塑料制品在近些年来已广泛使用，在许多地方，它已有替代金属制品的趋势。由于注塑模具生产具有效率高、产品质量好、节约原材料等优点，已成为塑料制品的主要成型方式，因此对注塑模具生产进行研究已成为促进现代塑料制品生产的重要手段。传统的注塑模具设计与加工主要是根据模具设计工程师的经验，一套成熟的注塑模具需要经过反复的试模和调整才能真正投入使用。而现代的三维软件采用了基于特征的先进参数化技术，是一个集成了三维造型设计、加工、以及分析和绘图等功能的综合设计系统，具有三维实体设计、资料库数据单一和以特征为设计单位等特点，它通过参数化的数据驱动，全关联的单一数据，强大的模块化功能，从而使模具设计工程师能随时获得注塑模具的重量、质心、惯性矩、体积、面积等参数，而且当在三维立体图或二维工程图上进行数据修改时，相应的二维工程图或三维立体图及装配、制造等一系列数据也自动修改。由于大多数三维造型软件具有导入制造的功能，可以根据特征随时做一些顺序上的重新定义、插入、删除、调整等修改工作，在CAD/CAE/CAM方面真正实现了有机的合成，因此，从根本上实现了注塑模具制造的快速响应。
1 Pro/E在注塑模具设计和加工方面的基本功能概述
作为Pro/E三维造型的核心技术功能，行为建模技术与参数化技术是互相渗透的。在Pro/E三维造型软件中，它具有基于Web零件库、参数化特征建模技术、装配部件、运动特性、疲劳载荷、塑性特点等分析及仿真动画、概念设计、模流分析设计等功能。Pro/E中具有独特的参数化设计概念及单一数据库设计功能，其根本特征就是将图形中的任何一个尺寸看作单独的、可变的数据，只要用户重新修改或定义这些数据，它的模型就可以再生改变。模具设计工程师可以利用Pro/E中的三维造型架构功能及参数化设计，运用数学逻辑运算建立尺寸间的相互关系，然后通过对前面定义数据的修订，用户就可以在较短的时间内非常容易地获得模型如面积、重量、体积等相关特性，而且大大减少了在设计过程中一些不必要的失误。
Pro/E中的集成功能也是一项重要的功能，通过内置的单一图形数据库，可以实现CAE、CAM、CAD等单元间的相互转换和传递，在CAE/CAM过程中可以完全利用CAD所绘制的三维图形，这样也可以大大减少中间建模时间和误差。
Pro/E中的分析功能又是一项重要的功能，通过该功能，实现对注塑模具的结构、性能、加工精度、模流情况、设计过程中的温度等相关数据进行适当的优化和设计，这样在正式制造之前就可以发现问题，从而缩短了注塑模具整体生产时间，而且也提高了注塑模具的整体制造精度。
2 Pro/E软件下注塑模具基本设计过程
1)注塑模型的建立。当建立好的注塑模型装配到设计模型中后，它作为一个参考模型被替代了。参考模型相对设计模型来说，它们之间本质上是建立了一个关系的拷贝，只对注塑模型进行修改，相应的参考模型中也会改变；当然也能对参考模型直接进行修改，然后运用注塑模型Regenerate的功能，最后也可以得到想要的结果。
2)开模最优方向的确定。参考模型中的拔模斜度及圆角，这一部分应根据工艺过程的实际需要进行修改。
3)参考模型分模线和注塑模型分模面的生成。从注塑参考模型或参考模型中可以进行分模线的确定。利用开模功能，这些注塑特征可用于确定分模面的位置。
4)模具收缩率的设置。利用软件中的Shrine功能可为整个注塑模型的收缩率进行设置。
5)对注塑模型上的特征进行操作。如修改浇口、加工孔等特征，以便进行装配，沿分模面确定开模步骤，通过检查干涉并修改模型。
在Pro/E中，注塑模具的整体设计过程如图1所示。
图1 注塑模具设计过程图
3 三维软件下的数控加工编程
一般的三维设计软件都提供了性能较为完善的数控加工编程模块，如Pro/E软件中的数控加工编程模块Pro/NC，就集合了数控钻、车、铣等多样编程功能，而且这些编程的加工环境也与实际的加工情况完全符合。为了保证加工精度和工件的找正装夹，可以在机床中灵活设置不同的工件坐标系。同时也可灵活进行机床和工件坐标系的设置，在不同工序之间可以设置不同的工件坐标系，便于工件的找正装夹，保证加工精度。
