第1章Cimatron与模具设计制造

1.1 模具设计与制造基础

现代工业产品的零件，广泛采用注塑成型、冷冲压、成型锻造、压铸成型等成型加工工艺来生产，而作为与冲压、铸造、锻造等金属成型机械及塑料、橡胶等非金属成型机械相配套的成型工具的各类模具，在其中起着非常重要的作用。采用模具进行加工，可实现无切屑加工，不仅可大大提高材料的利用率，而且能节约资源，也有利于提高产品的精度及批量化生成的能力。随着工业现代化及科学技术的发展，模具的应用越来越广泛，适应性也越来越强。特别在机械、汽车、电子、通信、家电等行业，模具已成为一种重要的基础工艺装备，其质量、精度及寿命对其发展产生了很大的影响。总之，模具工业已成为衡量一个国家工业制造工艺水平的标志及的基础工业体系。

1.1.1 模具的种类

由于涉及各种成型加工工艺，模具可分为许多种类。根据应用对象的不同，模具按其使用之方法与对象分为冲压模、塑料模、压铸模、锻造模、铸造模、玻璃模、粉末冶金模、橡胶模等。虽然模具随应用对象的不同在其设计方法、工艺要求等方面存在一定的差异，但同时也存在一些共同的特点，如被加工材料的类型及成型的状态等。综合各种模具的共同特点，总体上可将模具分为三大类：

金属板材成型模具，如冷冲模等。

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金属体积成型模具，如锻模、压铸模等。

非金属制品用成型模具，如塑料注射模、压缩模等。

其中，如果不考虑成型的材料是金属还是非金属，可将体积成型模具统称为型腔模。上述模具的分类并不是惟一的，不同的分类标准，会产生不同的分类形式。如在欧美发达国家，通常将模具分为DIE与MOLD两大类，其中DIE是指加工材料是固态（板材、棒材、线材或粉末态）时直接被冲压或锻压成型的模具，如冲压模、锻造模等。而MOLD是指材料在熔融或半熔融状态下经充填、凝固而成型的模具，如塑胶模、压铸模、铸造模、玻璃模等。

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1.1.2 模具设计与制造的特点

由于不同类型的模具涉及各种不同的专业应用领域，因此模具设计的专业性较强，需要根据一定的设计方法来进行设计，如设计塑料模具时必须要考虑塑料的粘度、流动性、收缩率及成型温度等材料性能，同时也要考虑注塑机的性能指标及工艺参数等。从设计方法看，传统的模具设计主要采用二维设计，即首先将三维的制品零件通过投影生成若干个二维视图来表示，然后在此基础上再进行模具结构设计，画出模具的装配图及各个零件图。目前，随着三维CAD技术的不断发展与普及，模具的设计手段正逐步从传统的二维设计向三维设计转变。

由于模具制品的形状及结构一般较为复杂，在绘制及理解工程图时均会遇到较大的困难。同时，模具结构设计中涉及很多零件，需要考虑并避免这些零件及结构在空间的干涉问题，采用二维设计同样存在一定困难。三维CAD技术的出现，使整个制品零件的设计及模具结构设计可以直接在非常直观的三维环境下进行，制品及模具零件的三维模型设计完成后，可直接根据投影关系自动生成工程图，彻底解决了传统二维设计的弊端。模具属于标准化程度较高的产品，模具设计中使用的模架及各种标准零件可以直接从CAD系统中建立的标准目录库中直接调用，大大提高了设计的质量与效率。同时，三维CAD系统中设计生成的模具零件三维模型可直接用于模具的分析模拟及数控加工编程等后续应用，适应了现代化生产和CAD/CAM集成技术的要求。因此，三维CAD一经出现，就率先在模具设计领域得到很好的应用，而为了更好地解决模具设计中存在的各种问题，又进一步推动了CAD技术的不断发展。

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由于模具对制造精度及制造周期的要求很高，因此模具制造同时也是各种先进制造技术应用最为集中的领域之一。首先，模具零件的形状位置精度要求很高，特别是各种型腔模中的型腔面多由复杂的曲线曲面构成，因此其加工过程大量应用了精密的数控及特种加工技术，这从众多的数控机床、线切割机床、电火花机床广泛地应用于模具加工中可以看出，同时也由此推动了以数控加工编程为主要内容的CAM技术的发展。其次，为了尽量缩短模具制造周期，各种先进的快速原型、反求工程、高速加工及网络协同制造等技术也随着在模具制造业中的率先应用而获得发展和完善。除此之外，为了提高模具的使用寿命，各种新材料、新工艺及先进的热处理、表面处理技术也在模具制造业中率先获得应用。

