CAD/CAM在模具設(shè)計(jì)與加工中的關(guān)鍵技術(shù)
隨著制造業(yè)信息化時(shí)代的到來，現(xiàn)代制造技術(shù)快速發(fā)展，各種CAD/CAM(Computer-Aided Design/Computer-Aided Manufacturing)軟件在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用于模具設(shè)計(jì)與加工成為模具發(fā)展的必然趨勢(shì)。今天小編就給大家講講關(guān)于CAD/CAM在模具設(shè)計(jì)與加工中的關(guān)鍵技術(shù)，大家一起來看看吧。
探討了CAD/CAM軟件在模具設(shè)計(jì)制造中應(yīng)用過程以及一些軟件使用注意事項(xiàng)和技巧。以Pro/E和MasterCAM軟件在注塑模具中的應(yīng)用為例就CAD/CAM軟件在模具設(shè)計(jì)與加工中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。提高了零件的制造精度和模具設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了模具設(shè)計(jì)周期。CAD/CAM一體化技術(shù)使模具設(shè)計(jì)制造更加便捷方便。
模具是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備。在飛機(jī)、汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電器、電子、儀表和通信等產(chǎn)品中，60%—80%的零部件都要依靠模具成形。模具生產(chǎn)技術(shù)水平的高低，已成為衡量一個(gè)國家產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志，因?yàn)槟＞咴诤艽蟪潭壬蠜Q定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力，并在很大程度上決定企業(yè)的生產(chǎn)空間。振興和發(fā)展我國的模具工業(yè)，已經(jīng)是人們的普遍共識(shí)。
模具作為一種高效率的工藝裝備，具有節(jié)約原材料、制件成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。隨著模具工業(yè)的發(fā)展，快速、高效、精密成為模具設(shè)計(jì)的基本要求。零件多品種、小批量已成為當(dāng)前的生產(chǎn)趨勢(shì)，傳統(tǒng)的主要依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和操作技能來進(jìn)行模具設(shè)計(jì)與制造，已不能為滿足現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)與制造要求，傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)制造方法模具設(shè)計(jì)技術(shù)水平低，加工質(zhì)量差，生產(chǎn)周期長，新產(chǎn)品的更新?lián)Q代慢及成型工藝參數(shù)不穩(wěn)定等制約著模具工業(yè)的發(fā)展，所以傳統(tǒng)的方法已不能適應(yīng)當(dāng)前發(fā)展的需要。
目前隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)在模具設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用越來越廣泛。CAD/CAM(Computer-Aided Design/Computer-Aided Manufacturing)技術(shù)引入模具設(shè)計(jì)與制造已是必然趨勢(shì)，CAD/CAM不僅能加快模具的設(shè)計(jì)與加工過程，而且能縮短設(shè)計(jì)周期，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高制造造精度，本文就CAD/CAM軟件在模具設(shè)計(jì)制造中的一些技術(shù)作一些探討。
一、常見CAD/CAM軟件簡介
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代制造技術(shù)的迅速發(fā)展，各種二維及三維CAD/CAM軟件應(yīng)運(yùn)而生，且各具特色。CAD軟件主要完成零件的建模及零部件圖的繪制，常見的CAD軟件有AutoCAD，UG，Pro/E等。CAM軟件用來生成標(biāo)準(zhǔn)的G代碼，用來實(shí)現(xiàn)零件的加工，常見CAM軟件有：北航海爾的CAXA制造工程師以及MasterCAM，Cimatron等。
Pro/E和MasterCAM是其中用的較多的CAD/CAM軟件。PRO/E是美國PTC公司推出的新一代CAD/CAE/CAM軟件，它功能非常強(qiáng)大，利用它可以進(jìn)行零件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品裝配、數(shù)控加工、鈑金件設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)分析、有限元分析和產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理等，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械等眾多行業(yè)。
