塑料制品在近些年來已廣泛使用，在許多地方，它已有替代金屬制品的趨勢。由于注塑模具生產(chǎn)具有效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、節(jié)約原材料等優(yōu)點，已成為塑料制品的主要成型方式，因此對注塑模具生產(chǎn)進行研究已成為促進現(xiàn)代塑料制品生產(chǎn)的重要手段。傳統(tǒng)的注塑模具設計與加工主要是根據(jù)模具設計工程師的經(jīng)驗，一套成熟的注塑模具需要經(jīng)過反復的試模和調(diào)整才能真正投入使用。而現(xiàn)代的三維軟件采用了基于特征的先進參數(shù)化技術，是一個集成了三維造型設計、加工、以及分析和繪圖等功能的綜合設計系統(tǒng)，具有三維實體設計、資料庫數(shù)據(jù)單一和以特征為設計單位等特點，它通過參數(shù)化的數(shù)據(jù)驅(qū)動，全關聯(lián)的單一數(shù)據(jù)，強大的模塊化功能，從而使模具設計工程師能隨時獲得注塑模具的重量、質(zhì)心、慣性矩、體積、面積等參數(shù)，而且當在三維立體圖或二維工程圖上進行數(shù)據(jù)修改時，相應的二維工程圖或三維立體圖及裝配、制造等一系列數(shù)據(jù)也自動修改。由于大多數(shù)三維造型軟件具有導入制造的功能，可以根據(jù)特征隨時做一些順序上的重新定義、插入、刪除、調(diào)整等修改工作，在CAD/CAE/CAM方面真正實現(xiàn)了有機的合成，因此，從根本上實現(xiàn)了注塑模具制造的快速響應。

1 Pro/E在注塑模具設計和加工方面的基本功能概述

    作為Pro/E三維造型的核心技術功能，行為建模技術與參數(shù)化技術是互相滲透的。在Pro/E三維造型軟件中，它具有基于Web零件庫、參數(shù)化特征建模技術、裝配部件、運動特性、疲勞載荷、塑性特點等分析及仿真動畫、概念設計、模流分析設計等功能。Pro/E中具有獨特的參數(shù)化設計概念及單一數(shù)據(jù)庫設計功能，其根本特征就是將圖形中的任何一個尺寸看作單獨的、可變的數(shù)據(jù)，只要用戶重新修改或定義這些數(shù)據(jù)，它的模型就可以再生改變。模具設計工程師可以利用Pro/E中的三維造型架構功能及參數(shù)化設計，運用數(shù)學邏輯運算建立尺寸間的相互關系，然后通過對前面定義數(shù)據(jù)的修訂，用戶就可以在較短的時間內(nèi)非常容易地獲得模型如面積、重量、體積等相關特性，而且大大減少了在設計過程中一些不必要的失誤。

    Pro/E中的集成功能也是一項重要的功能，通過內(nèi)置的單一圖形數(shù)據(jù)庫，可以實現(xiàn)CAE、CAM、CAD等單元間的相互轉(zhuǎn)換和傳遞，在CAE/CAM過程中可以完全利用CAD所繪制的三維圖形，這樣也可以大大減少中間建模時間和誤差。

    Pro/E中的分析功能又是一項重要的功能，通過該功能，實現(xiàn)對注塑模具的結(jié)構、性能、加工精度、模流情況、設計過程中的溫度等相關數(shù)據(jù)進行適當?shù)膬?yōu)化和設計，這樣在正式制造之前就可以發(fā)現(xiàn)問題，從而縮短了注塑模具整體生產(chǎn)時間，而且也提高了注塑模具的整體制造精度。

2 Pro/E軟件下注塑模具基本設計過程

    1)注塑模型的建立。當建立好的注塑模型裝配到設計模型中后，它作為一個參考模型被替代了。參考模型相對設計模型來說，它們之間本質(zhì)上是建立了一個關系的拷貝，只對注塑模型進行修改，相應的參考模型中也會改變；當然也能對參考模型直接進行修改，然后運用注塑模型Regenerate的功能，最后也可以得到想要的結(jié)果。

