基于CAD/CAM技术的注射模具毕业设计

高征兵，秦永法

（扬州大学 机械工程学院， 扬州 225127）

0 引言

注射模具传统的设计方法主要是依赖工程技术人员的设计经验，至于模具的设计速度、质量及可靠性程度，因设计人员的经验而异。随着计算机技术与机械设计制造技术不断发展，出现了多种 CAD/CAM软件，如 SolidWorks、Inventor、MDT、Cimatron、 Mastercam 、Pro/E 、UG、CATIA等等。这些软件的出现，为模具设计与制造工作摆脱了传统设计方法，采用现代设计方法提供了有力的保证[1]。其中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，它具有产品造型设计、装配、模具设计、分析计算、动态模拟仿真等优势功能，但其加工功能因其参数设置较为繁琐而不利于推广。Mastercam是美国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，被广泛应用于机械、航空、造船、模具等领域。然而Mastercam的设计功能相对薄弱，在进行复杂曲面造型时比较困难，而这正是Pro/E的优势所在[2]。将Pro/E的塑料模具设计功能与Mastercam的加工仿真功能相结合，既能提高模具的设计质量和效率，又能提高模具的精度，还能为实际加工操作提供借鉴[3,4]。本文以水杯注射模具为例阐述基于Pro/E和Mastercam的注射模设计及加工仿真一体化的关键技术，对注射模具方向的毕业设计步骤及技巧进行介绍。

1 毕业设计任务书

实际生产中，模具设计任务书通常由塑料制件工艺员根据成型塑料制件的任务书提出，模具设计人员以成型塑料制件任务书、模具设计任务书为依据来设计模具。

对于本科生毕业设计，任务书由毕业设计指导教师给出。本毕业设计任务书中给出的水杯塑件如图1所示。基于CAD/CAM技术的注射模具毕业设计任务书的内容有如下几个方面内容：

1）课题应达到的目的：说明毕业设计环节应该达到的培养目的。

2）课题任务的内容和要求：毕业设计任务的简单描述，开展毕业设计条件的说明，选作该课学生需要具备的基础。

3）课题成果的要求：明确该毕业设计课题的成果的总量，通常包括论文内容和篇幅、图纸、外文科技文献的翻译、实习报告等方面的具体要求。

4）主要参考文献：教师指定学生需要阅读的主要文献。

图1 毕业设计任务书(水杯)

5）课题工作进度计划：教师根据教学计划安排，确定课题的进度计划结点，以及学生各阶段需要完成的工作。

2 毕业设计开题报告

学生在熟悉毕业设计任务书、毕业实习、阅读文献等环节的基础上，需要做一次毕业设计的开题报告，考核小组会对开题报告进行审核。该报告包括以下两项主要内容：

1）结合毕业设计课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述。综述本课题国内外研究与应用现状、主要研究方法、已有主要研究成果等。

2）本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

（1）本课题需要研究或解决的问题：

设计塑料件成型模具；模具三维造型；绘制模具零件图、装配图；模具模拟仿真加工。

（2）研究手段（途径）：

随着计算机技术的发展，CAD/CAM技术必将引入到塑料模具毕业设计中。本文阐述了一种注射模CAD/CAM一体化技术。运用Pro/E软件的通用功能模块及其模架设计专家（EMX）模块，进行塑件及其注射模设计，并将模具中的成形零部件模型数据转换到Mastercam中进行数控编程和加工仿真。具体包括：

①水杯三维造型。应用Pro/E中拉伸、拔模、倒圆角、扫描等相关命令生成水杯模型。

②模具设计。包括定、动模的设计及模架的选用。在分析塑料制件工艺性的基础上确定模具的结构方案，主要内容有：分型面；型腔数目及配置；浇注系统和排气结构；型腔、型芯的结构及固定方式；顶出机构类型；温度控制调节系统等方面。综合以上条件确定标准模架型号。

③模架的设计。利用Pro/E的外挂程序EMX（模架设计专家）来设计模具模架。

④注射机选用后基本参数的校核。参数的校核分为两部分：所选用的注射机能否满足塑件成型所需的注射量、注射压力及锁模力；所设计的模具尺寸、推出装置等参数是否在所选择的注射机的技术规范内。