1.1.3 注塑模CAD/CAM应用的特点

作为CAD/CAM技术在模具设计与制造过程中的一种典型应用，对注塑模CAD/CAM的研究在国内外均起步较早，开发的各种注塑模CAD/CAM商品化软件也是各类模具CAD/CAM中实际使用最广泛、技术最成熟的一类软件。以下就以注塑模CAD/CAM为例来介绍模具CAD/CAM的应用与特点。

注塑模CAD/CAM就是应用计算机来辅助完成注塑模的设计与制造，其应用的重点 是注塑制品的几何造型、零件分模、模架及结构件设计、电极及模具零件的NC加工编 程等。

目前，代表国际先进水平的注塑模CAD/CAM工程应用的特点具体表现在如下几个

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方面：

1．基于特征的三维造型技术的广泛应用

塑料制品应根据使用要求及美学要求来进行设计，同时要考虑塑料性能、成型工艺、模具结构、成型设备、生产批量及生产成本等各方面的要求。由于诸多因素的影响，一个合理的塑料产品设计方案来之不易，即使有丰富经验的设计师也很难取得十分满意的设计结果。

基于特征的三维造型软件的应用，为设计师提供了强大的设计编辑平台，使用参数化特征造型技术，能很方便地生成制品的三维参数化模型，调整参数值即可实现设计模型快速修改，强大的曲面功能可构造外形非常复杂的设计模型。所有的设计过正做到所 想即所得，逼真的显示效果使设计者可以非常自由地表现自己的设计意图。而且制品的质量、体积等各种物理参数能自动进行计算，为后续的模具设计与分析计算打下良好的基础。

2．基于微机平台的CAD/CAM在模具行业得到广泛应用

20世纪90年代前，能支持模具设计与制造的各CAD/CAM软件主要采用UNIX操作系统，并运行在各类图形工作站上。至20世纪90年代中后期，基于Windows操作系统的新一代微机CAD/CAM软件开始崛起，如SolidWorks、SolidEdge、CAXA等不仅继承了工作站级CAD/CAM软件中采用的NURBS曲面造型、参数化特征造型等先进技术，而且在Windows风格、特征树、动态导航及面向对象等方面具有传统工作站级软件所不

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具备的优势，推动了三维CAD/CAM技术在模具行业中的普及应用。同时，各工作站版软件均相继移植了微机版，甚至推出了完全Windows风格界面的软件。如以色列Cimatron公司从20世纪90年始，就将UNIX系统下的Cimatron软件移植到了微机上，并从2001年开始逐步从非Windows风格界面的Cimatron it过渡到完全基于Windows平台开发的Cimatron E软件。

3．基于网络的模具CAD/CAM集成系统的应用

要使用计算机辅助完成模具的整个设计与制造，必然要用到各种CAD/CAM专业软件。为了能使设计与制造数据能在这些软件间进行畅通的数据交换，必须要实现在这些软件的集成。传统意义上的CAD/CAM集成是指一个软件本身的各种设计与制造功能的集成，如高端CAD/CAM集成软件PRO/E、UGII中，就集成了零件设计、反求工程、装配设计、模具设计、工程图及NC加工编程等诸多功能。但随着全球经济一体化的不断推进及模具设计与制造领域中专业化分工与协同工作的需要，更需要基于网络的模具CAD/CAM集成软件来支持。如英国DELCAM公司推出的Delcam’s Power Solution软件，功能覆盖了几何造型、反求工程、快速原型、注塑模设计、数控加工编程及测量分析等领域，每个功能模块既可运行，又可基于网络通过数据接口进行集成应用，非常适合模具行业的需要。

