CAD／CAE／CAM技术在现代塑料模设计制造中的应用

1引言

    塑料工业近20年来发展十分迅速，早在十多年前塑料的年产量按体积计算已经超过钢铁和有色金属年产量的总和，塑料制品在汽车、机电、仪表、航天航空等国家支柱产业及与人民日常生活相关的各个领域中得到了广泛地应用。相应地，塑料模具在整个模具行业占有很重要的地位。根据国内外模具市场的发展状况，有关专家预测，未来我国的模具业经过行业调整后。塑料模具的比例将不断增大。

    近年来，塑料模具的设计与制造技术得到很快发展，特别是计算机技术的飞速发展及其在塑料模设计与制造中的应用，彻底改变了传统的模具设计与制造方式，使塑料模技术得到了飞跃性的发展。在现代塑料模具设计与制造中，CAD是利用计算机对模具进行几何设计、实体建模、绘图等；CAE是利用计算机进行数值模拟分析计算进而评估和分析模型，从而对模具模型进行优化；CAM指设计的模具模型在经过CAE评估分析及优化后，最终进行加工刀具轨迹生成与仿真，产生数控加工代码，从而控制数控机床进行加工。现代塑料模具设计的思路是设计者在电脑上直接建立产品的三维模型，并根据模型进行模具结构设计、分析及优化，再根据模具结构设计三维模型进行NC编程，从而加工出模具。这种方法使产品模型设计、模具结构设计、模具结构分析、工艺设计及加工编程都以3D数据为基础，实现数据共享，不仅能大幅度提高设计效率，且能保证质量，降低成本。下面主要介绍CAD／CAE／CAM技术在现代塑料模中的应用及发展，并简要介绍并行工程、逆向工程和知识工程在塑料模中的应用。

2 CAD／CAE／CAM在塑料模设计制造中的应用

    2．1 CAD技术与塑料模设计

    塑料模设计制造的第一步是塑料产品设计，设计者先在电脑上直接建立产品的三维模型，再根据产品的三维模型进行模具结构设计及优化设计。三维CAD造型软件如Pro/E、UG、CATIA等为设计师提供了方便的设计平台，它们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，这些软件还有专门的设计模块，提供模具分型面工具，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。下面以三维软件Pro／E为例，简要介绍三维CAD造型软件在塑料模设计中的应用。

    Pro／E是一参数化的、基于特征的实体模型设计软件。其强大和独特的功能主要表现在参数方法和基于特征的功能，其独特的数据结构提供了从产品设计到制造过程的全相关性，任何一处的修改都会引起其他有关地方的自动修改。Pro／E具有零件模块、装配模块、制造模块，模具设计模块等80个专用模块，其中Pro／MOLDESIGN模块的出现使PTC彻底完成了塑料模的设计自动化，大大提高了模具设计的效率。

    Pro／MOLDESIGN是Pro／E系统中的一个选择性模块，提供了方便实用的三维环境下模具设计与分析工具。利用这些工具，可以由制品的三维实体模型建立起模具装配模型，设计分型面、浇注系统及冷却系统。生成模具模型零件的三维实体模型，从而方便、正确地完成模具核心部分的设计工作。利用Pro／E系统的布局及装配模块，还可以进行模具的顶出系统和三维总装配设计，并最终利用工程模块生成二维工程图。Pro／MOLDESIGN模块还提供了一些模具设计过程中非常实用的分析检测功能，其中包括脱模检测、厚度检测、分型面检测、投影面积计算、充模仿真、开模仿真等。在模具设计过程中适当地利用这些分析检测功能，可以使模具设计更合理、准确，且能避免设计中不必要的重复劳动。

    2．2 CAE技术与塑料模设计

    传统的模具设计主要依靠设计人员的直觉和经验，模具设计加工完后往往需要经过反复调试与修正才能正式投入生产。试模发现问题后，不仅要重新调整工艺参数，甚至要修改塑料制品和模具结构，这种生产方式严重制约了新产品的开发效率。在现代模具设计技术中，CAE技术彻底克服了这一问题。例如，Moldflow、Polyflow等CAE软件可以在模具制造前对模具设计的效果进行分析和预测。

    在注射模设计过程中利用模拟流动分析软件Moldflow提前对模具的设计效果进行分析和预测，其内容包括确定最佳浇口位置、填充、保压、冷却、翘曲、结构应力、最佳成型工艺等。通过分析．在设计阶段就预测产品可能出现的缺陷，指导模具设计师对已设计的模型进行修改和优化，从而提高一次试模的成功率，降低生产成本，缩短产品的开发周期。

