CAD-CAE-CAM软件在空调器面板模具设计及制造中的应用

　　摘要：本文以挂机面板注射模具设计及制造为例，结合自己多年的注射模具开发经验，精辟地介绍了Pro/ENGINEER软件中的零件模块、模具模块、装配模块、Plastic Advisor塑料模设计顾问、高级加工模块在注射模具设计及制造过程中的使用方法和程序，希望对模具设计人员有一定的帮助和借鉴作用。

　　随着我国空调器制造行业的迅速发展和产品市场竞争力的不断提升，空调器产品的外形也变得越来越复杂，为缩短产品的开发周期，降低产品开发成本，丰富产品的品种，除了要拥有自身的核心技术外，还必须利用国内外先进的CAD/CAE/CAM集成技术软件。Pro/ENGINEER正是这样一种全方位的3D产品开发设计软件,集成零件设计、产品装配、模具开发、数控加工、钣金件设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构仿真、应力分析、产品数据库管理等功能于一体。通过利用Pro/ENGINEER软件进行产品三维造型、CAE流动分析、模具设计与NC加工编程等一体化设计，从而缩短了产品的开发周期，提高了模具质量，降低了模具在开发与制造过程中的成本，为企业创造了良好的经济效益。

　　面板是挂机的主要部件,是由复杂曲面组成,面板的设计好坏将直接影响到空调器的外观和产品质量。采用Pro/ENGINEER Wildfire2.0软件建立面板的三维数据模型,以此为基础进行CAE流动分析、注塑模设计及数控编程,然后将后置处理的程序传送至数控机床上完成面板模具的实际加工。

　　1  产品设计

　　(1) 建立基准面和基准坐标系;

　　(2) 建立面板外形特征(使用Protrusion、Cut 、COPIED_GROUP 、Round 、Curve、Surface、Surface Merge、Surface Extension、Transformed Surface、Offset等命令);

　　(3) 建立薄壁(壁厚为2.5mm)实体特征(Shell);

　　(4) 建立中间进风栅特征(使用Protrusion、Curve、Surface、Surface Merge、Surface Extension、Transformed Surface、Cut、Offset、Round、Sweep、Datum Point、Draft等命令);

　　(5) 建立勾卡特征(使用Protrusion、Cut、COPIED_GROUP、Round、Curve等命令);

　　(6) 建立面板背部的加强筋特征(Protrusion、Round);

　　(7) 加未注脱模斜度1°特征(Draft);

　　(8) 倒未注圆角R0.5(Round);

　　(9) 进行拔模斜度和厚度检测;

　　(10) 对产品进行渲染。最后完成的面板三维实体如图1所示。

图1挂机面板三维模型

　　2 应用Plastic Advisor塑料模设计顾问进行流动分析

　　2.1 浇注系统设计

　　浇注系统的作用是将熔融状态的塑料填充到型腔内,并在填充的过程中将注射压力传递到塑件各部位,从而得到所需的塑件。浇注系统一般由浇口、流道、进料口、冷料井四部分组成。本模具设计采用10个侧浇口进料，浇口随五个大斜顶顶出时自动脱落,节约生产时间,提高生产效率。其具体形状如图2所示，在Pro/ENGINEER塑料顾问选件中建立浇注系统，并进行相关流动分析。

图2挂机面板浇注系统

　　2.2 主要工艺概要

　　其主要工艺概要为：(1)Material Supplier: LG Chemical(2)Material Grade: ABS AF303

　　(3)Injection Time:1.69 sec(4)Max Injection Pressure:100.00 Mpa(5)Mold Temperature:60.00 deg.C

　　(6)Melt Temperature:230.00deg.C(7)Injection Pressure:74.88Mpa(8)Filling Clamp Force:541.39tonne

　　(9)Clamp Force Area:1534.88 sq.cm(10)Weld Lines:Yes(11)Air Traps:Yes

　　2.3 流动分析

　　流动分析可得到填充时间、注射压力、熔体前沿的温度、气穴及熔接痕位置等，并直观地显示在计算机屏幕上，从而帮助工艺人员找到产生缺陷的原因。图(3)、(4)、(5)、(6)、(7)是流动分析得到的部分结果。由图可见，填充时间为1.69sec，注射压力为74.88 Mpa，填充较为均匀，但存在熔接痕和气穴等工艺缺陷，不过在实践中可通过模温调节系统和排气系统等消除，在这里就不再赘述。

图3 Fill Time

图4 Injection Pressure

图5 Flow Front Temp

图6 Weld Lines

图7 Air Traps

　　3 模具结构设计

　　3.1 建立分模文件、装配参考零件(Ref Model)、创建工件(Workpiece)

