《模具CADCAM》第十二章模具设计初步

1、模具CAD/CAM,第十二章 模具设计初步,模具是工业生产中的基础工艺装备，也是高新技术产业化的重要领域，其技术发展水平的高低已成为衡量一个国家制造业水平和产品开发能力的重要标志，模具工业已成为国民经济的重要基础工业。当前，由于市场竞争日益激烈及人们对产品需求的多样化，产品生命周期不断缩短，更新换代越来越快，传统的模具设计与制造只有结合先进的CAD/CAM技术才能适应社会的发展。 当前，人们已深刻意识到CAD/CAM技术在模具设计制造中的重要性，因此在模具设计制造中广泛应用CAD/CAM技术，其中Pro/ENGINEER软件便是目前应用最为普遍的CAD/CAM软件之一。Pro/ENGINEER

2、软件模具设计覆盖了钣金模具、注塑模具、铸造模具等，其中Pro/MOLD DESIGN作为Pro/ENGINEER软件的一个专业注塑模具设计模块，提供了一个功能强大、实用的注塑模具设计工具，本章主要介绍该功能模块的应用。,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,一、基本术语,1.设计模型 在进行模具设计之前，必须先确定并完成零件原型的设计和造型，我们称该零件原型为设计模型（Design Model）。可以说，设计模型也就是该副模具所成型的产品。对于一副模具来说，其设计模型可以是一个，也可以多个。任何模具设计都是从设计模型开始的。 2.参考模型 在进行模具设计时，当用户提取一个设计模型并将该

3、设计模型添加到模具模型中时，系统将该设计模型进行复制，生成一个新的模型，并应用该模型进行随后的模具设计，这个模型就称为参考模型或参照模型（Reference Model）。,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,3.工件模型 工件模型又称为坯料（Workpiece），它包含了模具元件的全部体积，其本身也是一个零件模型。用户设计了分型面后，应用分型面对它进行分割，便可以得到模具的型腔、型芯等模具元件。需注意的是，工件模型的体积必须包围所有参考模型、模腔、浇口、流道、滑块、冷却水道等。 工件模型通常有两种创建方式：一是在模具设计（MOLD）环境

4、下直接创建；二是通过装配的方式将零件造型（PART）模块中已创建好的工件模型添加到模具模型中。 4.模具模型 模具模型（Mold Model）是模具设计模块中最高级模型，它包括一个或多个参考模型和一个或多个工件，其后缀名为mfg。,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,5.分型面 在注塑模具中，打开模具取出塑料制品的界面称为分型面（Parting Surface），它是动、定模在合模状态下的接触面或瓣合式模具的瓣合面。分型面用来分割工件模型或已存在的模具体积块，它在Pro/ENGINEER模具设计中有着非常重要的作用，其形状和位置的选择不仅直接关系着模具结构的复杂程度和制造难度，而且直

5、接影响着塑件的质量和生产效率。 分型面的设计整个模具设计进程中最重要、最关键的步骤。 分型面一般由一个或多个曲面组成，在Pro/ENGINEER分型面设计时，应注意以下三点： (1）分型面必须与工件模型或模具体积块完全相交； (2）分型面内部不能有破孔； (3）分型面不能自交。,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,6.收缩率（shrinkage） 塑料在冷却成型时，都会存在收缩，因此，在模具设计时，需要对设计模型进行适当的缩放，使塑料制品在冷却定型后其形状尺寸即为设计模型的形状尺寸。 常用塑料的收缩率见下页表格。 7.拔模斜度 为了便于制品脱模或从模具中取出，在塑料制品设计时一般需要

6、考虑拔模斜度。拔模斜度的大小与塑料材料、制品规格、制品结构等因素有关。,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,二、Pro/ENGINEER模具设计用户界面,Pro/ENGINEER Wildfire模具设计用户界面有模具菜单管理器和模具设计工具栏两部分。 1.模具菜单管理器 模具菜单管理器如下图所示。,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,菜单的各项选项含义说明： （1）模具模型（Mold Model）：对模具模型中的模具组件元件进行添加、删除和其它相关操作。 （2）特征（Feature）：在模具模型中创建、删除和操作组件级或元件级

7、特征，如建立浇注系统、冷却水道等。 （3）收缩率（Shrinkage）：设置设计模型或参考模型的收缩率。 （4）模具元件（Mold Comp）：对模具体积块进行抽取或拭除等操作，如将模具体积块转变成模具实体元件形成PRT文件。,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,（5）模具进料孔（Mold Opening）：模拟模具的开模并检查干涉。 （6）铸模（Molding）：由模具型腔模拟成型一个制件。 （7）模具布局（Mold Layout）：创建或打开一个模具布局。 （8）集成（Integrate）：比较同一个模型的两个不同版本，如果有必要，对差异进行集成。,2. 【模具/铸件制造】工具栏

