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DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2107-5640-6610
摘 要：随着计算机技术的发展，CAD/CAM技术受到了越来越广泛的关注，成为制造设计领域的核心技术之一。在现代模具设计中，CAD/CAM同样是不可或缺的软件工具。但由于CAD/CAM软件种类多样、模具类型也各不相同，因此无论是在软件选型还是在模具设计过程中都会面临很多问题。基于此，本文首先介绍了CAD/CAM软件在模具设计中的优势，然后介绍了常用的CAD/CAM软件产品，并根据模具设计要求进行了选型分析，最后以底座熔模模具的设计为例，探讨了基于Pro/E的底座熔模模具设计思路和要点。希望本文的研究可以为相关领域提供借鉴。
关键词：CAD/CAM 底座 熔模 模具设计
中图分类号：TG249 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）06（b）-0066-03
Discussion on the Design of Base Investment Mold Based on CAD/CAM Software
WANG Liping
（Yantai Fuyan mould Co.， Ltd.， Yantai， Shandong Province， 264003 China）
Abstract： With the development of computer technology， CAD/CAM technology has attracted more and more attention and become one of the core technologies in the field of manufacturing design. In modern mold design， CAD/CAM is also an indispensable software tool. However， due to the variety of CAD/CAM software and different mold types， there are many problems in the process of software selection and mold design. Based on this， this paper first introduces the advantages of CAD/CAM software in mold design， then introduces the commonly used CAD/CAM software products， and analyzes the type selection according to the mold design requirements. Finally， taking the design of base investment mold as an example， the design ideas and key points of base investment mold based on Pro / E are discussed. I hope this study can provide reference for related fields.
Key Words： CAD/CAM; Base; Investment mold; Mould design
近年來，在现代计算机技术的推动下，计算机辅助设计及制造（Computer Aided Design and Computer Aided Manufacturing，CAD/CAM）技术受到了越来越广泛的关注，并且逐渐成为制造设计领域的核心技术之一[1-2]。模具设计作为制造领域的重要组成部分，采用CAD/CAM技术不仅可以实现三维绘图、图形编辑、曲面加工、仿真模拟、动态显示等一系列基本的设计功能，而且为设计过程中的数据管理、数据共享、资源调度提供了重要的技术支撑。
1 CAD/CAM在模具设计中的优势
CAD/CAM是机械设计技术和机械制造技术的复合体，通过CAD技术可以很容易设计出满足设计使用需求的产品原型，而采用CAM技术则可以高效、精确地将设计模型制造生产出来[3-4]。CAM与CAD在功能上紧密衔接，通过CAD设计出来的模型可以由CAM软件进行交互式编程，形成加工轨迹参数，可以很好地满足复杂结构的高效加工，进一步压缩制造的周期，提高了制造效率和质量。为了减少模具设计和加工过程中的错误，当前许多CAD/CAM软件均提供了强大的NC仿真模块，可以通过模拟的手段检查刀具的轨迹是否正确、是否过切、是否发生干涉等等，从而大量减少试切加工的次数和劳动强度，提高一次加工成功率。
2 CAD/CAM软件选型分析
