DOC《第1章Cimatron与模具设计制造》

第1章Cimatron与模具设计制造 1.

1 模具设计与制造基础 现代工业产品的零件,广泛采用注塑成型、冷冲压、成型锻造、压铸成型等成型加工工艺来生产,而作为与冲压、铸造、锻造等金属成型机械及塑料、橡胶等非金属成型机械相配套的成型工具的各类模具,在其中起着非常重要的作用.采用模具进行加工,可实现无切屑加工,不仅可大大提高材料的利用率,而且能节约资源,也有利于提高产品的精度及批量化生成的能力.随着工业现代化及科学技术的发展,模具的应用越来越广泛,适应性也越来越强.特别在机械、汽车、电子、通信、家电等行业,模具已成为一种重要的基础工艺装备,其质量、精度及寿命对其发展产生了很大的影响.总之,模具工业已成为衡量一个国家工业制造工艺水平的标志及独立的基础工业体系. 1.1.1 模具的种类 由于涉及各种成型加工工艺,模具可分为许多种类.根据应用对象的不同,模具按其使用之方法与对象分为冲压模、塑料模、压铸模、锻造模、铸造模、玻璃模、粉末冶金模、橡胶模等.虽然模具随应用对象的不同在其设计方法、工艺要求等方面存在一定的差异,但同时也存在一些共同的特点,如被加工材料的类型及成型的状态等.综合各种模具的共同特点,总体上可将模具分为三大类: 金属板材成型模具,如冷冲模等. 金属体积成型模具,如锻模、压铸模等. 非金属制品用成型模具,如塑料注射模、压缩模等. 其中,如果不考虑成型的材料是金属还是非金属,可将体积成型模具统称为型腔模.上述模具的分类并不是惟一的,不同的分类标准,会产生不同的分类形式.如在欧美发达国家,通常将模具分为DIE与MOLD两大类,其中DIE是指加工材料是固态(板材、棒材、线材或粉末态)时直接被冲压或锻压成型的模具,如冲压模、锻造模等.而MOLD是指材料在熔融或半熔融状态下经充填、凝固而成型的模具,如塑胶模、压铸模、铸造模、玻璃模等. 1.1.2 模具设计与制造的特点 由于不同类型的模具涉及各种不同的专业应用领域,因此模具设计的专业性较强,需要根据一定的设计方法来进行设计,如设计塑料模具时必须要考虑塑料的粘度、流动性、收缩率及成型温度等材料性能,同时也要考虑注塑机的性能指标及工艺参数等.从设计方法看,传统的模具设计主要采用二维设计,即首先将三维的制品零件通过投影生成若干个二维视图来表示,然后在此基础上再进行模具结构设计,画出模具的装配图及各个零件图.目前,随着三维CAD技术的不断发展与普及,模具的设计手段正逐步从传统的二维设计向三维设计转变. 由于模具制品的形状及结构一般较为复杂,在绘制及理解工程图时均会遇到较大的困难.同时,模具结构设计中涉及很多零件,需要考虑并避免这些零件及结构在空间的干涉问题,采用二维设计同样存在一定困难.三维CAD技术的出现,使整个制品零件的设计及模具结构设计可以直接在非常直观的三维环境下进行,制品及模具零件的三维模型设计完成后,可直接根据投影关系自动生成工程图,彻底解决了传统二维设计的弊端.模具属于标准化程度较高的产品,模具设计中使用的模架及各种标准零件可以直接从CAD系统中建立的标准目录库中直接调用,大大提高了设计的质量与效率.同时,三维CAD系统中设计生成的模具零件三维模型可直接用于模具的分析模拟及数控加工编程等后续应用,适应了现代化生产和CAD/CAM集成技术的要求.因此,三维CAD一经出现,就率先在模具设计领域得到很好的应用,而为了更好地解决模具设计中存在的各种问题,又进一步推动了CAD技术的不断发展. 由于模具对制造精度及制造周期的要求很高,因此模具制造同时也是各种先进制造技术应用最为集中的领域之一.