現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)方法：注塑模部分

1、現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)方法講義現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)方法：注塑模部分（周華民）前言一、教學(xué)內(nèi)容理論課：共6學(xué)時(shí)（3*2），分三講：第一講 注射模CAD/CAE/CAM概述第二講 注射模CAD第三講 注射模CAE實(shí)踐課：CAE軟件的實(shí)際操作應(yīng)用二、考試第一講 注射模CAD/CAE/CAM概述一、注射模的重要性1塑料具有密度小、質(zhì)量輕、比強(qiáng)度大、絕緣性好、介電損耗低、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、成型生產(chǎn)率高和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在國民經(jīng)濟(jì)和人民日常生活的各個(gè)領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用，早在二十世紀(jì)九十年代初，塑料的年產(chǎn)量按體積計(jì)算已經(jīng)超過鋼鐵和有色金屬年產(chǎn)量的總和。在機(jī)電（如所謂的黑色家電）、儀表、化工、汽車和航天航空等領(lǐng)域，塑料已成為

2、金屬的良好代用材料，出現(xiàn)了金屬材料塑料化的趨勢。2以汽車工業(yè)為例，由于汽車輕量化、低能耗的發(fā)展要求，汽車零部件的材料構(gòu)成發(fā)生了明顯的以塑代鋼的變化，目前我國汽車塑料占汽車自重的5%至6%，而國外已達(dá)13%，根據(jù)專家預(yù)測，汽車塑料的單車用量還將會進(jìn)一步增加。在現(xiàn)代車輛上，無論是外裝飾件、內(nèi)裝飾件，還是功能與結(jié)構(gòu)件，都可以采用塑料材料，外裝飾件有保險(xiǎn)杠、擋泥板、車輪罩、導(dǎo)流板等；內(nèi)裝飾件有儀表板、車門內(nèi)板、副儀表板、雜物箱蓋、座椅、后護(hù)板等；功能與結(jié)構(gòu)件有油箱、散熱器水室、空濾器罩、風(fēng)扇葉片等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國2000年汽車產(chǎn)量200多萬輛，車用塑料達(dá)138萬噸。從國內(nèi)外汽車塑料應(yīng)用的情況看，汽車塑料

3、的用量現(xiàn)已成為衡量汽車生產(chǎn)技術(shù)水平的標(biāo)志之一。3作為塑料制件最有效的成型方法之一的注塑成型由于可以一次成型各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精密和帶有金屬嵌件的制品，并且成型周期短，可以一模多腔，生產(chǎn)率高，大批生產(chǎn)時(shí)成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，因此在塑料加工行業(yè)中占有非常重要的地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，塑料模具約占所有模具（包括金屬模）的38.2%，塑料制品總重量的大約32%是用于注射成型的，80%以上的工程塑料制品都要采用注射成型方式生產(chǎn)。4根據(jù)海關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國2000年共進(jìn)口模具9.77億美元，其中塑膠模具共5.5億美元，占56.3%，2001年共進(jìn)口模具11.12億美元，其中塑膠模具共6.16億美元，占55.4%。

4、從品種上來說，進(jìn)口量最大的是塑膠模具。二、采用CAX技術(shù)的必要性1傳統(tǒng)的塑料注射成型開發(fā)方法主要是嘗試法，依據(jù)設(shè)計(jì)者有限的經(jīng)驗(yàn)和比較簡單的計(jì)算公式進(jìn)行產(chǎn)品和工藝開發(fā)。但是在注射成型生產(chǎn)實(shí)際中，塑料熔體的流動性能千差萬別，制品和模具的結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，工藝條件各不相同，僅憑有限的經(jīng)驗(yàn)和簡單的公式難以對這些因素作全面的考慮和處理，設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)的積累和公式的總結(jié)無法跟上塑料材料的發(fā)展和制品復(fù)雜程度及精度要求的提高，因此開發(fā)過程中要反復(fù)試模和修模，導(dǎo)致生產(chǎn)周期長、費(fèi)用高，產(chǎn)品質(zhì)量難以得到保證，對于成型大型制品和精密制品，問題更加突出。2二十一世紀(jì)世界制造加工業(yè)的競爭更加激烈，對注塑產(chǎn)品與模具的設(shè)計(jì)制造提出了

5、新的挑戰(zhàn)，產(chǎn)品需求的多樣性要求塑件設(shè)計(jì)的多品種、復(fù)雜化，市場的快速變化要求發(fā)展產(chǎn)品及模具的快速設(shè)計(jì)制造技術(shù)，全球性的經(jīng)濟(jì)競爭要求盡可能地降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量，創(chuàng)新、精密、復(fù)雜、高附加值已成為注塑產(chǎn)品的發(fā)展方向，必須尋求高效、可靠、敏捷、柔性的注塑產(chǎn)品與模具設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)。3應(yīng)用CAD/CAE/CAM技術(shù)從根本上改變了傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)和模具生產(chǎn)方式，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本，強(qiáng)有力地推動了模具行業(yè)的發(fā)展。據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，國外采用模具CAD/CAE/CAM技術(shù)可使設(shè)計(jì)時(shí)間縮短50%，制造時(shí)間縮短30%，成本下降10%，塑料原料節(jié)省7%，一次試模成功率提高45%50%。由