8、 【模具/铸件制造】工具栏系统缺省在右工具箱中，工具栏如下图所示。 工具栏中各按钮的含义见下页表格。,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,三、Pro/ MoldDesign模具设计的一般流程,应用Pro/MoldDesign进行模具设计时，其设计流程一般为： （1）塑料制品分析，包括其结构特点、材料，查找材料的有关性能参数； （2）确定模具的类型及模具型腔数； （3）新建文件夹：为当前设计任务新建一个文件夹，用以保存模具设计过程中生成的各类文件； （4）启动Pro/ENGINEER软件，并将步

9、骤3所建立的文件夹设置为工作目录，同时，将设计模型文件复制至该文件夹中； （5）新建文件，文件类型为【制造】（Manufacturing），子类型为【模具型腔】（Mold Cavity），输入文件名； （6）调入设计模型文件并完成模型的装配，也可以在模具设计环境中新建设计模型文件；,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,（7）模型的检测，包括对模型进行拔模检测、壁厚检测等； （8）设置设计模型的收缩率； （9）创建工件（毛坯），建立模具模型； （10）创建浇口、流道和水线等模具特征； （11）创建分型面，分型面创建是模具设计中重要关键的步骤

10、； （12）分割工件，得到模具体积块； （13）抽取模具体积块，生成模具零件； （14）开模模拟（定义模具开模的步骤），检测开模时是否存在干涉，必要时，应对模具元件进行修改； （15）完成详细设计，包括推出系统、水线等系统的设计； （16）保存文件。,四、遮蔽和取消遮蔽,在模具设计过程中，为了便于对象的显示、选取、观察，经常需对有关对象进行遮蔽或取消遮蔽操作，可以说遮蔽或取消遮蔽是模具设计过程中一个常见的操作。 进行遮蔽或取消遮蔽的操作有以下三个途径： （1）【遮蔽-取消遮蔽】对话框 （2）模型树 （3）图形窗口 下面对这三个途径的应用进行具体说明。,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概

11、述,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,（1）【遮蔽-取消遮蔽】对话框,该对话框包含【遮蔽】和【取消遮蔽】两个页面，遮蔽和取消遮蔽的操作完全相同。 下面介绍遮蔽操作的具体方法。,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,过程的图示说明见下页图。,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,（2）模型树 在模型树中选取对象，在右键菜单中选取【遮蔽】和【取消遮蔽】命令：若该对象当前已被遮蔽，则右键菜单中显示【取消遮蔽】命令（如下图左图所示）；若该对象当前未被遮蔽，则右键菜单中显示【遮蔽】命令

12、（如下图右图所示）。,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,（3）图形窗口 在图形窗口中选取对象后，在右键菜单中选取【遮蔽】和【取消遮蔽】命令：若该对象当前未被遮蔽，则右键菜单中显示【遮蔽】命令（如下图右图所示）；若该对象当前已被遮蔽，则右键菜单中显示【取消遮蔽】命令。,五、分型面的创建,在应用Pro/ENGINEER软件进行模具设计时，有两类曲面可以完成工件的分割： 一是使用Parting Surface专用模块生成的分型面特征； 二是在参考模型或零件模型上使用【特征】中的【曲面】生成的曲面特征。 使用第一种方法所创建的分型面是一个模具组件级的曲面特征，较为常用，也较易于操作和管理。

13、,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,从分型面的创建原理角度而言，分型面的设计方法大致可以分为两大类： 一是通过曲面创建分型面，如复制参考零件上的曲面或采用拉伸工具、旋转工具、扫描工具、高级曲面工具等创建的分型面； 二是采用光投影技术生成分型面，如阴影曲面（Shadow）和裙边曲面（Skirt）等。 在本章随后节次中将对这两种分型面的创建方法进行详细介绍。,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,下面对通过曲面创建分型面、阴影曲面创建分型面和裙边曲面创建分型面三种创建分型面的方法进行简要说明。 1.通过曲面创建分型面 该方法的原理是：复制参考模型上有关的曲面生成分型面（或分型面

