第7章模具CAM章节教学学生领会CAM技术在模具领域内应用的重要性，掌握模具CAM的目的般过程，了解模具CAM应用软件。重点：数控编程对于模具制造的重要作用以及模具CAM的一般过程。重点难点：数控编程技术。难点教学内容：教学1.模具制造与数控加工内容2.数控编程技术基础3.数控编程软件SurfCAM介绍教学4.SurfCAM在模具制造中的应用方法教学方法：教学讲授时采用多媒体教学手段，在模具制造与数控加工知识内容方面采用师生互动的教学方法归纳总结。手段学时教学手段：课堂讲授和上机。分配学时分配：8学时1.分析注射模CAM的意义。2.章思考题模具CAM的一般流程。3.如何进行注射模CAM？[1]任秉银．模具CAD/CAE/CAM.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006.主要参考[2］李名尧．模具CAD/CAM.北京：机械工业出版社．2004.[3］童秉枢.现代CAD技术：北京：清华大学出版社，2000资料
章节 第 7 章 模具 CAM 教学 目的 学生领会 CAM 技术在模具领域内应用的重要性，掌握模具 CAM 的一 般过程，了解模具 CAM 应用软件。 重点 难点 重点：数控编程对于模具制造的重要作用以及模具 CAM 的一般过程。 难点：数控编程技术。 教学 内容 教学 方法 教学 手段 学时 分配 教学内容： 1.模具制造与数控加工 2.数控编程技术基础 3.数控编程软件 SurfCAM 介绍 4.SurfCAM 在模具制造中的应用 教学方法： 讲授时采用多媒体教学手段，在模具制造与数控加工知识内容方面采用 师生互动的教学方法归纳总结。 教学手段：课堂讲授和上机。 学时分配：8 学时 章思考题 1. 分析注射模 CAM 的意义。 2. 模具 CAM 的一般流程。 3. 如何进行注射模 CAM？ 主要 参考 资料 [1] 任秉银. 模具 CAD/CAE/CAM. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 2006. [2] 李名尧. 模具 CAD/CAM. 北京：机械工业出版社. 2004. [3] 童秉枢. 现代 CAD 技术 . 北京：清华大学出版社，2000. 1
第7章模具CAM技术7.1模具制造与数控加工一、模具制造的基本要求和特点1.模具制造的基本要求为了保证产品的质量，除了设计合理的模具结构外，还必须采用先进的模具制造技术制造模具。在制造模具时，应满足以下几个基本要求：（1）制造精度高为了能生产出合格的产品和发挥模具的效能，所设计、制造的模具必须具有较高的精度。模具的精度主要是由制品精度和模具结构要求决定的，为了保证制品精度，模具的工作部分精度通常要比制品精度高2～4级，因此模具的零部件必须有足够高的制造精度。否则，将不可能生产出合格的制品。（2）使用寿命长模具是比较昂贵的工艺装备，目前模具的制造费用约占产品成本的10%~30%，其使用寿命长短将直接影响产品的成本高低。因此，除了小批量生产和新产品试制等外，一般都要求模具具有较长的使用寿命，在大批量生产中，模具的使用寿命更加重要。（3）制造周期短模具制造周期的长短主要决定于制模技术和生产管理水平的高低。为了满足生产的需要，提高产品的竞争能力，必须在保证质量的前提下，尽量缩短模具制造周期。（4）模具成本低模具成本与模具结构、模具材料、制造精度要求和加工方法等有关。模具技术人员必须根据制品的要求合理设计和制订其加工工艺。在设计和制造模具时，应根据实际情况作全面考虑，在保证制品质量的前提下，选择合适模具结构和制造方法，使模具的成本降到最低。2.模具制造的基本特点模具制造难度较大，与一般机械加工相比，具有许多特殊性。（1）制造质量高模具制造不仅要求加工精度高，而且还要求加工表面质量好。一般来说，模具工作部分的制造公差都应控制在土0.01mm以内；模具加工后的表面不仅不允许有任何缺陷，而且工作部分的表面粗糙度Ra都要求小于0.8？。（2）形状复杂模具的工作部分一般都是二维或三维复杂曲面，而一般机械加工的是简单几何体。（3）材料硬度高模具的硬度较高，采用了萍火工具钢或硬质合金等材料。（4）单件生产模具制造一般都是单件生产，设计和制造周期都比较长。2
