王立平

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2107-5640-6610

摘? 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAD/CAM技術(shù)受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注，成為制造設(shè)計(jì)領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。在現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)中，CAD/CAM同樣是不可或缺的軟件工具。但由于CAD/CAM軟件種類(lèi)多樣、模具類(lèi)型也各不相同，因此無(wú)論是在軟件選型還是在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中都會(huì)面臨很多問(wèn)題?；诖?，本文首先介紹了CAD/CAM軟件在模具設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)，然后介紹了常用的CAD/CAM軟件產(chǎn)品，并根據(jù)模具設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了選型分析，最后以底座熔模模具的設(shè)計(jì)為例，探討了基于Pro/E的底座熔模模具設(shè)計(jì)思路和要點(diǎn)。希望本文的研究可以為相關(guān)領(lǐng)域提供借鑒。

關(guān)鍵詞：CAD/CAM? 底座? 熔模? 模具設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TG249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2021）06（b）-0066-03

Discussion on the Design of Base Investment Mold Based on CAD/CAM Software

WANG Liping

（Yantai Fuyan mould Co.， Ltd.， Yantai， Shandong Province， 264003? China）

Abstract： With the development of computer technology， CAD/CAM technology has attracted more and more attention and become one of the core technologies in the field of manufacturing design. In modern mold design， CAD/CAM is also an indispensable software tool. However， due to the variety of CAD/CAM software and different mold types， there are many problems in the process of software selection and mold design. Based on this， this paper first introduces the advantages of CAD/CAM software in mold design， then introduces the commonly used CAD/CAM software products， and analyzes the type selection according to the mold design requirements. Finally， taking the design of base investment mold as an example， the design ideas and key points of base investment mold based on Pro / E are discussed. I hope this study can provide reference for related fields.

Key Words： CAD/CAM; Base; Investment mold; Mould design

近年來(lái)，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的推動(dòng)下，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及制造（Computer Aided Design and Computer Aided Manufacturing，CAD/CAM）技術(shù)受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注，并且逐漸成為制造設(shè)計(jì)領(lǐng)域的核心技術(shù)之一[1-2]。模具設(shè)計(jì)作為制造領(lǐng)域的重要組成部分，采用CAD/CAM技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)三維繪圖、圖形編輯、曲面加工、仿真模擬、動(dòng)態(tài)顯示等一系列基本的設(shè)計(jì)功能，而且為設(shè)計(jì)過(guò)程中的數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)共享、資源調(diào)度提供了重要的技術(shù)支撐。

1? CAD/CAM在模具設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

CAD/CAM是機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)和機(jī)械制造技術(shù)的復(fù)合體，通過(guò)CAD技術(shù)可以很容易設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足設(shè)計(jì)使用需求的產(chǎn)品原型，而采用CAM技術(shù)則可以高效、精確地將設(shè)計(jì)模型制造生產(chǎn)出來(lái)[3-4]。CAM與CAD在功能上緊密銜接，通過(guò)CAD設(shè)計(jì)出來(lái)的模型可以由CAM軟件進(jìn)行交互式編程，形成加工軌跡參數(shù)，可以很好地滿(mǎn)足復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高效加工，進(jìn)一步壓縮制造的周期，提高了制造效率和質(zhì)量。為了減少模具設(shè)計(jì)和加工過(guò)程中的錯(cuò)誤，當(dāng)前許多CAD/CAM軟件均提供了強(qiáng)大的NC仿真模塊，可以通過(guò)模擬的手段檢查刀具的軌跡是否正確、是否過(guò)切、是否發(fā)生干涉等等，從而大量減少試切加工的次數(shù)和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高一次加工成功率。

2? CAD/CAM軟件選型分析

當(dāng)前主流的CAD/CAM軟件主要有Pro/ENGINEER、UGⅡ、MasterCAM、Cimatron、CAXA等等，其中CAXA是我國(guó)自主研發(fā)的產(chǎn)品，其余均為國(guó)外產(chǎn)品。不同的CAD/CAM 軟件在功能、性能、兼容能力、價(jià)格、適用性等方面都有著明顯的區(qū)別，對(duì)于模具設(shè)計(jì)而言，并不是越貴的軟件就越好，也不能說(shuō)國(guó)產(chǎn)的就不如國(guó)外的。實(shí)際上，雖然國(guó)外的專(zhuān)業(yè)CAD/CAM 軟件功能中大且性能優(yōu)秀，但價(jià)格非常高，比較適合大型企業(yè)、高校和專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)院所。而國(guó)產(chǎn)的CAD/CAM 軟件雖然在功能和性能上都比國(guó)外大牌軟件差一些，但其性?xún)r(jià)比卻是很高的，是絕大多數(shù)中小企業(yè)的最佳選擇。因此在選擇設(shè)計(jì)軟件時(shí)，必須綜合考慮企業(yè)自身的規(guī)模、所在行業(yè)的特點(diǎn)、軟件性?xún)r(jià)比和實(shí)用性等因素，選擇最適合自身的軟件。

