基于Pro/Engineer的注塑模具CAD/CAM

胡礼广，汪红波

（浙江师范大学 机电技术研究中心，金华 321019）

0 引言

近年来，塑料制品的使用越来越广泛，在很多方面，它已成为金属制品的替代物。塑料模具作为成型方式中的一种，是家用电器、汽车和航空航天等领域中塑料制品的重要生产工具。由于模具成型方式具有生产效率高，产品质量稳定，可节约材料及生产成本低等特点，发展模具工业已成为当代促进塑料制品及机电产品优质廉价生产的重要手段。对于注塑模具设计，传统的设计方法主要依靠模具设计师的直觉和经验，模具通常经过反复的试模和修正才能投入生产，模具的设计周期长，成本高。而Pro/Engineer软件是采用了先进的基于特征的参数化技术推出的用于产品三维模型设计、加工、分析及绘图等CAD/CAE/CAM一体化软件系统；具有3D实体造型、单一资料库以及以特征作为设计单位等特点，通过提供参数化设计，单一全关联的数据、功能齐全的模块，可使设计者随时计算出产品的体积、面积、质心、重量、惯性矩等，而且不论在3D或2D图形上做尺寸修改，其相关的2D或3D实体模型及装配、制造等也自动修改。并且由于Pro/Engineer在设计中导入制造的概念，因此可随时对特征做合理、不违反集合的顺序调整、插入、删除、重新定义等修正动作，真正实现了CAD/CAM/CAE的有机集成，可以很好地满足模具制造的快速响应。

1 Pro/Engineer在注塑模具设计中的基本功能

Pro/Engineer是参数化技术和行为建模技术互相渗透的结晶，参数化技术是Pro/Engineer的核心功能。Pro/Engineer具有特征参数化建模，大型部件装配，基于Web零件库；Pro/mechanical结构、热、运动、疲劳、塑性等分析，动画仿真；Pro/desktop概念设计；Pro/mol design模具设计，大型三维CAD系统等功能。Pro/Engineer采用单一数据库的设计,具有独特的参数化设计概念，将每个尺寸看作独立的可变的参数，只要定义或修改这些参数就可以再生改变模型。Pro/Engineer直接采用三维造型架构，借助参数化设计, 设计人员可以运用数学运算方式建立尺寸之间的关系，然后修改前面定义的相关参数，这样就轻易地计算出造型表面、体积、重量等了解要设计的产品的相关特性，减少了设计花费的时间，并减少出现不必要的错误。

Pro/Engineer的集成功能是一种重要功能。模具CAD/CAE/CAM系统的集成关键是建立单一的图形数据库，在CAD、CAE、CAM各单元之间实现数据的自动传递与转换，使CAM、CAE阶段完全吸收CAD三维图形，减少中间建模时间和误差。借助计算机利用Pro/Engineer的分析功能对模具性能、模具结构、加工精度、液体在模具的流动情况以及模具设计工作过程中的温度分析情况等进行反复修改和优化, 将问题发现于正式生产前, 大大缩短制模时间, 提高模具加工精度。

2 注塑模具设计基本流程

1）建立注塑模型(model) 建立注塑模型并将设计模型装配到其中。当设计模型装入注塑模型后，即作为一个参考模型(rel model)被替代了。参考模型是设计模型的一个拷贝，他们之间建立了一个关系。也就是说，修改了注塑模型，参考模型也会自动改变；也可直接修改参考模型，然后将注塑模型regenerate，也能得到理想的效果。

图1 注塑模具设计的基本流程图

2）确定最优开模方向，根据工艺需要为参考模型增加拔模斜度及圆角。

3）生成参考模型分模线和注塑模型分模面，分模线可从参考模型中提取或依据参考模型确定。它们是一些注塑特征，用于确定分模面的位置，要利用(Pro/casting) 功能开模。

4）设置收缩率利用Shrine 功能为整个模型设置收缩率。

5）注塑模型特征操作，增补加工孔、增加浇口等特征并进行装配，沿分模面确定开模步骤，可以检查干涉(Global Interference)并对模型进行必要的修改。

设计的基本流程如图1所示。

3 Pro/Engineer的数控加工编程流程

Pro/Engineer软件提供了功能强大的数控编程模块Pro /NC。其制造模块具有车削、铣削、钻削等多种功能，其加工环境设置完全符合工况，可灵活进行机床和工件坐标系的设置，在不同工序可以设置不同的工件坐标系，便于工件的找正装夹，保证加工精度。

图2为Pro/NC的数控编程流程图：首先建立加工模型，根据被加工零件的技术要求、几何形状、尺寸及工艺要求将实际运行加工程序的各项环境参数及操作参数存放在Pro/NC数据库中，然后确定加工路线和工艺参数、切削参数及辅助功能，设置加工刀具的路径参数，Pro/NC会获得实际加工时的刀具路径，然后按数控机床所采用的代码驱动数控机床进行加工。

