Pro/E在熱複合模設計與數控加工編制程式裡面地運用

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前言

??? 模具工業是國民經濟的支柱產業，在汽車、機械、電子、航空航太等行業的50％以上產品依賴於模具的生產。模具作為工業產品生產的基礎工藝裝備，其設計周 期、生產效率和品質直接影響著產品生產的進度、成本和品質。因此，提高模具和工裝的設計品質和生產效率對於企業的經濟效益有著直接重要的現實意義。隨著橡 膠、塑膠、玻璃鋼等非金屬及複合材料在工業產品中所占的比例越來越大，提高非金屬複合材料產品的品質和應用範圍在很大程度上與模具的設計有著密切的關係。

??? Pro/ENGINEER作為參數化CAD/CAM軟體系統的代表，實現了產品零件元件從概念設計到製造全過程的設計製造一體化，提供了以參數化特徵實體 造型為基礎、部件間的關聯設計、共用資料庫和專家系統知識等技術，是集產品設計、分析和製造一體化的CAD/CAE/CAM軟體平臺。它使產品CAD /CAE/CAM各單元系統之間實現了資料的自動傳遞與無縫轉換和集成，在CAE、CAM系統順利接受CAD系統建立的三維模型，基於統一資料庫基礎上同 步更新。同時，它保證產品設計、模具設計、產品及模具的數控加工的刀具軌跡及NC加工代碼資料自動更新，避免了重複產品設計建模和NC數控程式設計的工作，實 現了CAD/CAE/CAM資料的全相關性設計。

??? Pro/ENGINEER提供的基於專家系統的模具設計功能和高效的數控程式設計功能，其與產品和製造工藝全相關的模具設計方法克服了傳統模具設計模式的缺 點，通過模具檢測、自動分模、模擬開模和數控加工模擬的三維動態顯示等設計製造與視頻技術結合等手段，使設計更加生動活潑地展現在人們面前。它極大地提高 了產品設計與生產的效率，保證產品生產進度和品質的同時解放了產品設計及工藝人員的勞動生產力。系統還提供各種資料介面，如IGES、STL、DXF、 STEP等，使用戶可直接讀取UG、Catia等CAD/CAM系統的資料模型。

2? Pro/ENGINEER的模具設計方案

??? 2.1 基於專家系統的模具設計

??? 利用Pro/ENGINEER軟體提供的強大的三維造型功能，設計者可快速完成產品的創建與修改。利用Pro/MoldDesign、Pro /Casting、Pro/Die等基於專家系統模具設計功能可快速完成分模、模具型腔及型芯的自動生成，標準模架零部件和元件的調用等相關內容，最終完 成注塑模、鑄造模、衝壓模的設計。其模具設計專家系統建立在產品設計與製造工藝流程相結合的基礎之上，如鑄造、注塑成型中的澆口、流道、凸凹模間隙設計、 模具分型面的設計、零件厚度與拔模檢測等製造工藝經驗進行了吸收和應用。利用Pro/Plastic Advisor對模具的性能、模具結構、注塑件在成型過程中的溫度場的有限元傳熱分析和流道分析。 Pro/MoldDesign與Pro/Casting模組在注塑鑄造成型模具設計過程中提供了以下系列功能。

??? （1）分析設計零件是否可塑，對問題區域進行核對總和修復。

??? （2）零件材料、幾何模型和模具設計相對應的收縮間隙設計。

??? （3）進行模具凸凹模分型面的設計。

??? （4）模具凸凹模型芯型腔、澆口流道的設計。

??? （5）模具開模模擬及厚度、拔模、干涉等檢測。

??? （6）標準模架零部件元件調用及脫模機構的設計。

??? （7）模具的單型腔模和多型腔模設計。

??? （8）產品、凸凹模型芯、型腔的模具全相關性設計。

??? （9）注塑模擬流動、傳熱及成型分析。

??? 2.2? 模具設計流程

??? 利用Pro/ENGINEER進行模具設計的流程如圖1所示。首先將設計好的產品零件和依標準模架設計的模具毛坯零件進行裝配，設置好正確的拔模方向，進 行拔模和厚度檢測，設定產品收縮率與凸凹模間隙；然後，進行模具分型面的設計與凸凹模的分割，再進行開模模擬和干涉檢測；待凸凹模抽取成功後進行澆口流道 及脫模機構、標準模架及元件的裝配設計；最後，將所有的設計成品轉入生產部門進行零部件的選取與加工製造。由此可知，它將企業的產品設計、工藝設計、模具 設計和數控加工程式設計集成在一起，提高了產品、模具、工藝設計及數控程式設計的效率。

圖1 模具設計工作流程

??? 2.3? 熱複合模設計實例

??? 玻璃鋼產品的加工製造常用的有纏繞成型、模壓成型、層壓成型和拉擠成型等工藝手段。玻璃鋼熱複合模的模壓成型是根據熱固性玻璃鋼複合材料產品的成型特點， 通過一定的配料和填料工藝，在壓力機上經一定溫度、壓力和時間的共同作用下加熱、固化、冷卻模壓成型的。玻璃鋼熱複合模設計的特點是其模具分型面的設計、 凸凹模設計與注塑模或鑄造模相似，但沒有澆口和流道，其脫模機構相對簡單，模具設計的主要部分集中在凸凹模型芯和型腔的設計上。