14、的主体）。应用该方法创建分型面通常存在下列两个问题： （1）分型面与工件或模具元件没有完全相交。 （2）破孔。 通过复制参考模型曲面是一种常用、灵活的分型面创建方法，对于结构复杂的参考模型尤其有效。,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,2.阴影曲面创建分型面 阴影曲面的构造原理是当一个与开模方向相反的光源照射在参考模型上时，在参考模型上，系统将复制出受到光源照射到的曲面部分并生成一个阴影曲面，同时，系统将自动填补曲面上的破孔和将阴影曲面的外部边界延伸至要分割工件或模具元件的表面，最终形成一个分型曲面。,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,阴影曲面是一种快捷高效的分型面构造方

15、法。但是，这种方法存在很大的局限性： 首先，当设计模型的轮廓曲线在投影方向上存在交叉或曲面间有部分遮挡时，所生成的阴影曲面往往是错误的； 其次，由于外部轮廓曲线在进行延伸操作时不能修改延伸方向，因此对复杂的外部边界，操作往往失败； 第三，参考模型表面在投影方向必须具有脱模斜度，不能存在与投影方向平行的表面，否则难以保证构造出正确的分型面，因为当一个曲面与投影方向平行时，该曲面的投影就存在上方曲线链和下方曲线链，但是阴影曲面并没有选择曲面的上方曲线链或下方曲线链进行封闭的功能。 对于上述不足，裙边曲面做了一些改进和完善。,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,3.裙边曲面创建分型面 裙边

16、曲面是通过参考模型的侧面影像曲线而构造起来的分型面，该曲面可以填补参考模型曲面上的破孔（但它不包含参考模型的曲面）。 在建立裙边曲面时，首先必须创建侧面影像曲线（Silhouette curve）。 侧面影像曲线是指点在指定视觉方向上参考模型的轮廓曲线，是模具分型时的分模线，它一般包括若干个封闭的内环和外环，内环用于封闭分型面上的破孔，外环用于延伸曲面边界至要分割工件或模具元件的边界。 三种分型面创建方法的比较及图例见下页表格。,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,第二节简单模具的设计,一般将没有滑块、破孔、镶块等结构的模具称为简单模具。

17、 对于简单模具，分型面的创建是最重要的内容，而创建分型面主要有两种方法：系统自动创建和人工手动创建。 本节中将以下图所示零件为设计模型，介绍Pro/ENGINEER软件进行模具设计的一般流程及创建分型面的两种方法。,第一节 Pro/ENGINEER模具设计概述,一、简单模具设计实例一手动创建工件、系统自动创建分型面,1.塑料制品分析 材料为PP，收缩率为0.55%。 2.新建文件夹并设置为工作目录 步骤1：为当前模具设计任务建立一个新的文件夹，文件夹名称为cup-1_mold，将设计模型文件cup-1.prt文件复制至该文件夹中； 步骤2：将cup-1_mold文件夹设置为工作目录。,第二节

18、简单模具的设计,3.启动Pro/ENGINEER软件，新建模具设计文件 步骤1：启动Pro/ENGINEER软件； 步骤2：在上工具箱文件工具栏中单击按钮、在主菜单依次单击文件新建或按快捷键Ctrl+N，在【新建】对话框中【类型】为【制造】，【子类型】为【模具型腔】，不使用缺省模板，文件名为cup-1_mold，【新文件选项】对话框中选择mmns_mfg_mold.mfg模板； （3）系统自动创建三个缺省基准面MOLD_RIGHT、 MOLD_FRONT、MAIN_PARTING_PLN和缺省坐标系MOLD_DEF_CSYS，如下图所示。,第二节 简单模具的设计,4.调入并装配设计模型 步骤1

19、：进入打开设计模型文件状态：在菜单管理器中依次单击【模具模型】【装配】【参照模型】； 步骤2：打开设计模型文件； 步骤3：装配设计模型； 步骤4：完成设计模型装配； 步骤5：创建参照模型； 步骤6：在【模具模型】菜单中单击【完成/返回】，返回到【模具】菜单管理器。 详细操作方法见随后几页图。,第二节 简单模具的设计,第二节 简单模具的设计,第二节 简单模具的设计,第二节 简单模具的设计,第二节 简单模具的设计,5.设置设计模型的收缩率 详细操作方法见下页图。,第二节 简单模具的设计,第二节 简单模具的设计,6.创建工件，建立模具模型 步骤1：在【模具】菜单管理器中依次单击【模具模型】【创建】【

20、工件】【手动】； 步骤2：输入工件名称为cup-1_mold_wp； 步骤3：应用【创建特征】方式创建工件； 步骤4：选用拉伸方式创建工件，弹出拉伸工具操控板； 步骤5：选取草绘平面和参考平面，选取截面标注参照； 步骤6：绘制截面； 步骤7：设置特征深度，完成工件的创建。 详细操作方法见教材。,第二节 简单模具的设计,7.创建分型面 （1）方法一应用阴影曲面创建分型面,第二节 简单模具的设计,第二节 简单模具的设计,7.创建分型面 （2）方法二应用裙边曲面创建分型面 步骤1：创建侧面影像曲线； 步骤2：创建裙边曲面。 具体操作过程详见教材。,第二节 简单模具的设计,第二节 简单模具的设计,8.

