对虚拟制造技术进行探讨，并对其在模具设计制造中的应用进行了系统的分析，实现了试制样品前的设计检查、主模型建立、数控加工仿真及程序优化。
制造是产品制造周期中相当重要的一个环节，是产品功能实现的主要过程。传统产品开发过程中，对产品制造性能的分析和评价通常是借助于实物模型来完成的。这样既费时、费力、准确性差，又不能及时、方便修改，并造成了财力和物力的浪费，延长了产品的设计制造过程。
虚拟制造无需产品或支撑过程的物理实现，只需通过分析、建模、可视化、数据表达和参数化制造等手段，利用计算机工具来安排或辅助与制造有关的工程决策。虚拟制造是利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动，或想象中的人、物、信息及制造过程进行全面仿真的一种先进制造技术。通过虚拟制造发现制造中潜在的问题，在产品实际生产前就采取预防措施，达到产品一次性制造成功的目标，从而降低成本，缩短产品开发周期，增强产品的竞争力。
虚拟制造系统基本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是在计算机上模拟现实中产品的设计、开发与制造过程。本文围绕新产品开发过程中的各种技术和制造方面的问题，主要讨论了在虚拟产品开发中虚拟制造技术的应用过程。
1 虚拟主模型的建立
虚拟环境下的主模型是一个核心，能以此为中心通向设计、制造和生产管理等各个环节，并为其提供服务。主模型具有统一的数据结构和分布或管理系统，它是一个可视化的数字产品模型，具有所代表的对象所具有的各种性能和特征，并能并行地处理设计分析、加工制造、生产组织与调度等各种生产环节所面临的诸多问题。
1.1 零件模型的建立
模型的建立平台选择的是Pro/ENGINEER系统。以设计手机上壳为设计对象。构建的零件三维模型如图1所示。
1.2 模具上、下模型腔的生成
设计零件是“模具”参照零件的源。设计零件与参照零件间的关系取决于创建参照零件时所用的方法。
装配参照零件时，可将设计零件几何复制(通过参照合并)到参照零件。这种情况下，可将收缩应用到参照零件，创建拔模、倒圆角和应用其他特征，所有这些改变都不会影响设计模型。但是，设计模型中的所有改变会自动在参照零件中反映出来。
当在“模具”中工作时，使用参照模型的几何参数可设置设计模型与模具之间的参数关系。由于设定了这种关系，改变设计模型时，任何相关的模具可铸造元件都会被更新，以反映所做的改变。在此模块下生成零件phone．prt的凹、凸模型腔分别如图2、3所示。
图1 零件模型
图2 凹模 图3 凸模
2 板型型腔的虚拟制造
2.1 数控程序优化及高速铣削策略
为使铣削加工顺利完成，在使用Master CAM软件编程时主要应该考虑以下几方面的因素：
1)保持恒定的切削载荷
保持恒定的切削载荷可以使切削刀具及工件承受稳定的切削力，不仅保护了刀具，同时也提高了工件的表面质量。
2)严格控制残留高度
高速铣削加工中精加工前要严格控制残留高度的大小和均匀程度。为此，实际编程时不仅要灵活地定义切人深度、侧向步距，保证切削量的恒定，更为重要的是要根据不同区域采用不同的加工策略—叫对零件的不同区域特点，采取不同的加工方法，保证加工轨迹的一致性，实现零件表面的质量最优化。
3)恒定的切削条件、合适的进退刀方式及尽量减少刀具的切入次数等
采用顺铣方式，实现恒定的切削条件，产生较少的切削热，降低刀具载荷，减少消除工件硬化。得到更好的表面质量。对于开式轮廓的型腔区域，选用外部进刀，而封闭轮廓区域选用斜向或螺旋进刀方式，在局部区域切入，避免钻铣”式切入工件表面，减少机床、刀具震动。
为尽量减少刀具的切入次数，可采用回路、单一路径切削，减少切入次数，获得相对稳定的切削过程。
4)尽量减少刀具的急速转向
在层问、同一层内行问采用圆弧或样条线等到光滑曲线作为刀路轨迹的过渡连接，避免尖角出现在刀路轨迹中，尽可能减少加速度的突变，得到接近恒定的进给速度，既减少机床的振动，又防止破坏工件表面。在两层之间的加工最好用螺旋下刀的方式。
5)自动进行干涉保护检查
为了安全和精度，自动进行干涉保护检查是非常重要的。因为在高速加工的前提下干涉将破坏工件和毁坏刀具。
6)充分利用刀具路径的仿真功能
刀具路径的仿真功能也是很重要的，在加工程序进入加工车间之前，允许编程者检查程序。
Master CAM有可能的刀具路径校验功能。可模拟切削零件的整个过程。模拟中不但能显示刀具和夹具，还能检查刀具和夹具与被加工零件的干涉、碰撞情况。另外，通过走刀模拟，还可以估算出零件加工所需的时间。对于2D刀路径，Master CAM还能提供更准确、直观的校验。
7)优化程序
优化程序是很有用的，能够保持恒定的最大安全速度，并且在指定的轮廓裁剪刀路轨迹。有时，刀具路径中会有多条极短的直线，比如走刀指令(G01)，或有重复的直线走刀指令。在保证编程精度的前提下，Master CAM的程序优化器(Filter)会自动把这些指令转化为一条直线指令，或一条圆弧指令，大大减小了程序的长度。
2.2 虚拟数控加工
通过仿真提供的虚拟环境可以完成以前需要强大硬件支持的实验，不仅大大节约了成本：而且缩短了产品的设计和分析周期，提高了工件效率。
该注射模高速数控铣加工实例：模具材料40Cr，模具表面粗糙度要求：Ra0.4μm，材料硬度35HRC。在高速数控加工中心上进行粗加工、半精加工和精加工。
如图4(a)所示为Master CAM平台下，对注射模进行高速数控切削加工的刀具轨迹与仿真加工示意图。通过高速数控加工，不仅提高了模具制造精度，而且缩短了制造周期，大大提高了生产效率。
由Por/E生成的phone．prt上、下模型腔通过保存零件曲面副本为IGES文件，然后在Master CAM中读取该文件。经过一些参数的设置，就可以生成型腔的数控加工路径。下面就以凹模的板型虚拟型腔为咧，来说明虚拟加工的结果。如图4所示。
(a)加工路径 (b)粗加工
(c)半精加工 (d)精加工
图4 板型型腔虚拟加工
3 结论
1)随着高速铣削加工技术的不断进步，通过选择合理的加工方法，优化加工参数，可以减少高速铣削加工中对机床、刀具的不利因素，提高机床、刀具的寿命，同时由于软件自身独特的优点，保证了高质量的零件表面，提高了工件的加工效率。
2)虚拟制造技术将从根本上改变传统的产品设计、制造模式。应用虚拟制造技术，人们可以在制造实物前对其性能和可制造性等进行评价，从而达到全局最优，缩短产品设计和制造周期，降低产品开发成本，提供产品快速响应市场变化的能力。
