。近年CAD/CAE/CAM商業軟件日益普及，使得計算機不僅被用來進行模具的設計和數控程序的生成，而且還被用來模擬模具的成型和使用過程。

2 模具的種類

根據應用于成型加工的對象和各種工藝過程的不同，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，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稱為型腔模。

模具的外形通常可以根據壓制機械的要求設計，而在模具中要描述其成型對象的輪廓，則通常要依靠一定的造型方法去設計并做出制造方案，而這些恰好是CAD / CAM軟件的應用領域所在。

3 模具設計與制造的特點

由于不同類型的模具涉及各種不同的專業應用領域，因此模具設計的專業性較強，需要根據一定的設計方法來進行設計。

1）從二維設計向三維設計轉變

從設計手段看，傳統的模具設計主要采用二維設計，即首先將三維的制品零件通過投影生成若干個二維視圖來表示，然后在此基礎上再進行模具結構設計，畫出模具的裝配圖及各個零件圖。目前模具的設計手段正逐步從傳統的二維設計向三維設計轉變。

2）三維CAD技術的出現徹底解決了二維設計的弊端

整個模具制品零件及模具結構設計可以直接在非常直觀的三維環境下進行。當模具制品及模具零件的三維模型設計完成后，可直接根據投影關系自動生成工程圖，徹底解決了傳統二維設計繁瑣、相互干涉的弊端。

3）模具設計推動了CAD、CAM技術的不斷發展

模具屬于標準化程度較高的產品，模具設計中使用的模架及各種標準零件可以直接從CAD系統中建立的標準目錄庫中直接調用，大大提高了設計的質量與效率。同時，三維CAD系統中設計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控加工編程等后續應用，適應了現代化生產和CAD／CAM集成技術的要求。為了更好地解決模具設計中所提出的各種新問題，又進一步推動了CAD、CAM技術的不斷發展。

4）模具設計率先使用先進的制造方法、新材料、新工藝

為了盡量縮短模具制造周期，各種先進的制造方法如快速原型制造、逆向工程、高速加工及網絡協同制造等技術也隨著在模具制造業中的率先應用而獲得發展和完善。除此之外，為了提高模具的使用壽命，各種新材料、新工藝及先進的熱處理、表面處理技術也在模具制造業中率先獲得應用。

4 模具設計與制造中CAD/CAM的應用

1）模具設計中大量應用了特征三維造型技術

現代產品根據使用要求及美學要求來進行設計，在此同時要考慮材料性能、成型工藝、模具結構、成型設備、生產批量及生產成本等各方面的要求。基于特征的三維造型軟件的應用，為設計師提供了強大的設計編輯平臺。使用參數化特征造型技術，能很方便地生成產品的三維參數化模型，調整參數值即可實現設計模型快速修改，為后續的模具設計與分析計算打下良好的基礎。

2）PC平臺上的CAD/CAM軟件在模具行業的應用

20世紀90年代前，能支持模具設計與制造的CAD/CAM軟件主要采用UNIX操作系統，并運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版，甚至推出了完全Windows風格界面的軟件。特別是模具數控加工中的計算機輔助編程，不少模具企業已能應用自如，并獲得了良好的經濟效益。

3）模具遠程協同制造在CAD/CAM中的集成應用

使用計算機輔助完成模具的整個設計與制造，必然要用到各種CAD/CAM專業軟件。為了使設計與制造數據能在這些軟件間進行暢通的數據交換，必須要實現這些軟件的集成。

傳統意義上的CAD/CAM集成是指一個軟件本身的各種設計與制造功能的集成，如高端CAD/CAM集成軟件PRO/E、UGII中就集成了零件設計、反求工程、裝配設計、模具設計、工程圖及NC加工編程等諸多功能。但隨著全球經濟一體化的不斷推進及模具設計與制造領域中專業化分及協同制造的需要，更需要基于網絡的模具CAD/CAM集成軟件來支持。

4）專業的模具CAD/CAM功能及智能化程度在不斷提高

傳統的CAD/CAM軟件使用比較復雜，各種選項的選擇及參數的設置必須由用戶作出正確的判斷，否則軟件無法為用戶提供符合實際情況的正確結果。如模具設計中非常關鍵的零件分模面的構造，在很多軟件中需要通過使用通用功能一步步地構造來實現。