⑤模具定、动模加工模拟仿真。将Pro/E系统中的模型以IGES数据文件的格式转入到Mastercam中进行模拟仿真加工。

⑥绘图。用Pro/E、AutoCAD等软件生成模具装配图、定模、动模等二维工程图。

3 毕业设计说明书的主要内容

3.1 水杯的三维造型

根据毕业设计任务书所提供的水杯工程图，在Pro/E的【零件】模块下，通过旋转、倒圆角、拔模、扫描等特征造型方法，创建如图2所示的水杯模型。

3.2 水杯注射模主要零部件设计

Pro/E中的Pro/MOLDESIGN模块提供了非常方便实用的三维环境下的注射模具设计与分析工具。利用这些工具，可以在有制件的三维造型情况下建立起模具装配模型、设计分型面、浇注系统及冷却系统，生成模具成型零件的三维造型，从而完成模具核心部分的设计工作；该模块还提供了如拔模检测、厚度检测、分型面检测、投影面积计算、充模仿真、开模仿真、干涉检测等分析功能，利用这些功能可使模具设计更为合理、准确，且能避免设计中不必要的重复劳动。基于Pro/E的注射模成型零部件设计流程如图3所示。由于塑件中等尺寸，采用一模两件即可满足生产需要。根据水杯所使用的材料（尼龙1010，ρ=1.05g/cm3），设置收缩率为0.5%，利用Pro/E的【制造】/【模具型腔】模块设计水杯模具，所设计的模具开模仿真如图4所示。

图2 水杯模型

图3 成型零部件设计流程图

3.3 模架及其他零件设计

利用Pro/E中的Pro/MOLDESIGN模块设计注射模具时，一般都要应用外挂的EMX（模架设计专家）来设计模具模架。EMX提供了一个智能、自动化模架和模具组件的数据库。应用该模块能大大缩短模具设计人员花费在创建、定制和细化模架部件上的时间。在组件创建完成后，程序会自动完成相邻板料和组件上的间隙切口，以及钻孔和螺纹等操作。程序还能够自动检测整个模具的开启顺序，包括滑块、提钩和顶杆等动作。由于Pro/E为国外研发的软件，目前在EMX4.1中还没有符合我国国家标准的模架，制作中通常选用与GB类似的模架[5]。水杯模具的定模块是侧向滑动模块，若采用二板式模架，斜导柱又安装在定模块上，显然结构不合理，因此需要采用增加一块定模垫板的三板式结构。结合GB/T12556－1990《塑料注射模中小型模架及技术条件》和EMX中模架类型，初步选用模板尺寸为560×630的A4型模架。使用EMX设计模架的基本流程如图5所示。本文所设计的水杯模具三维装配图如图6所示。

图4 模具开模仿真

3.4 选择注射机及校核

注射模是安装在注射机上使用的，在设计模具时，除了应掌握注射成型的工艺过程外，还必须将所设计的模具与所选用的注射机全面地联系起来，才能生产出合格的塑料制品。因此，应对相关参数进行校核。

3.4.1 选择注射机

应用Pro/E中的【分析】/【模型】/【质量属性】及【分析】/【测量】/【区域】命令求出单个塑件的体积、质量分 别 为：v=93.78cm3，m=98.47g，在分型面上的投影面积：A=10750.82mm2。考虑流道凝料、公称注射量等因素，求得实际注射量体积为：351.68cm3。根据分型面面积及型腔压力，求出锁模力为322.5KN。

由水杯尺寸、实际注射量体积及锁模力，初步选择型号XS-ZY-1000的注射成型机。

3.4.2 相关参数的校核

参数的校核分为两部分：1）所选用的注射机能否满足塑件成型所需的注射量、注射压力及锁模力。2）对上述2中所设计的模具进行校核，包括模具厚度、开模行程、推出装置、模具外形尺寸与安装尺寸、注射机定位孔与模具定位圈的配合及喷嘴等进行校核。只有这些参数都在所选注射机的技术规范内，才表示所设计的模具与所选用的注射机相配套。否则，重新设计模具或重选注射机，直到相配套为止。经过校核表明，本文所设计模具的尺寸参数在注射机的技术规范内。

