1、封面 作者： PanHongliang 僅供個人學習 CATIA 注塑模具設計與數控銑削編程技術 模具 CAD/CAE/CAM 集成技術是一項重要的模具先進制造技術 ,是一項用高技術改造模 具 制造 技 術 的 重 要 關 鍵 之 一 。 CATIA 是 由 法 國 Dassault Systems 公 司 開 發 的 CAD/CAM/CAE/PDM 應用系統，已廣泛應用于航空航天、汽車制造、造船、機械制造、電子電器、消費品等行業，它的集成解決方案覆蓋幾乎所有的產品設計與制造領域。本文以 實例的形式介紹了 CATIA 在注塑模具產品設計、基于專家系統的模具設計及其數控加工編 程過程中涉及的一些

2、關鍵技術及其應用。 一、CATIA 產品與模具設計 1. CATIA 模具設計制造工藝流程 CATIA 在塑料模具設計和分析階段充分應用了參數化特征造型技術和數據庫技術。塑 料模具中的標準件，如標準模架、頂出機構、澆注系統、冷卻系統等都采用基于數據庫管 理的參數化特征造型設計方法進行設計或建立標準件庫，以實現數據共享，同時滿足用戶 對設計的隨時修改，使模具的設計分析快速、準確、高效。參數化特征造型不僅可以完整 地描述產品的幾何圖形信息，而且可以獲得產品的精度、材料及裝配等信息，其所建立的 產品模型是一種易于處理、能反映設計意圖和加工特征的模型。 模具的 CAD 設計分析，包括根據產品模型進行模

3、具分型面的設計、確定型腔和型芯、 模具結構的詳細設計、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，進行流道、澆口以及冷卻道的布置等。確定了這些設計數據以 后，再利用 MOLDFLOW CFLOW 等進行塑料的成形過程分析，動態仿真分析塑料在注塑模 腔內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、 分析注塑件殘余應力等，根據分析情況來檢查模具結構的合理性、流動狀態的合理性、產 品的質量問題等。比如，是否存在澆注系統不合理，而出現流道和澆口位置尺寸不當，無 法平衡充滿型腔的情況；是否存在產品結構不合理或模具結構不合理

4、，而出現產品充不滿 (短射)現象；是否有冷卻不均勻，而影響生產效率和產品質量；是否存在注塑工藝不妥 而出現產品的翹曲變形等。通過 CATIA 就可以將錯誤消除在模具設計階段，提高一次試模 成功率。 CATIA 注塑模具設計制造工作流程如圖 1 所示。首先根據設計產品進行拔模分析與分 型面設計，采用模具設計專家系統建立工程、加載產品、創建調用模架，然后設計導向系 統、澆注系統、頂出機構、流道與冷卻等輔助部分，進行分模模擬，輸出 Bom 表等。 圖 1 注塑模具設計制造流程 2. CATIA 產品設計與分模設計 從概念設計到詳細設計，再到工程圖生成， CATIA V5 的 CAD 部分可以加快產品

5、開發的 速度。CATIA 的 CAD 部分包含了草圖設計、零件設計、裝配設計、焊接設計、模具設計、 結構設計、凸凹模設計、 鈑金設計、 復合材料設計、 創成式自由曲面設計和工業外觀設計 等模塊。 圖 2 為在 CATIA環境下設計的手機產品模型、拔模分析與分模面設計示意圖。 圖 2 CATIA 產品設計與分模設計 3. CATIA 模具設計 模具設計(Mould Tooling Design)是一個管理模具定義的模塊。它可與 CATIAV5 的設 計、仿真和制造等模塊協同工作，支持包括凸凹模固定板定義、組件實例化、注射和冷卻 特征定義等模具設計的所有工作。模具設計模塊允許快速、經濟地創建注塑模

6、具，可以使 用下面的標準目錄庫： DME、 DME-AMERICA、 EOC、 FUTABA、 HASCO、 MISUMI、 NATIONAL RABOURDIN STRACK 等。CATIA 能讓注塑模具設計人員創建、修改和分析模具 構件，并在模具設計變化時，快速更新它們。 CATIA 為模具設計人員提供了一個發揮創造 性的方便快捷的集成環境，其基于專家系統的模具設計功能組件主要包括以下幾個部分。 (1) 模架組件( Mold Base) 標準模架包括定模板(Clamping Plate)、上支承板(Upper Bar)、凹模型腔墊板 (Cavity Support Plate )、凸模型芯