Mastercam是由美國cnc software公司推出的'基于PC平臺(tái)上的CAD/CAM軟件，具有很強(qiáng)的加工功能，它不僅能對(duì)刀位軌跡進(jìn)行編程及校驗(yàn)，而且能夠?qū)η邢骷庸み^程仿真，在生成加工代碼方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。由于Mastercam主要針對(duì)數(shù)控加工，零件的設(shè)計(jì)造型功能不強(qiáng)，因此將Pro/E強(qiáng)大的造型功能和Mastercam可靠的加工功能結(jié)合起來將會(huì)使零件的設(shè)計(jì)與加工更加快捷方便。以Pro/E和MasterCAM軟件為例就CAD/CAM軟件在注塑模具設(shè)計(jì)與加工中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。
二、模具設(shè)計(jì)與加工的一般流程
以注塑模具為例運(yùn)用Pro/E及Mastercam進(jìn)行模具設(shè)計(jì)與制造的流程如圖1所示：它主要包括兩大部分，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)及計(jì)算機(jī)輔助制造CAM，CAD部分主要包括產(chǎn)品三維建模、模型檢測(cè)與分析及模具組件設(shè)計(jì)。CAM部分包括設(shè)定加工操作環(huán)境、刀具及工藝參數(shù)分析與設(shè)定及后處理文件配置與加工。在Pro/E中與注塑模具有關(guān)的的主要模塊有3個(gè)：模具設(shè)計(jì)模塊、模座設(shè)計(jì)模塊、塑料顧問模塊。
模具設(shè)計(jì)模塊主要用于設(shè)計(jì)模具零部件及組件，它包括如下功能：設(shè)置注射零件的收縮率;對(duì)模具進(jìn)行方案設(shè)計(jì);對(duì)模具型腔、型芯、滑塊以及相關(guān)模具零件進(jìn)行設(shè)計(jì);在模具組件中添加標(biāo)準(zhǔn)元件;設(shè)計(jì)注射流道和水道;進(jìn)行模具分模檢查及開模仿真，以便發(fā)現(xiàn)模具元件在開模時(shí)是否與其他模具元件發(fā)生相互干涉。
以確認(rèn)模具在分模過程中能否正常開模。模具設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是模型的創(chuàng)建，因此，需要首先在Pro/E環(huán)境下在零件模塊中通過拉伸、切除、抽殼及拔模等造型功能創(chuàng)建零件模型，然后根據(jù)零件模型在模具設(shè)計(jì)模塊Pro/MOLDESIGN)中創(chuàng)建、修改、分析模具元件其組件。為了使設(shè)計(jì)模塊得到優(yōu)化，可以利用塑料顧問模塊對(duì)模具和產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)值分析模擬，以便分析設(shè)計(jì)缺陷并進(jìn)行工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。設(shè)計(jì)好的模具在CAM部分進(jìn)行數(shù)控代碼生成成及加工。
三、模具設(shè)計(jì)與加工中的關(guān)鍵技術(shù)
模具設(shè)計(jì)中建模方法的靈活運(yùn)用
通過Pro/E可以用2種方法設(shè)計(jì)模架及其組件。第一種方法是基于Pro/E的模具設(shè)計(jì)EMX(注塑模具設(shè)計(jì)專家)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。EMX是Pro/E提供的一個(gè)基于知識(shí)庫的模架裝配插件，通過該模塊可以進(jìn)行模架組件的創(chuàng)建，它提供了多種品牌的標(biāo)準(zhǔn)框架組件，通過定義不同元件的尺寸就可以生成模架組件，方便了零件的裝配和修改，從而節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間和費(fèi)用。第二種方法通過參數(shù)化方法設(shè)計(jì)模具組件。當(dāng)需要對(duì)模具庫進(jìn)行擴(kuò)充或者設(shè)計(jì)非標(biāo)準(zhǔn)模具組件時(shí)，參數(shù)化建模方法提供了很大的方便。PRO/E的PRO/PROCRAM模塊提供了基于零件和組件模型的程序列表編程技術(shù)，以便用戶進(jìn)行零件和組件的參數(shù)化設(shè)計(jì)。
PRO/E提供的程序編輯功能，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)的更加靈活，能在較短時(shí)間內(nèi)建立不同版本的產(chǎn)品，方便了產(chǎn)品零件庫的建立。在零件模塊下，PRO/E提供的PROGRAM具有設(shè)置輸入提示句，方便用戶根據(jù)提示輸入特定的參數(shù)值;能夠生成不同版本的零件;通過關(guān)系式建立尺寸之間的關(guān)系;通過IF—ELSE語句運(yùn)用，讓PRO/E能夠根據(jù)條件自動(dòng)判斷等功能。
