摘要:模具CAD/CAE/CAM集成技术是一项重要的模具先进制造技术,是一项用高技术改造模具制造技术的重要关键之一。CATIA是由法国Dassault Systems公司开发的CAD/CAM/CAE/PDM应用系统，已广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子电器、消费品等行业，它的集成解决方案覆盖几乎所有的产品设计与制造领域。本文以实例的形式介绍了CATIA在注塑模具产品设计、基于专家系统的模具设计及其数控加工编程过程中涉及的一些关键技术及其应用。
一、CATIA产品与模具设计
1. CATIA模具设计制造工艺流程
CATIA在塑料模具设计和分析阶段充分应用了参数化特征造型技术和数据库技术。塑料模具中的标准件，如标准模架、顶出机构、浇注系统、冷却系统等都采用基于数据库管理的参数化特征造型设计方法进行设计或建立标准件库，以实现数据共享，同时满足用户对设计的随时修改，使模具的设计分析快速、准确、高效。参数化特征造型不仅可以完整地描述产品的几何图形信息，而且可以获得产品的精度、材料及装配等信息，其所建立的产品模型是一种易于处理、能反映设计意图和加工特征的模型。
模具的CAD设计分析，包括根据产品模型进行模具分型面的设计、确定型腔和型芯、模具结构的详细设计、塑料填充过程分析等几个方面。利用CATIA可很容易地确定分型面，生成上下模腔和模芯，进行流道、浇口以及冷却道的布置等。确定了这些设计数据以后，再利用MOLDFLOW、CFLOW等进行塑料的成形过程分析，动态仿真分析塑料在注塑模腔内的注射过程流动情况(含多浇口注射时的塑料汇流纹分析)、分析温度压力变化情况、分析注塑件残余应力等，根据分析情况来检查模具结构的合理性、流动状态的合理性、产品的质量问题等。比如，是否存在浇注系统不合理，而出现流道和浇口位置尺寸不当，无法平衡充满型腔的情况；是否存在产品结构不合理或模具结构不合理，而出现产品充不满（短射）现象；是否有冷却不均匀，而影响生产效率和产品质量；是否存在注塑工艺不妥而出现产品的翘曲变形等。通过CATIA就可以将错误消除在模具设计阶段，提高一次试模成功率。
CATIA注塑模具设计制造工作流程如图1所示。首先根据设计产品进行拔模分析与分型面设计，采用模具设计专家系统建立工程、加载产品、创建调用模架，然后设计导向系统、浇注系统、顶出机构、流道与冷却等辅助部分，进行分模模拟，输出Bom表等。
图1 注塑模具设计制造流程
2. CATIA产品设计与分模设计
从概念设计到详细设计，再到工程图生成，CATIA V5的CAD部分可以加快产品开发的速度。CATIA 的CAD部分包含了草图设计、零件设计、装配设计、焊接设计、模具设计、结构设计、凸凹模设计、钣金设计、复合材料设计、创成式自由曲面设计和工业外观设计等模块。图2为在CATIA环境下设计的手机产品模型、拔模分析与分模面设计示意图。
图2 CATIA产品设计与分模设计
3. CATIA模具设计
模具设计（Mould Tooling Design）是一个管理模具定义的模块。它可与CATIAV5的设计、仿真和制造等模块协同工作，支持包括凸凹模固定板定义、组件实例化、注射和冷却特征定义等模具设计的所有工作。模具设计模块允许快速、经济地创建注塑模具，可以使用下面的标准目录库：DME、DME-AMERICA、EOC、FUTABA、HASCO、MISUMI、NATIONAL、RABOURDIN、STRACK等。CATIA能让注塑模具设计人员创建、修改和分析模具构件，并在模具设计变化时，快速更新它们。CATIA为模具设计人员提供了一个发挥创造性的方便快捷的集成环境，其基于专家系统的模具设计功能组件主要包括以下几个部分。
(1)模架组件（Mold Base）
标准模架包括定模板（Clamping Plate）、上支承板（Upper Bar）、凹模型腔垫板（Cavity Support Plate）、凸模型芯垫板（Core Support Plate）、支承垫板（Riser Bar）、顶杆垫板（Ejection Plate）和动模底座（Setting Plate）等不同系列的标准部件，用户只需对这些设计好的标准件进行细节设计，即可完成产品完整的注塑模具设计工作，这大大降低了模具设计人员的工作量，提高了注塑模具的设计效率和质量。图3是该手机模架的加载界面与加载完成后的示意图。