21、分割工件，得到模具体积块 具体操作过程详见教材，图示过程如下图所示，创建后模型树如下页图所示。,第二节 简单模具的设计,第二节 简单模具的设计,9.抽取模具体积块，生成模具零件 具体操作过程详见教材，图示过程如下图所示。,第二节 简单模具的设计,10.生成铸模零件 具体操作过程详见教材，图示过程如下图所示。,第二节 简单模具的设计,11.开模模拟 开模模拟是指模拟模具在正常工作时模具元件的工作顺序，其操作方法为：选取要移动的模具元件指定移动方向输入移动位移。 在进行开模模拟时，一般需首先将分型面、体积块、工件等无关的对象进行遮蔽。 具体操作过程详见教材，图示过程如下页图所示。 12.保存文件,

22、第二节 简单模具的设计,第二节 简单模具的设计,第二节 简单模具的设计,13.拭除当前文件,第二节 简单模具的设计,二、简单模具设计实例二自动创建工件、手动创建分型面,该模具设计实例其设计模型与设计实例一的设计模型相同，在本实例中，主要介绍自动创建工件和人工手动创建分型面的方法。 这里只介绍自动创建工件（步骤5）和通过曲面创建分型面（步骤6）的方法，其它步骤与实例1的相似。,第二节 简单模具的设计,5.创建工件,第二节 简单模具的设计,图示过程如下页图所示。,第二节 简单模具的设计,【偏移】：以参照模型在X、Y、Z方向最大投影轮廓为测量参照进行偏移（即最大投影轮廓至工件的距离），【统一偏距】是

23、指在X、Y、Z坐标轴的正、负方向均为同一个偏距值，也可以在X、Y、Z坐标轴的正、负方向设定不同的偏距值。 【整体尺寸】：设置工件在X、Y、+Z、-Z四个方向上的尺寸值。 【平移工件】：拖动X方向或Y方向的旋转轮盘，可以使工件沿X方向或Y方向移动，通过调整，使工件与参照模型二者有着适当的位置关系。,第二节 简单模具的设计,第二节 简单模具的设计,6.创建分型面 使用手动方式创建分型面主要是通过复制参考模型的有关曲面和创建、编辑曲面的方式实现的。 在该例中，为完成分型面的创建，大致过程如下（如下图所示）： （1）创建两个面组：通过复制参考模型内表面而得到的面组F8，通过创建拉伸曲面而得到的面组F7

24、； （2）对两个面组进行合并操作，正确选取要保留的曲面侧； （3）完成分型面的创建。 因此，在本实例中，关键是创建两个面组和面组的合并操作。,第二节 简单模具的设计,（1）复制参考模型的内表面 步骤1：在【模具】菜单管理器中依次单击【特征】【型腔组件】【曲面】【复制】/【完成】，弹出【曲面复制】操控板； 步骤2：用种子面和边界面的方式选取参考模型所有的内表面，具体方法是：选取参考模型任意一个内表面为种子面，按住Shift键，选取图示曲面为边界面，放开Shift键，完成曲面的选取； 步骤3：完成复制曲面的操作，在菜单中单击【完成/返回】，如图15-23所示。 注意：在复制参考模型的内表面之前，应遮蔽有关的对象，以便于曲面的选取。 图示过程如下页图所示。,第二节 简单模具的设计,第二节 简单模具的设计,（2）创建拉伸曲面 具体操作过程详见教材，图示过程如下图及下页图所示。,第二节 简单模具的设计,第二节 简单模具的设计,（3）合并面组 具体操作过程详见教材，图示过程如下图所示。,第二节 简单模具的设计,完成分型面的创建后，模型树如下图所示。,三、模具设计结束后所生成的文件,模具设计结束后，文件夹中的文件通常有PRT文件（包括设计模型文件、参照模型文件、工件文件、铸模文件、模具元件文件等）、ASM文件（模