CAD/CAM軟件在高精密模具設計制造中的應用

（濟寧職業技術學院，山東 濟寧 272037）

近年來，模具設計制造逐漸向著高精密方向發展，其中CAD（計算機輔助設計）/CAM（計算機輔助制造）軟件的推廣應用引發了模具設計制造的重大變革，并將高精密模具設計加工帶向了前所未有的技術高度。國內模具行業經歷了近十年的發展取得了巨大的成就，但距離模具制造強國仍有巨大差距。因此，對高精密模具設計制造中CAD/CAM 軟件的應用進行研究具有十分重要的現實意義。

1 CAD/CAM軟件的內涵與應用優勢

CAD 即計算機輔助設計，指的是利用計算機及圖形設備幫助設計人員進行設計工作，設計人員利用該類軟件可進行計算、分析與比較，并從中篩選出最佳方案。利用CAD軟件進行設計與傳統的設計方式有明顯不同。其是根據產品開發計劃及對產品功能的要求，不再僅僅依賴于設計者的知識與經驗去設計，而是運用包括設計者本人與存儲在計算機中的多種知識，在CAD 系統與數據庫的支持下進行設計。這樣設計出的產品遠遠優于單個設計師憑個人腦力與能力設計出的產品，CAD 輸出的結果也不僅僅是裝配圖與零件圖，還包括設計、制造等過程中應用計算機所需的各類信息。CAM 即計算機輔助制造，具有數據轉化與過程自動化2 個方面的功能，能夠通過控制計算機數值來控制制造生產過程[1]。

數據加工是CAD/CAM 軟件發揮效益最直接、最顯著的環節之一。通常情況下，加工對象的形狀越復雜，加工精度越高，設計更改越頻繁，數據加工的優越性越容易得到發揮。從設計到制造的全過程來看，CAD/CAM 軟件具備3個典型的技術特點。1）產品開發的集成。對于一個完全集成的CAD/CAM 軟件而言，其能夠輔助工程師完成從概念設計到工程功能分析，再到制造的整個產品開發過程。2）相關性。CAD/CAM 軟件通過應用主模型方法，將設計與制造過程中的所有應用關聯起來。3）并行協作。CAD/CAM 軟件通過應用主模型、產品數據管理PDM、產品可視化（PV）以及杠桿運用Internet 技術，支持企業范圍的并行協作。

CAD/CAM 軟件不僅引發了生產模式的變革，還推動了市場的發展，在包括制造業在內的多個領域中得到了廣泛應用。在模具設計制造中，CAD/CAM 軟件的應用優勢十分顯著。1）使用CAD/CAM 軟件可顯著提升模具設計制造的質量。借助CAD/CAM 軟件可對模具斷面幾何形狀進行繪制，還可對斷面周長及中心進行計算，所以其精度較高，設計制造出的模具也更科學合理。2）使用CAD/CAM 軟件可明顯縮短模具設計制造的時間。該類軟件對設計制作者的技術要求較低，較傳統的手工繪圖而言，該繪圖方式可縮減一半以上的時間，并極大地縮短了圖紙修改的時間，降低了時間成本。3）使用CAD/CAM 軟件可有效節約模具生產成本。該類軟件利用計算機實現了模具的自動化設計制造，特別是在復雜高精密模具型面加工過程中，該類軟件的應用極大地減少了加工調試的次數，節約了人力、物力、財力，有效地降低了生產成本。4）使用CAD/CAM 軟件可有效減少工作量。CAD/CAM 軟件的應用實現了模具的自動化設計制造，使設計人員可以從繁重的工作中成功解脫出來，投身于更具有創造性的工作中去[2]。

2 CAD/CAM軟件在高精密模具設計制造中的具體應用

2.1 CAD/CAM常用軟件的一般使用流程

作為較為常用的CAD 軟件，Pro/E 的一般使用流程分10 步。1）創設模具模型，系統通過讀取和錄入零件的設計內容，完成胚料的裝配及實體創建。2）軟件借助模具完成成品收縮率的計算與設計。3）對模具分型面進行設計，該步驟難度較大，并直接決定了設計乃至整個模具產品的質量。4）利用分型面將胚料劃分為多個型芯體積，并創建砂芯體積、斜頂體積等數據。5）轉換型芯體積，使之轉變為凹凸模、砂芯、滑塊等組件。6）結合模具特征設計澆道系統，如Sprue、Runner、Gat 等。7）鑄造模型，設計澆筑各模型部件。8）借助Analysis 檢測模具零件。9）依托模具打開功能動態演示開模動作，進一步檢測和了解模具的制作過程。10）完成底座的裝配設計，確保其與產品相互匹配，并構建數據庫方便后續使用維護[3]。

模具設計工作結束后，需要根據圖紙采購模架等對模具進行加工，并將加工好的部件裝入模胚中，生產出完整的模具。模具加工需要借助CAM 軟件，其核心應用軟件有UG、Mastercam 等。以Mastercam 為例，首先，要通過主菜單打開設計好的模芯零件，執行菜單命令，并在菜單對話框中輸入零件的尺寸、原點、材料等數據。其次，設置完成之后需要結合零件特征選取不同的加工方法，并對切削深度、刀具、加工參數等進行設置。最后，要依據對應操作進入模擬界面，對模具進行模擬加工，并在對話框中設置保存項，將其以NCI 或NC 形式保存，并選擇加工該文件[4]。