    2)開模最優(yōu)方向的確定。參考模型中的拔模斜度及圓角，這一部分應根據(jù)工藝過程的實際需要進行修改。

    3)參考模型分模線和注塑模型分模面的生成。從注塑參考模型或參考模型中可以進行分模線的確定。利用開模功能，這些注塑特征可用于確定分模面的位置。

    4)模具收縮率的設置。利用軟件中的Shrine功能可為整個注塑模型的收縮率進行設置。

    5)對注塑模型上的特征進行操作。如修改澆口、加工孔等特征，以便進行裝配，沿分模面確定開模步驟，通過檢查干涉并修改模型。

    在Pro/E中，注塑模具的整體設計過程如圖1所示。

    圖1 注塑模具設計過程圖

3 三維軟件下的數(shù)控加工編程

    一般的三維設計軟件都提供了性能較為完善的數(shù)控加工編程模塊，如Pro/E軟件中的數(shù)控加工編程模塊Pro/NC，就集合了數(shù)控鉆、車、銑等多樣編程功能，而且這些編程的加工環(huán)境也與實際的加工情況完全符合。為了保證加工精度和工件的找正裝夾，可以在機床中靈活設置不同的工件坐標系。同時也可靈活進行機床和工件坐標系的設置，在不同工序之間可以設置不同的工件坐標系，便于工件的找正裝夾，保證加工精度。

    如圖2所示為Pro/NC中一般典型的數(shù)控加工編程過程圖。首先根據(jù)加工工件的相關要求（如技術、工藝等）建立加工模型，并且在Pro/NC的數(shù)據(jù)庫中存放將要實際加工程序的操作參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，然后設置加工刀具將要加工的路徑參數(shù)，這將依據(jù)工藝參數(shù)、切削參數(shù)、加工路線及輔助功能等進行確定。最后數(shù)控機床將依據(jù)Pro/NC獲得的實際加工刀具路徑，采取相應的代碼進行加工。

    圖2 Pro/E下的數(shù)控編程過程圖

4 設計收音機上蓋注塑模具流程

    4.1 收音機上蓋三維注塑模型的建立

    由于收音機上蓋中的曲面較多，通過Pro/E軟件的曲面造型、拉伸剪切、陣列、合并、加厚等一系列命令，建立如圖3、圖4所示的實體模型。

    圖3 收音機上蓋三維圖

    圖4 收音機上蓋塑件三維圖

    4.2 注塑模具模型的創(chuàng)建

    模具模型總體上包含工件和參照模型兩部分。作為大批量生產(chǎn)的一種小型電器，對外型質(zhì)量的要求較高。為了提高生產(chǎn)過程中的效率，采用平衡式一模兩腔布置。

    創(chuàng)建模型的流程如下：

    1)工件創(chuàng)建。在Pro/E系統(tǒng)中，單擊模型→創(chuàng)建→工作→手動等命令，取工件名為moulds，然后單擊實體→加材料→拉伸→實體→完成等命令。利用草繪工具面板，以MOLDBASE2X2Y為草繪基準面，頂參考選擇MOLDBASE2X2Z，利用系統(tǒng)中的草繪矩形、雙側(cè)拉伸等按鈕，創(chuàng)建完成工件。

    2)參考模型導入和型腔布置。在Pro/E系統(tǒng)中，點擊EMX建立一個新項目，進入工作界面進行設計，依次擊選模具模型→參照零件等命令，打開收音機的模型文件，其中點選CSO為模型的參照起點和定向，點選CAVITY_1為布局起點，選擇矩形布局，其他的選Y對稱，X增量一欄輸入-100，Y增量一欄輸入-60，點選一模二腔、平衡式型腔布置，最后完成的圖形如圖5所示。

圖5 模具型腔分置圖

    4.3 注塑模具收縮率的設置

    收縮率的設置主要考慮工件從模具中取出后，在注塑壓力及溫度的變化下，工件會產(chǎn)生一定的收縮，因此為了獲得與實際尺寸相一致的工件，需要設置適當?shù)氖湛s率。不同的材料有不同的收縮率，在本例中根據(jù)收音機上蓋選取的收縮率為0.005。具體步聚如下：模具→收縮→按尺寸→設置→所有尺寸，在彈出的框中輸入值0.005，單擊確定，完成收縮率的設置。

