CimatronE针对型腔模具设计与制造的一体化解决方案

1. 引言

多年来，国内工模具行业里不少企业已习惯了用二维图纸作为主要沟通工具的工作模式，不少技术人员也习惯了用二维视图处理几乎所有问题，公司还为此制定了完整的厂内规范，形成了完善的作图标准。然而近年来，随着模具工业的迅速发展，复杂的模具仅靠二维视图已不能清晰地表达和处理。而计算机数据处理能力的不断提升，使得不少CAD/CAM软件先后开发或集成了较为成熟的三维模具设计模块。于是很多企业采用了多种CAD/CAM软件共同使用的工作模式，即用一款三维软件创建成型零件的3D造型，用另一款二维软件绘制表达模具结构，并将此作为和模具现场制造环节的沟通手段，另外再用第三款编程软件做零部件的NC编程。这样的工作模式尽管在国内工模具行业中已形成套路，而且很多技术人员也已熟练掌握，但它的一些无法根治的缺点也时常给企业带来不小的损失，令管理者也深感头痛。

这种模式的缺点在于：

1）分散管理者精力。使用多款软件，使得管理者需要频繁地应对每款软件的更新、升级和维护等事宜。

2）浪费岗位之间的沟通时间。每位技术人员因为只会本岗位的软件，当需要和其它岗位的人员交流沟通时，就比较费时。我们经常会发现，比如制图人员需要和3D人员确认一个造型细节，光让3D旋转摆正到一个特定的角度这一过程就需要半分钟左右的时间。

3）文档之间不具有关联性。通常不同软件通过通用接口传输数据后，源数据在设计过程中被赋予的属性就会丢失。而当源数据发生设计变更时，就只能完全依靠人员的明确沟通和细心检查才能保证工作的正确性，这给项目的进行带来了很多不可控性。

4）增加了员工培训的工作量和难度。显然在这种模式下，人员的招聘、培训和使用都需要花费较多的精力和时间。

5）增加了管理人员顺利、准确地审核项目的难度。很多技术主管尽管是从基层做起，有着丰富的经验，但很少有人能熟悉部门内的所有软件。所以当审核模具方案时，很难从全局的角度，全方位地考量整个项目。因此，所谓的审核通常显得比较无奈。

基于但不仅基于上述原因，一些优秀的CAD/CAM软件的一体化解决方案开始被越来越多的业内企业关注。CimatronE的CAD/CAM一体化解决方案涵盖了工模具制造的全过程——从报价计划到模具设计，到工程变更，到数控编程到放电加工，确保用户以较短的生产周期，较低的成本来交付高质量的模具。

以下以型腔模具设计模块为主，介绍CimatronE的CAD/CAM一体化解决方案在巨腾国际集团下属模具部的实际应用。该集团是一家专业3C产品机械制造商，其客户包含国内外许多知名品牌，如Acer、Asus、Apple、Dell、HP、Lenovo、Sony和Toshiba等等。巨腾集团在2011年年初，为其下属的各个模具事业处装备了超过300套的CimatronE软件，使各模具事业处从此实现数据转换、快速拆模、模具结构设计、电极设计、NC编程的模具设计制造全3D化流程。彻底替换了原有的几款专业软件，摆脱了以往如前文所述的那种工作模式的困扰。通过CimatronE一体化解决方案的实际运用，该集团模具事业处的设计效率提升了20%，加快了产品的开发速度，提高了企业的市场竞争力。

2. 以选用客制化模架作为模具项目的初始化

图1是巨腾集团下属某模具厂（以下简称H厂）设计部用CimatronE自定义的一套模架。CimatronE本身是能提供标准模架的，这一点同其它一些适合模具设计的CAD/CAM专业软件类似，而且CimatronE能提供包括Hassco、Futba、LKM等在内的20多种标准模架。但是软件自带的3D模架库因为考虑其通用性，所以造型结构相对简单。尽管在调用标准模架时已提供了相当多的参数来定义模架的型号、系列、规格，以及一些固有标准件的尺寸，如定位环、导柱导套、限位钉、回针等等，但是对于如H厂这样的企业的实际运用中，从这样的标准模架到真正的最终模架3D，还需要对整个模架装配体做大量的建模工作。

图1 客制化模架及其参数驱动

于是Cimatron在给巨腾集团提供的解决方案中，支持客户自己定义适合本厂使用的客制化模架及客制化标准件，并可以通过参数驱动整个模架尺寸。从图1 中该模架装配体的一级爆炸图可以看到，这是一套基于两板模结构的直身模，但其中还包括了热流道板、隔热板、零度定位块、模仁束块、锁模块、微动开关、强制回位装置及所有的紧固件等零部件。此外，每个零部件的细节造型都已被创建，包括在热流道板侧面开设的分段码模槽、公母模板上冷却导柱导套的水路及水路部件、母模板背面的导套排气槽、公模板开模槽、为增加公模板强度采用的异型模脚及异型顶出板、相关部件的顶棍孔以及各块主要板件上的吊装螺栓孔等等。

不仅是功能上，在流程上CimatronE也为H厂提供了解决方案。以往模具设计的是由分模开始的，生成公母模仁后再选用模架。而现在这套模架3D是在模具项目一开始就启用的。确切地说，是打开一套客制化模架的装配档，在该文档中进行后续全部的模具设计工作。那么这样的流程就要求这套模架能通过调整，适应后续载入的各种产品制件的尺寸。