6、于經(jīng)濟(jì)效益顯著，在日本、英國、德國、瑞士、美國等先進(jìn)工業(yè)國家中，大多數(shù)專業(yè)塑料注射模廠采用了CAD/CAE/CAM技術(shù)。在國際模具市場上，日本模具無論是在交貨時(shí)間、開發(fā)成本，還是在精度方面，都處于領(lǐng)先地位，其原因就是日本模具行業(yè)較早地引入了模具CAD/CAE/CAM技術(shù)。根據(jù)海關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國2001年從日本進(jìn)口模具3.6億美元，占進(jìn)口模具的32.8%。三、CAX技術(shù)的概念1CAD概念。運(yùn)用CAD技術(shù)能幫助廣大模具設(shè)計(jì)人員由注塑制品的零件圖迅速設(shè)計(jì)出該制品的全套模具圖，使模具設(shè)計(jì)師從繁瑣、冗長的手工繪圖和人工計(jì)算中解放出來，將精力集中于方案構(gòu)思、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等創(chuàng)造性工作。利用CAD軟件，用戶可以選擇軟

7、件提供的標(biāo)準(zhǔn)模架或靈活方便地建立適合自己的標(biāo)準(zhǔn)模架庫，在選好模架的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)提供的諸如整體式、嵌入式、鑲拼式等多種形式的動、定模結(jié)構(gòu)中，依據(jù)自身需要靈活地選擇并設(shè)計(jì)出動、定模部裝圖，采用參數(shù)化的方式設(shè)計(jì)澆口套、拉料桿、斜滑塊等通用件，然后設(shè)計(jì)推出機(jī)構(gòu)和冷卻系統(tǒng)，完成模具的總裝圖。最后利用CAD系統(tǒng)提供的編輯功能，方便地完成各零件圖的尺寸標(biāo)注及明細(xì)表。2CAE概念。CAE技術(shù)借助于有限元法、有限差分法和邊界元法等數(shù)值計(jì)算方法，分析型腔中塑料的流動、保壓和冷卻過程，計(jì)算制品和模具的應(yīng)力分布，預(yù)測制品的翹曲變形，并由此分析工藝條件、材料參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)對制品質(zhì)量的影響，達(dá)到優(yōu)化制品和模具結(jié)構(gòu)、優(yōu)選

8、成型工藝參數(shù)的目的。塑料注射成型CAE軟件主要包括流動保壓模擬、流道平衡分析、冷卻模擬、模具剛度強(qiáng)度分析和應(yīng)力計(jì)算、翹曲預(yù)測等功能。其中流動保壓模擬軟件能提供不同時(shí)刻型腔內(nèi)塑料熔體的溫度、壓力、剪切應(yīng)力分布，其預(yù)測結(jié)果能直接指導(dǎo)工藝參數(shù)的選定及流道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；流道平衡分析軟件能幫助用戶對一模多腔模具的流道系統(tǒng)進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)，計(jì)算各個(gè)流道和澆口的尺寸，以保證塑料熔體能同時(shí)充滿各個(gè)型腔；冷卻模擬軟件能計(jì)算冷卻時(shí)間、制品及型腔的溫度分布，其分析結(jié)果可以用來優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；剛度強(qiáng)度分析軟件能對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，幫助用戶對型腔壁厚和模板厚度進(jìn)行剛度和強(qiáng)度校核；應(yīng)力計(jì)算和翹曲預(yù)測軟件則能計(jì)算出制品的

9、收縮情況和內(nèi)應(yīng)力的分布，預(yù)測制品出模后的變形。3CAM概念。運(yùn)用CAM技術(shù)能將模具型腔的幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為各種數(shù)控機(jī)床所需的加工指令代碼，取代手工編程。例如，自動計(jì)算鉬絲的中心軌跡，將其轉(zhuǎn)化為線切割機(jī)床所需的指令(如3B指令、G指令等)。對于數(shù)控銑床，則可以計(jì)算輪廓加工時(shí)銑刀的運(yùn)動軌跡，并輸出相應(yīng)的指令代碼。采用CAM技術(shù)能顯著提高模具加工的精度及生產(chǎn)管理的效率。四、計(jì)算機(jī)技術(shù)在注射模中的應(yīng)用領(lǐng)域塑料產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到成型生產(chǎn)是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，它包括塑料制品設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具加工制造和模塑生產(chǎn)等幾個(gè)主要方面，它需要產(chǎn)品設(shè)計(jì)師、模具設(shè)計(jì)師、模具加工工藝師及熟練操作工人協(xié)同努力來完成，它是一個(gè)設(shè)計(jì)