對(duì)于模具設(shè)計(jì)制造企業(yè)而言，由于模具產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且其設(shè)計(jì)和生產(chǎn)流程也很復(fù)雜[5]，需要在前期進(jìn)行反復(fù)的優(yōu)化參數(shù)，因此比較適合選擇國(guó)外的大型CAD/CAM 軟件，經(jīng)過(guò)對(duì)模具行業(yè)特點(diǎn)、軟件性?xún)r(jià)比等因素的綜合分析，本文采用美國(guó)PTC公司研發(fā)的Pro/ENGINEER軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)底座熔模模具的設(shè)計(jì)。

3? 底座零件模具概述

底座類(lèi)零件是機(jī)械設(shè)備最常見(jiàn)的組成部分，它的主要功能是為機(jī)械設(shè)備提供固定支撐的基礎(chǔ)。在一般的制造工藝中，底座零件要經(jīng)過(guò)精鑄、機(jī)加工、氣壓測(cè)試等工序后才能得到合格的產(chǎn)品。底座零件的顯著特點(diǎn)是整體形狀比較復(fù)雜，存在斜面或斜角，同時(shí)要求具有較高的加工精度，因此其整個(gè)工藝流程是比較復(fù)雜的[6-7]。

底座熔模模具是常見(jiàn)的模具類(lèi)型之一，其鑄造過(guò)程也比較繁瑣。首先，要通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出毛坯造型，接下來(lái)要設(shè)計(jì)并生產(chǎn)制造相應(yīng)的模具，再往模具內(nèi)部填充專(zhuān)用的液體蠟，凝固后打開(kāi)模具即可得到所需的蠟?zāi)＞?。為了提高模具的物理性能，還需要在模具上涂抹多層耐火材料并烘干，再次進(jìn)行熱處理，待型腔內(nèi)的蠟完全融化后，往陶瓷模具內(nèi)澆注金屬液，直到金屬液凝固后，去除外殼，從而生產(chǎn)出滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的底座鑄件產(chǎn)品[8-9]。

4? 基于Pro/E的底座熔模模具設(shè)計(jì)

在Pro/E軟件界面中選擇裝配模塊，然后選中模具設(shè)計(jì)子模塊，采用最經(jīng)典的分型面法完成底座熔模模具的開(kāi)模設(shè)計(jì)。在彈出的界面中正確選擇所需的分型面，此時(shí)分型面會(huì)將體積塊切成相對(duì)應(yīng)的兩部分，即上模具和下模具。接下來(lái)采用傳統(tǒng)的裝配法即可實(shí)現(xiàn)模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。當(dāng)然，在此之前，需要首先知道底座毛坯的三維模型。

4.1 底座毛坯三維模型

待制造的底座毛坯結(jié)構(gòu)如圖1所示，不難看出，其特點(diǎn)是存在大量的平面和45°斜面，其中斜面的設(shè)計(jì)可以充分利用基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)軸，以此為參考創(chuàng)建出所需的基準(zhǔn)斜面，接下來(lái)以該基準(zhǔn)斜面為基礎(chǔ)，創(chuàng)建一些必要的輔助基準(zhǔn)平面，通過(guò)Pro/E軟件中提供的拉伸、打孔、倒角、旋轉(zhuǎn)等基本操作方法，得到最終的底座毛坯三維模型。在該模型中，型芯是比較關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)，需要綜合使用曲面拉伸、曲面旋轉(zhuǎn)、曲面合并、曲面實(shí)體化和去除材料等一系列技巧的靈活運(yùn)用才能完成。

4.2 模具參數(shù)的確定

對(duì)于正常的精鑄件而言，其表面光潔度通常在6.3um以?xún)?nèi)，該水平已經(jīng)能夠滿(mǎn)足大多數(shù)非加工表面的需求。考慮到精鑄零件在尺寸上往往比重力鑄件小一些，因此可以使鑄造的尺寸得到一定的擴(kuò)展。在精鑄件中，通常采用蠟作為鑄型原料，在成型工藝中，受熱脹冷縮效應(yīng)的影響，零件冷卻后的體積往往會(huì)有所減小，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)模具尺寸進(jìn)行恰當(dāng)?shù)姆糯?，以抵消熱脹冷縮效的影響。另外，還要充分考慮蠟?zāi)：湍Ａ系氖湛s率指標(biāo)，使最終的整體收縮率控制在0.5%以?xún)?nèi)。

