1 前言

    模具工業是國民經濟的支柱產業，在汽車、機械、電子、航空航天等行業的50％以上產品依賴于模具的生產。模具作為工業產品生產的基礎工藝裝備，其設計周期、生產效率和質量直接影響著產品生產的進度、成本和質量。因此，提高模具和工裝的設計質量和生產效率對于企業的經濟效益有著直接重要的現實意義。隨著橡膠、塑料、玻璃鋼等非金屬及復合材料在工業產品中所占的比例越來越大，提高非金屬復合材料產品的質量和應用范圍在很大程度上與模具的設計有著密切的關系。

    Pro/ENGINEER作為參數化CAD/CAM軟件系統的代表，實現了產品零件組件從概念設計到制造全過程的設計制造一體化，提供了以參數化特征實體造型為基礎、部件間的關聯設計、共享數據庫和專家系統知識等技術，是集產品設計、分析和制造一體化的CAD/CAE/CAM軟件平臺。它使產品CAD/CAE/CAM各單元系統之間實現了數據的自動傳遞與無縫轉換和集成，在CAE、CAM系統順利接受CAD系統建立的三維模型，基于統一數據庫基礎上同步更新。同時，它保證產品設計、模具設計、產品及模具的數控加工的刀具軌跡及NC加工代碼數據自動更新，避免了重復產品設計建模和NC數控編程的工作，實現了CAD/CAE/CAM數據的全相關性設計。

    Pro/ENGINEER提供的基于專家系統的模具設計功能和高效的數控編程功能，其與產品和制造工藝全相關的模具設計方法克服了傳統模具設計模式的缺點，通過模具檢測、自動分模、模擬開模和數控加工仿真的三維動態顯示等設計制造與視頻技術結合等手段，使設計更加生動活潑地展現在人們面前。它極大地提高了產品設計與生產的效率，保證產品生產進度和質量的同時解放了產品設計及工藝人員的勞動生產力。系統還提供各種數據接口，如IGES、STL、DXF、STEP等，使用戶可直接讀取UG、Catia等CAD/CAM系統的數據模型。

2  Pro/ENGINEER的模具設計方案

    2.1 基于專家系統的模具設計

    利用Pro/ENGINEER軟件提供的強大的三維造型功能，設計者可快速完成產品的創建與修改。利用Pro/MoldDesign、Pro/Casting、Pro/Die等基于專家系統模具設計功能可快速完成分模、模具型腔及型芯的自動生成，標準模架零部件和組件的調用等相關內容，最終完成注塑模、鑄造模、沖壓模的設計。其模具設計專家系統建立在產品設計與制造工藝流程相結合的基礎之上，如鑄造、注塑成型中的澆口、流道、凸凹模間隙設計、模具分型面的設計、零件厚度與拔模檢測等制造工藝經驗進行了吸收和應用。利用Pro/Plastic Advisor對模具的性能、模具結構、注塑件在成型過程中的溫度場的有限元傳熱分析和流道分析。 Pro/MoldDesign與Pro/Casting模塊在注塑鑄造成型模具設計過程中提供了以下系列功能。

    （1）分析設計零件是否可塑，對問題區域進行檢驗和修復。

    （2）零件材料、幾何模型和模具設計相對應的收縮間隙設計。

    （3）進行模具凸凹模分型面的設計。

    （4）模具凸凹模型芯型腔、澆口流道的設計。

    （5）模具開模模擬及厚度、拔模、干涉等檢測。

    （6）標準模架零部件組件調用及脫模機構的設計。

    （7）模具的單型腔模和多型腔模設計。

    （8）產品、凸凹模型芯、型腔的模具全相關性設計。

    （9）注塑模擬流動、傳熱及成型分析。

    2.2  模具設計流程

    利用Pro/ENGINEER進行模具設計的流程如圖1所示。首先將設計好的產品零件和依標準模架設計的模具毛坯零件進行裝配，設置好正確的拔模方向，進行拔模和厚度檢測，設定產品收縮率與凸凹模間隙；然后，進行模具分型面的設計與凸凹模的分割，再進行開模模擬和干涉檢測；待凸凹模抽取成功后進行澆口流道及脫模機構、標準模架及組件的裝配設計；最后，將所有的設計成品轉入生產部門進行零部件的選取與加工制造。由此可知，它將企業的產品設計、工藝設計、模具設計和數控加工編程集成在一起，提高了產品、模具、工藝設計及數控編程的效率。#p#分頁標題#e#

