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基于Pro


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Die and Mo uld Technology No1. 2010

文章编号 :100124934 ( 2010) 0120040204

基于 Pro/ E 和 MasterCAM 的注塑模设计与加工
何修旭 , 黄   , 王雷刚 瑶
( 江苏大学   材料科学与工程学院 , 江苏

  镇江   212013 )

摘   : 为了提高注塑模具设计与加工的质量和效率 , 更好地发挥各软件的特点 , 采 要 用多种软件联合应用 。以照相机面板注塑模为例 , 介绍了 Pro/ E 在注塑模具设计中 的应用以及在 MasterCAM 环境下的 CAM 实现 。阐述了 Pro/ Moldesign 的模具设计 流程和优势 ,并运用 MasterCAM 对照相机面板凹模进行了仿真模拟加工 。通过实例 表明 ,两者结合使用能缩短模具生产周期和提高模具精度 。 关键词 : 注塑模 ; Pro/ E ;MasterCA M ; 模具设计 ; 数控加工 中图分类号 : TP391. 7      文献标识码 : B
Abstract : The co m bi ne d app licati on of sof t wa res coul d i mp r ove t he i njecti on mol d design

a nd p r ocessi ng qualit y a n d ef f icie ncy , give f ull pla y t o t he a dva nt a ges of eac h o ne . Ta ki ng

jecti o n mol d designi ng a nd t he realizati on of CA M base d o n Mast e r CA M we re i nt r oduce d . conca ve mol d of ca me ra p a nel was mac hi ne d i n si mulati on by t he Mast e r CA M sof t wa re . coul d s h orte n t he p r oducti on cycle a nd i mp r ove t he mol d p recisi on .

0  引言

设计与制造技术逐渐普及 , 出现了多种 CAD/
CAM 是在模具设计与加工中广泛应用的 CAD/

数化造型功能 , 在工业产品设计与模具设计方 面有一定优势 ,但在加工方面 , 因其参数设置较 为繁琐 ,不利于学习和推广 。MasterCAM 软件 是美国 CNC Soft ware INC 公司研制开发的基
收稿日期 : 2009207202 作者简介 : 何修旭 ( 1979 - ) ,男 ,硕士研究生 。

CAM 软 件 , 且 各 具 特 色 。 Pro/ E 与 Master2 CAM 软件 。Pro/ E 具有强大的曲面和实体参

t he mol d of ca me ra p a nel as a n exa mple , bot h t he applicati on of Pr o/ Engi nee r i n plastic i n2 M ol d designi ng p r ocess a n d t ec h nol ogical a dva nt a ges of Pr o/ M ol design we re st at e d . A nd t he The exa mple s h owe d t hat i n mol d designi ng t he c om bi ne d ap plicatio n of t he t w o s of t wa res

Keywords : i njecti on mol d ; Pr o/ E ; Mast e r CA M ; m ol d designi ng ; N C mac hi ni ng

于 PC 平台的 CAD/ CAM 一体化软件 , 其要求 的硬件配置低 ,具有良好的性价比 、 可靠的加工
( 性能 ,特别是其广泛的 COM”对接) 功能 、 “ 可编 辑的后处理程式以及良好的机床适应性 , 使其

随着计算机技术的不断发展 , 模具数字化

备受广大企业的青睐 , 但其 CAD 部分功能相对 较弱 ,进行复杂曲面 、 实体造型时比较困难 。因 此 ,利 用 Pro/ E 进 行 模 具 设 计 , 结 合 Master2
CAM 进行数控加工就成为当前模具企业优先

选择的 CAD/ CAM 方式[ 122 ] 。以照相机面板为 例 , 介绍野火版 Pro/ E 结合 MasterCAM X 在 模具设计和加工方面的应用和优势 。

模 具 技 术 2010. No . 1

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建工件 ,最后生成毛坯工件 。图 2 为照相机面

1  基于 Pro/ E 的模具设计
Pro/ E 除了具有强大的曲面和实体造型功

板模具工件图 。

能外 , 还有十分强大的模具设计功能 。Pro/ E 中的 Moldesign 模块提供了方便 、 实用且在三维 环境下的模具设计与分析的各种工具 。利用这 些工具 ,设计人员可以根据塑料制品的三维模 型 ,建立模具装配模型 , 设计分型面 、 浇注系统 和冷却系统等 , 从而完成模具成型部分 ( 即凹模 和凸模) 的设计工作[ 3 ] 。利用 Moldbase 提供的 标准件库和标准模架库完成顶出机构与模具总 体装配设计 。下面介绍利用 Pro/ Moldesign 设 计模具的一般流程 。
1. 1   产品 3D 模型
图2  照相机面板模具工件图