    4.4 注塑模具分型面的創(chuàng)建

    分型面的設置對注塑模具的設計與制造是一個關鍵，在Pro/E三維軟件中，由于具有功能較為完善的曲面創(chuàng)建和操作功能，因此創(chuàng)建分型面的方式也是多種多樣。對收音機上蓋模具來說，由于零件的靠破孔較多，因此為了分模的需要，采取了破孔填補，然后采用合并曲面的方式來完成分型面的設置。具體過程如下：

    (1)靠破孔的填補，隱藏工件，點擊分型面→創(chuàng)建→確定，分型面的名稱為缺省，再依次點擊增加→復制→完成選項，選擇除了靠破孔的其他外表面，在“填充環(huán)”選項上雙擊，再選擇收音機蓋上表面，點擊確定。通過上述步驟，即可完成一個靠破孔的填補。其他曲面上靠破孔的填補也用同樣的過程來完成。

    (2)曲面的延拓，對上述創(chuàng)建的分型面進行修改，依次點擊以下按鈕，延拓→沿方向→向上至曲面→完成，對每個外殼前端缺口輪廓線進行選取，使之延拓至對應的工件外表面。

    (3)平面部分分型面的構建，對上述構建的分型面進行修改，依次點擊增加→平整→完成→新設置等命令按鈕。草繪平面以選擇零件底部平面為參照，頂參考為MOULD2FRONT，然后草圖選用工件外形，點擊確認按鈕，完成草繪過程。

    (4)分型面的合并，依次點擊合并→側(cè)2→確認等按鈕，合并上述3個過程完成的分型面。最終完成的該注塑模具的分型面如圖6所示。

    圖6 合并后收音機上蓋注塑模具分型面圖

    4.5 注塑模具體積塊的拆分

    以分型面為參照，對創(chuàng)建的工件分割為幾個體積塊，按模具體積塊→分割→2個體積塊→所有工件→完成→確定的順序點擊命令按鈕。分別輸入“cavities”、“cores”作為芯腔體積塊、型芯體積塊的名稱。

 4.6 注塑模具元件的抽取

    注塑模具元件的抽取是將有體積無質(zhì)量的虛擬體積塊轉(zhuǎn)變成具有實體的注塑模具組件，順序點擊模具元件→抽取等按鈕，選取型芯型腔，點擊確定，最終完成的注塑模具型芯型腔如圖7所示。

    圖7 最終完成的模具型芯腔圖

    4.7 注塑模具澆口和流道的設計

    為了減少熔料在型腔內(nèi)流動，加快注射成型，此模具利用側(cè)澆口、2點進澆的方式。為提高成型注塑件的質(zhì)量，分流道的斷面采用散熱量小、充模阻力小、凍結(jié)澆口時間長的圓形斷面。其設計過程如下：主流道的設計采用旋轉(zhuǎn)切除材料的方法，依次點擊特征→型腔組件→流道→導圓角等按鈕，完成流道線路的草繪工作，最終生成的澆口和流道如圖8所示。

    圖8 澆口和流道位置

    4.8 對注塑模具進行仿真充模

    按順序點擊鑄?！鷦?chuàng)建等按鈕，將澆鑄件的文件名“mold”輸入，最后生成澆鑄件如圖9所示。

    圖9 模擬仿真澆注件

    對注塑模具仿真充模的分析，可以分析分型面、最后生成制件的形狀是否符合設計要求、流道的正確性、拆模順序等內(nèi)容。

    4.9 注塑模具的模擬開模

    模擬開模的步驟如下：依次點擊模具進料孔→定義間距→定義移動等按鈕，選取一條豎直方向棱為模具元件的參考方向，正向為指向外側(cè)的方向，移動距離欄輸入值100，最后開模模擬結(jié)果如圖10所示。

    圖10 注塑模具模擬開模過程

    4.10 注塑模具模座和其他輔助零件的設置

    這一部分利用Pro/E中的模具專家系統(tǒng)EMX來完成，依次按EMX4.1→模具基體→組件定義等按鈕。在對話框中，單擊“載入/保存組件”，選擇“Fataba_2p”復選框，類型為“SA_Type”，按確定按鈕后載入。取基體尺寸，分別擊選B板、U板，輸入厚度，止動銷選擇M16，定模側(cè)定位環(huán)選擇LRK類型，單擊確定按鈕完成組件的選擇。點擊模具基體→裝配元件→選擇所有對象等按鈕，最終的模具總裝圖如圖11所示。