当前主流的CAD/CAM软件主要有Pro/ENGINEER、UGⅡ、MasterCAM、Cimatron、CAXA等等，其中CAXA是我国自主研发的产品，其余均为国外产品。不同的CAD/CAM 软件在功能、性能、兼容能力、价格、适用性等方面都有着明显的区别，对于模具设计而言，并不是越贵的软件就越好，也不能说国产的就不如国外的。实际上，虽然国外的专业CAD/CAM 软件功能中大且性能优秀，但价格非常高，比较适合大型企业、高校和专业的设计院所。而国产的CAD/CAM 软件虽然在功能和性能上都比国外大牌软件差一些，但其性价比却是很高的，是绝大多数中小企业的最佳选择。因此在选择设计软件时，必须综合考虑企业自身的规模、所在行业的特点、软件性价比和实用性等因素，选择最适合自身的软件。 对于模具设计制造企业而言，由于模具产品的结构比较复杂，而且其设计和生产流程也很复杂[5]，需要在前期进行反复的优化参数，因此比较适合选择国外的大型CAD/CAM 软件，经过对模具行业特点、软件性价比等因素的综合分析，本文采用美国PTC公司研发的Pro/ENGINEER软件来实现底座熔模模具的设计。
3 底座零件模具概述
底座类零件是机械设备最常见的组成部分，它的主要功能是为机械设备提供固定支撑的基础。在一般的制造工艺中，底座零件要经过精铸、机加工、气压测试等工序后才能得到合格的产品。底座零件的显著特点是整体形状比较复杂，存在斜面或斜角，同时要求具有较高的加工精度，因此其整个工艺流程是比较复杂的[6-7]。
底座熔模模具是常见的模具类型之一，其铸造过程也比较繁琐。首先，要通过三维设计软件设计出毛坯造型，接下来要设计并生产制造相应的模具，再往模具内部填充专用的液体蜡，凝固后打开模具即可得到所需的蜡模具。为了提高模具的物理性能，还需要在模具上涂抹多层耐火材料并烘干，再次进行热处理，待型腔内的蜡完全融化后，往陶瓷模具内浇注金属液，直到金属液凝固后，去除外壳，从而生产出满足设计要求的底座铸件产品[8-9]。
4 基于Pro/E的底座熔模模具设计
在Pro/E软件界面中选择装配模块，然后选中模具设计子模块，采用最经典的分型面法完成底座熔模模具的开模设计。在弹出的界面中正确选择所需的分型面，此时分型面会将体积块切成相对应的两部分，即上模具和下模具。接下来采用传统的装配法即可实现模具的结构设计。当然，在此之前，需要首先知道底座毛坯的三维模型。
4.1 底座毛坯三维模型
待制造的底座毛坯結构如图1所示，不难看出，其特点是存在大量的平面和45°斜面，其中斜面的设计可以充分利用基准面和基准轴，以此为参考创建出所需的基准斜面，接下来以该基准斜面为基础，创建一些必要的辅助基准平面，通过Pro/E软件中提供的拉伸、打孔、倒角、旋转等基本操作方法，得到最终的底座毛坯三维模型。在该模型中，型芯是比较关键的结构，需要综合使用曲面拉伸、曲面旋转、曲面合并、曲面实体化和去除材料等一系列技巧的灵活运用才能完成。
4.2 模具参数的确定
对于正常的精铸件而言，其表面光洁度通常在6.3um以内，该水平已经能够满足大多数非加工表面的需求。考虑到精铸零件在尺寸上往往比重力铸件小一些，因此可以使铸造的尺寸得到一定的扩展。在精铸件中，通常采用蜡作为铸型原料，在成型工艺中，受热胀冷缩效应的影响，零件冷却后的体积往往会有所减小，因此在设计时要对模具尺寸进行恰当的放大，以抵消热胀冷缩效的影响。另外，还要充分考虑蜡模和模料的收缩率指标，使最终的整体收缩率控制在0.5%以内。
4.3 底座模具设计要点
底座模具的结构比较复杂，因此这里采用了传统的分型法来进行设计。在Pro/E软件界面中创建新的模具模块，调用参考模型并采用分型面创建型腔，通过拉伸工具创建一个对称分型面，实现正、反模具的创建。但考虑到实际模具生产中需要一定的成本，因此在设计过程中尽量不用分型面开模。对于次分型面，可以对平面进行填充，对曲面进行复制、合并，并把边界延伸至毛坯上，从而形成封装形状。为了避免在主、次分型面合并过程中出现报错，应使2个分型面实体交上。经过切割后，底座模具的上、下型腔设计就完成了，如图2所示。
4.4 模具总体装配设计
在得到上、下型腔和型芯后，继续通过Pro/E软件完成气动法兰、顶板、支撑板、定位钉等其它结构的设计。调出软件的工程图模块，导出模型的投影视图，选择显示尺寸，生成二维装配图。在该模具中，两部分模具的开模和闭模是通过气缸来推动的，其中上模具由定位销实现与顶板的装配，下模具则通过内六角螺钉完成装配。为避免合模时出现错位，设计了一个四导柱模架。如此一来就完成了整个底座熔模模具的总体装配设计。
4.5 刀路仿真设计
对于底座熔模模具的而言，在造型和装配关系设计完成后，接下来需要考虑的就是生产加工要求。本文通过MasterCAM来完成模具型腔的CAM设计，然后采用CIMCO Edit软件验证刀路的可行性。实现的基本思路是先由Pro/E软件生成模具三维实体模型，然后保存为IGES文件并导入到MasterCAM中，由MasterCAM软件创建模具加工任务，选择适当的加工方式并设置相关参数后运行仿真程序。根据仿真的结果有针对性地对刀路设计进行优化即可。
5 结语
随着现代信息技术的发展，人工智能、大数据等先进技术不断涌现，未来的CAD/CAM软件必将与这些前沿科技逐步融合，形成更加智能化的模具设计制造工具。CAD/CAM软件在整个模具和机械设计和制造行业中都是关键的核心技术，因此模具设计人员必须充分掌握CAD/CAM软件的使用技巧，不断与时俱进，提升理论水平和实践技能，才能设计出既满足设计要求又满足加工要求的优秀模具产品。
参考文献
[1] 熊如意.UG平台下异型曲面注射模CAD/CAE集成中的后处理技术[J].科技创新导报，2019，16（29）：54， 56.
