模具CAD/CAM软件实践
报 告
班 级： 材料10802班
姓 名： 冷金鑫
班级序号： 08
指导教师：管 锋 张锦洲 杨雄
时 间： 2011.12.19-2011.12.25
摘 要：随着中国经济的快速发展，“中国制造”开始行销全球。20##年，中国制造业的GDP增加值达到10956亿美元，首次在总量上超过日本，成为世界排名第二的制造大国；20##年，中国制造业的GDP增加值达到13000亿美元。陕西渭河工模具总厂是机械电子行业工模具专业生产企业。从最初的研发试制到现在CAD/CAM的应用，设计和制造了许多典型的冷冲模具，在国内赢得了良好的声誉。近年来，随着CAD/CAM的不断应用，我厂生产了大批的精密冲压模具，特别是多工位级进模和多工位传递模具，不论从设计上还是制造方面均可与进口模具相媲美。 我厂应用CAD/CAM技术起步较早，不但是在设计和加工上应用了CAD技术，同时在工艺参数上，特别是复杂零件的几何参数上也应用了CAD技术，被陕西省科技厅、国家科技部授予“CAD示范企业"称号。近10年来，在模具设计上已经全部采用了CAD技术，部分加工上也应用了CAM技术。我厂模具设计应用平台硬件是美国SGI工作站，软件是美国EDS公司的UG软件，近年来又购进了"电子图板"设计软件。同时，针对本厂所设计的范围我们做了许多标准件的图库，此项工作大大地提高了设计速度。CAD/CAM技术在该厂应用面比较广，但存在的不足主要有三点：一是由于软件引进较早，且一直没有升级，与现在的UG版本差11个版本。
关键词: CAD;CAE;CAM;
一、前 言
随着计算机技术的发展，计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）技术在工程设计、制造等领域中具有重要影响的高新技术。CAD/CAM技术自动加工的实现对社会产生了巨大的经济效益。
在20世纪60年代初，麻省理工学院研究生发表了《人机对话图形通信》，推出了二维SKETCHPAD系统，系统允许设计者在图形显示器前操作光笔和键盘，同时可以在显示器上显示图形，由此为CAD/CAM技术提供了理论基础。20世纪60年代到20世纪70年代中期是CAD/CAM技术走向成熟的阶段，随着计算机硬件的发展，三维几何软件也相应发展起来。到了20世界90年代，CAD/CAM技术从单一的模式、单一的功能走向集成化和智能化。使用CAD/CAM各子系统之间进行数据交换，从而出现了面向对象的技术、并行工程的思想、人工智能技术等。我国CAD/CAM技术从20世纪70年代开始以来，经过不断的发展和推广使用，取得了良好的经济效益和社会效益，以Pro/Engineer、Unigraphics、Solidworks为代表的CAD/CAM软件技术是目前最完善的CAD/CAM技术。
计算机辅助设计(CAD-Computer Aided Design)指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。 在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。
CAE(Computer Aided Engineering)是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。CAE从60年代初在工程上开始应用到今天，已经历了50多年的发展历史，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程，现已成为工程和产品结构分析中(如航空、航天、机械、土木结构等领域)必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段。随着计算机技术的普及和不断提高，CAE系统的功能和计算精度都有很大提高，各种基于产品数字建模的CAE系统应运而生，并已成为结构分析和结构优化的重要工具，同时也是计算机辅助4C系统(CAD/CAE/CAPP/CAM)的重要环节。CAE系统的核心思想是结构的离散化，即将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。其基本过程是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限的形状简单的子区域，即将一个连续体简化为由有限个单元组合的等效组合体；通过将连续体离散化，把求解连续体的场变量(应力、位移、压力和温度等)问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值。此时得到的基本方程是一个代数方程组，而不是原来描述真实连续体场变量的微分方程组。求解后得到近似的数值解，其近似程度取决于所采用的单元类型、数量以及对单元的插值函数。根据经验，CAE各阶段所用的时间为：40%～45%用于模型的建立和数据输入，50%～55%用于分析结果的判读和评定，而真正的分析计算时间只占5%左右。针对这种情况，采用CAD技术来建立CAE的几何模型和物理模型，完成分析数据的输入，通常称此过程为CAE的前处理。同样，CAE的结果也需要用CAD技术生成形象的图形输出，如生成位移图、应力、温度、压力分布的等值线图，表示应力、温度、压力分布的彩色明暗图，以及随机械载荷和温度载荷变化生成位移、应力、温度、压力等分布的动态显示图。我们称这一过程为CAE的后处理。针对不同的应用，也可用CAE仿真模拟零件、部件、装置(整机)乃至生产线、工厂的运动和运行状态。
