CATIA模具的CAD設(shè)計(jì)分析

1、CATIA注塑模具設(shè)計(jì)與數(shù)控銑削編程的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用中國(guó)三江-icad     模具CAD/CAE/CAM集成技術(shù)是一項(xiàng)重要的模具先進(jìn)制造技術(shù),是一項(xiàng)用高技術(shù)改造模具制造技術(shù)的重要關(guān)鍵之一。CATIA是由法國(guó)Dassault Systems公司開發(fā)的CAD/CAM/CAE/PDM應(yīng)用系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、造船、機(jī)械制造、電子電器、消費(fèi)品等行業(yè)，它的集成解決方案覆蓋幾乎所有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域。本文以實(shí)例的形式介紹了CATIA在注塑模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)、基于專家系統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)及其數(shù)控加工編程過程中涉及的一些關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用。一、CATIA產(chǎn)品與模

2、具設(shè)計(jì)1. CATIA模具設(shè)計(jì)制造工藝流程    CATIA在塑料模具設(shè)計(jì)和分析階段充分應(yīng)用了參數(shù)化特征造型技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)。塑料模具中的標(biāo)準(zhǔn)件，如標(biāo)準(zhǔn)模架、頂出機(jī)構(gòu)、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等都采用基于數(shù)據(jù)庫管理的參數(shù)化特征造型設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)或建立標(biāo)準(zhǔn)件庫，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，同時(shí)滿足用戶對(duì)設(shè)計(jì)的隨時(shí)修改，使模具的設(shè)計(jì)分析快速、準(zhǔn)確、高效。參數(shù)化特征造型不僅可以完整地描述產(chǎn)品的幾何圖形信息，而且可以獲得產(chǎn)品的精度、材料及裝配等信息，其所建立的產(chǎn)品模型是一種易于處理、能反映設(shè)計(jì)意圖和加工特征的模型。    模具的CAD設(shè)計(jì)分析，包括根據(jù)產(chǎn)品模

3、型進(jìn)行模具分型面的設(shè)計(jì)、確定型腔和型芯、模具結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)、塑料填充過程分析等幾個(gè)方面。利用CATIA可很容易地確定分型面，生成上下模腔和模芯，進(jìn)行流道、澆口以及冷卻道的布置等。確定了這些設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以后，再利用MOLDFLOW、CFLOW等進(jìn)行塑料的成形過程分析，動(dòng)態(tài)仿真分析塑料在注塑模腔內(nèi)的注射過程流動(dòng)情況(含多澆口注射時(shí)的塑料匯流紋分析)、分析溫度壓力變化情況、分析注塑件殘余應(yīng)力等，根據(jù)分析情況來檢查模具結(jié)構(gòu)的合理性、流動(dòng)狀態(tài)的合理性、產(chǎn)品的質(zhì)量問題等。比如，是否存在澆注系統(tǒng)不合理，而出現(xiàn)流道和澆口位置尺寸不當(dāng)，無法平衡充滿型腔的情況；是否存在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理或模具結(jié)構(gòu)不合理，而出現(xiàn)產(chǎn)品充不滿

4、（短射）現(xiàn)象；是否有冷卻不均勻，而影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；是否存在注塑工藝不妥而出現(xiàn)產(chǎn)品的翹曲變形等。通過CATIA就可以將錯(cuò)誤消除在模具設(shè)計(jì)階段，提高一次試模成功率。    CATIA注塑模具設(shè)計(jì)制造工作流程如圖1所示。首先根據(jù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行拔模分析與分型面設(shè)計(jì)，采用模具設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)建立工程、加載產(chǎn)品、創(chuàng)建調(diào)用模架，然后設(shè)計(jì)導(dǎo)向系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)、頂出機(jī)構(gòu)、流道與冷卻等輔助部分，進(jìn)行分模模擬，輸出Bom表等。圖1 注塑模具設(shè)計(jì)制造流程2. CATIA產(chǎn)品設(shè)計(jì)與分模設(shè)計(jì)    從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)，再到工程圖生成，CATIA V5的CAD部