圖1 模具設計工作流程

    2.3  熱復合模設計實例

    玻璃鋼產品的加工制造常用的有纏繞成型、模壓成型、層壓成型和拉擠成型等工藝手段。玻璃鋼熱復合模的模壓成型是根據熱固性玻璃鋼復合材料產品的成型特點，通過一定的配料和填料工藝，在壓力機上經一定溫度、壓力和時間的共同作用下加熱、固化、冷卻模壓成型的。玻璃鋼熱復合模設計的特點是其模具分型面的設計、凸凹模設計與注塑模或鑄造模相似，但沒有澆口和流道，其脫模機構相對簡單，模具設計的主要部分集中在凸凹模型芯和型腔的設計上。

    傳統的熱復合模具設計方式是首先進行工藝性分析、標準模架的選取，然后進行凸凹模、脫模機構及相關部件的二維繪圖設計。這種模具設計手段效率低，不易檢查設計中的錯誤，且模具設計質量很大程度上依賴于設計人員的經驗。當二維繪圖完成后，進行數控加工編程時需要重新進行三維造型。且當試模完成后模具設計需要更改時，又要進行二維繪圖、三維造型和數控編程等大量重復的勞動，尤其是在凸凹模的型芯型腔設計與后續數控加工編程時，繪圖和檢測的工作量極大。利用Pro/ENGINEER 基于專家系統的模具設計功能模塊，直接根據產品進行模具分型面設計、凸凹模設計、干涉檢測、開模模擬和模具裝配等，將凸凹模設計一次完成，避免了模具設計人員因經驗不足引起的錯誤。同時，將模具設計完成后得到的凸凹模直接轉入后續NC加工模塊進行數控加工編程，且當產品和模具需要修改時，凸凹模及數控加工的刀具軌跡隨著設計更改而全部自動更新，提高了模具設計和數控編程的效率和質量。整個設計過程都是在集成的環境下完成的。

    圖2為利用Pro/MoldDesign模塊進行某玻璃鋼產品及其模具的凸凹模設計實例，圖中（b）為設計時的分型面及拔模方向。整個凸凹模的設計完全根據產品模型進行分模設計，開模同時將凸凹模一次設計完成，較采用傳統的二維設計大幅度提高了設計的效率，縮短了模具設計制造周期。

圖2 熱復合模設計實例 
(a) 產品圖  (b) 分型面  (c) 凹模  (d) 凸模

3  Pro/ENGINEER的數控加工編程

    3.1  數控編程功能簡介

    在產品的數控加工編程方面，Pro/ENGINEER軟件提供了功能強大的數控編程模塊Pro/NC。該CAM模塊和CAD 模塊集成在一起，具有強大的數控加工編程、后置處理功能。Pro/NC可分別對各種加工機床的各種加工方式進行數控加工編程，能產生生產過程規劃，提供參數化的刀位軌跡生成，估計加工的時間。它所具有的數控車削、銑削、線切割加工編程功能，支持車削中心、五軸銑削中心和四軸線切割數控加工編程功能，具備完整關聯性，對任何設計更改，能自動生成加工程序和資料。

    利用Pro/NC生成的刀具軌跡文件稱為CL Data（Cutter Location Data），通過Nc Check進行仿真加工檢測切削狀況，提供的Vericut模擬功能可以模擬材料的去除過程，使用戶對切削過程進行快速校驗和刀具軌跡地優化設計提供指導，以預測誤差和干涉過切。產生的CL刀位文件經Ncpost或Gpost后置處理產生NC代碼。其提供的后置處理程序能滿足如Fanuc、 Heidenhain、Simenses、 Mitsubishi、 Mazak、Agie和Charmilles等數控系統。用戶可以通過修改Option File文件（機床配置文件）和FIL File文件（數控機床系統接口文件），產生適合自有數控機床系統的后置處理程序。