4．专业的模具CAD/CAM功能及智能化程度的提高

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传统的CAD/CAM软件使用比较复杂，各种选项的选择及参数的设置必须由用户作出正确的判断，否则软件无法为用户提供符合实际情况的正确结果。如在CAM编程时，许多软件无法自动根据模型的几何特点采用合理的加工策略，必须由用户作出准确判断后，再通过划分加工区域并用不同的走刀方式来进行。同时，CAD/CAM软件仅有各种通用的造型及设计等功能，无法提供针对某种专业设计过程中所需要的功能。如模具设计中非常关键的零件分模面的构造，在很多软件中需要通过使用通用功能一步步地构造来实现。基于知识、面向制造的智能化模具CAD/CAM软件的出现，将大大提高模具设计的效率与质量。如Cimatron it中的模具专家功能，能根据脱模方向自动生成分模线，优化生成分模面后，再自动分割出凸、凹模。整个模具分模过程只要简单的几个步骤，作一些简单的判断就可自动完成，大大提高了模具设计效率。再如Cimatron it中的WCUT工序，可通过简单的参数设置即可完成从支持层间切削的高效粗加工、基于留残的半精加工到基于斜率分析的自动分区域精加工的整个典型模具加工过程，智能化程度很高，大大降低了传统CAM软件中对加工工艺定义的复杂程度。

在西方工业发达国家，注塑模CAD/CAM的应用已非常普遍，可完全实现从塑料制品设计、模具设计至模具NC加工的无纸化模具设计与加工，公司之间模具订货所需的塑料制品资料已广泛使用电子图档。能否应用CAD/CAM技术已成为模具企业生存的必要条件。在我国CAD/CAM技术的应用相对比较滞后，但近几年发展非常迅猛。大部分模具制造企业已实现“抛图板”，许多模具制造企业已应用或正开始应用三维注塑模CAD/CAM软件来完成模具的设计与制造。从发展趋势看，应用三维模具CAD/CAM是提高模具设计制造质量、缩短周期的必然选择。

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1.2 Cimatron it 软件的特点

Cimatron it是以色列Cimatron软件有限公司的旗舰产品，在全球制造业中得到了广泛的应用。作为世界上著名的CAD/CAM软件供应商，Cimatron一直致力于为制造行业提供先进的CAD/CAM系统，特别是为工模具行业提供完整的CAD/CAM解决方案。

Cimatronit是一个集成的CAD/CAM产品，在统一的系统环境下，使用统一的数据库，用户可以完成产品的装配设计、零件设计及生成设计图纸；可以根据零件的三维模型进行手工或自动的模具分模，并进行模具的结构设计；分模后形成的凸、凹模及以此为基础设计的电极等模具零件可直接进行NC加工编程，输出NC加工代码，并可进行加工过程的模拟仿真及加工校验。

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1.2.1 完整的CAD/CAE/CAM/PDM体系结构

Cimatron it 具有完整的CAD/CAM功能，CAD部分包括线框造型、曲面造型和参数化实体造型功能，支持全关联的工程图的自动生成，并具有模具分模、制作电极和模架库等专门支持模具设计的功能。CAM部分支持全面的NC编程功能，可完成数控铣床、加工中心、数控车床、线切割机、数控冲床的辅助编程。同时Cimatron it 还具备支持有限元分析的前后处理系统，结合ANSYS等CAE分析软件可直接对CAD环境下设计的零件进行有限元分析。结合SmarTeam 软件可直接在统一的环境下进行产品数据管理。Cimatron it采用了基于模块化、应用层次的结构，整个软件分为Modeling、NC、Drafting、FEM四个主要模块，采用统一的数据库。其中Modeling是其基础模块，主要是用来定义零件的几何模型。该模块下建立的模型数据可以被其他的模块作为一个中心数据库来引用。在此模块下对几何模型所做的任何改变，都将影响到其他模块中的模型数据，但在其他模块中所做的任何改变则不会影响到Modeling模块中的模型数据。这样的设计非常适合模具行业在模具设计制造过程中对模型数据的要求。

1.2.2 灵活丰富的线框、曲面造型

灵活丰富的线框、曲面造型是Cimatron it 软件的一大特色，源于设计开发喷气式战斗机等尖端产品的设计造型技术，在WIRE-FRM环境中得到了很好的体现。通过由点到线，再由线到面的造型方式，可处理非常复杂的自由曲面造型问题。