4.3 底座模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)

底座模具的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此這里采用了傳統(tǒng)的分型法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在Pro/E軟件界面中創(chuàng)建新的模具模塊，調(diào)用參考模型并采用分型面創(chuàng)建型腔，通過(guò)拉伸工具創(chuàng)建一個(gè)對(duì)稱(chēng)分型面，實(shí)現(xiàn)正、反模具的創(chuàng)建。但考慮到實(shí)際模具生產(chǎn)中需要一定的成本，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡量不用分型面開(kāi)模。對(duì)于次分型面，可以對(duì)平面進(jìn)行填充，對(duì)曲面進(jìn)行復(fù)制、合并，并把邊界延伸至毛坯上，從而形成封裝形狀。為了避免在主、次分型面合并過(guò)程中出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)，應(yīng)使2個(gè)分型面實(shí)體交上。經(jīng)過(guò)切割后，底座模具的上、下型腔設(shè)計(jì)就完成了，如圖2所示。

4.4 模具總體裝配設(shè)計(jì)

在得到上、下型腔和型芯后，繼續(xù)通過(guò)Pro/E軟件完成氣動(dòng)法蘭、頂板、支撐板、定位釘?shù)绕渌Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。調(diào)出軟件的工程圖模塊，導(dǎo)出模型的投影視圖，選擇顯示尺寸，生成二維裝配圖。在該模具中，兩部分模具的開(kāi)模和閉模是通過(guò)氣缸來(lái)推動(dòng)的，其中上模具由定位銷(xiāo)實(shí)現(xiàn)與頂板的裝配，下模具則通過(guò)內(nèi)六角螺釘完成裝配。為避免合模時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)位，設(shè)計(jì)了一個(gè)四導(dǎo)柱模架。如此一來(lái)就完成了整個(gè)底座熔模模具的總體裝配設(shè)計(jì)。

4.5 刀路仿真設(shè)計(jì)

對(duì)于底座熔模模具的而言，在造型和裝配關(guān)系設(shè)計(jì)完成后，接下來(lái)需要考慮的就是生產(chǎn)加工要求。本文通過(guò)MasterCAM來(lái)完成模具型腔的CAM設(shè)計(jì)，然后采用CIMCO Edit軟件驗(yàn)證刀路的可行性。實(shí)現(xiàn)的基本思路是先由Pro/E軟件生成模具三維實(shí)體模型，然后保存為IGES文件并導(dǎo)入到MasterCAM中，由MasterCAM軟件創(chuàng)建模具加工任務(wù)，選擇適當(dāng)?shù)募庸し绞讲⒃O(shè)置相關(guān)參數(shù)后運(yùn)行仿真程序。根據(jù)仿真的結(jié)果有針對(duì)性地對(duì)刀路設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化即可。

5? 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，人工智能、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，未來(lái)的CAD/CAM軟件必將與這些前沿科技逐步融合，形成更加智能化的模具設(shè)計(jì)制造工具。CAD/CAM軟件在整個(gè)模具和機(jī)械設(shè)計(jì)和制造行業(yè)中都是關(guān)鍵的核心技術(shù)，因此模具設(shè)計(jì)人員必須充分掌握CAD/CAM軟件的使用技巧，不斷與時(shí)俱進(jìn)，提升理論水平和實(shí)踐技能，才能設(shè)計(jì)出既滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求又滿(mǎn)足加工要求的優(yōu)秀模具產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1] 熊如意.UG平臺(tái)下異型曲面注射模CAD/CAE集成中的后處理技術(shù)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2019，16（29）：54， 56.

[2] 熊宗團(tuán).三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的運(yùn)用分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2019，16（12）：117，119.

[3] 門(mén)超.基于CAD/CAM的熔模鑄造模具的設(shè)計(jì)與加工[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2019，34（5）：6-8.

[4] 金鵬. 模具設(shè)計(jì)中CAD/CAE/CAM綜合應(yīng)用的研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2013.

[5] 楊朝舉，馬銘均.CAD聯(lián)合CAPP及CAM軟件技術(shù)在模具設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2017（7）：126-127.

[6] 羅海宏.CAD/CAM在模具設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2019（7）：77-78.

[7] Baba N Z， Goodacre B J， Goodacre C J， et al.CAD/CAM Complete Denture Systems and Physical properties： A Review of the Literature[J]. Journal of Prosthodontics， 2020.

[8] 趙巖.沖壓模具設(shè)計(jì)中對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的控制和運(yùn)用[J].科技資訊，2019，17（29）：61，63.

[9] 張文燕.基于Pro/E的壓鑄模具輔助工具設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[D].大連：大連工業(yè)大學(xué)，2018.