10、、修改、再設(shè)計(jì)的反復(fù)迭代，不斷優(yōu)化的過程。傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)已越來越難以滿足市場激烈競爭的需要。計(jì)算機(jī)技術(shù)的運(yùn)用，正在各方面取代傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)方式，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。計(jì)算機(jī)技術(shù)在注塑模中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾方面。1）塑料制品的設(shè)計(jì)塑料制品應(yīng)根據(jù)使用要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)要考慮塑料性能的要求、成型的工藝特點(diǎn)、模具結(jié)構(gòu)及制造工藝的要求、成型設(shè)備、生產(chǎn)批量及生產(chǎn)成本以及外形的美觀大方等各方面的要求，由于這些因素相互制約，所以要得到一個(gè)合理的塑料產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案非常困難，同時(shí)塑料品種繁多，要選擇合適的材料需要綜合考慮塑料的力學(xué)、物理、化學(xué)性能、要查閱大量的手冊和技術(shù)資料，有時(shí)還要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。所有這些工作

11、，即使是有豐富經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師也很難取得十分滿意的結(jié)果?；谔卣鞯娜S造型軟件為設(shè)計(jì)師提供了方便的設(shè)計(jì)平臺，其強(qiáng)大的編輯修改功能和曲面造型功能以及逼真的顯示效果使設(shè)計(jì)者可以運(yùn)用自如地表現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)意圖，真正做到所想即所得，而且制品的質(zhì)量、體積等各種物理參數(shù)一并計(jì)算保存，為后續(xù)的模具設(shè)計(jì)和分析打下良好的基礎(chǔ)。強(qiáng)大的工程數(shù)據(jù)庫包括了各種塑料的材料特性，且添加方便。采用基于知識（Knowledge-Based Reasoning, KBR）和基于實(shí)例（Case-Based Reasoning ,CBR）推理的專家系統(tǒng)的運(yùn)用，使塑料材料選擇簡單、準(zhǔn)確。2）模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注塑模具結(jié)構(gòu)要根據(jù)塑料制品的形狀、精度

12、、大小、工藝要求和生產(chǎn)批量來決定，它包括型腔數(shù)目及排列方式、澆注系統(tǒng)、成型部件、冷卻系統(tǒng)、脫模機(jī)構(gòu)、側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)等幾大部分，同時(shí)要盡量采用標(biāo)準(zhǔn)模架，計(jì)算機(jī)技術(shù)在注塑模具中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。3）模具開合模運(yùn)動仿真注塑模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求各部件運(yùn)動自如，互不干涉，且對模具零件的順序動作以及行程有嚴(yán)格的控制，運(yùn)用CAD技術(shù)可對模具開模、合模以及制品被推出的全過程進(jìn)行仿真，從而檢查出模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理處，并及時(shí)更正，以減少修模時(shí)間。4）注塑過程數(shù)值分析塑料在模具模腔中要經(jīng)過流動、保壓和冷卻三個(gè)主要階段，其流動、力學(xué)行為和熱行為非常復(fù)雜，采用CAE方法可以模擬塑料熔體在模腔中的流動與保壓

13、過程，其結(jié)果包括熔體在澆注系統(tǒng)和型腔中流動過程的動態(tài)圖，提供不同時(shí)刻熔體及制品在型腔各處的溫度、壓力、剪切速率、切應(yīng)力以及所需的最大鎖模力等，其預(yù)測結(jié)果對改進(jìn)模具澆注系統(tǒng)及調(diào)整注塑工藝參數(shù)有著重要的指導(dǎo)意義；同時(shí)還可計(jì)算模具在注塑過程中最大的變形和應(yīng)力，以此來檢驗(yàn)?zāi)＞叩膭偠群蛷?qiáng)度能否保證模具正常工作；對制品可能發(fā)生的翹曲進(jìn)行預(yù)測可使模具設(shè)計(jì)者在模具制造之前及時(shí)采取補(bǔ)救措施；運(yùn)用CAE方法還可分析模壁的冷卻過程，其預(yù)測結(jié)果有助于縮短模具冷卻時(shí)間、改善制品在冷卻過程中的溫度分布不均勻性。5）數(shù)控加工復(fù)雜制品的模具成型零件多采用數(shù)控加工的方法制造，利用數(shù)控編程軟件可模擬刀具在三維曲面上的實(shí)時(shí)加工過程

14、并顯示有關(guān)曲面的形狀數(shù)據(jù)，以保證加工過程的可靠性，同時(shí)還可自動生成數(shù)控線切割指令、曲面的三軸、五軸數(shù)控銑削刀具軌跡等。五、CAD的發(fā)展概況近20年來以計(jì)算機(jī)技術(shù)為代表的信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)為注塑成型采用高新技術(shù)提供了強(qiáng)有力的條件，注塑成型計(jì)算機(jī)輔助軟件的發(fā)展十分引人注目。CAD方面，主要是在通用的機(jī)械CAD平臺上開發(fā)注塑模設(shè)計(jì)模塊。隨著通用機(jī)械CAD的發(fā)展經(jīng)歷了從二維到三維、從簡單的線框造型系統(tǒng)到復(fù)雜的曲面實(shí)體混合造型的轉(zhuǎn)變，目前國際上占主流地位的注塑模CAD軟件主要有Pro/E、I-DEAS、UGII等。在國內(nèi)，華中科技大學(xué)是較早（1985年）自主開發(fā)注塑模CAD系統(tǒng)的單位，并于1988年開發(fā)

