基于Cimatron E的注塑模具设计与数控加工编程

　　一、前言

　　C i m a t r o n 软件是以色列Cimatron公司的CAD/CAM/PDM产品，是较早在微机平台上实现三维CAD/CAM全功能的系统。该系统提供了比较灵活的用户界面，有优良的三维造型、工程绘图和全面的数控加工功能，有各种通用、专用数据接口以及集成化的产品数据管理功能。Cimatron从20世纪80年代进入市场以来，在国际模具制造业备受欢迎，用户覆盖机械、铁路、科研、教育等领域。

　　Cimatron E是其较新的一个版本，提供了从产品设计、模具设计到工装工具制造的解决方案，使制造循环流程化。其丰富的数据交换接口，可直接对UG/Parasolid、Pro/ENGINEER、CATIA进行数据导入导出，同时可以IGES、Step、STL、DXF、DWG、SAT等数据格式进行交换。系统提供参数化混合数字建模二维图形输出、零件装配、标准模架等功能模块，同时可针对曲面分模，无需实体转换。其强大的曲面功能，可方便各种模具的设计，尤其是注塑模设计。系统提供的快速电极设计和Mould Design注塑模具设计，能自动完成产品的加载装配、分模和标准模架的选用装配。

　　Cimatron E提供智能化2~5轴数控加工编程，支持高速的NURBS程序输出功能。Cimatron E支持数控铣削、车削、线切割加工编程。五轴数控铣削加工包括五轴底刃、侧刃、五轴曲线和钻孔等加工编程，基于残留毛坯的加工和数控编程模板的切削加工编程，基于变速和高速切削加工功能。Cimatron E SDK提供了基于VisualC++和VisualBasic二次开发语言的丰富函数库。在Microsoft VisualStudio集成开发环境下，利用这些函数库可以很方便地开发出自己专用的应用程序，为系统功能模块的扩充提供了较好的平台。

　　二、产品模具分模设计

　　注塑、锻压、铸造等产品塑性成形过程中的分模设计是模具设计中最为关键的一环，借助于Cimatron E系统提供的分模设计功能模块(Parting Application)，用户可以快速地完成分模线、分模面的缝补、分模模拟等功能。良好的分模设计直接影响着后续产品的模架及模具的数控加工、注塑模拟以及产品的最终成形。Cimatron E系统的分模设计具备拔模分析、收缩率设计、分模线设计、分模面设计、分模面缝补、凸凹模毛坯加载、模具坐标系统定义、模具分模与模拟、凸凹模输出等设计功能。图1是利用Cimatron E完成的某产品及模具分模面。

　　三、注塑模具设计向导

　　借助Cimatron E系统提供的注塑模具设计专家系统Mold Design，用户可以完成完整的模具设计，包括分模设计、标准模架、标准件和非标件的设计装配、电极设计等功能，并以三维或二维工程图数据输出。模具设计向导主要包括以下主要内容：加载凸凹模、冷却、注射、顶出机构、定位设计、标准模架和标准件调用、非标准件设计与子装配体设计、工程图及BOM表输出、NC数控加工代码设计等。MoldDesign是基于三维参数化实体造型的解决方案，它实现了模具三维设计的自动化，可完成所有单个零件、部件组件及标准件的设计和加载装配，可以方便地将对模型分成形芯、型腔、滑块和镶件。

　　[pagecute] Cimatron E的注塑模具设计Mold Design模块，可使用户进行如下功能设计：

　　(1)加载凸凹模工作部件于动定模架上;

　　(2)定位凸凹模工作部件;

　　(3)标准模架调用;

　　(4)加载替换模具工作组件，如螺钉、注射顶出机构单元、滑动单元等;

　　(5)冷却及注射流道设计;

　　(6)BOM表输出;

　　(7)模具设计规则及配置存储;

　　(8)一模多腔设计。

　　Mold Design模具设计模块中标准模架调用、BOM表输出与模具设计标准模板配置调用等功能，使用户针对企业自身的资源合理配置，同时可以提高模具设计的效率和质量。如图2所示的是系统提供的标准模架及标准件调用产品界面;图3、图4、图5分别为某产品凸凹模设计实例、模具设计装配树及模具设计完成后的零部组件BOM表。