如图2所示为Pro/NC中一般典型的数控加工编程过程图。首先根据加工工件的相关要求（如技术、工艺等）建立加工模型，并且在Pro/NC的数据库中存放将要实际加工程序的操作参数和环境参数，然后设置加工刀具将要加工的路径参数，这将依据工艺参数、切削参数、加工路线及辅助功能等进行确定。最后数控机床将依据Pro/NC获得的实际加工刀具路径，采取相应的代码进行加工。
图2 Pro/E下的数控编程过程图
4 设计收音机上盖注塑模具流程
4.1 收音机上盖三维注塑模型的建立
由于收音机上盖中的曲面较多，通过Pro/E软件的曲面造型、拉伸剪切、阵列、合并、加厚等一系列命令，建立如图3、图4所示的实体模型。
图3 收音机上盖三维图
图4 收音机上盖塑件三维图
4.2 注塑模具模型的创建
模具模型总体上包含工件和参照模型两部分。作为大批量生产的一种小型电器，对外型质量的要求较高。为了提高生产过程中的效率，采用平衡式一模两腔布置。
创建模型的流程如下：
1)工件创建。在Pro/E系统中，单击模型→创建→工作→手动等命令，取工件名为moulds，然后单击实体→加材料→拉伸→实体→完成等命令。利用草绘工具面板，以MOLDBASE2X2Y为草绘基准面，顶参考选择MOLDBASE2X2Z，利用系统中的草绘矩形、双侧拉伸等按钮，创建完成工件。
2)参考模型导入和型腔布置。在Pro/E系统中，点击EMX建立一个新项目，进入工作界面进行设计，依次击选模具模型→参照零件等命令，打开收音机的模型文件，其中点选CSO为模型的参照起点和定向，点选CAVITY_1为布局起点，选择矩形布局，其他的选Y对称，X增量一栏输入-100，Y增量一栏输入-60，点选一模二腔、平衡式型腔布置，最后完成的图形如图5所示。
图5 模具型腔分置图
4.3 注塑模具收缩率的设置
收缩率的设置主要考虑工件从模具中取出后，在注塑压力及温度的变化下，工件会产生一定的收缩，因此为了获得与实际尺寸相一致的工件，需要设置适当的收缩率。不同的材料有不同的收缩率，在本例中根据收音机上盖选取的收缩率为0.005。具体步聚如下：模具→收缩→按尺寸→设置→所有尺寸，在弹出的框中输入值0.005，单击确定，完成收缩率的设置。
4.4 注塑模具分型面的创建
分型面的设置对注塑模具的设计与制造是一个关键，在Pro/E三维软件中，由于具有功能较为完善的曲面创建和操作功能，因此创建分型面的方式也是多种多样。对收音机上盖模具来说，由于零件的靠破孔较多，因此为了分模的需要，采取了破孔填补，然后采用合并曲面的方式来完成分型面的设置。具体过程如下：
(1)靠破孔的填补，隐藏工件，点击分型面→创建→确定，分型面的名称为缺省，再依次点击增加→复制→完成选项，选择除了靠破孔的其他外表面，在“填充环”选项上双击，再选择收音机盖上表面，点击确定。通过上述步骤，即可完成一个靠破孔的填补。其他曲面上靠破孔的填补也用同样的过程来完成。
(2)曲面的延拓，对上述创建的分型面进行修改，依次点击以下按钮，延拓→沿方向→向上至曲面→完成，对每个外壳前端缺口轮廓线进行选取，使之延拓至对应的工件外表面。
(3)平面部分分型面的构建，对上述构建的分型面进行修改，依次点击增加→平整→完成→新设置等命令按钮。草绘平面以选择零件底部平面为参照，顶参考为MOULD2FRONT，然后草图选用工件外形，点击确认按钮，完成草绘过程。
(4)分型面的合并，依次点击合并→侧2→确认等按钮，合并上述3个过程完成的分型面。最终完成的该注塑模具的分型面如图6所示。
图6 合并后收音机上盖注塑模具分型面图
4.5 注塑模具体积块的拆分
以分型面为参照，对创建的工件分割为几个体积块，按模具体积块→分割→2个体积块→所有工件→完成→确定的顺序点击命令按钮。分别输入“cavities”、“cores”作为芯腔体积块、型芯体积块的名称。
4.6 注塑模具元件的抽取
注塑模具元件的抽取是将有体积无质量的虚拟体积块转变成具有实体的注塑模具组件，顺序点击模具元件→抽取等按钮，选取型芯型腔，点击确定，最终完成的注塑模具型芯型腔如图7所示。
图7 最终完成的模具型芯腔图
4.7 注塑模具浇口和流道的设计
为了减少熔料在型腔内流动，加快注射成型，此模具利用侧浇口、2点进浇的方式。为提高成型注塑件的质量，分流道的断面采用散热量小、充模阻力小、冻结浇口时间长的圆形断面。其设计过程如下：主流道的设计采用旋转切除材料的方法，依次点击特征→型腔组件→流道→导圆角等按钮，完成流道线路的草绘工作，最终生成的浇口和流道如图8所示。
