基于CAD/CAM技術的注射模具畢業設計

高征兵，秦永法

（揚州大學 機械工程學院， 揚州 225127）

0 引言

注射模具傳統的設計方法主要是依賴工程技術人員的設計經驗，至于模具的設計速度、質量及可靠性程度，因設計人員的經驗而異。隨著計算機技術與機械設計制造技術不斷發展，出現了多種 CAD/CAM軟件，如 SolidWorks、Inventor、MDT、Cimatron、 Mastercam 、Pro/E 、UG、CATIA等等。這些軟件的出現，為模具設計與制造工作擺脫了傳統設計方法，采用現代設計方法提供了有力的保證[1]。其中Pro/E是美國參數技術公司（PTC）推出的新一代基于特征、具有全相關數據庫的CAD/CAM參數化軟件，它具有產品造型設計、裝配、模具設計、分析計算、動態模擬仿真等優勢功能，但其加工功能因其參數設置較為繁瑣而不利于推廣。Mastercam是美國CNC Software公司推出的一種基于PC機平臺的CAD/CAM軟件，由于其卓越的加工功能，被廣泛應用于機械、航空、造船、模具等領域。然而Mastercam的設計功能相對薄弱，在進行復雜曲面造型時比較困難，而這正是Pro/E的優勢所在[2]。將Pro/E的塑料模具設計功能與Mastercam的加工仿真功能相結合，既能提高模具的設計質量和效率，又能提高模具的精度，還能為實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的注射模設計及加工仿真一體化的關鍵技術，對注射模具方向的畢業設計步驟及技巧進行介紹。

1 畢業設計任務書

實際生產中，模具設計任務書通常由塑料制件工藝員根據成型塑料制件的任務書提出，模具設計人員以成型塑料制件任務書、模具設計任務書為依據來設計模具。

對于本科生畢業設計，任務書由畢業設計指導教師給出。本畢業設計任務書中給出的水杯塑件如圖1所示?；贑AD/CAM技術的注射模具畢業設計任務書的內容有如下幾個方面內容：

1）課題應達到的目的：說明畢業設計環節應該達到的培養目的。

2）課題任務的內容和要求：畢業設計任務的簡單描述，開展畢業設計條件的說明，選作該課學生需要具備的基礎。

3）課題成果的要求：明確該畢業設計課題的成果的總量，通常包括論文內容和篇幅、圖紙、外文科技文獻的翻譯、實習報告等方面的具體要求。

4）主要參考文獻：教師指定學生需要閱讀的主要文獻。

圖1 畢業設計任務書(水杯)

5）課題工作進度計劃：教師根據教學計劃安排，確定課題的進度計劃結點，以及學生各階段需要完成的工作。

2 畢業設計開題報告

學生在熟悉畢業設計任務書、畢業實習、閱讀文獻等環節的基礎上，需要做一次畢業設計的開題報告，考核小組會對開題報告進行審核。該報告包括以下兩項主要內容：

1）結合畢業設計課題情況，根據所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述。綜述本課題國內外研究與應用現狀、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：

設計塑料件成型模具；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）：

隨著計算機技術的發展，CAD/CAM技術必將引入到塑料模具畢業設計中。本文闡述了一種注射模CAD/CAM一體化技術。運用Pro/E軟件的通用功能模塊及其模架設計專家（EMX）模塊，進行塑件及其注射模設計，并將模具中的成形零部件模型數據轉換到Mastercam中進行數控編程和加工仿真。具體包括：

①水杯三維造型。應用Pro/E中拉伸、拔模、倒圓角、掃描等相關命令生成水杯模型。

②模具設計。包括定、動模的設計及模架的選用。在分析塑料制件工藝性的基礎上確定模具的結構方案，主要內容有：分型面；型腔數目及配置；澆注系統和排氣結構；型腔、型芯的結構及固定方式；頂出機構類型；溫度控制調節系統等方面。綜合以上條件確定標準模架型號。

③模架的設計。利用Pro/E的外掛程序EMX（模架設計專家）來設計模具模架。

④注射機選用后基本參數的校核。參數的校核分為兩部分：所選用的注射機能否滿足塑件成型所需的注射量、注射壓力及鎖模力；所設計的模具尺寸、推出裝置等參數是否在所選擇的注射機的技術規范內。

⑤模具定、動模加工模擬仿真。將Pro/E系統中的模型以IGES數據文件的格式轉入到Mastercam中進行模擬仿真加工。

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

3 畢業設計說明書的主要內容

3.1 水杯的三維造型

根據畢業設計任務書所提供的水杯工程圖，在Pro/E的【零件】模塊下，通過旋轉、倒圓角、拔模、掃描等特征造型方法，創建如圖2所示的水杯模型。

3.2 水杯注射模主要零部件設計

Pro/E中的Pro/MOLDESIGN模塊提供了非常方便實用的三維環境下的注射模具設計與分析工具。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、設計分型面、澆注系統及冷卻系統，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計工作；該模塊還提供了如拔模檢測、厚度檢測、分型面檢測、投影面積計算、充模仿真、開模仿真、干涉檢測等分析功能，利用這些功能可使模具設計更為合理、準確，且能避免設計中不必要的重復勞動。基于Pro/E的注射模成型零部件設計流程如圖3所示。由于塑件中等尺寸，采用一模兩件即可滿足生產需要。根據水杯所使用的材料（尼龍1010，ρ=1.05g/cm3），設置收縮率為0.5%，利用Pro/E的【制造】/【模具型腔】模塊設計水杯模具，所設計的模具開模仿真如圖4所示。