15、成功國內(nèi)第一個(gè)CAD/CAE/CAM系統(tǒng)HSC1.0，合肥工業(yè)大學(xué)、中國科技大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等單位也開展了注塑模CAD的研究并開發(fā)了相應(yīng)的軟件，目前在國內(nèi)較有影響的CAD系統(tǒng)有CAXA、高華CAD、HSC3.0、開目CAD、InteSolid、金銀花等。六、CAE的發(fā)展概況流動模擬的目的是預(yù)測塑料熔體流經(jīng)流道、澆口并充填型腔的過程，計(jì)算流道、澆口及型腔內(nèi)的壓力場、溫度場、速度場、剪切應(yīng)變速率場和剪切應(yīng)力場，并將分析結(jié)果以圖表、等值線圖和真實(shí)感圖的方式直觀地反映在計(jì)算機(jī)屏幕上。通過流動模擬可優(yōu)化澆口數(shù)目、澆口位置及注射成型工藝參數(shù)，預(yù)測所需的注射壓力及鎖模力，并發(fā)現(xiàn)

16、可能出現(xiàn)的注射不足、燒焦、不合理的熔接縫位置和氣穴等缺陷。1) 一維流動分析對一維流動分析的研究始于二十世紀(jì)六十年代，研究對象主要是幾何形狀簡單的圓管、矩形或中心澆注的圓盤等。一維流動分析采用有限差分法求解，可得到熔體的壓力、溫度分布以及所需的注射壓力，一維流動分析計(jì)算速度快，流動前沿位置容易確定，可根據(jù)給定的流量和時(shí)間增量直接計(jì)算出下一時(shí)刻的熔體前沿位置，但僅局限于簡單、規(guī)則的幾何形狀，在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用很受限制。2) 二維流動分析 對二維流動分析的研究始于二十世紀(jì)七十年代。在二維流動分析中，除數(shù)值方法本身的難點(diǎn)外，另一個(gè)新的難點(diǎn)是對移動邊界的處理，即如何確定每一時(shí)刻的熔體前沿位置。 流動網(wǎng)

17、絡(luò)分析法(Flow Analysis Network：FAN)的基本思想是：先對整個(gè)型腔剖分矩形網(wǎng)格，并形成相應(yīng)于各節(jié)點(diǎn)的體積單元，隨后建立節(jié)點(diǎn)壓力與流入節(jié)點(diǎn)體積單元的流量之間的關(guān)系，得到一組以各節(jié)點(diǎn)壓力為待求量的方程，求解方程組得到壓力分布，進(jìn)而計(jì)算出流入前沿節(jié)點(diǎn)體積單元的流量，最后根據(jù)節(jié)點(diǎn)體積單元的充填狀況更新流動前沿位置。重復(fù)上述計(jì)算，直至型腔充滿。3) 三維流動分析三維流動分析因采用模型不同而形成了如下兩種基本的方法：(1) 基于中性層模型的三維分析?；谥行詫幽Ｐ偷姆治鍪窃诙S流動分析的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的三維分析方法，其基本思想是將型腔簡化為一系列具有一定厚度的中性層面片，每個(gè)中性層面

18、片本身是二維的，但由于其法向可指向三維空間的任意方向，因此組合起來的中性層面片可用于近似描述三維薄壁制品?；谥行詫幽Ｐ腿S分析的一個(gè)難點(diǎn)是如何將適用于單個(gè)中性層面片的算法推廣到具有三維空間坐標(biāo)的所有中性層面片。解決這一問題的方法主要有以下三種：(a) 二維展開法。將三維制品展開在二維平面上，然后用二維分析方法進(jìn)行分析。Matsuoka 和Takahashi采用這種方法，考慮熔體溫度的變化，實(shí)現(xiàn)了對三維制品的非等溫流動分析。(b) 流動路徑法。這種方法以一維流動分析為基礎(chǔ)，先將三維制品展開在二維平面上，然后將展平后的制品分解為一系列先定義好的一維流動單元，如圓管、矩形平板、扇形平板等，得到一組

19、流動路徑，每條流動路徑由若干一維流動單元串聯(lián)而成。在分析過程中，通過迭代計(jì)算，在滿足各流動路徑的流量之和等于總的注射流量的條件下，使各流動路徑的壓力降相等。這種方法算法簡單，所需計(jì)算時(shí)間短，但難以分析形狀復(fù)雜的制品。對展平后的制品進(jìn)行分解往往要依靠分析人員和模具設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作量很大。(c) 有限元/有限差分混合法。這種方法沿用Hieber和Shen提出的數(shù)學(xué)模型，利用有限元方法先在單元局部坐標(biāo)系中計(jì)算單元剛度矩陣，然后再組裝成整體剛度矩陣，通過制品三維空間坐標(biāo)系與中性層面片二維局部坐標(biāo)系之間的變換，處理三維制品的流動分析，避免了三維制品的二維展開。這種方法還通過定義三角形單元的節(jié)點(diǎn)

