CATIA模具的CAD設(shè)計分析

1、CATIA注塑模具設(shè)計與數(shù)控銑削編程的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用中國三江-icad     模具CAD/CAE/CAM集成技術(shù)是一項重要的模具先進(jìn)制造技術(shù),是一項用高技術(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、機械制造、電子電器、消費品等行業(yè)，它的集成解決方案覆蓋幾乎所有的產(chǎn)品設(shè)計與制造領(lǐng)域。本文以實例的形式介紹了CATIA在注塑模具產(chǎn)品設(shè)計、基于專家系統(tǒng)的模具設(shè)計及其數(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1. CATIA模具設(shè)計制造工藝流程    CATIA在塑料模具設(shè)計和分析階段充分應(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)計方法進(jìn)行設(shè)計或建立標(biāo)準(zhǔn)件庫，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，同時滿足用戶對設(shè)計的隨時修改，使模具的設(shè)計分析快速、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)計意圖和加工特征的模型。    模具的CAD設(shè)計分析，包括根據(jù)產(chǎn)品模

3、型進(jìn)行模具分型面的設(shè)計、確定型腔和型芯、模具結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計、塑料填充過程分析等幾個方面。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，動態(tài)仿真分析塑料在注塑模腔內(nèi)的注射過程流動情況(含多澆口注射時的塑料匯流紋分析)、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就可以將錯誤消除在模具設(shè)計階段，提高一次試模成功率。    CATIA注塑模具設(shè)計制造工作流程如圖1所示。首先根據(jù)設(shè)計產(chǎn)品進(jìn)行拔模分析與分型面設(shè)計，采用模具設(shè)計專家系統(tǒng)建立工程、加載產(chǎn)品、創(chuàng)建調(diào)用模架，然后設(shè)計導(dǎo)向系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)、頂出機構(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)計制造流程2. CATIA產(chǎn)品設(shè)計與分模設(shè)計    從概念設(shè)計到詳細(xì)設(shè)計，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、零件設(shè)計、裝配設(shè)計、焊接設(shè)計、模具設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、凸凹模設(shè)計、鈑金設(shè)計、復(fù)合材料設(shè)計、創(chuàng)成式自由曲面設(shè)計和工業(yè)外觀設(shè)計等模塊。圖2為在CATIA環(huán)境下設(shè)計的手機產(chǎn)品模型、拔模分析與分模面設(shè)計示意圖。圖2 CATIA產(chǎn)品設(shè)計與分模設(shè)計3. CATIA模具設(shè)計    模具設(shè)計（Mould Tooling Design）是一個管理模具定義的模塊。它可與CATIAV5的設(shè)計、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、組件實例化、注射和冷卻特征定義等模具設(shè)計的所有工作。模具設(shè)計模塊允許快速、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)計人員創(chuàng)建、修改和分析模具構(gòu)件，并在模具設(shè)計變化時，快速更新它們。CATIA為模具設(shè)計人員提供了一個發(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)計功能組件主要包括以下幾個部分。(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）和動模底座（Setting Plate）等不同系列的標(biāo)準(zhǔn)部件，用戶只需對這些設(shè)計好的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計，即可完成產(chǎn)品完整的注塑模具設(shè)計工作，這大大降低了模具設(shè)計人員的工作量，提高了注塑模具的設(shè)計效率和質(zhì)量。圖3是該手機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。(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)計澆注口、分流道、冷卻道等功能設(shè)計。圖4 CATIA凸凹模設(shè)計(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)計功能。(8)明細(xì)表（BomReport）    對設(shè)計完成后的模具元、部組件進(jìn)行匯總輸出，同時可以網(wǎng)頁的形式進(jìn)行輸出。圖4和圖5分別為手機模具設(shè)計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)計報表三、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、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。在編制多曲面對象的數(shù)控銑削程序時，對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關(guān)聯(lián)。    模具數(shù)控加工實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、干涉等錯誤，把錯誤消除在加工工藝編程設(shè)計階段，從而減少加工后的修補和返工，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，如加工對象的具體內(nèi)容、刀具的導(dǎo)動方式、切削步距、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削角度、進(jìn)退刀點、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)控編程操作簡單，在整個刀具軌跡設(shè)計規(guī)劃過程中，可任意修改加工對象和切削參數(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)計時，對于加工對象的定義，最好有一個總體的規(guī)劃?？蓪Φ毒哕壽E和加工程式進(jìn)行拷貝、粘貼、刪除和隱藏等，還可

13、以對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刀具沿軌跡運動的情況、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)控機床可識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（Contour Driven）曲面粗精銑削、3D模式空間曲面螺旋銑削（Spiral Milling）等。同時具備對曲面之間的相交區(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（Multi Axis Contour Driven）、曲線5軸驅(qū)動（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、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，