7、墊板(Core Support Plate)、支承墊板(Riser Bar)、頂 桿墊板(Ejection Plate)和動模底座(Setting Plate)等不同系列的標準部件，用戶只需對 這些設計好的標準件進行細節設計，即可完成產品完整的注塑模具設計工作，這大大降低 了模具設計人員的工作量，提高了注塑模具的設計效率和質量。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準脫模件的設計與定位。 (3) 固定組件( Fixed Component ) 通過該組件可添加如螺釘、螺桿、螺母等連接件和緊固

8、件的設計。 (4) 導向組件( Guide Component ) 用于導柱、導套等導向元部件的設計加載功能。 (5) 澆注組件( Injection Component ) 用于設計澆注口、分流道、冷卻道等功能設計。 圖 3 CATIA 模架加載調用 (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 ) 它提供用戶自定義部件，如螺柱、彈簧的設計功能。 (8) 明細表( BomReport ) 對設計完成后的模具元、部組件進行匯總輸出，同時可以網頁的形式進行輸出。圖 4

9、 和圖 5 分別為手機模具設計完成后的凸凹模以及模具零部件的 BOM 匯總結果。 圖 5 CATIA 模具設計報表 三、CATIA 模具數控銃削加工編程 注塑模具的 CAM 技術主要應用在數控銑削加工、線切割加工、電火花加工等方面。 CAM 數控加工技術尤其是在復雜模具的型腔、型芯及電極的銑削加工中起著更加重要的作 用。數控編程的主要工作，包括粗精加工刀具軌跡的優化規劃、 NC 指令的產生、刀具種類 特性和材料庫的建立、切削加工工藝參數的確定、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、數據傳輸 DNC 技術等方面的內 容。CATIA 數控編程有產品

10、三維建模、刀具軌跡設計、刀具軌跡編輯修改、加工仿真、后 置處理、二次開發功能接口和數據文件傳輸交換等幾個重要組成部分。 在 CAM 技術的應用中特別要求 CAD 三維產品模型數據的正確性。在編制多曲面對象 的數控銑削程序時，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、曲面斜率連續變化等。 CATIA 利用了參數化特征造型設計和統一的 數據庫技術，使得產品模型數據、模具的型腔型芯數據、刀具軌跡數據基于統一的模型， 刀具軌跡與產品模型的修改更新自動關聯。 模具數控加工實體仿真能直觀反映加工后零件的結果， 可檢查出加工過程中的過切、 干涉等錯誤，把錯誤消除

11、在加工工藝編程設計階段，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量。 CATIA 系統提供的混合建模方案和高質量的數控編程功能可 保證高模具的設計與數控編程等一次成功。 1. CATIA 數控編程的基本流程 CATIA 用于產品零件的數控加工，其流程一般如圖 6 所示。首先是調用產品零件、加 載毛坯、定義刀具，然后選擇加工策略、定義工序、加工的對象來生成相應的加工程式。 用戶依據加工程式的內容來確立刀具軌跡的生成方式，如加工對象的具體內容、刀具的導 動方式、切削步距、主軸轉速、進給量、切削角度、進退刀點、干涉面及安全平面等詳細 內容，生成刀具軌跡，待所有的刀具軌跡設計合格后，進

12、行后處理生成相應數控系統的加 工代碼，并完成行 DNC 傳輸與數控加工。 CATIA 的數控編程操作簡單，在整個刀具軌跡設計規劃過程中，可任意修改加工對象 和切削參數等內容。值得注意的是，由于其相關性，在進行刀具軌跡流程設計時，對于加 工對象的定義，最好有一個總體的規劃。可對刀具軌跡和加工程式進行拷貝、粘貼、刪除 和隱藏等，還可以對具體的刀具軌跡方案進行編輯和修改，如下刀、轉角速度的調整等。 系統數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、進行圖形化 修改等功能，可進行刀位文件復制、編輯、修改，刀具定義，建立床和切削參數數據庫 等。后處理程序可選用 Intelligent