圖2 水杯模型

圖3 成型零部件設計流程圖

3.3 模架及其他零件設計

利用Pro/E中的Pro/MOLDESIGN模塊設計注射模具時，一般都要應用外掛的EMX（模架設計專家）來設計模具模架。EMX提供了一個智能、自動化模架和模具組件的數據庫。應用該模塊能大大縮短模具設計人員花費在創建、定制和細化模架部件上的時間。在組件創建完成后，程序會自動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。程序還能夠自動檢測整個模具的開啟順序，包括滑塊、提鉤和頂桿等動作。由于Pro/E為國外研發的軟件，目前在EMX4.1中還沒有符合我國國家標準的模架，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向滑動模塊，若采用二板式模架，斜導柱又安裝在定模塊上，顯然結構不合理，因此需要采用增加一塊定模墊板的三板式結構。結合GB/T12556－1990《塑料注射模中小型模架及技術條件》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設計模架的基本流程如圖5所示。本文所設計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 選擇注射機及校核

注射模是安裝在注射機上使用的，在設計模具時，除了應掌握注射成型的工藝過程外，還必須將所設計的模具與所選用的注射機全面地聯系起來，才能生產出合格的塑料制品。因此，應對相關參數進行校核。

3.4.1 選擇注射機

應用Pro/E中的【分析】/【模型】/【質量屬性】及【分析】/【測量】/【區域】命令求出單個塑件的體積、質量分 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，求得實際注射量體積為：351.68cm3。根據分型面面積及型腔壓力，求出鎖模力為322.5KN。

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

3.4.2 相關參數的校核

參數的校核分為兩部分：1）所選用的注射機能否滿足塑件成型所需的注射量、注射壓力及鎖模力。2）對上述2中所設計的模具進行校核，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、注射機定位孔與模具定位圈的配合及噴嘴等進行校核。只有這些參數都在所選注射機的技術規范內，才表示所設計的模具與所選用的注射機相配套。否則，重新設計模具或重選注射機，直到相配套為止。經過校核表明，本文所設計模具的尺寸參數在注射機的技術規范內。

圖5 EMX設計模架流程圖

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零件的二維工程圖。

3.6 基于Mastercam的數控加工仿真

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

圖7 水杯模具（主視圖）

基于Mastercam的數控加工流程如圖8所示。下面以切減后的動模（如

圖10所示，切除部分作為推件板）為例說明其具體應用。

1）從Pro/E系統將切減后的動模以IGES數據文件的格式轉入到Mastercam中。

2）加工坯料及對刀點的確定。在刀具路徑設置之前，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移到系統坐標原點，便于加工時以圖形中心對刀。

圖8 基于Mastercam的數控加工流程圖

3）選擇加工內容及刀具路徑。根據水杯動模特點，中間兩大孔采用在XOY平面做圓弧插補銑削（挖槽）的加工方式，其余8個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”、“基準先行”的原則[7]，擬定加工工藝方案。然后為各工序設置刀具進給速度、提刀速度、主軸轉速、加工余量等參數。當刀具路徑設計完畢后，顯示的加工軌跡如圖9所示，再通過實體驗證、持續執行等命令顯示出如圖10所示的加工仿真效果圖。

4）生成數控加工代碼。當確認仿真加工與實際加工要求相符合時，就可以執行后處理程序，選擇對應的后置處理文件（如數控系統為FANUC時，選用MPFAN.PST文件）將刀具路徑轉換為數控機床所能接受的數控程序，最后根據需要將系統自動生成的NC代碼傳輸到數控加工設備的控制器內。

圖9 刀具路徑軌跡效果圖

圖10 模具加工仿真效果圖

4 畢業設計成果

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）、動模（A2，1張）、定模板（A2，1張）、定模座板（A2，1張）、動模板（A2，1張）、動模座板（A2，1張）、動模墊板（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、動模加工仿真效果圖（如圖10所示）。

5）說明書 1份。

5 結束語

基于CAD/CAM進行塑料模具畢業設計，通過學生綜合運用模具知識及計算機輔助設計、計算機輔助制造的知識，培養了學生的工程設計能力、初步的科學研究能力。結合我院的培養情況及用人單位的反饋信息，選做基于CAD/CAM技術注射模畢業設計課題的畢業生，具有較強的崗位適應能力和競爭力。因此，基于CAD/CAM的塑料模具畢業設計課題是能夠達到畢業設計教學環節的目標。

[1] 齊曉杰.塑料成型工藝與模具設計[M].北京: 機械工業出版社.2006.

[2] 何滿才.Pro/E模具設計與Mastercam數控加工[M].北京:人民郵電出版社.2008.

[3] 李成林, 高文科, 李婧.基于Pro/E的注塑模具設計與Mastercam加工[J].機械制造與自動化, 2010, 39(1):43-45.

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

[5] 凱德.精通Pro/E中文野火版模具設計[M].北京: 中國青年出版社.2007.

[6] 門超.基于Pro/E及MasterCAM環境下的模具設計與加工[J].裝備制造技術, 2007(11):80-81.

[7] 趙建華, 薛瓊, 張寧.CAD/CAM技術在數碼相機面殼模具中的應用[J].制造業自動化, 2009(4):93,94,118.