(2)脱模组件（Ejection Component）
该组件提供了包括顶杆等标准脱模件的设计与定位。
(3)固定组件（Fixed Component）
通过该组件可添加如螺钉、螺杆、螺母等连接件和紧固件的设计。
(4)导向组件（Guide Component）
用于导柱、导套等导向元部件的设计加载功能。
图3 CATIA模架加载调用
(5)浇注组件（Injection Component）
用于设计浇注口、分流道、冷却道等功能设计。
图4 CATIA凸凹模设计
(6)定位组件（Locating Component）
它主要完成添加定位销、衬套等定位组件的功能。
(7)其他组件（Miscellaneous Component）
它提供用户自定义部件，如螺柱、弹簧的设计功能。
(8)明细表（BomReport）
对设计完成后的模具元、部组件进行汇总输出，同时可以网页的形式进行输出。图4和图5分别为手机模具设计完成后的凸凹模以及模具零部件的BOM汇总结果。
图5 CATIA模具设计报表
三、CATIA模具数控铣削加工编程
注塑模具的CAM技术主要应用在数控铣削加工、线切割加工、电火花加工等方面。CAM数控加工技术尤其是在复杂模具的型腔、型芯及电极的铣削加工中起着更加重要的作用。数控编程的主要工作，包括粗精加工刀具轨迹的优化规划、NC指令的产生、刀具种类特性和材料库的建立、切削加工工艺参数的确定、普通切削和高速切削加工特性控制、过切检查与加工表面的精度控制、加工过程的实体仿真切削、数据传输DNC技术等方面的内容。CATIA数控编程有产品三维建模、刀具轨迹设计、刀具轨迹编辑修改、加工仿真、后置处理、二次开发功能接口和数据文件传输交换等几个重要组成部分。
在CAM技术的应用中特别要求CAD三维产品模型数据的正确性。在编制多曲面对象的数控铣削程序时，对曲面模型有较高的要求，如相邻曲面的U、V方向的一致性、曲面与曲面的高精度拟合、曲面斜率连续变化等。CATIA利用了参数化特征造型设计和统一的数据库技术，使得产品模型数据、模具的型腔型芯数据、刀具轨迹数据基于统一的模型，刀具轨迹与产品模型的修改更新自动关联。
模具数控加工实体仿真能直观反映加工后零件的结果，可检查出加工过程中的过切、干涉等错误，把错误消除在加工工艺编程设计阶段，从而减少加工后的修补和返工，大大提高模具的制造效率和质量。CATIA系统提供的混合建模方案和高质量的数控编程功能可保证高模具的设计与数控编程等一次成功。
1. CATIA数控编程的基本流程
CATIA用于产品零件的数控加工，其流程一般如图6所示。首先是调用产品零件、加载毛坯、定义刀具，然后选择加工策略、定义工序、加工的对象来生成相应的加工程式。用户依据加工程式的内容来确立刀具轨迹的生成方式，如加工对象的具体内容、刀具的导动方式、切削步距、主轴转速、进给量、切削角度、进退刀点、干涉面及安全平面等详细内容，生成刀具轨迹，待所有的刀具轨迹设计合格后，进行后处理生成相应数控系统的加工代码，并完成行DNC传输与数控加工。
CATIA的数控编程操作简单，在整个刀具轨迹设计规划过程中，可任意修改加工对象和切削参数等内容。值得注意的是，由于其相关性，在进行刀具轨迹流程设计时，对于加工对象的定义，最好有一个总体的规划。可对刀具轨迹和加工程式进行拷贝、粘贴、删除和隐藏等，还可以对具体的刀具轨迹方案进行编辑和修改，如下刀、转角速度的调整等。系统数控加工编程模块提供了诸如在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况、进行图形化修改等功能，可进行刀位文件复制、编辑、修改，刀具定义，建立床和切削参数数据库等。后处理程序可选用Intelligent Manufacturing Software Inc的IMSPost和ICAM Technologies Corporation的ICAMPost等两种后处理方式，生成数控机床可识别加工的程序代码文件。