    在挤出模设计过程中可利用Polyflow指导模具的优化设计。例如，利用Polyflow分析不同工艺条件下的挤出成型效果，以此来确定挤出的最优条件；可根据挤出制品的形状，利用Polyflow进行口模设计等。此软件的应用领域包括从板材、管材、异型材的挤出模拟，到双层复合挤出和双螺杆挤出模拟等许多方面。

    在设计塑料模过程中，除了用CAE进行模拟流动分析外，为了获得高准确度的分析结果，还应充分考虑模具使用过程中的实际情况，同时进行其他的校正分析，使模具设计更具有实际意义和参考价值。例如在设计注射模的过程中，除了利用Moldflow对塑料熔体的流动过程及其产生的结果进行比较充分的考虑和模拟来选择最佳的设计方案外，还应考虑在实际充模过程中，模具本身由于受到注射过程中压力的影响而发生变形，特别是型腔和型芯的变化，会对塑件的形状造成很大影响，关系到塑件是否能满足其尺寸精度和技术要求。所以，很有必要对注射过程中模具的变化进行全面分析，尽可能使分析结果与实际情况更加吻合。模具本身的这种变形分析不可能用一般注射模CAE软件来分析，但可进行常用的结构分析。因此注射模设计的全面CAE分析除了需要一般注射模CAE软件外，还需其他优秀的结构分析软件，如Ansys等。将结构分析软件引入模具CAE中，会使注射模设计的CAE具有更高的可行性、有效性、真实性，也才会使注射模设计CAE具有更大的价值。

    2．3 CAD／CAE技术与塑料模结构分析

    随着实际生产的需要和模具设计技术的发展，模具设计已经不仅仅停留在对外观和结构的设计上。现代塑料模具技术已经扩展到对模具结构分析的领域。对已经设计出的模具运用CAE软件(尤其是有限元软件)进行强度、刚度、抗冲击试验模拟、跌落试验模拟、散热能力、疲劳和蠕变等分析。检验模具结构设计是否合理，分析出结构不合理的原因和位置。然后在CAD软件中进行相应修改，再在CAE软件中进行各种性能检测，最终确定出符合性能、经济性等方面要求的、最优化的模具产品。

    利用CAE分析软件对塑料模结构分析的主要应用在以下几方面：①强度和刚度分析。运用CAE软件如Ansys、Ddoml等对模具施加约束和载荷等外部条件来模拟模具的真实应用情况，分析模具的强度和刚度是否达到规定要求。②抗冲击试验模拟。分析随时间变化的载荷，如交变载荷、随机载荷和其他瞬态力等对结构的影响，从而对模具结构提供完整的评估与解决方案。③跌落试验模拟。分析模具结构由于碰撞或跌落产生的力、变形、应力、位移等对模具结构的影响。④散热能力分析。模拟模具中的温度分布，对各种材质模具的散热能力进行初步分析。⑤疲劳和蠕变分析。对于那些可能在集中载荷、循环载荷和常值位移作用下的模具或处于低温或者高温工作条件的模具产品进行初步的疲劳分析和蠕变分析。

    通过对CAD／CAE技术在塑料模设计中应用的分析，可以得到现代塑料模设计的大致流程：①用三维软件对产品进行实体造型，其中如有需要可以利用CAE软件(如Ansys)对塑件产品的使用环境和情况进行强度、刚度等方面的分析和校正，使之满足使用要求或节约原材料(CAD／CAE)；②根据选用塑料的相关数据进行模拟流动分析(CAE)；③根据模拟流动分析结果，利用三维软件在塑件实体模型的基础上进行模具设计(CAD)；④利用CAE软件，如Ansys,对模具结构进行强度刚度等方面的分析(CAE)；⑤根据CAE的优化结果，利用CAD修改产品或模具几何实体模型，直至获得最优化的模具结构；⑥最后生成二维工程图。

    2．4 CAM技术与塑料模制造

    模具结构通过CAD／CAE阶段的优化设计和分析，将模具设计的错误消除在设计阶段，然后再利用CAM技术，自动生成加工模具型腔的NC代码，实现数字化制造。例如，在利用Pro／E进行注射模设计时，将设计的注射模模型经过CAE评估分析及优化后，最终在CAM中进行刀具轨迹生成与仿真，产生数控加工代码，从而控制数控机床进行加工。这种方法使产品造型设计、模具设计、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，而且能保证质量，降低成本。