[2] 熊宗团.三维CAD技术在机械设计中的运用分析[J].科技创新导报，2019，16（12）：117，119.
[3] 门超.基于CAD/CAM的熔模铸造模具的设计与加工[J].机械管理开发，2019，34（5）：6-8.
[4] 金鹏. 模具设计中CAD/CAE/CAM综合应用的研究[D].北京：华北电力大学，2013.
[5] 杨朝举，马铭均.CAD联合CAPP及CAM软件技术在模具设计与制造中的应用[J].自动化与仪器仪表，2017（7）：126-127.
[6] 罗海宏.CAD/CAM在模具设计与制造中的应用[J].现代制造技术与装备，2019（7）：77-78.
[7] Baba N Z， Goodacre B J， Goodacre C J， et al.CAD/CAM Complete Denture Systems and Physical properties： A Review of the Literature[J]. Journal of Prosthodontics， 2020.
[8] 赵岩.冲压模具设计中对机械运动的控制和运用[J].科技资讯，2019，17（29）：61，63.
[9] 张文燕.基于Pro/E的压铸模具辅助工具设计与开发[D].大连：大连工业大学，2018.
摘 要：随着计算机技术的发展，CAD/CAM技术受到了越来越广泛的关注，成为制造设计领域的核心技术之一。在现代模具设计中，CAD/CAM同样是不可或缺的软件工具。但由于CAD/CAM软件种类多样、模具类型也各不相同，因此无论是在软件选型还是在模具设计过程中都会面临很多问题。基于此，本文首先介绍了CAD/CAM软件在模具设计中的优势，然后介绍了常用的CAD/CAM软件产品，并根据模具设计要求进行了选型分析，最后以底座熔模模具的设计为例，探讨了基于Pro/E的底座熔模模具设计思路和要点。希望本文的研究可以为相关领域提供借鉴。
关键词：CAD/CAM 底座 熔模 模具设计
中图分类号：TG249 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）06（b）-0066-03
Discussion on the Design of Base Investment Mold Based on CAD/CAM Software
WANG Liping
（Yantai Fuyan mould Co.， Ltd.， Yantai， Shandong Province， 264003 China）
Abstract： With the development of computer technology， CAD/CAM technology has attracted more and more attention and become one of the core technologies in the field of manufacturing design. In modern mold design， CAD/CAM is also an indispensable software tool. However， due to the variety of CAD/CAM software and different mold types， there are many problems in the process of software selection and mold design. Based on this， this paper first introduces the advantages of CAD/CAM software in mold design， then introduces the commonly used CAD/CAM software products， and analyzes the type selection according to the mold design requirements. Finally， taking the design of base investment mold as an example， the design ideas and key points of base investment mold based on Pro / E are discussed. I hope this study can provide reference for related fields.