首先,模具零件的形状位置精度要求很高,特别是各种型腔模中的型腔面多由复杂的曲线曲面构成,因此其加工过程大量应用了精密的数控及特种加工技术,这从众多的数控机床、线切割机床、电火花机床广泛地应用于模具加工中可以看出,同时也由此推动了以数控加工编程为主要内容的CAM技术的发展.其次,为了尽量缩短模具制造周期,各种先进的快速原型、反求工程、高速加工及网络协同制造等技术也随着在模具制造业中的率先应用而获得发展和完善.除此之外,为了提高模具的使用寿命,各种新材料、新工艺及先进的热处理、表面处理技术也在模具制造业中率先获得应用. 1.1.3 注塑模CAD/CAM应用的特点 作为CAD/CAM技术在模具设计与制造过程中的一种典型应用,对注塑模CAD/CAM的研究在国内外均起步较早,开发的各种注塑模CAD/CAM商品化软件也是各类模具CAD/CAM中实际使用最广泛、技术最成熟的一类软件.以下就以注塑模CAD/CAM为例来介绍模具CAD/CAM的应用与特点. 注塑模CAD/CAM就是应用计算机来辅助完成注塑模的设计与制造,其应用的重点 是注塑制品的几何造型、零件分模、模架及结构件设计、电极及模具零件的NC加工编 程等. 目前,代表国际先进水平的注塑模CAD/CAM工程应用的特点具体表现在如下几个方面: 1.基于特征的三维造型技术的广泛应用 塑料制品应根据使用要求及美学要求来进行设计,同时要考虑塑料性能、成型工艺、模具结构、成型设备、生产批量及生产成本等各方面的要求.由于诸多因素的影响,一个合理的塑料产品设计方案来之不易,即使有丰富经验的设计师也很难取得十分满意的设计结果. 基于特征的三维造型软件的应用,为设计师提供了强大的设计编辑平台,使用参数化特征造型技术,能很方便地生成制品的三维参数化模型,调整参数值即可实现设计模型快速修改,强大的曲面功能可构造外形非常复杂的设计模型.所有的设计过程真正做到所 想即所得,逼真的显示效果使设计者可以非常自由地表现自己的设计意图.而且制品的质量、体积等各种物理参数能自动进行计算,为后续的模具设计与分析计算打下良好的基础. 2.基于微机平台的CAD/CAM在模具行业得到广泛应用 20世纪90年代前,能支持模具设计与制造的各CAD/CAM软件主要采用UNIX操作系统,并运行在各类图形工作站上.至20世纪90年代中后期,基于Windows操作系统的新一代微机CAD/CAM软件开始崛起,如SolidWorks、SolidEdge、CAXA等不仅继承了工作站级CAD/CAM软件中采用的NURBS曲面造型、参数化特征造型等先进技术,而且在Windows风格、特征树、动态导航及面向对象等方面具有传统工作站级软件所不具备的优势,推动了三维CAD/CAM技术在模具行业中的普及应用.同时,各工作站版软件均相继移植了微机版,甚至推出了完全Windows风格界面的软件.如以色列Cimatron公司从20世纪90年代开始,就将UNIX系统下的Cimatron软件移植到了微机上,并从2001年开始逐步从非Windows风格界面的Cimatron it过渡到完全基于Windows平台开发的Cimatron E软件. 3.基于网络的模具CAD/CAM集成系统的应用 要使用计算机辅助完成模具的整个设计与制造,必然要用到各种CAD/CAM专业软件.为了能使设计与制造数据能在这些软件间进行畅通的数据交换,必须要实现在这些软件的集成.传统意义上的CAD/CAM集成是指一个软件本身的各种设计与制造功能的集成,如高端CAD/CAM集成软件PRO/E、UGII中,就集成了零件设计、反求工程、装配设计、模具设计、工程图及NC加工编程等诸多功能.但随着全球经济一体化的不断推进及模具设计与制造领域中专业化分工与协同工作的需要,更需要基于网络的模具CAD/CAM集成软件来支持.如英国DELCAM公司推出的Delcam'