　　Create a new object→在Component Creat对话框中，Type栏选Manufacturing, sub-type栏选Mold Cavity，输入文件名kfr32gt-mb-mold，点OK按钮确定。Mold Model→Assemble→Ref Model→open kfr32gt-mb.prt→在Component Placement对话框中点缺省按钮(Assemble component at default location)→再点OK按钮即可。Mold Model→Create→Workpiece→Manual→输入工件名称→Create features→OK→protrusion，根据面板的实际尺寸创建出一个合理的工件即可。

　　3.2 设置收缩率(0.5%)

　　Shrinkage→By Dimension→Set/Reset→All Dims→ Enter shrink ratio 'S' (Formula: 1 + S ) for all dimensions： 0.005→Done Scale。#p#分页标题#e#

图8 分模

　　3.3 建立分型面(Parting Surface)

　　Parting Surface→Creat→输入分型面名称(如surf_1)→Add→根据零件几何形状建立出如图8所示的分型面。

　　3.4 分模

　　Mold Volum→Split→选取分型面(Parting Surface)→分割出动、定模芯。接着使用Mold Volum---Create，输入要建立的镶件的名称，如xd001，建立如图9所示的5个大斜顶和6个小斜顶。然后抽取出动、定模芯(Mold Comp→Extract)、生成浇注件(Molding)和开模(Mold Opening)，如图8所示。最后进行拔摸检测，看是否存在倒扣现象，若有就必须进行相应修改，直到消除所有倒扣为止。

图9 大小斜顶

　　3.5 装配自制模架

　　装配本企业使用Pro/ASSEMBLY装配模块创建的三维注塑模架，该模架为三板式细水口系列模架，模架最大外形尺寸为1300×750×700(单位：mm)，拟选用HTF760X注塑机。

　　3.6 零部件结构优化设计

　　在Pro/ASSEMBLY装配模块中创建各相关零部件的三维模型，并不断进行结构优化设计，以保证各零部件不仅加工简单方便，而且模具动作也灵活自如。使用菜单栏中的Analysis进行全局干涉检查(Mold Analysis→Global interference→Compute)，对有干涉的地方进行修改与优化，直到没有任何干涉为止。最后使用Mold Analysis中的Assembly Mass Properties进行重量计算，结果为3.45t。

　　最终生成的三维模具装配图如图10所示。

图10 三维模具装配图

　　4 NC加工

　　Pro/ENGINEER软件高级加工模块具有完善的加工功能，除支持多轴铣削机床(3到5轴)和带活动刀具(铣/车)的多轴车床外，兼具生产加工选件和机械加工专家的功能。通过在NC机器上仿真材料被切削的过程，成套NC加工选件可以让用户减少甚至消除使用实际零件进行编程验证的工作。它直接处理Pro/ENGINEER实体零件模型，并支持所有的加工操作(从3轴到5轴的铣削、车削和线切割，到多轴铣/车)。NC编程人员和机械专家使用这一选项，通过预先查出编程人员的所有可能错误，来验证离散零件的加工程序。这样就减少了用实际零件进行验证的工作，从而省掉零件报废、加工工具损耗以及工具、夹具和压板损坏所需要的费用。该面板模具NC加工的零部件较多，由于篇幅有限，下面就其定模芯进行NC加工自动编程。

　　4.1 定模芯加工策略

图11面板注射模定模芯图

　　如图11所示为面板注射模定模芯，其毛坯尺寸为900×320×105mm，中间小槽最大宽度为3.3mm,最大槽深为5.3mm，整体加工高度为65mm。整个模型采用proeWildfire2.0加工模块进行数控加工，基准角在右下角，其加工策略为：先粗加工整体外形→半精加工成型曲面及四周相连曲面→精加工成型曲面及四周相连曲面→粗加工中间小槽→精加工中间小槽的方式。

　　4.2 整体粗加工(Vlome Milling)

　　使用D63(R8)玉米铣刀，采用螺旋加工方式(TYPE_SPIRAL)，切深(STEP_DEPTH)为0.75 mm,步距(SIDE_STEP)为30 mm，轮廓余量(PROF_STOCK_ALLOW )为0.5 mm，粗加工余量(ROUGH_STOCK_ALLOW)0.5 mm，底部余量(BTTOM_STOCK_ALLOW)为0.5 mm，加工方式(ROUGH_OPTION)为ROUGH_ONLY，安全高度(CLEAR_DIST)为5mm，主轴转速(SPINDLE_SPEED)为1000rpm,进给速度(CUT_FEED)为1200mm/min。使用屏幕演示(Screen Play)功能，加工刀具轨迹如图12所示。同时，对加工进行仿真模拟检查(NC Check)和过切检查(Gouge Check)。整个定模芯的外形被铣出，符合工艺的要求。按完成序列(Done Swq)退出，接着进行后置处理，自动产生程序，送至CNC加工中心进行数控加工。

图12 粗加工整体外形

　　4.3 半精加工(Surface Milling)