    另外，也可以采用专业的CAM软件MasterCAM来实现注射模的(蝴。利用Pro／E设计的注射模模型经过CAE评估分析及优化后，便可在PIo／E中提取相关加工信息，通过IGES或DXF传入MasterCAM软件中进行模拟加工。MasterCAM是数控加工自动编程常用的软件，它提供刀具选择、加工路径规划、切削用量设定等功能，设置有关参数，编辑好后处理文件，就可以自动生成加工程序并传输至数控机床。最终完成零件的加工。

    现代模具制造的必然趋势是机械加工尽可能地取代手加工。目前数控车床、多轴联动数控机床、模具雕刻机等现代设备已在工厂中广泛使用。这些设备大部分所用的程序都是应用CAD／CAE／CAM系统产生的。操作人员按照规定的程序装夹工件、配备刀具和操作机床，就能自动地完成加工任务，将合格的模具零件制造出来。CAM技术使得数控加工技术快速发展，也促进模具技术迅速发展。与传统加工方法相比，CAM具有准确、快速、简便的优势，给人们带来极大的方便，省去了代码编辑、调试等繁琐的工作。

    采用模具CAD／CAE／CAM技术具有提高模具产品设计质量，缩短模具设计、制造周期，提高塑料制品质量。降低成本等优点，是塑料模设计和制造技术发展的必然方向。分页3并行工程在现代塑料模设计制造中的应用

    随着全球经济一体化的发展，各企业间的竞争日益激烈，而其竞争逐渐趋向于产品设计制造周期、产品质量、生产成本、客户服务等方向，即TQCS(time，quality，cost，service)之间的竞争。并行工程(concurrent engineering CE)正是基于此而产生和发展起来的。它是以计算机技术、信息技术为基础，通过集成企业的一切资源，并行化进行产品开发制造。是一种以动态优化方式处理问题的系统工程方法。并行工程的具体做法是：在产品开发初期，组织多种职能协同工作的项目组，使有关人员从一开始就获得对新产品需求的要求和信息，积极研究涉及本部门的工作业务，并将所需要求提供给设计人员，使许多问题在开发早期就得到解决，从而保证了设计质量，避免了大量的返工浪费。

    模具产品的设计不同于普通产品，它的主要特点是：设计过程复杂，信息含量大，设计因素众多，专业分工细致，计算、分析过程繁琐，制造资源要求高。另外，现代模具设计制造技术依赖于快速发展的计算机技术，CAD、CAE、CAM和PDM的高度集成，使模具设计制造向数字化与智能化方向发展。利用计算机技术实施实体建模、优化、仿真、虚拟制造、原型制造等，不但提高了设计效率，同时也保证了更高的设计质量。相应地，由此决定的模具设计与制造是一个复杂的过程，需要多部门的人员共同参与和协同工作，因此进行模具产品的协同设计研究有着广泛的实用价值 。

    模具设计制造过程中应用并行工程技术，在产品的研发设计初期就由相关应用部门介入，使设计、工艺、制造、装配、销售、维护等多部门人员直接参与，并由多部门人员共同组成产品开发小组，这样不仅可以降低成本，还可以大大缩短产品开发周期，改善产品质量。基于并行工程的模具设计流程如图1所示。模具整体设计和制造过程的各个环节是相互关联、相互依赖的，这就要求在总体设计时，充分考虑模具结构设计、零部件加工工艺等诸多因素，因此有必要建立模具设计并行工作小组(由设计、工艺、加工等人员组成)，研究、讨论、制定小组的工作目标。并行工程应用于注射模设计的示意图如图2所示。

图1基于并行工程的模具设计流程

图2注射模并行设计系统

    应用在模具设计和制造中的并行工程强调以产品为中心，以市场为导向的快速开发机制，在团体式的协作工作中，及时沟通产品生产厂、模具设计者和模具制造厂之间的信息，强调设计过程中的实时性和并行性，通过组建动态联盟和合理的协同工作环境，在计算机高速信息网络技术的支持下，实现人力、物力资源的集成和信息的共享，从而把模具设计和制造带入一个全新的、快速发展的阶段。

4逆向工程在现代塑料模设计制造中的应用

    在塑料模具市场竞争日益激烈、新产品层出不穷、技术含量不断提高、产品市场寿命和制造周期不断缩短的今天，要求模具企业既要具有快速开发产品的能力，又要具备创新设计的能力。基于此，近年来一些企业逐步开始采用逆向工程技术来模仿、借鉴以及消化吸收国内外其他同类产品的先进设计，开发自己的产品。逆向工程(reverse engineering，RE)是指在无图纸或者图纸不完整以及无CAD模型的情况下，根据现有实物或概念模型，利用各种数字化技术及CAD技术，重新构造原型CAD模型的过程。相对于传统的正向工程的设计思路，逆向工程有以下特点：①可以较快捷地对实物进行克隆、再设计或者设计出与实物相匹配的产品；②基于已有实物进行产品开发，可以提高研发成功率；③不需要从零开始进行CAD建模，可以大大缩短产品的设计周期，特别是对于大型、结构复杂和精密的产品设计而言，效率会提高更多。