    圖11 收音機上蓋注塑模具總裝配圖

5 數(shù)控加工主要注塑模具零部件

    5.1 注塑模具型腔加工工藝分析

    本副模具的型腔上表面由1個平面、2個復雜的曲面和澆道所組成。針對3部分的形狀特點，選用的刀具和方法各不相同，最后按銑曲面、加工澆道、銑平畫的加工順序進行。

    5.2 制造模型廈環(huán)境的建立和設置

    1)加工幾何模型的建立。以銑曲面加工為例，選取型腔上表面的復雜曲面，采取曲面銑削的方法進行編程加工。

    2)選擇刀具。在Pro/E系統(tǒng)中，依據(jù)工件材料的性能、數(shù)控機床的加工能力、切削用量、加工工序等相關因素，在制造管理器對話框中的NC序列設置完成。再以上述的銑曲面加工為例，粗、半精銑刀的材料為GY8，長度統(tǒng)一選100，直徑分別選10、5。

    3)設置數(shù)控加工制造工藝參數(shù)。數(shù)控加工制造參數(shù)的設置主要分為：切割選項、NCL(刀位文件)名稱、進給參數(shù)、入口/出口參數(shù)、切割參數(shù)、機械參數(shù)等6大部分，在Pro/E中的參數(shù)樹管理器對話框中完成設置?？偟膩碚f，如果細分，每部分的參數(shù)選項較多，總共有80多項，因此設置相對較為復雜，但在加工時，也可以采用簡化設置參數(shù)的方法。例如以加工收音機的上蓋注塑模的型腔為例，曲面銑削加工的方式選定后，主要考慮機床性能、刀具類型、工件材料、加工效率、加工工藝性等參數(shù)即可。

    5.3 數(shù)控加工刀具路徑的生成

    通過上述過程完成數(shù)控(NC)加工系列設置后，執(zhí)行NC序列菜單中的“軌跡演示”命令，此時數(shù)控加工刀具路徑在Pro/E系統(tǒng)下自動生成，并且能完成自動演示加工過程、檢測過切等功能，讓用戶了解設計是否有問題。如果設計沒有出現(xiàn)錯誤，則執(zhí)行“完成序列”命令，生成NC序列，然后執(zhí)行“CL數(shù)據(jù)”命令，最后生成如圖12所示的CL數(shù)控加工刀位文件。

    圖12 部分注塑模具型腔數(shù)控加工CL數(shù)據(jù)

    經(jīng)處理后，將此文件生成符合數(shù)控加工要求的程序，數(shù)控機床則根據(jù)RS232數(shù)據(jù)接口傳遞過來的程序，自動完成注塑模具的型腔加工。

    5.4 VERICU軟件下數(shù)控仿真加工演示

    VERICUT作為具備進行刀具軌跡和機床運動仿真功能的專門數(shù)控仿真加工專用軟件，借助其先進的虛擬現(xiàn)實技術和三維顯示技術的作用，實現(xiàn)了逼真的數(shù)控加工過程模擬，并能實時檢測加工的錯誤。模擬步驟如下：加工系列的選定，執(zhí)行Pro/E下“屏幕演示”→“NC檢測”的命令，調(diào)用仿真加工軟件VERICU，最后結(jié)果如圖13所示。

    圖13 仿真加工軟件VERICU模擬效果圖

    以上所描述的注塑模具零件數(shù)控加工過程只是對本副模具的型腔模塊進行數(shù)控編程及加工模擬，實際型腔的加工中，過程較為復雜，細節(jié)考慮也是比較多的。

6 結(jié)論

    從以上Pro/E三維軟件系統(tǒng)下對注塑模具進行設計和加工可以看出，三維軟件在造型方面的功能較為完善，而且在設計和加工制造方面的功能也基本能滿足生產(chǎn)需要。因此，在生產(chǎn)中利用三維軟件對注塑模具進行設計，可以提高注塑模具的設計效率，降低成本，并且利用軟件集成的NC模塊替代手工編程來完成一些模具零件的復雜曲面加工，體現(xiàn)了加工中心在制造中的作用，提高了模具制造效率，在模具生產(chǎn)中真正實現(xiàn)了設計與制造一體化。