1. 3   创建模具分型面

模具设计环节的关键在于分型面的设计 。 由于分型面的选择直接关系到模具成型零件的 结构 、 尺寸精度 、 表面质量 、 飞边大小 、 脱模难易 和制造成本 , 因此要慎重选择 。Pro/ E 有挤出 、 复制 、 裙边曲面等分型方法 。对于分型靠面和 破孔均为平面型的模型 , 采用裙边曲面的方法 能快速准确地建立分型面[ 4 ] 。该照相机面板模 型采用裙边曲面生成分型面 。首先利用菜单栏 中 【插入】 侧面影像曲线】 / 【 命令生成侧面影像 曲线 ,然后选择菜单栏中 【编辑】 裙状曲面】 / 【 命 令 ,选择前面所生成的侧面影像曲线 , 最后产生 了裙边曲面如图 3 所示 。

模具设计时必须要建一个产品模型 , 产品 模型的设计可以在 Pro/ E 零件三维造型模块中 进行 , 一般通过拉深 、 切除 、 拔模 、 圆角 、 抽壳等 特征造型方法创建 。图 1 为创建照相机面板的
3D 模型 。

图1  照相机面板 3D 模型

1. 2   创建模具模型

模具模型创建时 , 文件 【类型】 【制造】 选择
( Manufact uring ) , 再 选 择 ( 【模 具 型 腔】 Mold Cavity) 模块 , 然后将原产品设计模型装配至模

具模型中 , 使之成为模具设计的参照模型 。由 于温度和压力的变化 , 注塑件从模具中取出后 会产生收缩现象 , 为了补偿注塑件体积收缩的 偏差 , Pro/ E 提供了收缩 率 ( Shrinkage ) 功能 。 设计人员通过设置适当的收缩率来放大参考模 型 ,以便获得正确尺寸的注塑件 , 该照相机面板 模型的收缩率设为 0. 5 % 。然后利用 【菜单管理 器】 【模具模型】 创建】 工件】 中 / 【 / 【 在模具中创

图3  分型面

1. 4   创建模具元件的体积块

利用分型面将工件拆分成型腔 、 型芯体积
( 块 。通常运用 【分割】 Split ) 菜单下的 【两个体 ( 积块】 Two Volumes ) 命令将工件拆分成各个

体积块 , 即所谓的拆模 。体积块是没有质量的 三维封闭曲面组 ,并不是模具元件 。

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1. 5   抽取模具元件

通过向体积块中填充实体材料 , 使之转换 成实际的模具成型元件 , 此即所谓的抽取模具 元件 。完成抽取后 , 模具成型元件就成为功能 齐全的 Pro/ E 零件 ,存为 igs 格式供后续分析加 工模块调用或转换到其他软件中进行数控加 工。
1. 6   注塑模仿真和开模仿真

Pro/ E 在完成模具元件抽取后 , 可自动将

熔融材料通过浇口注入模具型腔 , 成型注塑件 。 对模具开模进行仿真 , 同时进行装配干涉检查 , 以确保模具正常开模 。模具开模仿真见图 4 。

图4  模具开模仿真

2  Pro/ E 与 MasterCAM 的数据交换
Pro/ E 和 MasterCAM 都能接受和输出较

多的数据格式和图像格式 。只有数据格式和图 像格式相同才能进行数据交换 , 提高效率 。I G2
ES ( Initial Grap hics Exchange Specificatio n ) 图

形交换文件格式是 Pro/ E 和 MasterCAM 都支 持的文件格式 ,具有专门格式的顺序文件 , 可以 用各种编辑软件进行编辑 , 也可以用高级语言 来读写 。I GES 文件在这 2 种设计软件中均具 有操作 简 易 性 和 双 向 性 的 特 点 , 使 Pro/ E 与
MasterCAM 之间图样的相互转换成为可能 。

2. 1   Pro/ E 系统转出 IGES 数据文件 从

模具设计完成后 , 将上 、 下模零件转换为

IGES 格式 ,然后 MasterCAM 系统转入进行加

工 。在 Pro/ E 的 模 具 图 中 模 型 树 列 表 中 “MOL D_ VOL _1. PR T ” 下模零件上单击右键 ,

在弹出的快捷菜单中选择 【打开】 命令 , 系统调 用零件模块并打开下模零件 。然后选择菜单栏 中的 【文 件】 保 存 副 本 】 令 , 系 统 会 弹 出 / 【 命 【保存副 本】 话 框 , 在 对 【类 型】 选 择 IGES 栏 “ ( 3 . igs) ” 格式 , 然后点击确定 , 系统会弹出的 【输出 IGES】 对话框 , 单击确定 , 将下模零件输 出为 I GES 曲面格式文件 。 上模零件采取同样方法转换成 I GES 格式 文件 ,以便 MasterCAM 软件调用 。
2. 2   MasterCAM 系统转入 IGES 文件

