使用Pro/E与CAM软件的模具设计与加工

大伟煞笔

随着计算机技术的不断发展，模具数字化设计与制造技术逐渐普及，国际出现了多种CAD/CAM 软件，且各具特色。Pro/Engineet(简称Pro/E)是美国参数技术公司(PTC)推出的新一代基于特征、具有全相关数据库的CAD/CAM参数化软件，利用它可以进行零件设计、装配、模具设计、分析计算、动态模拟仿真等。造型能力强，兼容性好，因而在模具行业中应用非常广泛。 　　MasterCAM 软件是由美国CNC Software公司推出的一种基于PC机平台的CAD/CAM软件，由于其卓越的加工功能，在世界上拥有众多的忠实用户，被广泛应用于机械、航空、造船、模具等领域。然而MasterCAM的设计(CAD) 功能相对薄弱，在进行复杂曲面造型时才比较困难，而这正是Pro/Engineer的优势所在，因此利用Pro/Engineer进行模具设计，结合MasterCAM进行数控加工，就成为当前模具企业优先选择的CAD/CAM 方式。
+ w2 l0 i4 `# U- O- }. ^　　下面以手机盖模具为例，介绍野火版Pro/Engineer结合MasterCAM9.0在模具设计和加工方面的应用。
- r9 f9 g8 N' P　　1 基于Pro/Engineer的模具设计
　　在野火版Pro/Engineer中有一个Pro/MoldDesign模块，该模块是Pro/Engineer的模具设计与分析模块，利用该模块，设计者可以快速、高效的完成各种模具的设计与分析工作。下面介绍利用Pro/MoldDesigs设计模具的一般流程。
　　1.1 原始设计模型
5 B( W7 l1 s$ p5 o　　模具设计时必须要建立一个设计模型，即模具制造的产品原型，设计模型需要在Pro/Engineer零件模块中进行三维造型，一般通过拉伸、切除、拔模、圆角、抽壳等特征造型方法创建。例如创建图1所示的手机上盖模型。

　　

　　图1 手机盖模型

　　1.2 创建模具模型
& T2 l/ J) Q! m+ l% E　　创建模具模型时，文件类型选择制造(Manufacturing)，子类型选择模具型腔(Mold Cavity)。然后将原设计模型装配至模具模纲中，使之成为模具设计的参照模型。最后加入已设计好工件(Workpiece) 或利用Pro/Moldesign提供的工具自动在模具中创建，这里工件可以理解为模具的毛坯。
) l* Y0 S+ l. n4 c　　1.3 分析模型
# R, f$ k9 a; g8 n/ {" Z6 }9 S　　用Pro/Engineer的分析功能分析模型的拔模斜度、厚度等几何特征，以判断这些特征是否符合设计要求。如果不符合，应进行相应修改。图2为手机盖参照模型拔模检测(Draft Check) 效果图。

　　

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　　图2 模型拔模检测效果图

　　1.4 设置收缩率
6 I5 @' i9 @- l1 s# ?7 h* ^4 Y+ P　　由于温度和压力的变化，铸件从模具中取出后会产生收缩现象，为了补偿铸件体积收缩的偏差，Pro/Engineer 提供了收缩率(Shrinkage) 功能。设计人员通过设置适当的收缩率来放大参考模型，以便获得正确尺寸的铸件，此处手机盖参照模型的收缩率设置为0.5% 。
　　1.5 创建模具分型面
9 ^$ n- h5 k* ~' p9 A! Q/ K　　模具中用来分割参照模型的曲面为分型面，分型面的设计直接关系到成型零件的尺寸精度、表面质量、飞边大小、脱模难易和创造成本，其影响因素复杂，Pro/Engineer 中分型面的创建有多种方法，对于手机盖参照模型，采用裙边(Skirt)的创建分型面相对简单，首先生成参照模型的侧面影像曲线(Silhouette)，再利用该曲线创建分型面。图3 所示为手机盖分型面。

　　

　　图3 分型面

　　1.6 创建模具元件的体积块
+ M$ S( ^" n; X　　利用分型面将工件拆分成型腔、型芯体积块。通常运用分割(Split) 菜单下的两个体积块(Two Volumes)命令来将工件拆分成各个体积块，即所谓的拆模。体积块是没有质量的三维封闭曲面组，并不是模具元件。
　　1.7 抽取模具元件
6 i% w; u4 E( m" L( I" D　　通过向体积块中填充实体材料，使之转换成实际的模具元件，此即所谓的抽取模具元件。完成抽取后，模具元件就成为功能强大的Pro/Engineer零件，可供Pro/NC 模块(Pro/Engineer 的加工模块)调用或转换到其他软件中进行数控加工。
　　1.8 铸模仿真
* T& N/ n+ _$ \. `　　Pro/Engineer在完成模具元件抽取后，可自动将熔融材料通过浇口注入模具型腔，产生浇注件。
　　1.9 开模仿真
　　通过开模仿真对模具各机购进行干涉检查，以确认模具是否能正常开启。开模仿真如图4所示。
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　　图4 模具开模仿真