利用該模塊編制參數(shù)化設(shè)計(jì)程序比較簡單，在系統(tǒng)自動(dòng)創(chuàng)建的程序列表基礎(chǔ)上只需添加少量代碼，就可以實(shí)現(xiàn)三維模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能。但是由于PRO/PROGRAM模塊提供的語句較少，要設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大一些的程序時(shí)需要采用更高級(jí)的程序設(shè)計(jì)技術(shù)，如PRO/TOOLKIT等。另外，模型的構(gòu)建流程對(duì)程序的編寫有很大的影響，一個(gè)零件的創(chuàng)建可以有多種方法，如果構(gòu)建流程不合理，可能會(huì)帶來零件的不能重生。所以在建模過程中盡量讓重要尺寸用單獨(dú)的特征來表示，不要一次建立很多個(gè)尺寸特征，這雖然建模的時(shí)候很快，但給后續(xù)工作帶來很多麻煩。
模具加工仿真中的關(guān)鍵技術(shù)
隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，模具加工的精度也越來越高，CAD/CAM的無縫銜接使得模具從設(shè)計(jì)到制造周期縮短，自動(dòng)化程度得到很大提高。模具經(jīng)過設(shè)計(jì)及分析后，最終要生成數(shù)控程序并控制數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。Pro/E本身自帶有一個(gè)NC模塊，在該模塊下可以進(jìn)行毛坯設(shè)置、工藝參數(shù)及切削參數(shù)設(shè)置，并進(jìn)行刀具路徑演示及仿真，最終生成數(shù)控代碼。
然而，Pro/E在實(shí)體參數(shù)化造型功能及模具設(shè)計(jì)方面有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但在加工方面因其參數(shù)設(shè)置較為繁瑣，而MasterCAM在產(chǎn)品造型及模具設(shè)計(jì)方面不如Pro/E，但在數(shù)控加工方面比較可靠方便，因此，利用Pro/E進(jìn)行模具設(shè)計(jì)利用MasterCAM進(jìn)行加工仿真及加工是目前模具行業(yè)和數(shù)控加工領(lǐng)域中普遍的工作模式。Pro/E下設(shè)計(jì)的模具在MasterCAM下進(jìn)行操作流程如下。
數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換
MasterCAM可讀取提IGES，SAT，DXF，DWG等多種格式的文件，其中IGES是應(yīng)用最廣泛的一種數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，因此，在Pro/E中完成模具設(shè)計(jì)后，需要打開模具文件，選擇菜單欄中的【文件】/【保存副本】命令，將文件保存為IGES格式的文件。然后啟動(dòng)Mastercam9.0系統(tǒng)的【Mill 9】模塊，選擇檔案/檔案轉(zhuǎn)換/IGES/讀取命令，轉(zhuǎn)入IGES文件，并對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行處理，使得坐標(biāo)一致。
加工工藝分析
工藝分析主要包括加工坯料、對(duì)刀點(diǎn)的確定、規(guī)劃外形加工刀具路徑，規(guī)劃曲面等高外形粗加工刀具路徑等內(nèi)容。在如圖2所示的刀具庫對(duì)話框中選擇加工用刀具，在圖3所示刀具參數(shù)設(shè)定對(duì)話框中對(duì)刀具參數(shù)及外形銑削參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
加工模擬及數(shù)控代碼生成
工藝參數(shù)設(shè)置好后，就可以選擇“刀具路徑”主菜單下的“實(shí)體驗(yàn)證”功能進(jìn)行模擬加工，如果加工模擬無誤，則可以生成NC代碼。但是一個(gè)完整的CAM系統(tǒng)包括了主處理程序(Main Processor)和后置理程序Post Processor)2部分。主處理程序的功能是接收用戶輸入的信息，并且對(duì)它進(jìn)行編譯、計(jì)算、處理，將刀具路徑數(shù)據(jù)在一般的坐標(biāo)系中表現(xiàn)出來，將處理的結(jié)果放置在刀位數(shù)據(jù)CLDCutter Location Data)文件中，這種文件不能直接用作數(shù)控裝置的控制指令，因此必須有一個(gè)后置處理程序。后置處理程序是按照數(shù)控機(jī)床的功能及數(shù)控加工程序格式的要而編寫的計(jì)算機(jī)程序。
它將CLD文件的內(nèi)容和功能信息信息轉(zhuǎn)換成某種數(shù)控機(jī)床控制單元所能接收的數(shù)控加工程序代碼。由于不同的數(shù)控系統(tǒng)加工程序代碼的規(guī)定各不相同，因此針對(duì)不的數(shù)控系統(tǒng)系統(tǒng)需要提供不同的后置處理程。一般情況下CAM對(duì)于常用系統(tǒng)都配有相應(yīng)的后處理程序，但對(duì)于有些國產(chǎn)系統(tǒng)沒有相應(yīng)的后處理程序，就需要用戶修改或者設(shè)計(jì)后處理程序，從而生成滿足相應(yīng)機(jī)床格式的NC代碼。最后將生成的數(shù)控代碼通過RS232接口輸入機(jī)床或者通過DNC直接加工。
結(jié)語
由于CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用，提高了模具設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了模具設(shè)計(jì)周期，提高了零件的制造精度。特別是隨著零件復(fù)雜程度的增加，CAD/CAM技術(shù)一體化使模具設(shè)計(jì)制造更加便捷，具有廣泛的應(yīng)用前景。
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