第 7 章 模具 CAM 技术 7.1 模具制造与数控加工 一、模具制造的基本要求和特点 1. 模具制造的基本要求 为了保证产品的质量，除了设计合理的模具结构外，还必须采用先进的模具制造技术 制造模具。在制造模具时，应满足以下几个基本要求： （1）制造精度高 为了能生产出合格的产品和发挥模具的效能，所设计、制造的模具必须具有较高的精 度。模具的精度主要是由制品精度和模具结构要求决定的，为了保证制品精度，模具的工 作部分精度通常要比制品精度高 2 ~ 4 级，因此模具的零部件必须有足够高的制造精度。 否则，将不可能生产出合格的制品。 （2）使用寿命长 模具是比较昂贵的工艺装备，目前模具的制造费用约占产品成本的 10% ~ 30% ，其使 用寿命长短将直接影响产品的成本高低。因此，除了小批量生产和新产品试制等外，一般 都要求模具具有较长的使用寿命，在大批量生产中，模具的使用寿命更加重要。 （3）制造周期短 模具制造周期的长短主要决定于制模技术和生产管理水平的高低。为了满足生产的需 要，提高产品的竞争能力，必须在保证质量的前提下，尽量缩短模具制造周期。 （4）模具成本低 模具成本与模具结构、模具材料、制造精度要求和加工方法等有关。模具技术人员必 须根据制品的要求合理设计和制订其加工工艺。在设计和制造模具时，应根据实际情况作 全面考虑，在保证制品质量的前提下，选择合适模具结构和制造方法，使模具的成本降到 最低。 2. 模具制造的基本特点 模具制造难度较大，与一般机械加工相比，具有许多特殊性。 （1） 制造质量高 模具制造不仅要求加工精度高，而且还要求加工表面质量好。一般来 说，模具工作部分的制造公差都应控制在±0.01mm 以内；模具加工后的表面不仅不允许有 任何缺陷，而且工作部分的表面粗糙度 Ra 都要求小于 0.8?m。 （2） 形状复杂 模具的工作部分一般都是二维或三维复杂曲面，而一般机械加工的是简 单几何体。 （3） 材料硬度高 模具的硬度较高，采用了淬火工具钢或硬质合金等材料。 （4） 单件生产 模具制造一般都是单件生产，设计和制造周期都比较长。 2
二、模具制造的主要加工方法1.机械加工机械加工（即传统的切削与磨削加工）是模具制造不可缺少的一种重要的加工方法机械加工的特点是加工精度高、生产效率高。但加工复杂的形状时，加工速度慢，硬材料也难加工，材料利用率不高。2.特种加工特种加工也被称为电加工，从广义上说，特种加工是指直接利用电能、化学能、声能、光能等来去除工件上多余的材料，以达到一定形状、尺寸和表面粗糙度的加工方法，其中包括电火花成形加工、线切割加工、电解加工、电化学抛光、电铸、化学刻蚀、超声波加工、激光加工等。特种加工与工件的硬度无关，可以实现以柔克刚，并可加工各种复杂形状的零件。特种加工在模具制造中得到了越来越广泛的应用。3.塑性加工塑性加工主要指冷挤压制模法，即将淬火过的成形模强力压入未进行硬化处理的模坏中，使成形模的形状复印在被压的模坏上，制成所需要的模具。这种成形方法不需要型面精加工，制模速度快，可以制成各种复杂型面的模具。4.铸造加工对于一些精度和使用寿命要求不高的模具，可以采用简单方便的铸造法快速成形。例如：锌基合金模具，用低熔点材料锌基合金铸造模具，也称快速制模法，其制模速度快，容易制成形状复杂的模具。但模具材质较软，耐热性差，所以模具寿命短，多用于试制和小批量生产的场合。5.焊接加工焊接法制模是将加工好的模块焊接在一起，形成所需的模具。这种方法与整体加工相比，加工简单、尺寸大小不受限制，但精度难于保证，易残留热应变及内部应力，主要用于精度要求不高的大型模具的制造。6.数控加工数控加工是利用数控机床和数控技术完成模具零件的加工，根据零件图样及工艺要求等原始条件编制数控加工程序，输入数控系统，然后控制数控机床中刀具与工件的相对运动，以完成零件的加工。数控机床范围很广，在机械加工中有数控车加工、数控铣加工、数控钻加工、数控磨加工、加工中心加工：在塑性加工中有数控冲床加工、弯管机加工等：在特种成形中则有数控电火花加工、数控线切割加工、数控激光加工等。三、数控加工的特点及应用1.数控加工的特点（1）加工精度高、加工质量稳定3
