材料成型CAD/CAE/CAM综合性实验教学方法初探

【摘要】在“材料成型CAD/CAM”、“CAD/CAM软件及应用”、“塑料成型工艺与模具设计”三门课程的基础上，为材料成型专业设计了一个大型综合性创新实验。通过CAD/CAE/CAM综合实验，使学生了解和掌握基本的产品设计、制造一体化过程，让学生在自主性、综合性、创新性及结合工程实践等方面都得到了较好的锻炼。

【关键词】材料成型 CAD/CAE/CAM 综合性实验

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）02-0235-03

1.前言

传统的高校实验教学存在许多不足之处，远不能满足培养面向21世纪高素质人才的需求，主要反映在实验内容多为演示、验证型实验，而设计、创新型实验很少，因此实验教学的改革势在必行。

材料成型CAD/CAE/CAM综合性实验是我系成型专业的一个重大尝试，是在《材料成型CAD/CAM》、《CAD/CAM软件及应用》、《塑料成型工艺与模具设计》三门课程的基础上，为材料成型专业设计了一个大型综合性实验[1]。

该大型综合性实验，涉及到塑料产品的三维造型设计、模具的设计、产品的加工制造这样一条龙的流程，使理论教学与生产实践紧密结合为一体，将专业知识融入到各个实验环节之中，让学生在亲身体验下巩固记忆、加深理解，使他们在自主性、综合性、创新性及结合工程实践等方面都得到了较好的锻炼，为学生在以后的社会实践打下良好的基础。

2.实验设计

“CAD/CAE/CAM实验”是面向材料成型专业学生开设的大型综合实验。实验的目的是使学生在了解和掌握材料成形CAD/CAE/CAM技术的原理和方法的基础上，以模具CAD/CAE/CAM为主要对象，通过CAD/CAE/CAM软件的应用，掌握材料成形中产品的三维造型、模具的计算机辅助设计、成形过程计算机模拟、数控加工等现代成形技术和方法。通过实验，让学生得到现代模具设计和制造的综合训练，促进学生对CAD/CAE/CAM理论的理解及应用，培养学生的动手能力，提高学生的综合技术素质和现代成形制造能力[2]。

通过本实验教学，要求学生掌握利用CAD软件进行产品或零件三维造型的方法；学会利用CAD/CAM软件进行三维模具设计；正确选用CAE软件对成形过程进行模拟仿真；完成模具型面NC加工程序编制和模具工作零件型面的数控加工。

CAD/CAE/CAM综合性实验作为成型专业极为重要的一门综合性实验，因此具有以下几个特点：

1）该实验可使学生综合课内所学的知识进行整合，对使用UG软件进行产品设计、模具设计、数控编程加工的全过程，有初步完整的认识和具体感知，具有很强的复合性和多元性。

2）该实验中，模型产品的尺寸、参数可以自由定义，使学生的学习充满很强的主动性和探索性，能提高学生的独立设计能力和分析能力，对于一个实验结果，可以运用两种不同的实验方法来完成，具有实验手段和方法的多样性。

3）该实验培养学生的独立思考解决问题的能力，综合分析问题的能力以及个人动手的能力，综合提高了他们的能力和素质，为独立院校学生将来的就业打下良好的基础。

2.1实验内容和步骤

实验可以分为六个部分，分别为产品设计及三维造型、产品成型工艺及三维模具设计、产品三维模拟流动分析、模具数控编程及仿真加工、模具零件数控加工，具体内容如下：

实验一 产品设计及三维造型

实验操作步骤及主要完成内容：

1）进行产品图样分析

2）确定对产品进行三维造型设计的思路

3）利用UG6.0软件，完成零件的建模过程

实验二 产品成型工艺及三维模具设计

实验操作步骤及主要完成内容：

1）对产品进行成型结构性分析

2）确定创建产品型芯和型腔的设计思路

3）利用UG6.0软件的注塑模向导功能，对产品进行模具设计

实验三 产品三维模拟流动分析

实验操作步骤及主要完成内容：

1）初步确定成型工艺；

2）确定对产品进行moldflow分析的模拟方法；

3）利用moldflow软件对产品进行流动模拟。

4）利用moldflow软件，创建工程，对产品进行最优浇口位置分析及充模流动分析。

5）对moldflow导出的模拟结果进行数据分析，具体包括：充填时间的分析；速度/压力（V/P）切换时的压力分析；流动前沿温度分析；冻结层因子分析；流动缺陷预测分析；注射压力与锁模力变化曲线。

