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量的虛擬體積塊轉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流動，加快注射成型，此模具利用側澆口、2點進澆的方式。為提高成型注塑件的質量，分流道的斷面采用散熱量小、充模阻力小、凍結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

    按順序點擊鑄模→創(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，正向為指向外側的方向，移動距離欄輸入值100，最后開模模擬結果如圖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。總的來說，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，調用仿真加工軟件VERICU，最后結果如圖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。