计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技术的提出就是要把工程（生产）的各个环节有机地组织起来，其关键就是将有关的信息集成，使其产生并存在于工程（产品）的整个生命周期。因此，CAE系统是一个包括了相关人员、技术、经营管理及信息流和物流的有机集成且优化运行的复杂的系统
CAM(computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)：利用计算机来进行生产设备管理控制和操作的过程。它输入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出信息是刀具加工时的运动轨迹(刀位文件)和数控程序。CAM (computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)的核心是计算机数值控制(简称数控)，是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。1952年美国麻省理工学院首先研制成数控铣床。数控的特征是由编码在穿孔纸带上的程序指令来控制机床。此后发展了一系列的数控机床，包括称为“加工中心”的多功能机床，能从刀库中自动换刀和自动转换工作位置，能连续完成锐、钻、饺、攻丝等多道工序，这些都是通过程序指令控制运作的，只要改变程序指令就可改变加工过程，数控的这种加工灵活性称之为“柔性”。加工程序的编制不但需要相当多的人工，而且容易出错，最早的CAM便是计算机辅助加工零件编程工作。麻省理工学院于1950年研究开发数控机床的加工零件编程语言APT，它是类似FORTRAN的高级语言。增强了几何定义、刀具运动等语句，应用APT使编写程序变得简单。这种计算机辅助编程是批处理的。
CAM系统一般具有数据转换和过程自动化两方面的功能。CAM所涉及的范围，包括计算机数控，计算机辅助过程设计。。
二、模具CAD（UG模具设计）
UG是Unigraphics的缩写，这是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。它在诞生之初主要基于工作站，但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长，在PC上的应用取得了迅猛的增长，目前已经成为模具行业三维设计的一个主流应用。
UG的开发始于1990年7月，它是基于C语言开发实现的。UG NX是一个在二和三维空间无结构网格上使用自适应多重网格方法开发的一个灵活的数值求解偏微分方程的软件工具。其设计思想足够灵活地支持多种离散方案。因此软件可对许多不同的应用再利用。
一个给定过程的有效模拟需要来自于应用领域(自然科学或工程)、数学(分析和数值数学)及计算机科学的知识。然而，所有这些技术在复杂应用中的使用并不是太容易。这是因为组合所有这些方法需要巨大的复杂性及交叉学科的知识。最终软件的实现变得越来越复杂，以致于超出了一个人能够管理的范围。一些非常成功的解偏微分方程的技术，特别是自适应网格加密（adaptivemeshrefinement）和多重网格方法在过去的十年中已被数学家研究，同时随着计算机技术的巨大进展，特别是大型并行计算机的开发带来了许多新的可能。
UG的目标是用最新的数学技术，即自适应局部网格加密、多重网格和并行计算，为复杂应用问题的求解提供一个灵活的可再使用的软件基础。
1、零件图
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这个零件图是一支简单的油画笔的外形，由于时间仓促以及实习时间有限，在外型上做了一些省略。造型也比较的简单，在草图中绘制两个半径40与25的圆形，然后点击“完成草图”，对两个圆形经行拉伸，长度分别为800与50，最后再设置倒角即可。
2、凹模
UG的模具成型非常强大，本人也比较喜欢其智能以及全能的功能。本来以为可以很轻松的完成凹模以及凸模的外形的，无奈时间仓促加之没有高手在旁边指导，熬夜未果后只能向班长求助。虽然最后设计出来的模具与我想象的想去甚远，但是这也是本人尽力之后的成果。（未能第一时间上交作业也是无奈之举）
3、凸模
三、模具CAE（ANSYS模具结构分析）
步骤：
3.1进入ANSYS
3.2设置计算类型
ANSYS Main Menu: Preferences… →select Structural → OK
3.3选择单元类型
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add →select Solid Quad brouw 8node 45 →OK (back to Element Types window) → Options… →select K3: Axisymmetric →OK→Close (the Element Type window)
3.4定义材料参数
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Linear →Elastic →Isotropic →input EX:2.1e11, PRXY:0.3 → OK
3.5生成几何模型
用ANSYS导入功能，直接导入已存的*igs格式文件，导入后如图显示
3.6网格划分
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Meshing →Mesh Tool→(Size Controls)Areas set:拾取面→OK→ back to the mesh tool window)Mesh: Areas, Shape: Quad, Mapped →Mesh →Pick All (in Picking Menu) → Close( the Mesh Tool window)划分后如图