20、控制體積，將確定熔體流動前沿的FAN方法改造為控制體積法，這樣在計(jì)算過程中就能自動更新熔體流動前沿，不需人工干預(yù)，并能對流道、澆口和型腔進(jìn)行整體分析。構(gòu)造中性層模型是基于中性層模型三維分析的另一難點(diǎn)，如何根據(jù)三維實(shí)體模型生成中性層長期以來一直是制約三維分析軟件發(fā)展和推廣應(yīng)用的瓶頸。(2) 基于三維有限元模型的三維分析。三維有限元方法是在三維實(shí)體模型基礎(chǔ)上，用三維有限元網(wǎng)格取代二維有限元與一維有限差分混合算法來分析流動過程的壓力場和溫度場。這種方法不需要生成中性層模型，但注射成型中絕大部分是薄壁制品，厚度方向上的尺寸遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向的尺寸，溫度、剪切速率等物理量在厚度方向上變化又很大，要保證足

21、夠的分析精度，勢必要求網(wǎng)格十分細(xì)密（網(wǎng)格尺寸應(yīng)與壁厚的1/10相當(dāng)），因而數(shù)據(jù)量相當(dāng)龐大，計(jì)算效率非常低下，并不適合開發(fā)周期短并需要通過CAE進(jìn)行反復(fù)修改驗(yàn)證的注射模設(shè)計(jì)。七、注射模CAD/CAE/CAM技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀在西方先進(jìn)工業(yè)國，注射模CAD/CAE/CAM技術(shù)的應(yīng)用已非常普遍。公司之間模具訂貨所需的塑料制品資料已經(jīng)廣泛使用電子文檔，能否具有接受電子文檔的模具CAD/CAM系統(tǒng)已成為模具企業(yè)生存的必要條件。當(dāng)前代表國際先進(jìn)水平的注射模CAD/CAE/CAM的工程應(yīng)用具體體現(xiàn)在如下四個(gè)方面：（1）基于網(wǎng)絡(luò)的模具CAD/CAE/CAM集成化系統(tǒng)已開始使用如英國Delcam公司在原有軟件DUC

22、T5的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)最新軟件發(fā)展及實(shí)際需求，向模具行業(yè)推出了可用于注射模CAD/CAM的集成化系統(tǒng)Delcams Power Solution。該系統(tǒng)覆蓋了幾何建模、注射模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、反求工程、快速原型、數(shù)控編程及測量分析等領(lǐng)域。系統(tǒng)的每一個(gè)功能既可以獨(dú)立運(yùn)行，又可通過數(shù)據(jù)接口作集成分析。（2）微機(jī)軟件在模具行業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用在90年代初，能用于注射制品幾何造型和數(shù)控加工的模具CAD/CAM系統(tǒng)主要是在工作站上采用了UNIX操作系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用的，如在模具行業(yè)中應(yīng)用較廣的美國Pro/E、UG II、CADDS5，法國的CATIA、EUCLID和英國的DUCT5等。隨著微機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，

23、在90年代后期，基于Windows操作系統(tǒng)的新一代微機(jī)軟件，如Solid works、Solid Age、MDT等嶄露頭角。這些軟件不僅在采用了NUBRS曲面（非均勻有理B樣條曲面）、三位參數(shù)化特征造型等先進(jìn)技術(shù)方面繼承了工作站級CAD/CAM軟件的優(yōu)點(diǎn)，而且在Windows風(fēng)格、動態(tài)導(dǎo)航、特征樹、面向?qū)ο蟮确矫孢€具有工作站級軟件所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，深得使用者的好評。為了順應(yīng)潮流，許多工作站級軟件相繼都移植了微機(jī)級的CAD/CAM版本，有的軟件公司為了能與Windows操作系統(tǒng)風(fēng)格一致，甚至重寫了CAD/CAM系統(tǒng)的全部代碼。（3）模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的高智能化程度正在逐步提高當(dāng)前，注

24、射模設(shè)計(jì)和制造在很大程度上依靠著人的經(jīng)驗(yàn)和直覺。僅憑有限的數(shù)值計(jì)算功能，軟件是無法為用戶提供符合實(shí)際情況的正確結(jié)果的，軟件的智能化功能現(xiàn)已成為衡量模具軟件先進(jìn)性和實(shí)用性的重要標(biāo)志之一。許多軟件都在智能化方面作了大量工作。如以色列的Cimatron公司的注射模專家系統(tǒng)，能根據(jù)脫模方向優(yōu)化生成分模面，其設(shè)計(jì)過程實(shí)現(xiàn)了模具零件的相關(guān)性，自動生成供數(shù)控加工的鉆孔表格，在數(shù)控加工中實(shí)現(xiàn)了加工參數(shù)的優(yōu)化等，這些具有智能化的功能可顯著提高注射模的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。（4）三維設(shè)計(jì)與三維分析的應(yīng)用和結(jié)合是當(dāng)前注射模技術(shù)發(fā)展的必然趨勢在注射模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的方法是采用二維設(shè)計(jì)，即先將三維的制品幾何模型投影為若干二