二、模具制造的主要加工方法 1. 机械加工 机械加工（即传统的切削与磨削加工）是模具制造不可缺少的一种重要的加工方法。 机械加工的特点是加工精度高、生产效率高。但加工复杂的形状时，加工速度慢，硬材料 也难加工，材料利用率不高。 2. 特种加工 特种加工也被称为电加工，从广义上说，特种加工是指直接利用电能、化学能、声能、 光能等来去除工件上多余的材料，以达到一定形状、尺寸和表面粗糙度的加工方法，其中 包括电火花成形加工、线切割加工、电解加工、电化学抛光、电铸、化学刻蚀、超声波加 工、激光加工等。特种加工与工件的硬度无关，可以实现以柔克刚，并可加工各种复杂形 状的零件。特种加工在模具制造中得到了越来越广泛的应用。 3. 塑性加工 塑性加工主要指冷挤压制模法，即将淬火过的成形模强力压入未进行硬化处理的模坯 中，使成形模的形状复印在被压的模坯上，制成所需要的模具。 这种成形方法不需要型 面精加工，制模速度快，可以制成各种复杂型面的模具。 4. 铸造加工 对于一些精度和使用寿命要求不高的模具，可以采用简单方便的铸造法快速成形。例 如：锌基合金模具，用低熔点材料锌基合金铸造模具，也称快速制模法，其制模速度快， 容易制成形状复杂的模具。但模具材质较软，耐热性差，所以模具寿命短，多用于试制和 小批量生产的场合。 5. 焊接加工 焊接法制模是将加工好的模块焊接在一起，形成所需的模具。这种方法与整体加工相 比，加工简单、尺寸大小不受限制，但精度难于保证，易残留热应变及内部应力，主要用 于精度要求不高的大型模具的制造。 6. 数控加工 数控加工是利用数控机床和数控技术完成模具零件的加工，根据零件图样及工艺要求 等原始条件编制数控加工程序，输入数控系统，然后控制数控机床中刀具与工件的相对运 动，以完成零件的加工。数控机床范围很广，在机械加工中有数控车加工、数控铣加工、 数控钻加工、数控磨加工、加工中心加工；在塑性加工中有数控冲床加工、弯管机加工等； 在特种成形中则有数控电火花加工、数控线切割加工、数控激光加工等。 三、数控加工的特点及应用 1. 数控加工的特点 （1） 加工精度高、加工质量稳定 3
数控机床的机械传动系统和结构都有较高的精度、刚度和热稳定性，零件的加工精度和质量由机床保证，完全消除了操作者的人为误差，所以数控机床的加工精度高，加工误差一般能控制在0.0050.1mm以内，而且同一批零件加工尺寸的一致性好，加工质量稳定。（2）加工生产效率高数控机床结构刚性好、功率大、能自动进行切削加工，所以能选择较大的、合理的切削质量，并能自动完成整个切削加工过程，大大缩短机动加工时间。数控机床定位精度高，可省去加工过程中的中间检测，提高生产效率。（3）对零件加工适应性强因数控机床能实现几个坐标联动，加工程序可对加工零件的要求而变换，所以它的适应性和灵活性很强，可以加工普通机床无法加工的形状复杂的零件。（4）有利于生产管理数控机床加工，能准确地计算出零件的加工工时，并有效地简化刀具、夹具、量具和半成品的管理工作。加工程序是用数学信息的标准代码输入，有利于与计算机连接，由计算机来控制和管理生产。2.数控加工的适用范围数控加工的零件一致性好，质量稳定，加工精度高。但是，数控加工设备昂贵，加工准备周期长。因此，数控加工有其适用范围：（1）最适合零件形状复杂，加工精度要求高，用通用机床无法加工或虽然能加工但很难保证产品质量的零件：复杂曲线轮廓或复杂曲面的零件：难测量、难控制进给、难控制尺寸的具有内腔的壳体或盒形零件；必须在一次装卡中合并完成铣、镗、、铰或攻丝等多道工序的零件。（2）较合适类零件在通用机床上加工时极易受人为因素干扰、材料又昂贵的零件：在通用机床上必须有复杂专用工装的零件；需要多次更改设计后才能定型的零件。（3）不适合类零件装卡困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件：加工余量很不稳定的零件。3.数控加工在模具制造中的应用数控加工方式为模具提供了丰富的生产手段，每一类模具都有其最合适的加工方式。一般而言，对于旋转类模具，一般采用数控车加工，如车外圆、车孔、车平面、车锥面等。酒瓶、酒杯、保龄球、方向盘等模具，都可以采用数控车削加工。对于复杂的外形轮廓或带曲面模具，电火花成形加工用电极，一般采用数控铣加工，如注射模、压铸模等，都可以采用数控铣加工。对于微细复杂形状、特殊材料模具、塑料镶拼型腔及嵌件、带异型槽的模具，都可以采用数控电火花线切割加工。4