6）确定塑件最佳的浇口位置，浇注系统布局，及成型工艺参数等数据。

实验四 模具数控编程及仿真加工

实验操作步骤及主要完成内容：

1）根据产品的大小，确定毛坯的形状、尺寸

2）根据具体的加工条件，制定出型芯、型腔加工工艺

3）在U6.0软件中，建立型芯、型腔的加工主模型；创建毛坯；加工环境初始化；创建加工坐标系和几何体；创建刀具；创建加工操作，完成对型芯、型腔的UG数控编程

4）利用UG对生成的加工程序进行仿真加工并输出NC代码到文本文件

实验五 模具零件数控加工

实验操作步骤及主要完成内容：

1）修改得到的数控加工代码，让它符合数控铣床的格式，能够进行运行。

2）根据产品的大小，确定毛坯的形状、尺寸，利用模具制作需要的蜡模毛坯，以备加工所用。

3）将蜡块毛坯装夹在数控铣床上，并装上刀具，进行对刀。

4）将修改好的数控程序输入到数控铣床上，在数控铣床显示屏上进行仿真模拟。

5）启动主轴，对蜡块进行正式加工，得到关于产品的型芯和型腔的形状。

3.实例

进行综合实验的有90名学生，分成9个组，每个组要加工的产品的形状和尺寸都各不相同，每一个组都必须完成该产品的三维造型设计、三维模具设计、moldflow模流分析、模具数控编程以及模具成型零部件的加工这五个内容，最后每个组要用蜡模制作出关于产品的型芯和型腔的两个成型零件，其中制作蜡模的模具由老师帮忙提供。

为了向读者更好地表达整个实验的过程，特别挑出一组学生实际完成的情况进行说明：

实验一 产品设计及三维造型

实验要求：分析下面的图样，在UG6.0中将下图塑料产品的三维模型绘制出来，尺寸可以自定义。

图1

实验结果如下：

图2 图3

图4 图5

实验二 产品成型工艺及三维模具设计

实验要求：对实验一中的塑料产品进行成型工艺性分析，设计出相应的塑料模具。

图4

实验结果如下：

图6 图7

图8 图9

图10 图11

实验三 产品三维模拟流动分析

实验要求：对该塑料产品成型过程进行充模流动模拟，对模拟结果进行分析。

图4

实验结果如下：

图12

图13

图14

图15

实验四 模具数控编程及仿真加工

实验要求：对该塑胶产品的型芯和型腔进行UG数控编程，并输出NC代码。

图4

实验结果如下：

图16 图17

图18 图19

图20

实验五 模具零件数控加工

实验要求：制作出蜡模毛坯，修改上一个实验导出的NC编程代码，在数控铣床上将产品的型芯、型腔加工出来。

图19

实验结果如下：

图21 图22

图23 图24

图25 图26

4.结语

CAD/CAE/CAM实验课程是面向成型类专业学生开设的实践应用课，是适应新世纪数字化设计与集成制造战略需要所实施的CAD/CAE/CAM一体化教学的初始阶段，课程目的是铺垫坚实的三维CAD技术基础，使学生进入社会后能利用所学的专业基础课和专业课知识，通过工程软件进行CAD/CAE/CAM操作。

UG是一套优秀的参数化CAD/CAM软件，它在大家所熟悉的Windows图形界面中运行，操作直观、易学，功能特别强大。利用这一软件，可以快捷地构建各种机械零件的三维模型；可以通过修改特征草图的尺寸而改变模型的形状结构、大小；可以将零件模型装配起来；可以模拟机械构件、部件的运动。通过建模、装配、运动模拟，可以直观地对自己的设计思想进行验证，最终提交满足生产要求的工程详图。通过这款软件方便地进行冲压模和塑料模设计，并进行零件加工的数控加工编程。在之前教授的《CAD/CAM软件及应用》课程中，学生已经系统学习UG软件使用和操作方法，为本实验的顺利完成打下了坚实的基础。

通过本实验的实践，使学生熟练用UG软件进行3D实体造型和产品数字建模的一般过程，能正确创建零件、部件，能利用moldflow进行塑料成型工艺分析，能利用UG进行零件数控编程，并在数控机床上加工出实际产品，从而完成CAD/CAE/CAM从产品设计到加工的全部流程，不仅可以激发学生自我学习、自我创新的能力，也促进他们更好地理解塑料成型工艺和塑料模设计方面的知识，让学生在自主性、综合性、创新性及结合工程实践等方面都得到了较好的锻炼，为他们以后从事塑料产品设计、塑料模具设计行业打下了良好的基础。

参考文献：

[1]龙玲，材料成型CAD/CAE/CAM综合性创新实验教学研究，实验室研究与探索，2008

[2]曾孟雄，机制专业创新实验体系研究与平台建设，实验室研究与探索，2006

作者简介：

欧阳文凯（1978-），汉族，男，湖北咸宁人，武汉理工大学华夏学院机电工程系材料成型与控制教研室教师，硕士研究生，讲师，材料科学与工程方向。