13、Manufacturing Software Inc 的 IMSPost 和 ICAM Technologies Corporation 的 ICAMPost 等兩種后處理方式，生成數控機床可識別加工的程序 代碼文件。 2. CATIA 刀具軌跡策略與后處理 CATIA 系統提供了鉆孔、攻絲和鏜孔循環等點位加工編程方式，具有多種輪廓加工、 等高環切、行切以及島嶼加工平面銃削等編程功能。其提供的 35 坐標復雜曲面多軸聯動 加工編程功能，具有基于殘留毛坯、曲面輪廓、等高分層、環繞等距、曲面流線、角落清 根、旋轉四軸、五軸底刃側刃、五軸曲線等多種刀具軌跡控制方式。對于相應的等高分 層、曲面粗精加工

14、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 系統在這方面提供了諸如平行銑削、環繞、等高、深孔鉆削功能，主要用于對開口或 封閉的輪廓側面進行精加工。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。 (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、環繞螺旋、放射狀等形式進行曲面加 工， 主要包括曲面掃描粗加工( Sweep Rough ing)、等高分層粗加工(Roughi ng)、 曲面精 加工(Sweep ing)、輪廓驅動(Con tour Driven)曲面粗精銃削、3D 模式空

15、間曲面螺旋銃削 (Spiral Milling )等。同時具備對曲面之間的相交區域或角落部位進行一次或多次筆式清根 加工(Pencil)編程功能。對于空間曲線，可完成 3D 曲線輪廓(Curve Follow in g)、三維輪 廓( Profile Contouring )等加工策略，可進行 3 5 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，因而軌跡可以根據需要來調整。 圖 8 所示的是某薄壁結構產品零件，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 系統的數控銃削加工編程功能對其編制了高速環繞加工與角落清根的 銑削加工程序，并進了加工仿真。 (

16、3) 5 軸銑削 這里包括變軸掃描( Multi Axis Sweeping )、輪廓變軸驅動( Multi Axis Contour Driven)、曲線 5 軸驅動(Multi Axis Curve Maching )、5 軸側刃輪廓銃削(Multi Axis Flank Contouring )等多種加工軌跡策略。系統提供的 5 軸加工的關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。 3. CATIA 模具數控銃削編程實例 利用 CATIA 系統的上述數控

17、銃削加工編程功能，用戶可以很方便地進行模具凸凹模零 件的數控銃削成型的編制工作。圖 11 所示的就是用 CATIA 生成的手機凹模零件的半精銃和 清根加工的刀具軌跡及其仿真加工示意圖。 圖 10 常用五軸加工示意圖 四、結束語 CATIA 作為基于自由曲面造型與參數化特征造型，集產品設計、分析、制造與數據管 理于一體的 CAD/CAM/CAE 軟件平臺的代表，功能十分強大，尤其是其強大的模具制造模 塊將在模具制造中發揮巨大的作用。 CATIA 的著名用戶包括波音、克萊斯勒、寶馬、奔馳 等一大批知名企業，在大型波音 747 飛機、火箭發動機、小型的化妝品的包裝盒等的制造 中都可看到 CATIA

18、的身影。CATIA 在中國也得到了廣泛的應用，如一汽集團、一汽大眾、沈 陽金杯、上海大眾、北京吉普、武漢神龍等在內的許多汽車公司，都選用了 CATIA 作為開 發新車型的核心設計軟件。本文只是掛一漏萬地對其卓越的功能進行了介紹，希望能對想 了解 CATIA的讀者有所幫助。 版權申明 本文部分內容，包括文字、圖片、以及設計等在網上搜集整 理。版權為潘宏亮個人所有 This article in eludes some parts, in cludi ng text, pictures, and desig n. Copyright is Pan Hon glia ngs pers onal ow

19、n ership. 用戶可將本文的內容或服務用于個人學習、研究或欣賞，以及 其他非商業性或非盈利性用途，但同時應遵守著作權法及其他相關 法律的規定，不得侵犯本網站及相關權利人的合法權利。除此以 外，將本文任何內容或服務用于其他用途時，須征得本人及相關權 利人的書面許可，并支付報酬。 Users may use the contents or services of this article for pers onal study, research or appreciati on, and other non-commercial or non-profit purposes, but at the same time, they shall abide by the provisions of copyright law and other releva nt laws, and shall not infringe upon