CAD/CAM软件在高精密模具设计制造中的应用

（济宁职业技术学院，山东 济宁 272037）

近年来，模具设计制造逐渐向着高精密方向发展，其中CAD（计算机辅助设计）/CAM（计算机辅助制造）软件的推广应用引发了模具设计制造的重大变革，并将高精密模具设计加工带向了前所未有的技术高度。国内模具行业经历了近十年的发展取得了巨大的成就，但距离模具制造强国仍有巨大差距。因此，对高精密模具设计制造中CAD/CAM 软件的应用进行研究具有十分重要的现实意义。

1 CAD/CAM软件的内涵与应用优势

CAD 即计算机辅助设计，指的是利用计算机及图形设备帮助设计人员进行设计工作，设计人员利用该类软件可进行计算、分析与比较，并从中筛选出最佳方案。利用CAD软件进行设计与传统的设计方式有明显不同。其是根据产品开发计划及对产品功能的要求，不再仅仅依赖于设计者的知识与经验去设计，而是运用包括设计者本人与存储在计算机中的多种知识，在CAD 系统与数据库的支持下进行设计。这样设计出的产品远远优于单个设计师凭个人脑力与能力设计出的产品，CAD 输出的结果也不仅仅是装配图与零件图，还包括设计、制造等过程中应用计算机所需的各类信息。CAM 即计算机辅助制造，具有数据转化与过程自动化2 个方面的功能，能够通过控制计算机数值来控制制造生产过程[1]。

数据加工是CAD/CAM 软件发挥效益最直接、最显著的环节之一。通常情况下，加工对象的形状越复杂，加工精度越高，设计更改越频繁，数据加工的优越性越容易得到发挥。从设计到制造的全过程来看，CAD/CAM 软件具备3个典型的技术特点。1）产品开发的集成。对于一个完全集成的CAD/CAM 软件而言，其能够辅助工程师完成从概念设计到工程功能分析，再到制造的整个产品开发过程。2）相关性。CAD/CAM 软件通过应用主模型方法，将设计与制造过程中的所有应用关联起来。3）并行协作。CAD/CAM 软件通过应用主模型、产品数据管理PDM、产品可视化（PV）以及杠杆运用Internet 技术，支持企业范围的并行协作。

CAD/CAM 软件不仅引发了生产模式的变革，还推动了市场的发展，在包括制造业在内的多个领域中得到了广泛应用。在模具设计制造中，CAD/CAM 软件的应用优势十分显著。1）使用CAD/CAM 软件可显著提升模具设计制造的质量。借助CAD/CAM 软件可对模具断面几何形状进行绘制，还可对断面周长及中心进行计算，所以其精度较高，设计制造出的模具也更科学合理。2）使用CAD/CAM 软件可明显缩短模具设计制造的时间。该类软件对设计制作者的技术要求较低，较传统的手工绘图而言，该绘图方式可缩减一半以上的时间，并极大地缩短了图纸修改的时间，降低了时间成本。3）使用CAD/CAM 软件可有效节约模具生产成本。该类软件利用计算机实现了模具的自动化设计制造，特别是在复杂高精密模具型面加工过程中，该类软件的应用极大地减少了加工调试的次数，节约了人力、物力、财力，有效地降低了生产成本。4）使用CAD/CAM 软件可有效减少工作量。CAD/CAM 软件的应用实现了模具的自动化设计制造，使设计人员可以从繁重的工作中成功解脱出来，投身于更具有创造性的工作中去[2]。

2 CAD/CAM软件在高精密模具设计制造中的具体应用

2.1 CAD/CAM常用软件的一般使用流程

作为较为常用的CAD 软件，Pro/E 的一般使用流程分10 步。1）创设模具模型，系统通过读取和录入零件的设计内容，完成胚料的装配及实体创建。2）软件借助模具完成成品收缩率的计算与设计。3）对模具分型面进行设计，该步骤难度较大，并直接决定了设计乃至整个模具产品的质量。4）利用分型面将胚料划分为多个型芯体积，并创建砂芯体积、斜顶体积等数据。5）转换型芯体积，使之转变为凹凸模、砂芯、滑块等组件。6）结合模具特征设计浇道系统，如Sprue、Runner、Gat 等。7）铸造模型，设计浇筑各模型部件。8）借助Analysis 检测模具零件。9）依托模具打开功能动态演示开模动作，进一步检测和了解模具的制作过程。10）完成底座的装配设计，确保其与产品相互匹配，并构建数据库方便后续使用维护[3]。

模具设计工作结束后，需要根据图纸采购模架等对模具进行加工，并将加工好的部件装入模胚中，生产出完整的模具。模具加工需要借助CAM 软件，其核心应用软件有UG、Mastercam 等。以Mastercam 为例，首先，要通过主菜单打开设计好的模芯零件，执行菜单命令，并在菜单对话框中输入零件的尺寸、原点、材料等数据。其次，设置完成之后需要结合零件特征选取不同的加工方法，并对切削深度、刀具、加工参数等进行设置。最后，要依据对应操作进入模拟界面，对模具进行模拟加工，并在对话框中设置保存项，将其以NCI 或NC 形式保存，并选择加工该文件[4]。