数控机床的机械传动系统和结构都有较高的精度、刚度和热稳定性，零件的加工精度 和质量由机床保证，完全消除了操作者的人为误差，所以数控机床的加工精度高，加工误 差一般能控制在 0.005 ~ 0.1mm 以内，而且同一批零件加工尺寸的一致性好，加工质量稳 定。 （2） 加工生产效率高 数控机床结构刚性好、功率大、能自动进行切削加工，所以 能选择较大的、合理的切削质量，并能自动完成整个切削加工过程，大大缩短机动加工时 间。数控机床定位精度高，可省去加工过程中的中间检测，提高生产效率。 （3） 对零件加工适应性强 因数控机床能实现几个坐标联动，加工程序可对加工零 件的要求而变换，所以它的适应性和灵活性很强，可以加工普通机床无法加工的形状复杂 的零件。 （4） 有利于生产管理 数控机床加工，能准确地计算出零件的加工工时，并有效地 简化刀具、夹具、量具和半成品的管理工作。加工程序是用数字信息的标准代码输入，有 利于与计算机连接，由计算机来控制和管理生产。 2. 数控加工的适用范围 数控加工的零件一致性好，质量稳定，加工精度高。但是，数控加工设备昂贵，加工 准备周期长。因此，数控加工有其适用范围： （1） 最适合零件 形状复杂，加工精度要求高，用通用机床无法加工或虽然能加工 但很难保证产品质量的零件；复杂曲线轮廓或复杂曲面的零件；难测量、难控制进给、难 控制尺寸的具有内腔的壳体或盒形零件；必须在一次装卡中合并完成铣、镗、锪、铰或攻 丝等多道工序的零件。 （2） 较合适类零件 在通用机床上加工时极易受人为因素干扰、材料又昂贵的零件； 在通用机床上必须有复杂专用工装的零件；需要多次更改设计后才能定型的零件。 （3） 不适合类零件 装卡困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件；加工余量 很不稳定的零件。 3. 数控加工在模具制造中的应用 数控加工方式为模具提供了丰富的生产手段，每一类模具都有其最合适的加工方式。 一般而言，对于旋转类模具，一般采用数控车加工，如车外圆、车孔、车平面、车锥 面等。酒瓶、酒杯、保龄球、方向盘等模具，都可以采用数控车削加工。 对于复杂的外形轮廓或带曲面模具，电火花成形加工用电极，一般采用数控铣加工， 如注射模、压铸模等，都可以采用数控铣加工。 对于微细复杂形状、特殊材料模具、塑料镶拼型腔及嵌件、带异型槽的模具，都可以 采用数控电火花线切割加工。 4
模具的型腔、型孔，可以采用数控电火花成形加工，包括各种塑料模、橡胶模、锻模、压铸模、压延拉伸模等。对精度要求较高的解析几何曲面，可以采用数控磨削加工。总之，各种数控加工方法，为模具加工提供了各种可供选择的手段。随着数控加工技术的发展，越来越多的数控加工方法应用到模具制造中，各种先进制造技术的采用，使模具制造的前景更加广阔。四、数控加工编程技术的发展概况（一）数控加工编程技术的发展为了解决数控加工中的程序编制问题，20世纪50年代，MIT设计了一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言，称为APT（AutomaticallyProgrammedTool）。其后：APT几经发展，形成了诸如APTII、APTIII（立体切削用）、APTAC（Advancedcontouring）（增加切削数据库管理系统）和APT/SS（SculpturedSURFace）（增加雕塑曲面加工编程功能)等增强版本。采用APT语言编制数控程序具有程序简炼，走刀控制灵活等优点，使数控加工编程从面向机床指令的”汇编语言”级，上升到面向几何元素。APT仍有许多不便之处，例如采用语言定义零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何直观性；缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段；难以和CAD数据库和CAPP系统有效连接：不容易作到高度的自动化、集成化。针对APT语言的缺点，1978年，法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分析、NC加工一体化的系统，称为CATIA。