    3.2  數控編程流程

    數控編程是指根據被加工零件的技術要求、幾何形狀、尺寸及工藝要求來確定加工方法、加工路線和工藝參數、切削參數（主軸轉速、刀具進給量、切削深度等）及輔助功能（主軸正反轉、冷卻液開關等）的設置，進行數值計算獲得實際加工時的刀具軌跡，然后按數控機床所采用的代碼及程序格式，輸出工件的數控加工程序的過程。#p#分頁標題#e#

    數控加工編程的功能模塊一般包括圖形幾何造型、刀具軌跡設計、刀具軌跡編輯、加工仿真、后置處理和全數據關聯參數化驅動修改等功能模塊。利用Pro/NC進行數控程序的編制流程與實際加工的邏輯思維是相似的，圖3為利用Pro/ENGINEER進行數控編程的流程圖。

圖3 Pro/NC數控編程流程圖

    利用Pro/NC模塊進行數控編程時，要求制造工程師遵循一定的邏輯步聚來設計加工所需的刀具軌跡。其過程是：首先設計加工所需的制造模型（產品與毛坯）；然后建立包含加工機床、刀具、夾具、加工坐標系等方面內容的制造工程數據庫（加工環境設置），其定義可在刀具軌跡設計規劃之前完成，也可在進行刀具軌跡設計的同時進行設置；接下來選擇被加工的幾何對象（點、輪廓、曲面或實體）和加工方式，如體積銑削、曲面銑削等，根據具體的加工方式確立合適的切削工藝參數如步距、深度、主軸轉速等制造參數，系統根據加工對象和加工方式及切削工藝參數進行數值計算生成需要的刀具軌跡，這里為了提高刀具軌跡的設計質量，通過仿真加工Vericut功能檢測刀位軌跡不合理之處 ；最后，通過后處理程序對CL Data文件經Gpost或Ncpost后置處理生成相應數控機床系統NC加工程序代碼。

    3.3 數控編程實例
利用Pro/ENGINEER進行產品及模具的數控編程與仿真加工，當產品模型更改時，所設計的凸凹模型芯型腔和數控加工程序數據，刀具軌跡和NC代碼都隨之更新。做到了產品設計與制造數據的全相關，使設計制造一體化。圖4為上述玻璃鋼熱復合模凸模產品數控加工的刀具軌跡圖。用戶可以根據加工的需要對數控編程過程樹和工藝參數表的內容進行編輯修改，生成高效優質的數控程序。

a)                               b)                            c)
圖4 數控編程實例 
a)編程流程樹 b)凸模刀具軌跡 c)工藝參數樹

4 小結

    本文以玻璃鋼熱復合模的模具設計和數控編程的應用為例，講述了在Pro/ENGINEER軟件平臺上，利用系統的參數化驅動特征造型設計和共享數據庫的動態關聯設計、基于專家系統的模具設計和數控加工編程等技術，系統介紹了模具設計與數控編程的流程，在克服2D模具設計的缺點的同時提高了模具設計開發的成功經驗和成功率。在NC加工編程環境下，對抽出的凸凹模模型直接進行數控編程，大大減少了編程時的建模工作量，提高設計資源的可重復利用率，減少了設計與數控編程中的錯誤率，真正意義上實現了產品的全相關性設計與制造一體化。

    在實際應用中，可擴展到以空間型面定位的專用工裝夾具的設計與數控編程，可以快速高效地進行專用夾具的設計與數控編程加工，為提高Pro/ENGINEER的軟件應用水平和擴大其應用范圍提供了借鑒作用。CAD/CAM一體化是解決產品設計、數控加工編程高效率高質量的主要途徑之一，也是當今機械工程應用領域的發展方向，CAD/CAM一體化的實現對于提高制造企業的競爭實力和經濟效益有著重要的意義。