3.7 模型施加约束
* 施加约束
ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Displacement→On Areas→拾取约束面Lab2: 各个方向 → OK
* 施加分布载荷
ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Pressure →On Areas →拾取小圆弧面；OK →input VALUE:3000 →OK
效果图如下
3.8 分析计算
ANSYS Main Menu: Solution →Solve →Current LS →OK(to close the solve Current Load Step window) →OK
1.9 结果显示
ANSYS Main Menu: General Postproc →Plot Results →Deformed Shape… → select Def + Undeformed →OK (back to Plot Results window) →Contour Plot →Nodal Solu… →select: DOF solution, UX,UY, Def + Undeformed , Stress ,SX,SY,SZ,Def + Undeformed→OK
显示的综合变形云图与等效应力均布图如下
1.10 退出系统
ANSYS Utility Menu: File→ Exit…→ Save Everything→OK
ANSYS这款软件是一款纯英文软件，虽然能够用他进行简单的网格划分和应力分析等，但是还有很多不明白的地方，而且有很多的参数没有进行更改与设置，希望能够借这次机会入门后能够在业余时间多多熟悉，更加了解这款软件。
四、模具CAM（Mastercam模具的制造）
Mastercam不但具有强大稳定的造型功能，可设计出复杂的曲线、曲面零件，而且具有强大的曲面粗加工及灵活的曲面精加工功能。其可靠刀具路径效验功能使Mastercam可模拟零件加工的整个过程，模拟中不但能显示刀具和夹具，还能检查出刀具和夹具与被加工零件的干涉、碰撞情况，真实反映加工过程中的实际情况，不愧为一优秀的CAD/CAM软件。同时Mastercam对系统运行环境要求较低，使用户无论是在造型设计、CNC铣床、CNC车床或CNC线切割等加工操作中，都能获得最佳效果
Mastercam软件已被广泛的应用于通用机械、航空、船舶、军工等行业的设计与NC加工，从80年代末起，我国就引进了这一款著名的CAD/CAM软件，为我国的制造业迅速崛起作出了巨大贡献。
首先需要说明的就是：Mastercam不能直接导入UG等CAD软件的程序，需要转换成IGS的格式才可以成功导入。如图9所示就是本人在UG上转换成IGS后成功导入的图形。
导入之后就可以选择机床类型：如图10。在这里我们选择第一个选项：“系统默认”。接下来就是选择刀具路径，根据需要本人选择是第三个选项:“挖槽刀路径”，然后对刀具的各个参数进行设置，详情见图11与图12
很多数据与参数在实际情况与需要更改，各位在对该软件有了更加深刻的理解之后就可以更加随心所欲的完成自己的工作，在这里由于本人能力有限就不多加以介绍，只是希望同学们能够自行摸索，发现其中的奥秘与乐趣。最后附上刀具的轨迹图：图14
五、
实习总结
这次实习，在老师和同学的共同帮助下愉快的结束了。它不仅加深同学与老师的了解，还学到了好多现代化的东西，让我受益匪浅！感谢老师这一周来的悉心指导！
这一周我们实习了《CAD/CAM软件实践》，又学到了很多东西，而且感到非常有趣，同时感到这一软件给我们模具设计上带来的方便与快捷，我们主要学习模具的设计和制造过程。而且通过这一周的学习我们可以轻松的完成一个零件加工的计划任务。
通过本次的CAD/CAM实习，我初步掌握了UG、ANSYS以及Mastercam软件的使用方法，它们很有用的软件，对我们以后的工作很有帮助。在这次实习之次很好的实践机会。在练习中遇到的问题做了总结，能够熟练地画出2D图，对于在绘图过程中出现的错误，有了许多经验，能够很快地找出解决，并且在平时的时间里我也在不断的练习,也想同学请教了很多次，为下一步自己能够熟练的掌握这个软件做好了准备。在练习过程中，我感觉到学习一种技术，不仅需要掌握相关的知识，还需要冷静的头脑，遇到问题能够分析解决，不能自乱阵脚。
这次实习让我懂得，做技术活的我要通过不断地学习锻炼自己心态。另外通过学习，我对自己的专业又有了不少的兴趣，我觉得要想学好UG等也不是一两天是事，那也是一个不断学习，不断探索的过程，许多细节问题不经过专业的学习和磨练还是不行的，不过我相信，在我以后运用的过程中我的水平还会有进一步的提高。虽然实习结束了，但是我会在课余时间坚持练软件，争取能够早日熟练的掌握这个软件，为以后的工作早做准备。
现在的我又多了一份自信与自豪感，因为这周实习过的充实而又有意义！在此，我真诚地向耐心指导我们的老师道一声：您辛苦了！
六、参考文献
［1］朱天明主编 专业色彩搭配图典[M] 化学工业出版社
［2］韩鸿鸾主编 数控铣工加工中心操作[M] 机械工业出版社
［3］陈宏钧主编 典型零件机械加工生产实例[M] 机械工业出版社
［4］徐衡主编 FANUC系统数控铣床和加工中心培训教程[M] 化学工业出版社
［5］刘新佳主编 切削加工简明适用手册零点工作室[M] 化学工业出版社
［6］刘新佳主编 切削加工简明适用手册零点工作室[M] 化学工业出版社