5、分可以加快產(chǎn)品開發(fā)的速度。CATIA 的CAD部分包含了草圖設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、焊接設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、凸凹模設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、復(fù)合材料設(shè)計(jì)、創(chuàng)成式自由曲面設(shè)計(jì)和工業(yè)外觀設(shè)計(jì)等模塊。圖2為在CATIA環(huán)境下設(shè)計(jì)的手機(jī)產(chǎn)品模型、拔模分析與分模面設(shè)計(jì)示意圖。圖2 CATIA產(chǎn)品設(shè)計(jì)與分模設(shè)計(jì)3. CATIA模具設(shè)計(jì)    模具設(shè)計(jì)（Mould Tooling Design）是一個(gè)管理模具定義的模塊。它可與CATIAV5的設(shè)計(jì)、仿真和制造等模塊協(xié)同工作，支持包括凸凹模固定板定義、組件實(shí)例化、注射和冷卻特征定義等模具設(shè)計(jì)的所有工作。模具設(shè)計(jì)模塊允許快速、經(jīng)濟(jì)地創(chuàng)

6、建注塑模具，可以使用下面的標(biāo)準(zhǔn)目錄庫：DME、DME-AMERICA、EOC、FUTABA、HASCO、MISUMI、NATIONAL、RABOURDIN、STRACK等。CATIA能讓注塑模具設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建、修改和分析模具構(gòu)件，并在模具設(shè)計(jì)變化時(shí)，快速更新它們。CATIA為模具設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)發(fā)揮創(chuàng)造性的方便快捷的集成環(huán)境，其基于專家系統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)功能組件主要包括以下幾個(gè)部分。(1)模架組件（Mold Base）    標(biāo)準(zhǔn)模架包括定模板（Clamping Plate）、上支承板（Upper Bar）、凹模型腔墊板（Cavity Support Plate）、凸

7、模型芯墊板（Core Support Plate）、支承墊板（Riser Bar）、頂桿墊板（Ejection Plate）和動(dòng)模底座（Setting Plate）等不同系列的標(biāo)準(zhǔn)部件，用戶只需對(duì)這些設(shè)計(jì)好的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，即可完成產(chǎn)品完整的注塑模具設(shè)計(jì)工作，這大大降低了模具設(shè)計(jì)人員的工作量，提高了注塑模具的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。圖3是該手機(jī)模架的加載界面與加載完成后的示意圖。(2)脫模組件（Ejection Component）    該組件提供了包括頂桿等標(biāo)準(zhǔn)脫模件的設(shè)計(jì)與定位。(3)固定組件（Fixed Component）   

8、 通過該組件可添加如螺釘、螺桿、螺母等連接件和緊固件的設(shè)計(jì)。(4)導(dǎo)向組件（Guide Component）    用于導(dǎo)柱、導(dǎo)套等導(dǎo)向元部件的設(shè)計(jì)加載功能。圖3 CATIA模架加載調(diào)用(5)澆注組件（Injection Component）    用于設(shè)計(jì)澆注口、分流道、冷卻道等功能設(shè)計(jì)。圖4 CATIA凸凹模設(shè)計(jì)(6)定位組件（Locating Component）    它主要完成添加定位銷、襯套等定位組件的功能。(7)其他組件（Miscellaneous Component）  

9、;  它提供用戶自定義部件，如螺柱、彈簧的設(shè)計(jì)功能。(8)明細(xì)表（BomReport）    對(duì)設(shè)計(jì)完成后的模具元、部組件進(jìn)行匯總輸出，同時(shí)可以網(wǎng)頁的形式進(jìn)行輸出。圖4和圖5分別為手機(jī)模具設(shè)計(jì)完成后的凸凹模以及模具零部件的BOM匯總結(jié)果。圖5 CATIA模具設(shè)計(jì)報(bào)表三、CATIA模具數(shù)控銑削加工編程    注塑模具的CAM技術(shù)主要應(yīng)用在數(shù)控銑削加工、線切割加工、電火花加工等方面。CAM數(shù)控加工技術(shù)尤其是在復(fù)雜模具的型腔、型芯及電極的銑削加工中起著更加重要的作用。數(shù)控編程的主要工作，包括粗精加工刀具軌跡的優(yōu)化規(guī)劃、NC指令的產(chǎn)