Key Words： CAD/CAM; Base; Investment mold; Mould design
近年來，在现代计算机技术的推动下，计算机辅助设计及制造（Computer Aided Design and Computer Aided Manufacturing，CAD/CAM）技术受到了越来越广泛的关注，并且逐渐成为制造设计领域的核心技术之一[1-2]。模具设计作为制造领域的重要组成部分，采用CAD/CAM技术不仅可以实现三维绘图、图形编辑、曲面加工、仿真模拟、动态显示等一系列基本的设计功能，而且为设计过程中的数据管理、数据共享、资源调度提供了重要的技术支撑。
1 CAD/CAM在模具设计中的优势
CAD/CAM是机械设计技术和机械制造技术的复合体，通过CAD技术可以很容易设计出满足设计使用需求的产品原型，而采用CAM技术则可以高效、精确地将设计模型制造生产出来[3-4]。CAM与CAD在功能上紧密衔接，通过CAD设计出来的模型可以由CAM软件进行交互式编程，形成加工轨迹参数，可以很好地满足复杂结构的高效加工，进一步压缩制造的周期，提高了制造效率和质量。为了减少模具设计和加工过程中的错误，当前许多CAD/CAM软件均提供了强大的NC仿真模块，可以通过模拟的手段检查刀具的轨迹是否正确、是否过切、是否发生干涉等等，从而大量减少试切加工的次数和劳动强度，提高一次加工成功率。
2 CAD/CAM软件选型分析
当前主流的CAD/CAM软件主要有Pro/ENGINEER、UGⅡ、MasterCAM、Cimatron、CAXA等等，其中CAXA是我国自主研发的产品，其余均为国外产品。不同的CAD/CAM 软件在功能、性能、兼容能力、价格、适用性等方面都有着明显的区别，对于模具设计而言，并不是越贵的软件就越好，也不能说国产的就不如国外的。实际上，虽然国外的专业CAD/CAM 软件功能中大且性能优秀，但价格非常高，比较适合大型企业、高校和专业的设计院所。而国产的CAD/CAM 软件虽然在功能和性能上都比国外大牌软件差一些，但其性价比却是很高的，是绝大多数中小企业的最佳选择。因此在选择设计软件时，必须综合考虑企业自身的规模、所在行业的特点、软件性价比和实用性等因素，选择最适合自身的软件。 对于模具设计制造企业而言，由于模具产品的结构比较复杂，而且其设计和生产流程也很复杂[5]，需要在前期进行反复的优化参数，因此比较适合选择国外的大型CAD/CAM 软件，经过对模具行业特点、软件性价比等因素的综合分析，本文采用美国PTC公司研发的Pro/ENGINEER软件来实现底座熔模模具的设计。
3 底座零件模具概述
底座类零件是机械设备最常见的组成部分，它的主要功能是为机械设备提供固定支撑的基础。在一般的制造工艺中，底座零件要经过精铸、机加工、气压测试等工序后才能得到合格的产品。底座零件的显著特点是整体形状比较复杂，存在斜面或斜角，同时要求具有较高的加工精度，因此其整个工艺流程是比较复杂的[6-7]。
底座熔模模具是常见的模具类型之一，其铸造过程也比较繁琐。首先，要通过三维设计软件设计出毛坯造型，接下来要设计并生产制造相应的模具，再往模具内部填充专用的液体蜡，凝固后打开模具即可得到所需的蜡模具。为了提高模具的物理性能，还需要在模具上涂抹多层耐火材料并烘干，再次进行热处理，待型腔内的蜡完全融化后，往陶瓷模具内浇注金属液，直到金属液凝固后，去除外壳，从而生产出满足设计要求的底座铸件产品[8-9]。
4 基于Pro/E的底座熔模模具设计
在Pro/E软件界面中选择装配模块，然后选中模具设计子模块，采用最经典的分型面法完成底座熔模模具的开模设计。在弹出的界面中正确选择所需的分型面，此时分型面会将体积块切成相对应的两部分，即上模具和下模具。接下来采用传统的装配法即可实现模具的结构设计。当然，在此之前，需要首先知道底座毛坯的三维模型。
4.1 底座毛坯三维模型
待制造的底座毛坯結构如图1所示，不难看出，其特点是存在大量的平面和45°斜面，其中斜面的设计可以充分利用基准面和基准轴，以此为参考创建出所需的基准斜面，接下来以该基准斜面为基础，创建一些必要的辅助基准平面，通过Pro/E软件中提供的拉伸、打孔、倒角、旋转等基本操作方法，得到最终的底座毛坯三维模型。在该模型中，型芯是比较关键的结构，需要综合使用曲面拉伸、曲面旋转、曲面合并、曲面实体化和去除材料等一系列技巧的灵活运用才能完成。