4 收音机上盖注塑模具设计

4.1 建立手机外壳三维模型

造型良好的三维模型是进行模具设计的基础，收音机上盖曲面较多，通过曲面造型、曲面合并、加厚、拉伸剪切、阵列等命令建立实体模型，如图3、图4所示。

图3 收音机3D图及爆炸图

图4 收音机上盖塑件3D图

4.2 创建模具模型

模具模型包括参照模型和工件，参照模型是设计模具的参照，工件是表示直接参与溶料成型的模具元件的总体积。多型腔模的型腔布置有平衡式和非平衡式两种。为了保证各个型腔熔体能同时均衡充满，一般选择平衡式的型腔布置。由于收音机是一属家用电器，需要大批量生产，对外观的质量有一定的要求，也就是制件的上表面不能有浇口的痕迹。为了提高生产效率，该模具设计采用的是一模两腔，平衡式型腔布置。具体创建过程如下：1）导入参考模型及布置型腔。启动Pro/Engineer系统，通过EMX新建一个项目，进入模具设计工作界面后，在菜单管理器中依次点选模具模型→定位参照零件，在查找文件对话框中打开收音机上盖模型。在元件布局对话框中，参照模型起点与定向选CSO，布局起点选择CAVITY_1，布局选择矩形，定向选择Y对称，X增量输入-100，Y增量输入-60，一模二腔，平衡式型腔布置设置完成，如图5所示。2）创建工件。在菜单管理器中依次点选模具模型→创建→工件→手动，在弹出的对话框中输入工件名为：Work piece，再依次选则实体→加材料→拉伸→实体→完成，在“特征构建”工具栏中选择草绘工具，打开草绘功能面板，选取基准面MOLDBASE2X2Y为草绘平面，选择MOLDBASE2X2Z作为顶参考，草绘矩形，双侧拉伸，即完成工件的创建。

美国采用“实质等同原则”指导其转基因食品安全立法工作。该原则的基本含义是：转基因食品是与其它食品没有任何差别的食品，在立法中，转基因食品与其他食品一样适用常规法律。这是因为美国政府认为：科学是管制体制的基石。在没有确凿证据证明转基因食品有害的情况下，对于转基因食品就应该采取与普通食品同等的态度，不应过度管制。

图5 塑件型腔数量及布置

4.3 设置收缩率

从模具中取出注塑件后，由于温度及压力的变化会产生收缩现象，通过设置适当的收缩率来放大参照模型，便可获得正确的注塑零件。收缩率的设定与材料的选取有关，本例材料收缩率取0.005，采用根据零件尺寸设定收缩率的方式来设置收缩率。单击模具→收缩→按尺寸→设置→所有尺寸。

在信息框内并输入收缩率0.005，确定即完成收缩率的设定。

4.4 构建分型面

在模具的设计、制造过程中，模具的分型面的创建最为关键，Pro/Engineer提供了非常强大的曲面创建和操作功能，可以通过多种方式来创建分型面。该模具的设计难点之一就是分型面的设计与在Pro/Engineer中的实现，该零件靠破孔比较多，为了分模的需要，首先必须将靠破孔填补。最后采用合并曲面的方式生成分型面。1）填补靠破孔。将工件隐藏起来，先完成一个靠破孔的填补，单击分型面→创建→确定，接受缺省的分型面名称，单击增加→复制→完成，选取不含靠破孔的所有外表面，然后双击“填充环”选项，选取收音机盖上表面，单击确定，即完成靠破孔的填补。用同样的方法完成另外一个曲面靠破孔的修补。2）延拓曲面。修改前面构建的分型面，单击延拓→沿方向→向上至曲面→完成，选择每个外壳前端缺口轮廓线，延拓至相对应的工件外表面。3）构建平面部分分型面。修改前面构建的分型面，单击增加→平整→完成→新设置，选择参照零件底部平面为草绘平面，MOULD2FRONT为顶参考，引用工件外形作为草图即可，单击确认退出草绘。4）合并分型面。将前面三步的分型面合并，单击合并→侧2→确认，该模具的分型面就构建好了，如图6所示。

4.5 拆分模具体积块

所谓建立体积块，就是将已经创建的工件以分型面为参照，分割为数个体积块。依次单击模具体积块→分割→2个体积块→所有工件→完成→确定。为芯腔体积块输入名称“cavity”，为型芯体积块输入名称“core”。

4.6 抽取模具元件

体积块只是一个有体积无质量的虚拟体，不是实体模具组件，所以接下来要进行实体元件抽取工作。单击模具元件→抽取，选择型芯型腔再单击确定，完成即可。图7为模具型芯、型腔。