　　四、电极设计

　　在模具型腔制造过程中，金属切削加工无法完成的狭缝、尖角或清根部位可采用电火花加工，因此必须进行电极设计。作为电火花加工的关键部分，电极设计的合理性影响着狭缝、尖角或清根部位、型面等特征的成形以及影响加工效率的电参数的选用。使用CimatronE提供的电极设计模块用户可以完成完整的电极设计和电极工程图输出，实现电极设计、制造、工艺图档信息管理的自动化，加速电极的分析、提取、生成和文档的建立。

　　电极设计流程依次为定义火花加工面、根据加工面抽取电极三维信息、电极毛坯设置(毛坯一般提供圆形和方形)、电极坐标系设定、电极刀柄设计、电极外围轮廓的创建、搭接延伸面设计等。系统提供了火花面和电极本体放电间隙设置、新电极设计与工程图输出等功能，在已成形电极的基础上，标准电极可以模板形式存储，用户可以完成多型腔或相似特征的电极设计。此外，系统还可以进行电极模拟加工等生动的可视化模拟，图6所示的是产品型腔中的矩形狭缝而设计的专用电极。

　　五、Cimatron E模具数控铣削加工编程

　　Cimatron E数控编程由三维建模、刀具轨迹设计、刀具轨迹编辑修改、加工仿真、后置处理、数控编程模板、二次开发功能接口、数据文件交换等几个重要组成部分。系统提供了钻孔、攻螺纹和镗孔循环等点位加工编程功能，具有多种轮廓加工、等高环切行切以及岛屿加工平面铣削编程功能。其提供的3~5坐标复杂曲面多轴联动加工编程功能，具有基于残留毛坯、曲面轮廓、等高分层、环绕等距、曲面流线、角落清根、曲线五轴等多种刀具轨迹控制方式。刀具轨迹的主要加工策略包括平行铣削、环绕、等高、深孔钻削、基于毛坯等多种形式的粗精加工。

　　Cimatron E提供的模具数控铣削加工编程方便简洁，吸收了其他CAD/CAM系统的数控编程功能的优点。使用系统丰富的三轴粗精加工配合基于残留毛坯的智能切削、高速切削轨迹的控制、定位5轴控制刀具轴矢量的前倾角和侧倾角的粗精加工、快速钻孔、插削粗精加工等编程功能，可以快速高效地完成产品的数控加工程序的编制。针对每一种加工策略，其刀具轨迹生成控制方式有多种，对于大余量的型腔和空间曲面的加工，其刀具轨迹的控制方式有：基于残留毛坯的螺旋循环加工(Stock Spiral);空间曲面平行等距铣削(Parallel Cut)，其轨迹平行于XY平面上某直线;以平面上的某点为圆心，轨迹沿径向以放射状加工(Radial);等高分层铣削加工(By Layer);曲面轮廓三维环绕等距(3D Step);轨迹沿曲面的外形按环绕轮廓的形式进行固定Z轴的XY平面内的等距加工(Profile);深孔钻削粗加工排量(Plunge Mill);空间曲线三轴或五轴加工(Curve 3x& Curve 5x)等。典型刀具轨迹控制策略如图7所示。

　　1. Cimatron E数控编程基本流程

　　由于系统界面严格遵循实际产品的数控加工流程来设计，因此其操作简单，在整个刀具轨迹设计规划过程中，可任意修改加工对象、切削参数等内容，值得注意的是，由于其相关性，在进行刀具轨迹流程设计时，对于加工对象的定义，最好有一个总体的规划。可对刀具轨迹和加工程序进行拷贝、粘贴、删除和隐藏等操作，同时可以对具体的刀具轨迹方案进行编辑修改，如下刀、转角速度的调整等。系统数控加工编程模块提供如下功能：在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况、进行图形化修改;具有刀位文件复制、编辑、修改、刀具定义、机床和切削参数数据库等功能，如可对刀具轨迹进行延伸、缩短、剪裁等编辑修改等。