4.2 模具参数的确定
对于正常的精铸件而言，其表面光洁度通常在6.3um以内，该水平已经能够满足大多数非加工表面的需求。考虑到精铸零件在尺寸上往往比重力铸件小一些，因此可以使铸造的尺寸得到一定的扩展。在精铸件中，通常采用蜡作为铸型原料，在成型工艺中，受热胀冷缩效应的影响，零件冷却后的体积往往会有所减小，因此在设计时要对模具尺寸进行恰当的放大，以抵消热胀冷缩效的影响。另外，还要充分考虑蜡模和模料的收缩率指标，使最终的整体收缩率控制在0.5%以内。
4.3 底座模具设计要点
底座模具的结构比较复杂，因此这里采用了传统的分型法来进行设计。在Pro/E软件界面中创建新的模具模块，调用参考模型并采用分型面创建型腔，通过拉伸工具创建一个对称分型面，实现正、反模具的创建。但考虑到实际模具生产中需要一定的成本，因此在设计过程中尽量不用分型面开模。对于次分型面，可以对平面进行填充，对曲面进行复制、合并，并把边界延伸至毛坯上，从而形成封装形状。为了避免在主、次分型面合并过程中出现报错，应使2个分型面实体交上。经过切割后，底座模具的上、下型腔设计就完成了，如图2所示。
4.4 模具总体装配设计
在得到上、下型腔和型芯后，继续通过Pro/E软件完成气动法兰、顶板、支撑板、定位钉等其它结构的设计。调出软件的工程图模块，导出模型的投影视图，选择显示尺寸，生成二维装配图。在该模具中，两部分模具的开模和闭模是通过气缸来推动的，其中上模具由定位销实现与顶板的装配，下模具则通过内六角螺钉完成装配。为避免合模时出现错位，设计了一个四导柱模架。如此一来就完成了整个底座熔模模具的总体装配设计。
4.5 刀路仿真设计
对于底座熔模模具的而言，在造型和装配关系设计完成后，接下来需要考虑的就是生产加工要求。本文通过MasterCAM来完成模具型腔的CAM设计，然后采用CIMCO Edit软件验证刀路的可行性。实现的基本思路是先由Pro/E软件生成模具三维实体模型，然后保存为IGES文件并导入到MasterCAM中，由MasterCAM软件创建模具加工任务，选择适当的加工方式并设置相关参数后运行仿真程序。根据仿真的结果有针对性地对刀路设计进行优化即可。
5 结语
随着现代信息技术的发展，人工智能、大数据等先进技术不断涌现，未来的CAD/CAM软件必将与这些前沿科技逐步融合，形成更加智能化的模具设计制造工具。CAD/CAM软件在整个模具和机械设计和制造行业中都是关键的核心技术，因此模具设计人员必须充分掌握CAD/CAM软件的使用技巧，不断与时俱进，提升理论水平和实践技能，才能设计出既满足设计要求又满足加工要求的优秀模具产品。
参考文献
[1] 熊如意.UG平台下异型曲面注射模CAD/CAE集成中的后处理技术[J].科技创新导报，2019，16（29）：54， 56.
[2] 熊宗团.三维CAD技术在机械设计中的运用分析[J].科技创新导报，2019，16（12）：117，119.
[3] 门超.基于CAD/CAM的熔模铸造模具的设计与加工[J].机械管理开发，2019，34（5）：6-8.
[4] 金鹏. 模具设计中CAD/CAE/CAM综合应用的研究[D].北京：华北电力大学，2013.
[5] 杨朝举，马铭均.CAD联合CAPP及CAM软件技术在模具设计与制造中的应用[J].自动化与仪器仪表，2017（7）：126-127.
[6] 罗海宏.CAD/CAM在模具设计与制造中的应用[J].现代制造技术与装备，2019（7）：77-78.
[7] Baba N Z， Goodacre B J， Goodacre C J， et al.CAD/CAM Complete Denture Systems and Physical properties： A Review of the Literature[J]. Journal of Prosthodontics， 2020.
[8] 赵岩.冲压模具设计中对机械运动的控制和运用[J].科技资讯，2019，17（29）：61，63.
[9] 张文燕.基于Pro/E的压铸模具辅助工具设计与开发[D].大连：大连工业大学，2018.