图6 CATIA数控编程流程图
2. CATIA刀具轨迹策略与后处理
CATIA系统提供了钻孔、攻丝和镗孔循环等点位加工编程方式，具有多种轮廓加工、等高环切、行切以及岛屿加工平面铣削等编程功能。其提供的3～5坐标复杂曲面多轴联动加工编程功能，具有基于残留毛坯、曲面轮廓、等高分层、环绕等距、曲面流线、角落清根、旋转四轴、五轴底刃侧刃、五轴曲线等多种刀具轨迹控制方式。对于相应的等高分层、曲面粗精加工都具备高速铣削的编程模式。下面介绍其刀具轨迹的主要加工策略。
(1)二维点位和轮廓、挖槽、平面等多种加工功能
系统在这方面提供了诸如平行铣削、环绕、等高、深孔钻削功能，主要用于对开口或封闭的轮廓侧面进行精加工。常用的二维挖槽加工及其高速铣削编程加工的刀具轨迹，如图7所示。
a)内槽环绕铣削
b)曲面平行铣削
c)高速环绕铣削
图7 铣削刀具轨迹策略示意图
a)等距环绕铣削
b)根部清根
c)仿真模拟
图8 薄壁零件铣削加工示意图
(2)对空间曲面的粗精加工
刀具轨迹形式可以曲面流线、平行、等高分层、环绕螺旋、放射状等形式进行曲面加工，主要包括曲面扫描粗加工（Sweep Roughing）、等高分层粗加工（Roughing）、曲面精加工（Sweeping）、轮廓驱动（Contour Driven）曲面粗精铣削、3D模式空间曲面螺旋铣削（Spiral Milling）等。同时具备对曲面之间的相交区域或角落部位进行一次或多次笔式清根加工（Pencil）编程功能。对于空间曲线，可完成3D曲线轮廓（Curve Following）、三维轮廓（Profile Contouring）等加工策略，可进行3～5轴曲线加工。
其三维空间曲面铣削刀具轨迹的控制方式灵活多样，因而轨迹可以根据需要来调整。图8所示的是某薄壁结构产品零件，其加工特征为一空间曲面，且包含众多不同平面的岛屿，这里利用CATIA系统的数控铣削加工编程功能对其编制了高速环绕加工与角落清根的铣削加工程序，并进了加工仿真。
(3)5轴铣削
这里包括变轴扫描（Multi Axis Sweeping）、轮廓变轴驱动（Multi Axis Contour Driven）、曲线5轴驱动（Multi Axis Curve Maching）、5轴侧刃轮廓铣削（Multi Axis Flank Contouring）等多种加工轨迹策略。系统提供的5轴加工的关键刀具轴矢量控制方式，包括点、直线、空间曲线、三维轮廓、曲面法向和曲面法向前后、左右倾斜等方式。如图9、图10所示的分别是常用五轴加工刀具轴矢量控制方式及其轨迹示意图。
a)指向点
b)直线
c)曲线
d)曲面法向
e)刀具轴示意
图9 五轴刀具轴矢量控制
3. CATIA模具数控铣削编程实例
利用CATIA系统的上述数控铣削加工编程功能，用户可以很方便地进行模具凸凹模零件的数控铣削成型的编制工作。图11所示的就是用CATIA生成的手机凹模零件的半精铣和清根加工的刀具轨迹及其仿真加工示意图。
a)曲面法向五轴
b)五轴底刃铣削
c)五轴侧刃铣削
图10 常用五轴加工示意图
a)凹模半精铣
b)区域清根
c)仿真模拟
图11 模具刀具轨迹与仿真示意图
四、结束语
CATIA作为基于自由曲面造型与参数化特征造型，集产品设计、分析、制造与数据管理于一体的CAD/CAM/CAE软件平台的代表，功能十分强大，尤其是其强大的模具制造模块将在模具制造中发挥巨大的作用。CATIA的著名用户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等一大批知名企业，在大型波音747飞机、火箭发动机、小型的化妆品的包装盒等的制造中都可看到CATIA的身影。CATIA在中国也得到了广泛的应用，如一汽集团、一汽大众、沈阳金杯、上海大众、北京吉普、武汉神龙等在内的许多汽车公司，都选用了CATIA作为开发新车型的核心设计软件。本文只是挂一漏万地对其卓越的功能进行了介绍，希望能对想了解CATIA的读者有所帮助。