25、維視圖后，再按二維視圖進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這種沿襲手工設(shè)計(jì)的方式已不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)和集成化技術(shù)的需求，在國外已有越來越多的公司采用基于實(shí)體模型的三維模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。與此相適應(yīng)，在注射流動過程模擬軟件方面，也開始由基于中性層面的二維分析方式向基于實(shí)體模型的三維分析方式過渡，使三維設(shè)計(jì)與三維分析的集成得以實(shí)現(xiàn)。第二講 注射模CAD一、 注射模CAD系統(tǒng)的主要功能一個(gè)完善的注塑模CAD/CAE/CAM系統(tǒng)應(yīng)包括注塑制品構(gòu)造、模具概念設(shè)計(jì)、CAE分析、模具評價(jià)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和CAM。1注塑制品構(gòu)造將注塑制品的幾何信息以及非幾何信息輸入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部建立制品的信息模型，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供信息。2模具概念

26、設(shè)計(jì)根據(jù)注塑制品的信息模型采用基于知識和基于實(shí)例的推理方法，得到模具的基本結(jié)構(gòu)形式和初步的注塑工藝條件，為隨后的詳細(xì)設(shè)計(jì)、CAE分析、制造性評價(jià)奠定基礎(chǔ)。3CAE分析運(yùn)用有限元的方法，模擬塑料在模具型腔中流動、保壓和冷卻過程，并進(jìn)行翹曲分析，以得到合適的注射工藝參數(shù)和合理的澆注系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。4模具評價(jià)模具評價(jià)包括可制造性評價(jià)和可裝配性評價(jià)兩部分。注塑件可制造性評價(jià)在概念設(shè)計(jì)過程中完成，根據(jù)概念設(shè)計(jì)得到的方案進(jìn)行模具費(fèi)用估計(jì)來實(shí)現(xiàn)。模具費(fèi)用估計(jì)可分為模具成本的估計(jì)和制造難易估計(jì)兩種模式。成本估計(jì)是直接得到模具的具體費(fèi)用，而制造難易估計(jì)是運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法得到注塑件的可制造度，以此判斷模

27、具的制造性。可裝配性評價(jià)是在模具詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后，對模具進(jìn)行開啟、閉合、勾料、抽芯、工件推出動態(tài)模擬，在模擬過程中自動檢查零件之間是否干涉，以此來評價(jià)模具的可裝配性。5模具詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)制品的信息模型、概念設(shè)計(jì)和CAE分析結(jié)果進(jìn)行模具詳細(xì)設(shè)計(jì)。包括成型零件設(shè)計(jì)和非成型零部件設(shè)計(jì)，成型零件包括型芯、型腔、成型桿和澆注系統(tǒng)，非成型零部件包括脫模機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)以及其它典型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。同時(shí)提供三維模型向二維工程圖轉(zhuǎn)換的功能。6CAM主要是利用支撐系統(tǒng)下掛的CAM軟件完成成型零件的虛擬加工過程，并自動編制數(shù)控加工的NC代碼。二、 應(yīng)用注射模CAD系統(tǒng)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)的流程1制品的造型?？芍苯硬捎?/p>

28、通用的三維造型軟件。2根據(jù)注塑制品采用專家系統(tǒng)進(jìn)行模具的概念設(shè)計(jì)，專家系統(tǒng)包括模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具制造工藝規(guī)劃、模具價(jià)格估計(jì)等模塊，在專家系統(tǒng)的推理過程中，采用基于知識與基于實(shí)例相結(jié)合的推理方法，推理的結(jié)果是注射工藝和模具的初步方案。方案設(shè)計(jì)包括型腔數(shù)目與布置、澆口類型、模架類型、脫模方式和抽芯方式等。3在模具初步方案確定后，用CAE軟件進(jìn)行流動、保壓、冷卻和翹曲分析，以確定合適的澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。如果分析結(jié)果不能滿足生產(chǎn)要求，那么可根據(jù)用戶的要求修改注塑制品的結(jié)構(gòu)或修改模具的設(shè)計(jì)方案。4對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評價(jià)，根據(jù)評價(jià)的結(jié)果，或者修改注塑制品的結(jié)構(gòu)，或者修改設(shè)計(jì)方案。5在完成CAE分析和方案評

29、價(jià)后，進(jìn)行模具的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括型腔、型芯的設(shè)計(jì)、澆注系統(tǒng)的布置及尺寸、冷卻系統(tǒng)的布置及尺寸等。6模擬模具開模、推件與合模的過程，并進(jìn)行模具的干涉檢查。7進(jìn)行成本估計(jì)，并由CAM軟件進(jìn)行數(shù)控加工模擬和自動生成型腔、型芯的NC代碼。得到的裝配模型存入實(shí)例庫中，供以后的設(shè)計(jì)參考。8為了適用工廠的需要，還應(yīng)完成由三維圖向二維工程圖的轉(zhuǎn)換，包括各種視圖生成、尺寸標(biāo)注、標(biāo)題欄、明細(xì)表、物性計(jì)算等。圖2-3 設(shè)計(jì)流程圖圖2-4 模具結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)的流程圖三、 注射模CAD相關(guān)技術(shù)概述注塑模CAD/CAE/CAM是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，下面簡述與注塑模CAD有關(guān)的參數(shù)化技術(shù)、建模技術(shù)、裝配技術(shù)以及人