2.2 CAD/CAM软件在高精密模具立体模型设计中的应用

高精密模具大多数都有立体及曲面加工的要求，传统设计多采用平面设计的方法，即借助投影设备得到立体模具的多个平面视图，再对模具架构进行设计，绘制出模具对应的零件图、装配图。而CAD 软件可以直接建立立体模型，使高精密模具设计由平面设计成功转向立体设计。高精密模具的设计要遵循需求及美学原则，兼顾制造工艺、材料特征、模具架构、成本费用、批量生产等多方面因素，而集特征三维模型技术于一体的CAD 软件创设了设计绘图平台，可便捷、高速地生成参数化立体模型，借助变动的参数即可完成模型的修改工作。运用CAM 软件时需遵循二维轨迹原则，由于模具设计更倾向于平面轨迹，部分高精密模具的设计涉及混合模型的使用，如立体、曲面、平面等，因此，模具腔型的设计需采用立体和曲面的混合模型，为了简化模型、提高生产效率，往往需要借助CAM 软件将其化整为零，CAD 软件并不支持复杂零件的拆解设计，CAM 软件则完全支持，其可以将部分复杂零件划分成多个局部进行设计，再借助CAM 软件进行加工，这样可以有效提高效率。

2.3 CAD/CAM软件在高精密模具加工仿真中的应用

由于高速加工对加工工艺、数控指令等方面要求极高，因此，需要借助CAD/CAM 软件优化编程与刀具进给功率，使主轴速度达到12 000 r/min 以上，使其可以更好地适应大型汽车覆盖件模具的加工要求。与此同时，要想满足高精度模具的要求就需要通过CAD/CAM 软件的无缝衔接，大幅缩短了模具设计制造的周期。

以Pro/E 为例，其自身携带NC 模块，可进行毛坯、工艺参数、切削参数等的设置，并可以对刀具路径进行仿真演示，最终生成相应的数控代码，但Pro/E 的加工参数设置过于烦琐，而Mastercam 虽然在产品造型、模具设计方面不如Pro/E，但在数控加工方面十分便捷，因此，二者的衔接贯通了模具的设计与加工仿真各环节。在Mastercam 软件下，Pro/E 的操作流程为首先转换数据格式，借助Mastercam 读取IGES、SAT、DXF、DWG 等格式文件，在Pro/E 中完成设计后需打开相应的模具文件，选取菜单栏中的文件/保存副本命令，随后启动Mastercam 软件的Mill 9 模块，执行档案/档案转换/IGES/读取命令，将其转化为IGES 文件，并处理坐标，使之保持一致。其次，选择加工工艺，包括模具加工设计坯料、对刀点的确定、外形规划、曲面规划等内容，可借助刀具库对话框选择响应的加工刀具，并对刀具及外形铣削等参数进行设置。最后，加工模拟与代码生成，设置好参数后可选择“刀具路径”的“实体验证”功能，对模具进行模拟加工，如果加工无误，可生成NC 代码，CAM 软件涉及主处理程序、后置理程序，前者负责接收用户输入的信息，并将数据体现在坐标系中，存储为CLD文件，但该文件无法直接用作数控指令，需要有一个科学的后置处理程序，系统将CLD 文件信息转化为数控机床所能接收的NC 程序代码，并借助RS-232 接口录入机床或直接进行加工[5]。

2.4 CAD/CAM 软件在高精密模具检测中的应用

对于高精密模具检测而言，传统检测方式采用的是可移动式的三坐标测量仪，随着高速加工技术的应用，传统的测量方式已经无法满足高精密模具的测量需求，需要借助三坐标测量仪与CAD/CAM 软件的配合，完成模具的测量工作。当然，这2 种方法的效果大相径庭，通常而言，CAD/CAM软件的测量空间为3 250 mm×2 090 mm×1 370 mm，而三坐标测量仪精度约0.015 mm，其最大测量质量约为40 t。可见，CAD/CAM 软件的应用极大地提高了测量精度，为了保证高精密模具测量精度的长期稳定性，需要将测量仪置于恒温20 ℃的环境中，避免受到灰尘、振动等因素的影响，将其与外界环境隔绝开来，并置于由100 t 气垫支撑的混凝土支座上。除了对模具的品质进行测量外，还需要对零件的整个加工过程及工序质量进行检测。通常情况下，高精密模具加工需检测2 次，第一次是在冲压工序前进行测量，第二次是在冲压后进行测量，2 次检测均需要对模具上、下模型腔的状态进行检测，先利用理论计算法明晰其理论厚度，再对模具的制造全过程进行检测[6]。

3 结语

作为工业生产的基础工艺装备，模具设计制造技术水平是衡量一个国家制造水平的重要指标，并直接决定了企业的生产空间。随着各行各业对高精密模具设计制造需求的逐步提高，CAD/CAM 软件的引入已经成为必然趋势，其不仅能够提高模具的设计质量、缩短模具的设计周期，还能使高精密模具的设计制造更便捷、更高效，所以具有十分广阔的应用前景。应注意的是CAD/CAM 软件在应用过程中仍存在不少技术难题，必须不断深化研究，完善设计软件，引入人工智能技术，进一步提升CAD/CAM 软件的应用效果。