从 Pro/ E 系统中输出的上 、 下模零件的 IG2 ES 格式文件 , 便可以在 MasterCAM 系统将其 转入进行加工 。打开 MasterCAM , 选择菜单栏 中 “文件 → 转换 →I GES →读入文件” 输入文件 , 名 ,指定文件存放目录 , 完成 IGES 格式文件的 转换 。由于 2 种软件的坐标系不同 , 需要对导 入的模型进行调整 , 一般仅需要选择 “侧视构图 面” 将模型旋转一定角度就能解决坐标系的问 题。

3  利用 MasterCAM 对照相机面板

凹模进行加工模拟

   MasterCAM 拥有车削 、 铣削 、 雕刻 、 线切割 等多种功能 , 允许用通过刀路模拟实体仿真来 图形化地编辑和修改刀具路径 , 同时 Master2 CAM 软件提供了多种图形文件接口 , 能够与其 他 CAD/ CAM 软件的输出格式如 DW G、 DXF 、 [5] IGES 、 TL 、 S STA 等良好地相容 。 用 Mastercam 软件的 CAM 功能编制刀具 路径 ( CA I) , 通过后处理转换成 NC 方式 , 传送 至数控机床进行加工 。 由于照相机面板模具的凹模比凸模形状复 杂 ,加工过程细节考虑也较多 , 故在此只对凹模 进行加工模拟及数控编程 。照相机面板凹模加 工主要包括加工坯料 、 对刀点的确定 、 规划曲面 挖槽粗加工刀具路径 、 规划曲面平行粗加工刀 具路径 、 规划曲面平行精加工刀具路径 、 规划曲 面等高外形精加工刀具路径等内容 。
3. 1   加工坯料及对刀点的确定

在规划照相机面板凹模加工刀具路径前 ,

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先确定加工几何图形所需要的坯料尺寸及加工 边界 ,并将图形中心的最高点移到系统坐标原 点 ,便于加工时以图形中心对刀 。
3. 2   曲面挖槽粗加工

球刀 , 平面进给率为 400 mm/ min , 深度进给率 为 400 mm/ min ,转速为 2 500 r/ min , 回刀速率 为 2 000 mm/ min ,对凹模四周曲面的残料进行精 加工 ,余量为 0” “ 。最终的加工轨迹如图 5 所示 。

规划照相机面板凹模曲面挖槽粗加工刀具 路径 ,目的是粗切除大部分工件材料 。由于模 具材 料较 硬 及工件的 大小和 形状结 构 , 选 用 16 mm的 圆 鼻 刀 , 平 面 进 给 率 为 1 000 mm/
min ,深度进给率为 1 000 mm/ min , 转速为 2 000 r/ min , 回 刀 速 率 为 2 000 mm/ min 。预 留 量 为

“0. 3” 。挖槽加工采用螺旋下刀或斜线下刀 , 避 免直接下刀 ,以免进刀时发生强烈震动 , 甚至导 致刀具破裂 , 同时螺旋下刀的直径和高度不宜 太大 ,以免过多走空刀 。
3. 3   曲面挖槽加工

图5  加工轨迹

3. 7   仿真模拟加工

对 MasterCAM X 生成的加工轨迹进行模 拟仿真 ,检查生成的加工轨迹是否合理 、 加工表 面是否光滑 、 是否有过切现象 , 如果出现类似情 况 ,需重新编辑加工轨迹 , 直到满意为止 。仿真 结果如图 6 所示 。

考虑到底面都是大平面 , 可以用粗加工代 替精加工 , 来清除大刀加工后在底部平坦部位 余留下的残料 。选用 6 mm 圆鼻刀进行挖槽 加工 , 平面进给率为 500 mm/ min , 深度进给率 为 500 mm/ min ,转速为 2 200 r/ min , 回刀速率 为2 500 mm/ min ,余量为 0” “ 。
3. 4   曲面平行粗加工

由于凹模有一处圆弧形凹曲面 , 为了对其 进行粗切削 , 规划曲面平行粗加工刀具路径 。 选用 6 mm 圆鼻刀进行粗加工 , 平面进给率为
500 mm/ min ,深度进给率为 500 mm/ min , 转速
图6  模具加工模拟效果图

为 2 200 r/ min , 回刀速率为 2 500 mm/ min , 余 量为 0. 1” “ 。
3. 5   曲面平行精加工

3. 8   生成加工 NC 代码

利用 MasterCAM X 系统的 Po st 后处理功 能 ,自动生成加工照相机面板凹模所需的 NC 代码 。系统会弹出如图 7 所示的 NC 程序文件 编辑器 ,用户可以对 NC 程序进行检查和编辑 。