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1.2.3 简单易用的参数化实体造型

参数化实体造型功能是当今CAD技术的主流，Cimatron it 在SOLID环境中采用了这种技术，可以很好地支持零件参数化实体造型，虽然与Pro/Engineer等高端CAD软件在功能及技术上尚有一定差距，但简洁的界面下实现了上述软件90%以上的常用功能。结合WIRE-FRM模块下生成的草图，及WIRE-FRM模块下模型的实体转化功能，能很好地解决一般的实体造型问题。

1.2.4 支持混合造型，充分发挥曲面及实体造型的优势

Cimatron it可支持混合造型，在零件造型过程中可在SOLID模块与WIRE-FRM模块之间自由切换，一个图形文件中也可同时包含线框、曲面和实体，并支持线框、曲面与实体间的互相转化。WIRE-FRM模块下的造型功能比较丰富，适合复杂曲面的构造，生成的曲面与线框之间不存在关联，处理比较灵活。在SOLID环境下的造型功能比较简单，适合规则零件的造型。由于采用参数化特征造型技术，生成的参数化模型便于通过修改参数来实现模型的修改，同时在实体环境下处理倒圆、拔模等操作也有一定的优势。

由于Cimatron it在WIRE-FRM及SOLID模块下的造型能力的互补性，因此采用混合造型极大地提高了Cimatron it的造型能力及灵活性。

1.2.5 独特的模具设计功能

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作为当今工模具行业CAD/CAM技术的领导者之一，Cimatron 不断在开发具有鲜明应用特色的专业模具设计功能，以Cimatron it的快速分模，快速电极，快速比较为代表的QUICK技术，通过直接对分模零件的曲面模型进行处理，避开了其他软件对分模零件一定要进行实体化处理所带来的一系列问题，较好地解决了面向制造的模具设计问题。

三维模架库功能能支持注塑模具设计的自动化，不仅支持各种工业标准目录，如DME、HASCO、FUTABA、PCS、PEDROTTI、RABOURDIN、SIDECO、EOC、MEUSBURGER、STRACK AND MISUMI等，也可由用户自定义目录。

模板及模具零件可直接采用各标准目录中的标准尺寸，也可根据需要进行修改，设计的模具零件及冷却水道采用参数化实体技术，不仅可快速修改，还可自动与模板进行布尔运算。

型芯、型腔等工作零件的定义不仅支持实体模型，也可支持直接由快速分模生成的曲面模型。

1.2.6 全面的NC编程功能

Cimatronit的数控加工技术一直处于世界领先的地位，被世界普遍认为是最杰出的数控编程系统之一。特别对工模具制造中所涉及的各种NC加工技术均有很好的支持，可支持数控铣床、加工中心的3～5轴加工，数控车床、数控冲床及2或4轴线切割的NC编程，并具有良好的加工模拟与仿真功能。高速铣削与多轴加工是工模具行业NC加工今后

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发展的两个方向。Cimatron it中提供了非常丰富的支持高速加工的策略，并在原有的多轴加工策略上不断进行丰富与完善。另外，在后置处理方面，除了继续支持原有的GPP后置处理外，还新增了对世界一流的专业后置处理IMSPost的支持。

1.2.7 领先的NC编程技术

基于毛坯余量知识的智能NC编程技术是Cimatron it软件的一大亮点，同时也确立了其在面向工模具行业NC编程技术中的领导地位。通过设定加工前毛坯的形状，在以后生成的工序中，能将计算所得的刀轨不断与毛坯作比较，从而可避免产生过切及撞刀现象，并使刀具的载荷更均匀、切削状态更理想。工序生成后，程序能实时记录毛坯形状的变化，为后续生成的工序提供优化的前提。当用户每次完成了一个特定工作中的加工过程定义时，只要简单地把该加工过程储存为加工模板。下一次用户若有加工工艺相似的零件要处理时，只要套用该模板后，刀具轨迹就会自动生成。优秀的曲面斜率分析，能在一个工序中自动区分模型中陡峭面与平坦面，并采用不同的走刀方式生成理想的刀具路径。Cimatron it提供了可靠而直观的轨迹校验和仿真模似，支持每一加工工序或零件/毛坯的比较分析，它以 彩色图的形式显示当前加工结果及其余量，具有可视化的加工的仿真模拟功能强大，使用户可以检查加工过程的合理性与正确性，可以任意剖切旋转来观察加工的结果，还可以进行多达五轴仿真校验，定量分析，加工工时估算等，用户也可以手工单步检查生成的刀具轨迹。