　　Cimatron E用于产品零件的数控加工，其流程如图8所示。首先是调用产品零件加载毛坯，调用系统的模板或用户自定义的模板、设计刀具。然后分别创建加工的程序、定义工序、加工的对象、定义加工的方式生成该相应的加工程序。用户依据加工程序的内容来确立刀具轨迹的生成方式，如根据加工对象的具体内容，刀具的导动方式、切削步距、主轴转速、进给量、切削角度、进退刀点、干涉面及安全平面等详细内容生成刀具轨迹。对刀具轨迹进行仿真加工后再进行相应的编辑修改、拷贝等操作提高编程的效率。待所有的刀具轨迹设计合格后，进行后处理生成相应数控系统的加工代码进行DNC传输与数控加工。

　　2. 模具数控编程模板

　　使用数控编程模板有利于利用已有的经验和专家知识，达到企业内部资源共享的目的。系统提供了加工程序模板、刀具模板、加工对象模板、刀具轨迹模板等。在模板中不断注入数控编程员、加工工艺师、技术工人的知识、经验和习惯，建立起规范的数控加工工艺过程，为强化企业生产管理提高产品的加工效率和质量打下良好的工艺技术基础。

　　Cimatron E系统创建用户自己的模板可以将预先的加工顺序、工艺参数、切削参数设置好，针对相似的零件加工对象，应用模板可以大幅度提高数控编程的效率和质量，尤其是在模具行业。用户通过加工向导非常容易地从模板中获得专家级的制造过程指导，全部内容可非常简单而有效地提供给缺乏经验的用户，有利于吸收别人的经验。通过向导，预先定义的模板可以被激活，并通过简单的交互快速生成数控加工刀具轨迹。加工程序模板与刀具轨迹模板分别以*.pct、*.tpt和*.mtt的文件格式保存。

　　3. 变速切削及基于残留毛坯切削

　　Cimatron E系统提供的等体积恒功率变速切削功能，尤其适合在普通数控机床上对加工余量比较大的难加工材料产品的切削，以充分发挥刀具和机床的性能。由于普通数控机床在现有企业所占的比重仍然较大，因此采用变速切削的刀具轨迹策略可以很好地降低制造成本，提高加工的效率。如图9所示为系统提供的变速切削功能设置。CimatronE的高速铣削加工功能同时支持等高分层的粗加工和曲面的精加工，通过在转角处以圆角的形式过渡，避免90。急转(高速场合对导轨和电机容易损坏)，同时采用螺旋进退刀配合进给速度的自动调节功能，非常适合于高速切削加工，系统还提供环绕等距等多种方式支持高速加工刀具轨迹的生成策略。借助基于残留毛坯切削的编程功能，软件自动排除空的刀具轨迹，减少了用户的工作量，也提高了编程的效率。

　　如图10所示的是在CimatronE平台上，充分利用系统数控编程模板、等体积变速切削等功能完成的某复合材料产品热压模凸凹模型腔和型芯的数控铣削加工程序的刀具轨迹示意图。

　　六、结束语

　　Cimatron E是一款功能非常丰富的CAD/CAM一体化软件，非常适合于各种模具的开发和加工。本文所介绍的只是其最基本的一些应用，相信，随着大家对Cimatron E的熟悉和应用，一定会发现其更多各种各样的强大功能，希望本文能起到抛砖引玉的作用。

　　此外，将并行工程技术引入P r o /ENGINEER的模具设计中，可以由传统的模具设计与制造工艺路线(即模具结构设计→模具型腔、型芯二维设计→工艺准备→模具型腔、型芯三维造型→数控加工指令编程→数控加工)，改变为由不同的工程师同时进行设计、工艺准备的并行路线，不但提高了模具的制造精度，而且能缩短设计、数控编程时间达40%以上。设计工程师在进行产品三维零件设计时就考虑模具的成型工艺和影响模具寿命的因素，并进行校对、检查，预先发现设计过程的错误。在初步确立产品的三维模型后，设计、制造及辅助分析部门的多位工程师可同时进行模具结构设计、工程图设计、模具性能辅助分析及数控机床加工指令的编程等工作，而且每一个工程师对产品所做的修改可自动反映到其他工程师那里，大大缩短了设计、数控编程的时间。另外，Pro/ENGINEER软件具有的单一数据库、参数化实体特征造型技术为实现并行工程提供了可靠的技术保证。