30、工智能技術(shù)。1參數(shù)化設(shè)計(jì)參數(shù)化設(shè)計(jì)是隨著約束的概念引入CAD技術(shù)而出現(xiàn)的，又叫做尺寸驅(qū)動，是指對零件上各種特征施加各種約束形式，各個(gè)特征的幾何形狀與尺寸大小用變量的方式來表示，這個(gè)變量不僅可以是常數(shù)，而且可以是某種代數(shù)式，如果定義某個(gè)特征的變量發(fā)生了改變，則零件的這個(gè)特征的幾何形狀或尺寸大小將隨著參數(shù)的改變而改變，隨之刷新該特征及其相關(guān)聯(lián)的各個(gè)特征，而不需要再重新畫圖。參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)為初始設(shè)計(jì)、產(chǎn)品模型的修改、系列零件族的生成、多方案比較等提供了強(qiáng)大的手段。參數(shù)分為尺寸約束參數(shù)和幾何約束參數(shù)兩種。尺寸約束是確定幾何元素的大小及彼此間相對位置的約束，是可變的，如長、寬、高、圓半徑、直線夾角等。幾

31、何約束是指幾何元素拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的約束，是不可變的，如垂直、平行、相切同心等約束。對約束的基本要求有：1）約束的一致性：能夠檢查不一致的約束，如過約束或欠約束。2）約束求解的可靠性：約束求解必須是穩(wěn)定的，對于一致的約束能給出一致的解。3）約束定義的交互性：允許在設(shè)計(jì)過程中增加、修改和刪除約束。參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法主要有兩種：1）程序參數(shù)化設(shè)計(jì)：以圖形的坐標(biāo)值為變量，用一組參數(shù)確定圖形的尺寸關(guān)系，根據(jù)圖形頂點(diǎn)的連接關(guān)系，可方便地確定變量和尺寸約束參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。其實(shí)質(zhì)是把圖形信息記錄在程序中，用一組變量定義尺寸約束參數(shù)，用賦值語句表達(dá)圖形變量和尺寸約束參數(shù)的關(guān)系式，并調(diào)用一系列的繪圖命令繪制圖形。這種

32、方法的程序編制量大，柔性差，直觀性不好，僅在早期的CAD系統(tǒng)中運(yùn)用。2）交互參數(shù)化設(shè)計(jì)：無需考慮設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)盡快地畫出零件草圖，經(jīng)過對草圖的反復(fù)修改來得到所需的設(shè)計(jì)，而且還可改變約束參數(shù)來更新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)的方法有幾何推理法，作圖規(guī)則匹配法，變量幾何法等，下面介紹比較常用的變量幾何法。變量幾何法是一種數(shù)學(xué)求解法，基本思想是，三維空間的一個(gè)形體是由一組特征點(diǎn)定義的。每個(gè)特征點(diǎn)有3個(gè)自由度即（X、Y、Z）坐標(biāo)值，通過幾何元素的隱式和顯式約束，得到一組非線性方程組，通過求解方程組得到的解確定幾何元素的形狀和位置，方程組的求解采用Newton-Raphson迭代法，這種方法要求約束充分一致，如果出現(xiàn)欠約束、過

33、約束的情況，方程組的求解將遇到困難，由于每個(gè)特征點(diǎn)有3個(gè)自由度，如果一個(gè)幾何元素有N個(gè)特征點(diǎn)，那么必須有3N個(gè)獨(dú)立的約束方程才能唯一確定形體的形狀和位置，所以如果圖形復(fù)雜，方程組將非常龐大，使問題的復(fù)雜度加大，求解的效率可能很低，可靠性也不能得到保證，盡管如此，由于這種方法概念清楚，適應(yīng)能力強(qiáng)，許多造型系統(tǒng)還是采用這種方法，各國學(xué)者都在努力改進(jìn)此種方法。2建模技術(shù)CAD技術(shù)的核心是幾何形體的構(gòu)造，即通常所說的幾何建模。幾何建模采用一套合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述三維物體的幾何形狀，形成供計(jì)算機(jī)識別和處理的信息數(shù)據(jù)模型，該模型包含了三維物體的幾何信息和拓?fù)湫畔ⅰ缀涡畔?gòu)成幾何實(shí)體中各幾何元素在歐氏空間

34、中的位置和大小，可以用數(shù)學(xué)式加上邊界條件來描述；拓?fù)湫畔?gòu)成幾何實(shí)體中各幾何元素的數(shù)目和它們的連接關(guān)系。在CAD技術(shù)的發(fā)展過程中，幾何形體的構(gòu)造由簡單到復(fù)雜，所包含的信息也由貧乏到豐富，到目前為止，主要有四種建模方法。1）線框模型最早采用的一種方法，是用頂點(diǎn)和鄰邊來表示幾何形體，這種方法結(jié)構(gòu)簡單，易于理解，但是對剖切圖、消隱圖、明暗色彩圖、干涉檢查等一些CAD系統(tǒng)的基本功能難以處理。2）表面模型表面模型是用有向棱邊來定義形體的表面，再由這些面的集合來定義形體。表面模型由于給予了表面明確的定義，因而線框模型所存在的幾個(gè)難題都能解決，但是對于形體究竟存在于表面哪一側(cè)沒有給出明確的定義，只能用于物體