10、生、刀具種類特性和材料庫的建立、切削加工工藝參數(shù)的確定、普通切削和高速切削加工特性控制、過切檢查與加工表面的精度控制、加工過程的實(shí)體仿真切削、數(shù)據(jù)傳輸DNC技術(shù)等方面的內(nèi)容。CATIA數(shù)控編程有產(chǎn)品三維建模、刀具軌跡設(shè)計(jì)、刀具軌跡編輯修改、加工仿真、后置處理、二次開發(fā)功能接口和數(shù)據(jù)文件傳輸交換等幾個(gè)重要組成部分。    在CAM技術(shù)的應(yīng)用中特別要求CAD三維產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)的正確性。在編制多曲面對(duì)象的數(shù)控銑削程序時(shí)，對(duì)曲面模型有較高的要求，如相鄰曲面的U、V方向的一致性、曲面與曲面的高精度擬合、曲面斜率連續(xù)變化等。CATIA利用了參數(shù)化特征造型設(shè)計(jì)和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，

11、使得產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)、模具的型腔型芯數(shù)據(jù)、刀具軌跡數(shù)據(jù)基于統(tǒng)一的模型，刀具軌跡與產(chǎn)品模型的修改更新自動(dòng)關(guān)聯(lián)。    模具數(shù)控加工實(shí)體仿真能直觀反映加工后零件的結(jié)果，可檢查出加工過程中的過切、干涉等錯(cuò)誤，把錯(cuò)誤消除在加工工藝編程設(shè)計(jì)階段，從而減少加工后的修補(bǔ)和返工，大大提高模具的制造效率和質(zhì)量。CATIA系統(tǒng)提供的混合建模方案和高質(zhì)量的數(shù)控編程功能可保證高模具的設(shè)計(jì)與數(shù)控編程等一次成功。1. CATIA數(shù)控編程的基本流程    CATIA用于產(chǎn)品零件的數(shù)控加工，其流程一般如圖6所示。首先是調(diào)用產(chǎn)品零件、加載毛坯、定義刀具，然后選擇加工策略、

12、定義工序、加工的對(duì)象來生成相應(yīng)的加工程式。用戶依據(jù)加工程式的內(nèi)容來確立刀具軌跡的生成方式，如加工對(duì)象的具體內(nèi)容、刀具的導(dǎo)動(dòng)方式、切削步距、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削角度、進(jìn)退刀點(diǎn)、干涉面及安全平面等詳細(xì)內(nèi)容，生成刀具軌跡，待所有的刀具軌跡設(shè)計(jì)合格后，進(jìn)行后處理生成相應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)的加工代碼，并完成行DNC傳輸與數(shù)控加工。    CATIA的數(shù)控編程操作簡(jiǎn)單，在整個(gè)刀具軌跡設(shè)計(jì)規(guī)劃過程中，可任意修改加工對(duì)象和切削參數(shù)等內(nèi)容。值得注意的是，由于其相關(guān)性，在進(jìn)行刀具軌跡流程設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于加工對(duì)象的定義，最好有一個(gè)總體的規(guī)劃?？蓪?duì)刀具軌跡和加工程式進(jìn)行拷貝、粘貼、刪除和隱藏等，還可

13、以對(duì)具體的刀具軌跡方案進(jìn)行編輯和修改，如下刀、轉(zhuǎn)角速度的調(diào)整等。系統(tǒng)數(shù)控加工編程模塊提供了諸如在圖形方式下觀測(cè)刀具沿軌跡運(yùn)動(dòng)的情況、進(jìn)行圖形化修改等功能，可進(jìn)行刀位文件復(fù)制、編輯、修改，刀具定義，建立床和切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫等。后處理程序可選用Intelligent Manufacturing Software Inc的IMSPost和ICAM Technologies Corporation的ICAMPost等兩種后處理方式，生成數(shù)控機(jī)床可識(shí)別加工的程序代碼文件。圖6 CATIA數(shù)控編程流程圖2. CATIA刀具軌跡策略與后處理    CATIA系統(tǒng)提供了鉆孔、攻絲和