图1中左侧的模架设定对话框是点击“设定”指令后弹出的，其中包含了H厂设计部制定的调整这套模架所需的所有参数及其数值。这些参数包括各块板件的长宽高三向尺寸、导柱回针等柱形零件的直径及其位置尺寸、某些板件间的间隙等共计31项。这些参数都分别与这套3D模架各个零部件的对应建模特征相关联，即当修改对话框中的这些参数时，能直接驱动该参数所代表的模具尺寸的调整。这样，H厂就能快速创建出适合不同产品的模架，而且能保证与实体模架完全一致。通过实际应用测试，CimatronE为设计部门得到如此结果的模架确实节省了大量的时间，而且比二维制图达到同样的模架效果还要快。

需要指出的是，上文所述参数化驱动模架的工作至少是在产品载入以后启动的，并非模具设计初始化的内容。初始化仅仅是打开一套模架、添加模穴布局并将产品加载到每个布局坐标系上的这不超过2分钟的三步操作。

3. 分模与模架设计的协同工作

在接下来的工作中，尤其对于大件，H厂设计部安排2位工程师共同完成整套模具的设计。如图2，工程师A负责模具结构部分的工作，工程师B负责成型面、分型面的设计，即以往使用二维软件做模架设计的工作现在由工程师A在CimatronE中以3D形式完成，而且两者同时进行，但互不干涉，这是由CimatronE的协调工作功能保证的。而两者的分工内容则是参照了以往3D/2D多款软件共用的模式中的分工，当然，也可以按照动定模来分工。

图2 CimatronE一体化模具设计流程图

协同工作分工开始后，由于初始化中已加载了产品，所以现在工程师A可以根据产品尺寸直接调整模架，其操作方式和效果即如前文所述。当然此时要完全定义出模架各板件及其它零部件的最终造型并不现实，这在后续设计中会修改，但至少各块板件的外形尺寸，及长宽高完全能定义到位。于是将这一局部结果传给生产部门进行备料，相比以往彻底完成模具设计后再备料的工作模式，现在的流程使H厂的模架备料工作提前了1~2天。此后，工程师A继续完成斜顶、镶件、冷却系统、滑块等相应工作。图3所示的就是工程A在B完成成型设计之前先根据产品尺寸调整好了模仁尺寸，并完成了水路的设计。

图3 协同工作完成水路设计

在协同工作中，CimatronE一体化解决方案体现的另一优点在于，由于工程师A、B使用了相同的软件，当其中一位工程师的工作量明显较大时，另一位工程师可以协助。比如斜顶、镶件太多时，工程师B完成3D拆模的工作后就能适当协助A完成一些工作。

4. 并行工程

协同工作使H厂设计部能同时进行一个产品的分模和模架设计，提高了该部门的工作效率，缩短了制模周期。并行工程则更进一步提升了这一效果。如图2，并行工程是指，当设计部门在进行模具设计时，到了一定阶段，电极设计、线割、NC、工程图等部门或岗位就可以开始工作，而并不需要等设计部门的工作完全完成后才开始。前文所述的提前备料就体现了这一效果。

图4 实现线割并行工程的模仁3D图档

图4是H厂线割部门实现并行工程的一例。该套模具采用2拼1的公模仁，两块公模仁上一共需要再镶拼39个镶件和15支斜顶。这15支斜顶的位置必然需要线割，CimatronE为H厂提供的并行工程模式操作如下：图2中的工程师A在仅有产品造型数据载入的模仁上，根据实际造型和经验，在必要的位置添加斜顶组件。此时的模仁造型是仅有螺栓孔和吊装孔的方料，而斜顶组件的造型则是含有拉杆，有滑槽造型但无产品成型造型的半成品料，是H厂自定义的3D标准件。添加斜顶这一操作步骤的同时，用斜顶3D中包含的切割体切割模仁，模仁的线割孔即生成。这一系列工作完成后，通过CimatronE的工程图模块将模仁转出二维工程图，标注必要的尺寸就得到了能指导现场线割岗位生产的图纸。相比等模具设计完全完成再生成线割图纸的模式，这一模式不仅提前了线割部门的准备和生产时间，而且图纸简洁明了，没有太多的造型线影响现场作业员读图。

线割图纸生成后，待工程师B的造型部分工作基本完成后，A再将斜顶、镶件利用成型面和分型面切割得到最终3D结果。

除了线割，其它现场生产岗位所需的资料、图纸都能提前得到。经实际工作测试，70%以上的电极可以在模具设计完全完成之前的1~2天开始设计并完成。这就大大提前了现场生产的进程，也保证了模具最终能提前交付使用。

5．数控编程

CimatronE提供了从2.5-5轴的数控编程解决方案，模仁、电极由设计部门直接共享到编程部门，不存在任何因数据转换而带来的数据丢失、几何变形问题，提高了模具制造效率和质量。

6． 结束语

经过H厂近一年时间的实际应用及各部门之间的配合，CimatronE软件在整个巨腾集团下属其它模具事业处也都陆续使用起来。图5就是其中一套模具的最终3D，包括数据转换、分模、预设计、模具设计、出工程图、数控编程及电极设计加工完全由CimatronE一体化完成。

图5 最终模具3D图

CimatronE的CAD/CAM一体化解决方案在实际应用中为企业带来了巨大的效益。设计效率的提升，工作模式的改进、编程工具的高效等等都体现了Cimatron作为为工模具制造商和零部件制造商提供CAD/CAM完整解决方案的领导者。