规划曲面平行精加工刀具路径 , 将对圆弧 形凹曲面进行精切削 。选用 3 mm 的球刀 , 平 面进 给率 为 300 mm/ min , 深度 进 给率为 300
mm/ min ,转速为 3 000 r/ min ,回刀速率为 2 000 mm/ min ,余量为 0” “ 。
3. 6   曲面等高外形精加工

由于凹模的四周曲面比较陡 , 因而对其余 留残料进行精加工 ,提高加工质量。选用 6 mm

图 7  NC 程序文件编辑器

( 下转第 63 页)

模 具 技 术 2010. No . 1

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( 3) 铝合金型材挤压模具氮化工艺优化参

数确定为 :N H3 流量为 0. 3~0. 07 m3 / h ; 氮化温 度为 560 ℃; 氮化压力为 392 M Pa ; SO2 流量为
20 ml/ min ; 氮化时间为 4 h 。按本文所述方式

和工艺参数氮化处理的挤压模具表面硬度一般 都可达 1 100 HV 0. 2 。
( 4) 采用优化工艺参数氮化处理的铝合金型
图6  典型试样的金相显微组织

材挤压模具使用寿命大大延长 ,单模型材挤压数 量由原来的单模平均 3 000 ~ 4 000 kg 提高至
8 000~10 000 kg ,生产效率和经济效益同步提高。 ( 5) 目前采用优化工艺参数氮化处理的铝

4  结论
( 1) 从渗层厚度 、 渗层硬度工艺试验结果选

合金型材挤压模具年产 1 × 7 kg 铝合金型材 10 时消耗模具约 1 200 套 ,减少模具消耗约 650 套
( 该数据考虑了铝合金型材断面大小不同因而

出的 2 组最佳工艺参数组合分析可知 : 这 2 组 工艺参数组合除温度条件不同外 , 其余工艺参 数基本相同 。在既保证一定渗层厚度又保证较 高表层硬度的前提条件下 , 将 2 组工艺条件重 新优化组合 , 构成了氮硫二元气体共渗等温氮 化工艺最优水平组合 ,即 :A 1 B3 C3 D3 E1 。
( 2) 从渗层厚度 、 渗层硬度 、 渗层组织的逐

单模通过量不同的数据差异) 。
( 6) 气体软氮化设备一次性投资较少 , 采

用该项试验研究成果确定的优化氮化工艺参 数进行挤压模具的强化处理 ,2 年内就可收回 全部设备投资并生产出表面光洁的建筑铝合 金型材 。

项试验结果分析可知 , 氮硫二元气体共渗等温 氮化工艺完全适合于铝合金型材 H13 钢挤压模 具表面硬化处理 。在合理的工艺参数组合条件 下 ,模具表面硬化处理效果 —— — 渗层厚度 、 渗层 硬度 、 渗层组织完全能达到较高水平 。
( 上接第 43 页)
[ 1 ] 聂兰启 ,神祥博 . 曲柄精锻模材料的选择 [J ] , 模

参考文献 :
具技术 ,2008 ( 4) :56259 .
( 4) :5192522.

4  结论
使用 Pro/ E 可以准确创建模具分型面 , 合 理拆分凸 、 凹模 ,快速生成成型零件 。然后将图 形数据转换到 MasterCAM 软件中 ,再根据模具 零件的特点 , 拟定数控加工工艺 , 进行数控编 程 ,确定具体的加工方式及加工参数 , 生成刀具 路径 。在进行刀具路径的模拟检查后 , 便可将 生成的加工程序输送到数控加工中心或数控铣
terCAM 相结合的模具设计与加工模式是现代

参考文献 :

床的控制系统进行自动加工 。Pro/ E 和 Mas2 化模具加工的趋势 , 缩短了模具研发时间 , 大大 提高了模具的加工精度和生产效率 , 对提高市

场响应速度 ,增强企业竞争力有非常重要的意义。

[ 1 ] 门超 ,张宝树 . 基于 Pro/ EN GIN EER 与 Master2 CAM 的模具 CAD/ CAM [ J ] . 铸造技术 , 2007 [ 2 ] 张国新 , 单云 . 基于 Mastercam 的机车中心盘 53 . [ 3 ] 张祥杰 ,黄圣杰 . Pro/ EN GIN EER Wildfire 模具

[ 4 ] 肖正明 . Pro/ E 、 Cimat ron 环境下塑料模具设计 [ 5 ] 何满才 . Pro/ Engineer 模具设计与 MasterCAM

锻模 CAD/ CA M[ J ] . 模具技术 , 2004 ( 5 ) :502 设计[ M ] . 北京 : 中国铁道出版社 ,2004. 与加工模拟 [J ] . 模具制造 ,2005 ( 8) :629. 数控加工 [ M ] . 北京 : 人民邮电出版社 ,2009.


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