??? 傳統的熱複合模具設計方式是首先進行工藝性分析、標準模架的選取，然後進行凸凹模、脫模機構及相關部件的二維繪圖設計。這種模具設計手段效率低，不易檢查 設計中的錯誤，且模具設計品質很大程度上依賴于設計人員的經驗。當二維繪圖完成後，進行數控加工程式設計時需要重新進行三維造型。且當試模完成後模具設計需要 更改時，又要進行二維繪圖、三維造型和數控程式設計等大量重複的勞動，尤其是在凸凹模的型芯型腔設計與後續數控加工程式設計時，繪圖和檢測的工作量極大。利用 Pro/ENGINEER 基於專家系統的模具設計功能模組，直接根據產品進行模具分型面設計、凸凹模設計、干涉檢測、開模模擬和模具裝配等，將凸凹模設計一次完成，避免了模具設計 人員因經驗不足引起的錯誤。同時，將模具設計完成後得到的凸凹模直接轉入後續NC加工模組進行數控加工程式設計，且當產品和模具需要修改時，凸凹模及數控加工 的刀具軌跡隨著設計更改而全部自動更新，提高了模具設計和數控程式設計的效率和品質。整個設計過程都是在集成的環境下完成的。

??? 圖2為利用Pro/MoldDesign模組進行某玻璃鋼產品及其模具的凸凹模設計實例，圖中（b）為設計時的分型面及拔模方向。整個凸凹模的設計完全根 據產品模型進行分模設計，開模同時將凸凹模一次設計完成，較採用傳統的二維設計大幅度提高了設計的效率，縮短了模具設計製造週期。

圖2 熱複合模設計實例?
(a) 產品圖? (b) 分型面? (c) 凹模? (d) 凸模

3? Pro/ENGINEER的數控加工程式設計

??? 3.1? 數控程式設計功能簡介

??? 在產品的數控加工程式設計方面，Pro/ENGINEER軟體提供了功能強大的數控程式設計模組Pro/NC。該CAM模組和CAD 模組集成在一起，具有強大的數控加工程式設計、後置處理功能。Pro/NC可分別對各種加工機床的各種加工方式進行數控加工程式設計，能產生生產過程規劃，提供參 數化的刀位軌跡生成，估計加工的時間。它所具有的數控車削、銑削、線切割加工程式設計功能，支持車削中心、五軸銑削中心和四軸線切割數控加工程式設計功能，具備完 整關聯性，對任何設計更改，能自動生成加工程式和資料。

??? 利用Pro/NC生成的刀具軌跡檔稱為CL Data（Cutter Location Data），通過Nc Check進行模擬加工檢測切削狀況，提供的Vericut模擬功能可以模擬材料的去除過程，使用戶對切削過程進行快速校驗和刀具軌跡地優化設計提供指 導，以預測誤差和干涉過切。產生的CL刀位檔經Ncpost或Gpost後置處理產生NC代碼。其提供的後置處理常式能滿足如Fanuc、 Heidenhain、Simenses、 Mitsubishi、 Mazak、Agie和Charmilles等數控系統。用戶可以通過修改Option File檔（機床設定檔）和FIL File檔（數控機床系統介面檔），產生適合自有數控機床系統的後置處理常式。

??? 3.2? 數控程式設計流程

??? 數控程式設計是指根據被加工零件的技術要求、幾何形狀、尺寸及工藝要求來確定加工方法、加工路線和工藝參數、切削參數（主軸轉速、刀具進給量、切削深度等）及 協助工具（主軸正反轉、冷卻液開關等）的設置，進行數值計算獲得實際加工時的刀具軌跡，然後按數控機床所採用的代碼及程式格式，輸出工件的數控加工程式的 過程。

??? 數控加工程式設計的功能模組一般包括圖形幾何造型、刀具軌跡設計、刀具軌跡編輯、加工模擬、後置處理和全數據關聯參數化驅動修改等功能模組。利用Pro/NC 進行數控程式的編制流程與實際加工的邏輯思維是相似的，圖3為利用Pro/ENGINEER進行數控程式設計的流程圖。

圖3 Pro/NC數控程式設計流程圖

??? 利用Pro/NC模組進行數控程式設計時，要求製造工程師遵循一定的邏輯步聚來設計加工所需的刀具軌跡。其過程是：首先設計加工所需的製造模型（產品與毛 坯）；然後建立包含加工機床、刀具、夾具、加工坐標系等方面內容的製造工程資料庫（加工環境設置），其定義可在刀具軌跡設計規劃之前完成，也可在進行刀具 軌跡設計的同時進行設置；接下來選擇被加工的幾何物件（點、輪廓、曲面或實體）和加工方式，如體積銑削、曲面銑削等，根據具體的加工方式確立合適的切削工 藝參數如步距、深度、主軸轉速等製造參數，系統根據加工物件和加工方式及切削工藝參數進行數值計算生成需要的刀具軌跡，這裡為了提高刀具軌跡的設計品質， 通過模擬加工Vericut功能檢測刀位軌跡不合理之處 ；最後，通過後處理常式對CL Data檔經Gpost或Ncpost後置處理生成相應數控機床系統NC加工程式碼。

??? 3.3 數控程式設計實例
利用Pro/ENGINEER進行產品及模具的數控程式設計與模擬加工，當產品模型更改時，所設計的凸凹模型芯型 腔和數控加工程式資料，刀具軌跡和NC代碼都隨之更新。做到了產品設計與製造資料的全相關，使設計製造一體化。圖4為上述玻璃鋼熱複合模凸模產品數控加工 的刀具軌跡圖。使用者可以根據加工的需要對數控程式設計過程樹和工藝參數表的內容進行編輯修改，生成高效優質的數控程式。

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圖4 數控程式設計實例?
a)程式設計流程樹 b)凸模刀具軌跡 c)工藝參數樹

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