在现代塑料模设计制造中CAD／CAE／CAM技术的应用

　　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。