随后很快出现了象EUCLID，UGII，INTERGRAPHPro/Engineering，MasterCAM及NPU/GNCP等系统，这些系统都有效的解决了几何造型、零件儿何形状的显示、交互设计、修改及力具轨迹生成、走力过程的仿真显示、验证等问题，推动了CAD和CAM向一体化方向发展。到了8O年代，在CAD/CAM一体化概念的基础上，逐步形成了计算机集成制造系统（CIMS）及并行工程（CE）的概念。目前，为了适应CIMS及CE发展的需要，数控编程系统正向集成化和智能化方向发展在集成化方面，以开发符合STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData）标准的参数化特征造型系统为主，目前已进行了大量卓有成效的工作，是国内外开发的热点；在智能化方面，工作刚刚开始，还有待我们去努力。（二）数控加工NC（NumericalControl）刀具轨迹生成方法研究发展的现状数控编程的核心工作是生成刀具轨迹，然后将其离散成位点，经后置处理产生数控加工程序。下面就刀具轨迹产生方法作一些介绍。1.基于点、线、面和体的NC刀具轨迹生成方法5
模具的型腔、型孔，可以采用数控电火花成形加工，包括各种塑料模、橡胶模、锻模、 压铸模、压延拉伸模等。 对精度要求较高的解析几何曲面，可以采用数控磨削加工。 总之，各种数控加工方法，为模具加工提供了各种可供选择的手段。随着数控加工技 术的发展，越来越多的数控加工方法应用到模具制造中，各种先进制造技术的采用，使模 具制造的前景更加广阔。 四、数控加工编程技术的发展概况 （一）数控加工编程技术的发展 为了解决数控加工中的程序编制问题，20 世纪 50 年代，MIT 设计了一种专门用于机 械零件数控加工程序编制的语言，称为 APT（Automatically Programmed Tool）。其后， APT 几经发展，形成了诸如 APTII、APTIII（立体切削用）、APTAC（Advanced contouring） (增加切削数据库管理系统)和 APT/SS（Sculptured SURFace）(增加雕塑曲面加工编程功 能)等增强版本。 采用 APT 语言编制数控程序具有程序简炼，走刀控制灵活等优点，使数控加工编程从 面向机床指令的"汇编语言"级，上升到面向几何元素。APT 仍有许多不便之处，例如采用 语言定义零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何直观性；缺少对零件形状、 刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段；难以和 CAD 数据库和 CAPP 系统有 效连接；不容易作到高度的自动化、集成化。 针对 APT 语言的缺点，1978 年，法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分析、NC 加工 一体化的系统，称为 CATIA。随后很快出现了象 EUCLID，UGII，INTERGRAPH， Pro/Engineering，MasterCAM 及 NPU/GNCP 等系统，这些系统都有效的解决了几何造型、 零件几何形状的显示、交互设计、修改及刀具轨迹生成、走刀过程的仿真显示、验证等问 题，推动了 CAD 和 CAM 向一体化方向发展。到了 80 年代，在 CAD/CAM 一体化概念的基础 上，逐步形成了计算机集成制造系统（CIMS）及并行工程（CE）的概念。目前，为了适应 CIMS 及 CE 发展的需要，数控编程系统正向集成化和智能化方向发展。 在集成化方面，以开发符合 STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data） 标准的参数化特征造型系统为主，目前已进行了大量卓有成效的工作，是国内外开发的热 点；在智能化方面，工作刚刚开始，还有待我们去努力。 （二）数控加工 NC（Numerical Control）刀具轨迹生成方法研究发展的现状 数控编程的核心工作是生成刀具轨迹，然后将其离散成刀位点，经后置处理产生数控 加工程序。下面就刀具轨迹产生方法作一些介绍。 1. 基于点、线、面和体的 NC 刀具轨迹生成方法 5