　　半精加工选用D24(R6)涂层镶片铣刀，采用曲面铣削(Surface Milling)的加工方式，步距(SIDE_STEP)为0.8 mm，轮廓余量(PROF_STOCK_ALLOW )为0.35 mm，切削角度(CUT_ANGLE)为45°，加工类型(SCAN_TYPE)为TYPE_3，安全高度(CLEAR_DIST)为5 mm，主轴转速(SPINDLE_SPEED)为2200rpm,进给速度(CUT_FEED)为850 mm/min。使用屏幕演示(Screen Play)功能，加工刀具轨迹如图13所示。同时，对加工进行仿真模拟检查(NC Check)和过切检查(Gouge Check)。铣刀没有进入中间槽的内部，槽外部被定义的加工成型曲面及四周相连曲面的粗加工余量被减少了，符合工艺的要求。按完成序列(Done Swq) 退出，接着进行后置处理，自动产生程序，送至CNC加工中心进行数控加工。

图13 半精加工分型曲面

　　4.4 精加工(Surface Milling)

　　使用D16(R8)球头铣刀，采用曲面铣削(Surface Milling)的加工方式，步距(SIDE_STEP)为0.2 mm，轮廓余量(PROF_STOCK_ALLOW )为0 mm，切削角度(CUT_ANGLE)为135°，加工类型(SCAN_TYPE)为TYPE_3，安全高度(CLEAR_DIST)为5 mm，主轴转速(SPINDLE_SPEED)为2500rpm,进给速度(CUT_FEED)为800 mm/min。使用屏幕演示(Screen Play)功能，加工刀具轨迹如图14所示。同时，对加工进行仿真模拟检查(NC Check)和过切检查(Gouge Check)。铣刀没有进入中间槽的内部，槽外部被定义的加工成型曲面及四周相连曲面的粗加工余量都被去除了，符合工艺的要求。按完成序列(Done Swq)退出，接着进行后置处理，自动产生程序，送至CNC加工中心进行数控加工。#p#分页标题#e#

图14 精加工分型面

　　4.5 粗加工中间小槽(Vlome Milling)

　　使用D2.5(R0)合金铣刀，采用螺旋加工方式(TYPE_SPIRAL)，切深(STEP_DEPTH)为0.28 mm,步距(SIDE_STEP)为1.2 mm，轮廓余量(PROF_STOCK_ALLOW)为0.25 mm，粗加工余量(ROUGH_STOCK_ALLOW)为0.25 mm，底部余量(BTTOM_STOCK_ALLOW)为0.25 mm，加工方式(ROUGH_OPTION)为ROUGH_ONLY，安全高度(CLEAR_DIST)为5 mm，主轴转速(SPINDLE_SPEED)为3500rpm,进给速度(CUT_FEED)为450 mm/min。使用屏幕演示(Screen Play)功能，加工刀具轨迹如图15所示。同时，对加工进行仿真模拟检查(NC Check)和过切检查(Gouge Check)。铣刀进入中间槽的内部，槽的外形被铣出，符合工艺的要求。按完成序列(Done Swq) 退出，接着进行后置处理，自动产生程序，送至CNC电脑雕刻机或高速CNC加工中心进行数控加工。

图15 粗加工中间小槽

　　4.6 精加工二(Surface Milling)

　　精加工选用D1(R0.5)球头铣刀，采用曲面铣削(Surface Milling)的加工方式，步距(SIDE_STEP)为0.2 mm，轮廓余量(PROF_STOCK_ALLOW )为0 mm，切削角度(CUT_ANGLE)为0°，加工类型(SCAN_TYPE)为TYPE_3，安全高度(CLEAR_DIST)为5 mm，主轴转速(SPINDLE_SPEED)为3500rpm,进给速度(CUT_FEED)为400 mm/min。使用屏幕演示(Screen Play)功能，加工刀具轨迹如图16所示。同时，对加工进行仿真模拟检查(NC Check)和过切检查(Gouge　 Check)。铣刀进入中间槽的内部，槽内部被定义的加工成型曲面的粗加工余量都被去除了，符合工艺的要求。按完成序列(Done Swq) 退出，接着进行后置处理，自动产生程序，送至CNC电脑雕刻机或高速CNC加工中心进行数控加工。

图16 精加工中间小槽

　　5 小结

　　通过运用集成CAD/CAE/CAM等功能于一体的Pro/ENGINEER软件进行模具设计与开发工作，不仅加快了新产品的开发和改型步伐，而且还缩短了模具的设计及制造周期,提高了模具的质量和使用寿命，提升了新产品的潜在价值和市场竞争力，为家电制造企业带来了良好的经济效益。

　　参考文献

　　[1] 林清安. Pro/ENGINEER 2000i²零件设计实务.北京：北京大学出版社，2001.

　　[2] 北京市塑料工业公司编.塑料成型工艺. 北京：中国轻工业出版社，1996.

　　[3] 塑料模具设计手册编写组.塑料模具设计手册[M].北京：机械工业出版社，2002.