图5 EMX设计模架流程图

图6 水杯模具三维造型

3.5 生成二维工程图

利用Pro/E的【绘图】模块及AutoCAD软件综合编辑得到如图7所示的二维装配图（主视图），使用类似的方法生成相应零件的二维工程图。

3.6 基于Mastercam的数控加工仿真

Mastercam卓越的数控加工能力是工业界普遍认同的，它可以通过对模具元件选择合适的加工方法和工艺参数来生成精确的加工刀具路径，具有可靠的轨迹校验和模拟仿真功能，当模拟仿真满足加工要求后，利用其后置处理模块生成数控加工程序；它具有良好的数据交换接口， 支 持 IGES、STEP、VDA、DXF、DWG、Parasolid 等数据格式[6]。

图7 水杯模具（主视图）

基于Mastercam的数控加工流程如图8所示。下面以切减后的动模（如

图10所示，切除部分作为推件板）为例说明其具体应用。

1）从Pro/E系统将切减后的动模以IGES数据文件的格式转入到Mastercam中。

2）加工坯料及对刀点的确定。在刀具路径设置之前，先确定加工几何图形所需要的坯料尺寸及加工边界，并将图形中心的最高点移到系统坐标原点，便于加工时以图形中心对刀。

图8 基于Mastercam的数控加工流程图

3）选择加工内容及刀具路径。根据水杯动模特点，中间两大孔采用在XOY平面做圆弧插补铣削（挖槽）的加工方式，其余8个小孔采用钻削加工方式来编制程序。按照“先粗后精”、“先主后次”、“先面后孔”、“基准先行”的原则[7]，拟定加工工艺方案。然后为各工序设置刀具进给速度、提刀速度、主轴转速、加工余量等参数。当刀具路径设计完毕后，显示的加工轨迹如图9所示，再通过实体验证、持续执行等命令显示出如图10所示的加工仿真效果图。

4）生成数控加工代码。当确认仿真加工与实际加工要求相符合时，就可以执行后处理程序，选择对应的后置处理文件（如数控系统为FANUC时，选用MPFAN.PST文件）将刀具路径转换为数控机床所能接受的数控程序，最后根据需要将系统自动生成的NC代码传输到数控加工设备的控制器内。

图9 刀具路径轨迹效果图

图10 模具加工仿真效果图

4 毕业设计成果

1）三维造型图：水杯（如图2所示）、模具装配图（如图6所示）及模具成型零件、模架主要零件造型图。

2）主要模具二维工程图清单：模具装配图（A0，1张，如图7所示）、定模（A2，1张）、动模（A2，1张）、定模板（A2，1张）、定模座板（A2，1张）、动模板（A2，1张）、动模座板（A2，1张）、动模垫板（A2，1张）、推件板（A3，1张）、推杆固定板和推杆垫板（A2，1张）。

3）开模仿真效果图（如图4所示）。

4）定模、动模加工仿真效果图（如图10所示）。

5）说明书 1份。

5 结束语

基于CAD/CAM进行塑料模具毕业设计，通过学生综合运用模具知识及计算机辅助设计、计算机辅助制造的知识，培养了学生的工程设计能力、初步的科学研究能力。结合我院的培养情况及用人单位的反馈信息，选做基于CAD/CAM技术注射模毕业设计课题的毕业生，具有较强的岗位适应能力和竞争力。因此，基于CAD/CAM的塑料模具毕业设计课题是能够达到毕业设计教学环节的目标。

[1] 齐晓杰.塑料成型工艺与模具设计[M].北京: 机械工业出版社.2006.

[2] 何满才.Pro/E模具设计与Mastercam数控加工[M].北京:人民邮电出版社.2008.

[3] 李成林, 高文科, 李婧.基于Pro/E的注塑模具设计与Mastercam加工[J].机械制造与自动化, 2010, 39(1):43-45.

[4] 何修旭, 黄瑶, 王雷.基于Pro/E和Mastercam的注塑模设计与加工[J].模具技术, 2010(1):40-43,63.

[5] 凯德.精通Pro/E中文野火版模具设计[M].北京: 中国青年出版社.2007.

[6] 门超.基于Pro/E及MasterCAM环境下的模具设计与加工[J].装备制造技术, 2007(11):80-81.

[7] 赵建华, 薛琼, 张宁.CAD/CAM技术在数码相机面壳模具中的应用[J].制造业自动化, 2009(4):93,94,118.