在塑料模具设计中CAD／CAM／CAE的应用

一、前言

    塑料产品从设计到成型生产是一个十分复杂的过程，它包括塑料制品设计、模具结构设计、模具加工制造和模塑生产等几个主要方面，它需要产品设计师、模具设计师、模具加工工艺师及熟练操作工人协同努力来完成，它是一个设计、修改、再设计的反复迭代、不断优化的过程。传统的手工设计、制造已越来越难以满足市场激烈竞争的需要。计算机技术的运用，正在各方面取代传统的手工设计方式，并取得了显著的经济效益。塑料模具CAD集成技术是一项先进的模具制造技术，它的制造包括塑料产品的造型设计、模具的结构设计及分析、模具的数控加工、抛光和配试模以及快速成形制造等，各个环节所涉及的CAD单元技术又包括产品外形的快速反求、结构分析与优化设计、辅助制造、加工过程虚拟仿真、产品及模具的快速成形、辅助工艺过程和产品数据管理技术等。塑料模具CAD集成技术，就是把塑料模具在制造过程中所涉及的各项单元技术集成起来，统一数据库和文件传输格式，实现信息集成和数据资源共享，从而大大缩短模具设计的制造周期，提高制模质量。

二、塑料制品及模具结构设计

    进行塑料模具设计制造的第一步是塑料产品的设计。现代设计方法是设计者在电脑上直接建立产品的三维模型，根据产品的三维模型进行模具结构设计及优化设计，再根据模具结构设计三维模型进行加工编程及编制工艺计划。而商品化三维CAD造型软件如Pro／Engineer、UG、CATIA等为设计师提供了方便的设计平台，其强大的曲面造型和编辑修改功能以及逼真的显示效果使设计者可以运用自如地表现自己的设计意图，真正做到所想即所得，而且制品的质量、体积等各种物理参数一并计算保存，为后续的模具设计和分析打下良好的基础。同时，这些软件都有专门的注塑模具设计模块，提供方便的模具分型面定义工具，使得复杂的成型零件都能自动生成，而且标准模架库、典型结构及标准零件库品种齐全，调用简单，添加方便，这些功能大大缩短了模具设计时间。这种方法使产品模型、模具结构、加工编程及工艺设计都以3D数据为基础，实现数据共享，不仅能快速提高设计效率，还能保证质量，降低成本。同时，还提供模具开合模运动仿真功能，这样就保证了模具结构设计的合理性。三维造型设计是对数字化产品的真实形状设计它完全表达了产品能够进一步为模具设计、分析和加工提供数学模型；空间自由造型设计是产品外形的艺术设计，使产品不仅是功能产品，也是艺术品：产品的外观渲染是产品的效果设计，使产品更加美观、颜色更能迎合人们的需求；产品的动态广告设计是将产品设计的结果直接制作成宜传广告，进行市场推广。利用实物测量进行快速反求建模是目前研究的热点之一，它是在产品仿型基础上进行产品修改设计的重要技术，它通过三坐标测量机和激光测量机对实物进行扫描，把测量所获得的数字化的大量数据点送人高级CAD软件的反求模块或专用的反求软件中，反求软件可直接读取点数据群，并对点数据群进行编辑、过滤、整理、求精、排序、局部修改与重组，然后自动生成曲面，最终获得同实物一致的或经改造的电脑塑件模型。

三、模具的设计与分析

    CAD对模具的设计与分析，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、塑料充填过程分析等几个方面。利用先进的特征造型软件，如，PRO-E和UG等很容易地确定分型面，生成上下模腔和模芯，再进行流道、浇口以及冷却水管的布置等。确定了这些设计数据以后，再利用MOLDFLOW和MOULDEX-3D软件进行塑料的成形过程分析。根据MOLDFOLM软件和它的丰富材料、工艺数据库，通过输人成形工艺参数，模拟塑料熔体在模具模腔中的流动、保压、冷却过程，可动态仿真地分析塑料在注塑模腔内的注射过程、分析温度压力变化情况、分析注塑件残余应力等，并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，出现流道和浇口位置尺寸不当，无法平衡充满型腔；是否存在产品结构不合理或模具结构不合理，出现产品充不满(即短射现象)；是否冷却不均匀，影响生产效率和产品质量；是否存在注塑工艺不对，出现产品的翘曲变形等。模具通过CAD的分析，就可以将错误消除在设计阶段，提高一次试模成功率。

    在塑料模具设计和分析这一阶段应用了许多新的电脑辅助技术，如参数化技术、特征造型技术和数据库技术等。塑料模具中有许多标准件，如，标准模架、顶出机构、浇注系统和冷却系统等都可以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，这样既可以实现数据共享，又可以满足用户对设计的随时修改，使模具的设计分析快速、准确和高效。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，也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。因此，参数化特征造型技术是模具制造过程中最重要的技术之一。

四、结束语

    目前，塑料模具的设计和制造一般采用通用机械的CAD或CAM软件与专用塑料模CAE软件相结合。现在，面临的一个课题是开发与推广专用模具CAD软件。CAE软件只能在设定条件下对塑料成型过程进行模拟分析，还不能对分析结果进行优化，更不能对设计过程做指导。总之，集成专用的塑料模具CAD或CAE软件，提高其智能化程度，是塑料模CAD或CAE技术发展的趋势。随着市场的国际化，竞争将愈演愈烈，短周期、高质量、长寿命的模具是模具行业和用户的追求，这必将使模具CAD/CAE／CAM技术全面深入地应用于模具行业中，同时与并行工程、精益生产、敏捷制造等多种生产模式的结合日益密切，最终使模具行业发生重大变革。