图8 浇口和流道位置
4.8 对注塑模具进行仿真充模
按顺序点击铸模→创建等按钮，将浇铸件的文件名“mold”输入，最后生成浇铸件如图9所示。
图9 模拟仿真浇注件
对注塑模具仿真充模的分析，可以分析分型面、最后生成制件的形状是否符合设计要求、流道的正确性、拆模顺序等内容。
4.9 注塑模具的模拟开模
模拟开模的步骤如下：依次点击模具进料孔→定义间距→定义移动等按钮，选取一条竖直方向棱为模具元件的参考方向，正向为指向外侧的方向，移动距离栏输入值100，最后开模模拟结果如图10所示。
图10 注塑模具模拟开模过程
4.10 注塑模具模座和其他辅助零件的设置
这一部分利用Pro/E中的模具专家系统EMX来完成，依次按EMX4.1→模具基体→组件定义等按钮。在对话框中，单击“载入/保存组件”，选择“Fataba_2p”复选框，类型为“SA_Type”，按确定按钮后载入。取基体尺寸，分别击选B板、U板，输入厚度，止动销选择M16，定模侧定位环选择LRK类型，单击确定按钮完成组件的选择。点击模具基体→装配元件→选择所有对象等按钮，最终的模具总装图如图11所示。
图11 收音机上盖注塑模具总装配图
5 数控加工主要注塑模具零部件
5.1 注塑模具型腔加工工艺分析
本副模具的型腔上表面由1个平面、2个复杂的曲面和浇道所组成。针对3部分的形状特点，选用的刀具和方法各不相同，最后按铣曲面、加工浇道、铣平画的加工顺序进行。
5.2 制造模型厦环境的建立和设置
1)加工几何模型的建立。以铣曲面加工为例，选取型腔上表面的复杂曲面，采取曲面铣削的方法进行编程加工。
2)选择刀具。在Pro/E系统中，依据工件材料的性能、数控机床的加工能力、切削用量、加工工序等相关因素，在制造管理器对话框中的NC序列设置完成。再以上述的铣曲面加工为例，粗、半精铣刀的材料为GY8，长度统一选100，直径分别选10、5。
3)设置数控加工制造工艺参数。数控加工制造参数的设置主要分为：切割选项、NCL(刀位文件)名称、进给参数、入口/出口参数、切割参数、机械参数等6大部分，在Pro/E中的参数树管理器对话框中完成设置。总的来说，如果细分，每部分的参数选项较多，总共有80多项，因此设置相对较为复杂，但在加工时，也可以采用简化设置参数的方法。例如以加工收音机的上盖注塑模的型腔为例，曲面铣削加工的方式选定后，主要考虑机床性能、刀具类型、工件材料、加工效率、加工工艺性等参数即可。
5.3 数控加工刀具路径的生成
通过上述过程完成数控(NC)加工系列设置后，执行NC序列菜单中的“轨迹演示”命令，此时数控加工刀具路径在Pro/E系统下自动生成，并且能完成自动演示加工过程、检测过切等功能，让用户了解设计是否有问题。如果设计没有出现错误，则执行“完成序列”命令，生成NC序列，然后执行“CL数据”命令，最后生成如图12所示的CL数控加工刀位文件。
图12 部分注塑模具型腔数控加工CL数据
经处理后，将此文件生成符合数控加工要求的程序，数控机床则根据RS232数据接口传递过来的程序，自动完成注塑模具的型腔加工。
5.4 VERICU软件下数控仿真加工演示
VERICUT作为具备进行刀具轨迹和机床运动仿真功能的专门数控仿真加工专用软件，借助其先进的虚拟现实技术和三维显示技术的作用，实现了逼真的数控加工过程模拟，并能实时检测加工的错误。模拟步骤如下：加工系列的选定，执行Pro/E下“屏幕演示”→“NC检测”的命令，调用仿真加工软件VERICU，最后结果如图13所示。
图13 仿真加工软件VERICU模拟效果图
以上所描述的注塑模具零件数控加工过程只是对本副模具的型腔模块进行数控编程及加工模拟，实际型腔的加工中，过程较为复杂，细节考虑也是比较多的。
6 结论
从以上Pro/E三维软件系统下对注塑模具进行设计和加工可以看出，三维软件在造型方面的功能较为完善，而且在设计和加工制造方面的功能也基本能满足生产需要。因此，在生产中利用三维软件对注塑模具进行设计，可以提高注塑模具的设计效率，降低成本，并且利用软件集成的NC模块替代手工编程来完成一些模具零件的复杂曲面加工，体现了加工中心在制造中的作用，提高了模具制造效率，在模具生产中真正实现了设计与制造一体化。
(审核编辑: 智汇小新)