4.7 设计浇口和流道

采用侧浇口，2点进浇，可减少熔料在模腔内流动的距离，便于注射成型。采用圆形断面分流道，散热量小，充模阻力小，浇口冻结时间长，可提高制件成型质量。具体设计步骤如下：用旋转切除材料的方法完成主流道的设计，分流道单击特征→型腔组件→流道→导圆角，草绘流道线路即可。生成的浇口、流道如图8所示。

图8 浇口位置模流分析及浇口位置

4.8 充模仿真

单击铸模→创建，输入浇铸件的名称“mold”即可，生成如图9所示的浇铸件。

图9 浇注件仿真

4.9 开模模拟

步骤为模具进料孔→定义间距→定义移动→选取模具元件的一条竖直方向的棱为参考方向，指向外侧的方向为正向,输入100作为移动距离。如图10所示。

图10 开模模拟

4.10 利用模具专家系统EMX完成模座和其他辅助零件

单击EMX4.1→模具基体→组件定义，弹出模具组件定义对话框。单击“载入/保存组件”弹出组件对话框钩选“Fataba_2p”复选框，选择“SA_Type”类型。单击载入→确定，回到“模具组件定义”对话框，取基体尺寸。双击B板输入厚度，双击U板，输入厚度。选取M16的止动销，LRK类型的定模侧定位环。单击“模具组件”对话框下面的确定按钮。单击模具基体→装配元件，在弹出的对话框中单击“选择所有对象”，图11为最终的模具总装图。

图11 模具总装配图

5 模具主要零件的数控加工

对本副模具而言，型腔的加工过程较为复杂，加工过程细节考虑也较多。因此在这里只对型腔模块进行数控编程及加工模拟。

5.1 对型腔进行加工工艺分析

型腔上表面由2个复杂的曲面，浇道和1个平面组成，由于3部分所选的刀具和加工方法不一样，所以分为3道工序加工，即先铣曲面，再加工浇道，最后铣平面。

5.2 建立制造模型和设置制造环境

1）创建加工几何模型。以第一个工序为例，采用曲面铣削的方式来加工型腔上表面的复杂曲面，选取型腔上表面的复杂曲面为铣削曲面，进行编程加工。2）刀具的选择。Pro/Engineer中刀具选择是在制造管理器对话框中的NC序列设置完成的。应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其他相关因素正确选用刀具。本例第一工序中刀具选择粗铣直径为10，半精铣直径为5，长度为100，材料为GY8的立铣刀。3）加工参数的设置。Pro/Engineer制造参数设置是在参数树管理器对话框中完成的，制造参数分为6大部分：NCL(刀位文件)名称、切割选项、切割参数、进给参数、机械参数、入口/出口参数等，其中每一部分都有多个要求设置的参数，累计达80个左右。Pro/Engineer的参数设置是比较复杂的，一般加工设置时，可选简化的参数设置项，它通常包含了上述6类参数中必须设置的几个重要参数。现针对型腔的加工，在选用曲面铣削加工方式后，参数设置主要考虑工件材料、刀具类型、机床性能，加工工艺性和加工效率等。

5.3 生成刀具路径

数控(NC)系列设置完成后，在Pro/Engineer的NC序列菜单中选择“轨迹演示”命令，系统自动生成刀具路径，经过屏幕演示、过切检测,如果没有问题就可选择“完成序列”命令完成体积块铣削加工的NC序列，再选择“CL数据”命令生成CL刀位文件，如图12所示，此文件经过后处理就能生成符合要求的NC程序。而NC程序通过RS232数据接口上传给数控机床，就可以自动完成模具型腔的加工。

5.4 VERICU软件仿真加工

VERICUT由CGTECH公司开发，数控加工仿真专用软件，具备同时进行刀具轨迹和机床运动仿真的功能，采用先进的3维显示及虚拟现实技术，对数控加工过程的模拟达到了极其逼真的程度，监测加工过程中存在的问题，以避免不必要的损失。选取加工系列后，单击“屏幕演示”→“NC检测”，Pro/Engineer自动调用VERICU软件进行仿真加工，如图13所示。

图12 型腔数控加工的CL数据（部分）

6 结束语

Pro/Engineer软件不仅具有强大的造型功能，也具有优异的模具设计和加工制造功能。运用Pro/Engineer中的模具设计模块，可以很简捷地将模具

图13 VER ICU软件数控仿真加工

元件提取，大大提高了模具设计效率,降低设计成本。Pro/NC模块在模具加工中解决了以往手工编程无法解决的复杂模具零件的曲面加工，使加工中心在制造过程中发挥了更大的作用，大大提高了模具制造效率，真正意义上实现了产品的全相关性设计与制造一体化。

[1] 舒飞.Pro/ENGINEER Wildfire 2.0中文版模具设计白金手册[M].北京:中国电力出版社,2005.

[2] 屠立,陈峰.基于PRO/E的参数化特征造型在零件设计中的应用[J].轻工机械,2006,24(3):59261.