14、鏜孔循環(huán)等點(diǎn)位加工編程方式，具有多種輪廓加工、等高環(huán)切、行切以及島嶼加工平面銑削等編程功能。其提供的35坐標(biāo)復(fù)雜曲面多軸聯(lián)動(dòng)加工編程功能，具有基于殘留毛坯、曲面輪廓、等高分層、環(huán)繞等距、曲面流線、角落清根、旋轉(zhuǎn)四軸、五軸底刃側(cè)刃、五軸曲線等多種刀具軌跡控制方式。對(duì)于相應(yīng)的等高分層、曲面粗精加工都具備高速銑削的編程模式。下面介紹其刀具軌跡的主要加工策略。(1)二維點(diǎn)位和輪廓、挖槽、平面等多種加工功能    系統(tǒng)在這方面提供了諸如平行銑削、環(huán)繞、等高、深孔鉆削功能，主要用于對(duì)開口或封閉的輪廓側(cè)面進(jìn)行精加工。常用的二維挖槽加工及其高速銑削編程加工的刀具軌跡，如圖7所示。

15、a)內(nèi)槽環(huán)繞銑削b)曲面平行銑削c)高速環(huán)繞銑削圖7 銑削刀具軌跡策略示意圖  a)等距環(huán)繞銑削b)根部清根c)仿真模擬圖8 薄壁零件銑削加工示意圖(2)對(duì)空間曲面的粗精加工    刀具軌跡形式可以曲面流線、平行、等高分層、環(huán)繞螺旋、放射狀等形式進(jìn)行曲面加工，主要包括曲面掃描粗加工（Sweep Roughing）、等高分層粗加工（Roughing）、曲面精加工（Sweeping）、輪廓驅(qū)動(dòng)（Contour Driven）曲面粗精銑削、3D模式空間曲面螺旋銑削（Spiral Milling）等。同時(shí)具備對(duì)曲面之間的相交區(qū)域或角落部位進(jìn)行一次或多次筆式清根加

16、工（Pencil）編程功能。對(duì)于空間曲線，可完成3D曲線輪廓（Curve Following）、三維輪廓（Profile Contouring）等加工策略，可進(jìn)行35軸曲線加工。    其三維空間曲面銑削刀具軌跡的控制方式靈活多樣，因而軌跡可以根據(jù)需要來調(diào)整。圖8所示的是某薄壁結(jié)構(gòu)產(chǎn)品零件，其加工特征為一空間曲面，且包含眾多不同平面的島嶼，這里利用CATIA系統(tǒng)的數(shù)控銑削加工編程功能對(duì)其編制了高速環(huán)繞加工與角落清根的銑削加工程序，并進(jìn)了加工仿真。(3)5軸銑削    這里包括變軸掃描（Multi Axis Sweeping）、輪廓變軸

17、驅(qū)動(dòng)（Multi Axis Contour Driven）、曲線5軸驅(qū)動(dòng)（Multi Axis Curve Maching）、5軸側(cè)刃輪廓銑削（Multi Axis Flank Contouring）等多種加工軌跡策略。系統(tǒng)提供的5軸加工的關(guān)鍵刀具軸矢量控制方式，包括點(diǎn)、直線、空間曲線、三維輪廓、曲面法向和曲面法向前后、左右傾斜等方式。如圖9、圖10所示的分別是常用五軸加工刀具軸矢量控制方式及其軌跡示意圖。a)指向點(diǎn)b)直線c)曲線d)曲面法向e)刀具軸示意圖9 五軸刀具軸矢量控制3. CATIA模具數(shù)控銑削編程實(shí)例    利用CATIA系統(tǒng)的上述數(shù)控銑削加工編程功能，用戶可以很方便地進(jìn)行模具凸凹模零件的數(shù)控銑削成型的編制工作。圖11所示的就是用CATIA生成的手機(jī)凹模零件的半精銑和清根加工的刀具軌跡及其仿真加工示意圖。a)曲面法向五軸b)五軸底刃銑削c)五軸側(cè)刃銑削圖10 常用五軸加工示意圖a)凹模半精銑b)區(qū)域清根c)仿真模擬圖11 模具刀具軌跡與仿真示意圖四、結(jié)束語    CATIA作為基于自由曲面造型與參數(shù)化特征造型，