基于知識、面向制造的智能化模具CAD/CAM軟件的出現，將大大提高模具設計的效率與質量。如Cimatronit中的模具專家功能，能根據脫模方向自動生成分模線，優化生成分模面后，再自動分割出凸、凹模。再如CAXA軟件中的知識加工功能，通過簡單的參數設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典型模具加工過程。

在西方工業發達國家，模具設計與制造過程中的CAD/CAM的應用已非常普遍，可完全實現從產品設計、模具設計至模具NC加工的無紙化。所以能否將CAD/CAM技術應用于模具設計與制造的全過程已成為模具企業繼續發展的必要條件。

5 CAM主要加工方法

主要包括粗加工、精加工、銑槽加工、知識加工。

5.1 粗加工

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

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加工的曲面或實體以截距相等的平面求出交線，以這些輪廓、島進行加工；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；插銑式粗加工和導動線粗加工。

5.2 精加工

參數線精加工：用于三軸聯動加工三維曲面；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；導動線精加工：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 補加工

補加工是根據結構的需要，對底部夾角等細微的部分進行補加工。等高線補加工：用于實體、曲面多部位的補加工，也可以用于凹模和凸模的加工；筆式清根加工：用于實體多部位的補加工，也可用于凹模和凸模的加工；區域式補加工：用于實體多部位的補加工，也可以用于凹模加工及深形和淺形的型腔夾角的補加工。

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：用于實體多部位的補加工，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 知識加工包括生成模板和應用模板

生成模板：用于記錄用戶已經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工步的加工參數。

應用模板：用于記錄用戶已經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工步的加工參數。

6 CAM在模具設計與制造中的關鍵技術

6.1 盡量用二維替代三維

大多數機床在三維曲面或實體的加工中使用直線插補方式，它沒有直接生成的二維軌跡的精度高，也沒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，會有很多在設計中做三維造型的產品，在加工中只需要一些二維輪廓。比如用三維設計造型完成的三維實體如圖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，其造型形狀有時也和設計造型迥然不同。比如設計造型如圖2(a)所示，如果直接對此實體圖進行加工，其上表面加工軌跡如圖2(b)所示（參數線加工，不做任何工藝處理的情況）。

如果造型時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原始曲面，即可完全滿足加工對造型的需求。對上述曲面做參數線加工后生成的軌跡將不會在被加工后的表面邊緣留下折點及進出刀痕跡如圖2(c)所示。因此它所用的時間會明顯比設計造型用的時間短。生成軌跡時，在設計造型中，需要處理的是實體，系統將從實體上剝離曲面，然后再對曲面進行加工。而對加工造型，僅僅需要處理現有的曲面即可，速度上要比處理實體快很多。

圖1 三維實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。它可以是實體、曲面、二維線框的任意混合使用。在設計造刑上的混合模型一般是實體和曲面的混合，很少用到線框、曲面的混合。在加工造型中，這種混合應用的主要目地也是為了簡化模型，提高效率。設計造型如圖3所示：

圖2 設計造型、加工造型、二維造型

圖3 三維實體、曲面、二維線框混合使用

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

6.4 化整為零提高運行效率

在PC機上進行三維實體設計，當零件的復雜程度加大時，運行效率會很低。對于CAM來說，同樣會遇到這種問題，較好的解決方法就是化整為零。CAM不同于CAD，復雜零件如果拆開設計會有很多麻煩，CAM則是完全可以的。很多企業的應用經驗證明，將一個零件分成很多局部進行CAM造型及加工是可行的，即完成了設計任務，又使軟件運行速度成級數速率提高。

7 結束語

利用CAM、CAD進行模具設計與制造，提高工藝文件質量，縮短生產周期，降低勞動強度，提高了生產效率，降低了生產成本。

[1] 李云程. 模具制造技術[M]. 北京:機械工業出版社, 2010.

[2] 姜家吉.模具CAD/CAM[M].北京:機械工業出版社, 2008.

[3] 張榮清.模具制造工藝[M]. 北京:高等教育出版社, 2006.

[4] 陳立德.機械制造技術[M].上海:上海交通大學出版社, 2000.

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