    逆向工程技术主要包括数据采集、数据处理、造型以及快速制造等，大致分为两步。第一步就是运用各种手段，采集实物模型的有关数据。其测量方法主要有2种：一是传统的接触式测量法，如三坐标仪测量法；二是非接触式测量法，如投影光栅法、激光三角形法。第二步就是模型重建，常用造型软件大致可以分为两大类：一是专用的逆向软件，如美国Imageware公司的Surface等。二是提供逆向处理模块的正向CAD／CAM／CAE软件，如PTC公司的Pro／Scan-tools模块，EDS公司的UG／Point Cloud功能模块等。

    逆向工程是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术，该技术已经广泛应用到新产品的开发、旧零件的还原以及产品的检测中，它不仅消化和吸收实物原型，并且能修改再设计以制造出新的产品。逆向工程由于其开发产品的快速性，已经被广泛应用在模具行业。逆向工程可以极大地缩短新产品的开发周期，提高产品的设计和制造质量，增强企业对市场的快速响应能力。分页5知识工程在现代塑料模设计中的应用

    模具在现代产品制造中起着越来越重要的作用，而模具设计是一项对经验知识要求较高的工作，一个好的模具设计人员需通过长期的实践和学习来积累相关的设计经验、技巧、方法乃至失败的教训。为了帮助模具设计人员快速、高效地完成模具设计工作，减少人为的设计失误，国内外的研究
人员把知识工程(knowledge based engineering，KBE)引入到模具设计中，通过建立基于知识的智能模型，用计算机模拟人类专家的智能活动，辅助模具设计人员进行分析、判断和决策，以实现设计过程的智能化、数字化，达到缩短企业对市场需求的响应时间，增强企业市场竞争能力的目的。在工程设计领域。知识工程将人工智能(包括知识库、知识规则、逻辑推理等)与CAX系统(CAD、CAE、CAM)有机地结合起来，使其应用对象从几何造型、分析、制造扩展到设计领域，形成了工程设计与CAX系统的无缝连接。

    注射模设计是一项复杂的知识密集型工作，将知识工程的相关技术与注射模设计结合起来，构成智能化的设计和决策体系，从整体上提高注射模的水平是模具行业计算机应用发展的重要方向之一。近年来，研究注射模设计单元技术与知识工程相结合的成果越来越多，包括型腔与分型面设计，智能化顶出机构设计等。

    基于实例推理的模具设计技术(case-based reasoning，CBR)是知识工程在模具设计中一个重要应用。戚占龙介绍了一种基于实例推理技术的模具设计方法,通过状态空间法表示了设计实例，阐述了基于相似度理论的最近邻居算法检索策略，能够对实例库中的实例进行检索，并以凸模零件为例对所讲述的方法及技术进行了说明，结果表明，实例推理技术的应用可以提高模具的设计效率。杨化林研究了基于统一的产品数据管理环境下的注射模辅助设计系统,在对范例推理中求解相似度的最近邻法应用的基础上，提出了对该算法进行改进的属性权重调整、过滤机制等优化算法，达到良好效果。

    知识工程在现代塑料模设计中的应用是将知识工程思想、数据库技术、推理技术应用于工程设计，建立基于统一的产品数据管理环境下的注射模辅助设计系统，从而提高了模具设计过程中从选材、制品结构工艺设计、模具设计到协同设计管理的一体化和模具零件的系列化、标准化水平，使模具设计制造企业提高设计效率和产品质量，有助于增强企业竞争力，这也是现代模具企业模具设计和制造的趋势之一。

6结束语

    随着塑料模具在模具行业中的比例不断增大，塑料模具的发展步伐日益加快，但我国模具设计制造水平和标准化程度与发达国家相比还存在相当大的差距。为了缩小技术差距，我国的塑料模具应继续朝着信息化、数字化、精细化、高速化、自动化方向发展。塑料模具行业应不断开发和推广应用CAD／CAE／CAM技术，并大力研究并行工程、逆向工程、知识工程等在塑料模设计与制造中的应用，从而推动我国塑料模具技术快速发展。