2.2 CAD/CAM軟件在高精密模具立體模型設計中的應用

高精密模具大多數都有立體及曲面加工的要求，傳統設計多采用平面設計的方法，即借助投影設備得到立體模具的多個平面視圖，再對模具架構進行設計，繪制出模具對應的零件圖、裝配圖。而CAD 軟件可以直接建立立體模型，使高精密模具設計由平面設計成功轉向立體設計。高精密模具的設計要遵循需求及美學原則，兼顧制造工藝、材料特征、模具架構、成本費用、批量生產等多方面因素，而集特征三維模型技術于一體的CAD 軟件創設了設計繪圖平臺，可便捷、高速地生成參數化立體模型，借助變動的參數即可完成模型的修改工作。運用CAM 軟件時需遵循二維軌跡原則，由于模具設計更傾向于平面軌跡，部分高精密模具的設計涉及混合模型的使用，如立體、曲面、平面等，因此，模具腔型的設計需采用立體和曲面的混合模型，為了簡化模型、提高生產效率，往往需要借助CAM 軟件將其化整為零，CAD 軟件并不支持復雜零件的拆解設計，CAM 軟件則完全支持，其可以將部分復雜零件劃分成多個局部進行設計，再借助CAM 軟件進行加工，這樣可以有效提高效率。

2.3 CAD/CAM軟件在高精密模具加工仿真中的應用

由于高速加工對加工工藝、數控指令等方面要求極高，因此，需要借助CAD/CAM 軟件優化編程與刀具進給功率，使主軸速度達到12 000 r/min 以上，使其可以更好地適應大型汽車覆蓋件模具的加工要求。與此同時，要想滿足高精度模具的要求就需要通過CAD/CAM 軟件的無縫銜接，大幅縮短了模具設計制造的周期。

以Pro/E 為例，其自身攜帶NC 模塊，可進行毛坯、工藝參數、切削參數等的設置，并可以對刀具路徑進行仿真演示，最終生成相應的數控代碼，但Pro/E 的加工參數設置過于煩瑣，而Mastercam 雖然在產品造型、模具設計方面不如Pro/E，但在數控加工方面十分便捷，因此，二者的銜接貫通了模具的設計與加工仿真各環節。在Mastercam 軟件下，Pro/E 的操作流程為首先轉換數據格式，借助Mastercam 讀取IGES、SAT、DXF、DWG 等格式文件，在Pro/E 中完成設計后需打開相應的模具文件，選取菜單欄中的文件/保存副本命令，隨后啟動Mastercam 軟件的Mill 9 模塊，執行檔案/檔案轉換/IGES/讀取命令，將其轉化為IGES 文件，并處理坐標，使之保持一致。其次，選擇加工工藝，包括模具加工設計坯料、對刀點的確定、外形規劃、曲面規劃等內容，可借助刀具庫對話框選擇響應的加工刀具，并對刀具及外形銑削等參數進行設置。最后，加工模擬與代碼生成，設置好參數后可選擇“刀具路徑”的“實體驗證”功能，對模具進行模擬加工，如果加工無誤，可生成NC 代碼，CAM 軟件涉及主處理程序、后置理程序，前者負責接收用戶輸入的信息，并將數據體現在坐標系中，存儲為CLD文件，但該文件無法直接用作數控指令，需要有一個科學的后置處理程序，系統將CLD 文件信息轉化為數控機床所能接收的NC 程序代碼，并借助RS-232 接口錄入機床或直接進行加工[5]。

2.4 CAD/CAM 軟件在高精密模具檢測中的應用

對于高精密模具檢測而言，傳統檢測方式采用的是可移動式的三坐標測量儀，隨著高速加工技術的應用，傳統的測量方式已經無法滿足高精密模具的測量需求，需要借助三坐標測量儀與CAD/CAM 軟件的配合，完成模具的測量工作。當然，這2 種方法的效果大相徑庭，通常而言，CAD/CAM軟件的測量空間為3 250 mm×2 090 mm×1 370 mm，而三坐標測量儀精度約0.015 mm，其最大測量質量約為40 t。可見，CAD/CAM 軟件的應用極大地提高了測量精度，為了保證高精密模具測量精度的長期穩定性，需要將測量儀置于恒溫20 ℃的環境中，避免受到灰塵、振動等因素的影響，將其與外界環境隔絕開來，并置于由100 t 氣墊支撐的混凝土支座上。除了對模具的品質進行測量外，還需要對零件的整個加工過程及工序質量進行檢測。通常情況下，高精密模具加工需檢測2 次，第一次是在沖壓工序前進行測量，第二次是在沖壓后進行測量，2 次檢測均需要對模具上、下模型腔的狀態進行檢測，先利用理論計算法明晰其理論厚度，再對模具的制造全過程進行檢測[6]。

3 結語

作為工業生產的基礎工藝裝備，模具設計制造技術水平是衡量一個國家制造水平的重要指標，并直接決定了企業的生產空間。隨著各行各業對高精密模具設計制造需求的逐步提高，CAD/CAM 軟件的引入已經成為必然趨勢，其不僅能夠提高模具的設計質量、縮短模具的設計周期，還能使高精密模具的設計制造更便捷、更高效，所以具有十分廣闊的應用前景。應注意的是CAD/CAM 軟件在應用過程中仍存在不少技術難題，必須不斷深化研究，完善設計軟件，引入人工智能技術，進一步提升CAD/CAM 軟件的應用效果。