　　2 基于MasterCAM的模具数控加工
5 Q# M6 s2 X9 q0 S5 T　　MasterCAM 卓越的数控加工能力是业界普遍认同的，它集造型、加工、仿真模拟、数控编辑等功能于一身，具有良好的数据交换接口，支持IGES、STEP、VDA、DXF、DWG、Parasolid、PROE等数据格式，由于手机凸模比凹模形状复杂，加工过程细节也较多，故此处只考虑对凸模进行加工模拟和CAM编程。操作流程如下。
- i* W: o3 ]- U) c) C; r　　2.1 输入模型数据
: o" S# Q, M% `9 L& U$ a8 I( ?　　打开MasterCAM9.0，进入Mill模块，选择File/Converters/ProE/Read file，接着选取保存的手机盖凸模文件，完成数据输入。考虑到这两种软件坐标系不同，需要对模型的坐标系进行处理，一般在Xform模块下，进行相关转换即可解决问题。图5为转换后的加工模型效果图。

　　

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　　图5 加工模型效果图

　　2.2 生成加工轨迹
　　选择合理的数控加工方法，生成加工轨迹是数控编程的关键。MasterCAM提供了平行加(Parallel)，放射状加工(Radial)，投影加工(Project)，曲面流线加工(Flowline)，残料加工(Restmill)，浅平面加工(Shallow)，交线清角加工(Pencil)等高外形加工(Contour)，挖槽加工(Pocket)和环绕等距加工(Scallop)等多种曲面租、精加工方法。根据手机盖凸模外形特点，应采用挖槽粗加工、平行精加工和浅平商精加工相结合的方式来编制程序。此外，手机凸模上还有许多按纽小凸台，这些小凸台间隙较小，只能使用小直径刀具进行加工，因此，需要增加交线清角精加工。整个刀具路径设置过程如下。
　　2.2.1 曲面挖糟粗加工
% _3 X' l- ^5 b2 k: N　　由于模具加工材料为较硬的钢材，所以选用φ14 mm硬质合金圆鼻刀进行粗加工，切除凸模上大部分材料，进给速度400 mm/min，下刀速度200mm/min，抬刀速度1000 mm/min，主轴转速2000 r/min，Z 向最大步距0.5 mm，余量为0.4 mm。
　　2.2.2 平行精加工
/ }0 C, y  u0 V- K　　考虑到凸摸上有许多小凸台，为了保证模具表面加工质量，选取φ5mm圆鼻刀进行平行精加工，刀具在与切削路径垂直的方向上，有微量残料未去除，因此，需要采用两次平行切削，切削角度分别为0°和90°，进给速度800 mm/min，下刀速度500mm/min，抬刀速度1500 mm/min，主轴转速3200r/min，切削最大步距0.1 mm，余量为0。
　　2.2.3 浅平面精加工
. ~3 G; }; c6 O; g$ n8 @　　由于凸模平坦区域面积较大，为提高该区域曲面加工质量，选用φ3mm球刀，进给速度1ZOOmm/min，下刀速度600 mm/min，抬刀速度2000 mm/min，主轴转速4200 r/min，切削最大步距0.1 mm，对凸模顶部平坦区域的残料进行精加工，余量为0。
: _6 E: }1 V5 d; C' r　　2.2.4 交线清角精加工
. F1 t& k2 |5 n# A8 E9 W; B　　选用φ3 mm 平刀，清除凸模各交线交角部分的加工余量，进给速度500 mm/min，下刀速度300 mm/min，抬刀速度600 mm/min，主轴转速4000 r/min。最终的加工轨迹如图6所示。
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　　图6 加工轨迹效果图

　　2.3 模拟仿真加工
　　对MasterCAM9.0生成的加工轨迹进行模拟仿真，检查生成的加工轨迹是否合理、加工表面是否光滑、是否有过切现象，如果出现类似情况，需重新编辑加工轨迹，直到满意为止。仿真结果如图7所示。

　　  

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　　图7 模具加工仿真效果图

　　2.4 生成数控加工代码
) g9 I6 f2 y! }# l& V" _　　利用MastcrCAM9.0后置处理模块，选用机床对应数控系统的后置处理程序来牛成数控程序。例如当数控系统为FANUC时，应选用MPFAN. PST文件，则MasterCAM9.0将生成适合该机床运行的数控程序。
　　3 结束语
　　使用Pro/Engineer 可以准确创建模具分型面，合理拆分凸、凹模，快速生成成型零件，其模具设计效率明显优于传统设计方法。而MasterCAM具有简单易学、功能齐全、所生数控程序质量好的特点。采用Pro/Engineer与MasterCAM相结合进行模具设计与加工的方法，可以有效缩短模具研发周期，提高市场响应速度，增强企业竞争力，是当前模具企业优先选择的一种CAD/CAM方式。