35、的外形描述，很難進(jìn)行物性計(jì)算。3）實(shí)體模型在表面模型的基礎(chǔ)上，對實(shí)體的存在側(cè)給予明確的定義，目前有三種方法定義實(shí)體存在域：（1）、在定義表面時(shí)，給出實(shí)體存在側(cè)的一個(gè)點(diǎn)，如圖2-5a所示；（2）、直接用表面的外法矢來指明實(shí)體存在側(cè)，如圖2-5b所示；（3）、用有向邊隱含地表示表面的外法矢方向，有向邊按右手法則取向, 如圖2-5c所示。圖2-5 實(shí)體存在側(cè)的定義常用的幾何形體的生成和表示的方法主要有以下幾種：構(gòu)造幾何實(shí)體(Constructive Solid Geometry, CSG)和邊界表示(Boundary Representations, B-Rep);CSG的實(shí)質(zhì)是任何復(fù)雜的形體都可通

36、過對簡單的形體(體素)進(jìn)行正則集合運(yùn)算并配以平移、旋轉(zhuǎn)等幾何變換來表示，這種方法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)量小、容易管理，每個(gè)CSG都表示一個(gè)實(shí)際的有效形體，且容易修改。但是產(chǎn)生和修改形體的功能有限，局部操作較為繁瑣，顯示和繪制形體的時(shí)間較長。B-Rep詳細(xì)記錄了構(gòu)成形體的所有幾何元素的幾何信息和拓?fù)湫畔?，直接用面、環(huán)、邊、點(diǎn)來定義形體的形狀和位置，這種表示方式能較快地繪制幾何形體，可以使用多種操作和運(yùn)算，但是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大，而且修改形體的操作比較困難，有時(shí)B-Rep表示的可能是一個(gè)無效的形體。由于CSG和B-Rep表示方法可優(yōu)勢互補(bǔ)，因此，現(xiàn)行的CAD系統(tǒng)大多采用CSG和B-Rep的混合表示

37、方法，以CSG作為外部模型，而B-Rep作為內(nèi)部模型，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部將CSG表示轉(zhuǎn)換為B-Rep表示，并同時(shí)保存兩種數(shù)據(jù)。4）特征建模線框、表面和實(shí)體模型只是提供了三維形體的幾何信息和拓?fù)湫畔?，這是低層次的信息，隨著計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的發(fā)展，要求CAD系統(tǒng)除了滿足自身信息的完備性外，還必須為計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃系統(tǒng)(CAPP)、計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)(CAM)等提供反映設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)意圖的非幾何信息如材料、公差等以滿足產(chǎn)品生命周期的全過程，特征造型正是在這種情況下出現(xiàn)的，它是實(shí)現(xiàn)CAD/CAE/CAM/CAPP高度集成的介質(zhì)。不同的應(yīng)用有不同的特征定義，但特征的以下特點(diǎn)已獲得公認(rèn)：具有一定的幾何形體，是

38、產(chǎn)品信息的攜帶者，具有工程意義，具有嚴(yán)格的性質(zhì)。不同的特征定義又導(dǎo)致了不同的特征分類，考慮到實(shí)際應(yīng)用背景和實(shí)現(xiàn)上的方便性，常采用如下的分類：1、形狀特征：攜帶某些工程信息的幾何形體，又分為體特征，過渡特征和分布特征。1）體特征：反映形體的增加(如凸臺)或減少(如孔、槽等);2）過渡特征：表達(dá)一個(gè)形體的各表面分離或結(jié)合的性質(zhì)，如倒角、倒圓等;3）分布特征：表達(dá)一組相同的形狀特征，如陣列孔、齒輪的齒廓等。2、精度特征：在工程設(shè)計(jì)和加工中使用的形位公差、尺寸公差、表面光潔度等非幾何信息，還包括檢測特征。3、材料特征：規(guī)定材料的類型、強(qiáng)度、力學(xué)與物理性能、熱處理方式與條件等信息。4、裝配特征：包括裝配

39、體中各零件的位置關(guān)系、公差配合、功能關(guān)系、動力學(xué)關(guān)系等。5、分析特征：有關(guān)工程分析方面的特征，如有限元分析中的梁、板特征。早期的特征造型系統(tǒng)一般采用特征交互定義的方式來實(shí)現(xiàn)，即在傳統(tǒng)的實(shí)體造型系統(tǒng)中加入特征定義系統(tǒng)，通過交互的定義操作將高層的特征信息附加到已有的幾何模型上，這種方式實(shí)現(xiàn)簡單，但設(shè)計(jì)效率低，操作繁瑣。隨后出現(xiàn)了特征自動識別系統(tǒng)，即首先在傳統(tǒng)實(shí)體造型系統(tǒng)中生成零部件的幾何模型，然后通過一個(gè)針對特定領(lǐng)域的特征自動識別系統(tǒng)從幾何模型中將所需的特征識別出來，這種方式自動化程度高，但特征自動識別是一個(gè)復(fù)雜的匹配過程，對于復(fù)雜零件的識別過程需花費(fèi)大量時(shí)間，而且還不能保證識別出所有的特征。為了

40、克服前兩種方法的缺陷，又出現(xiàn)了特征的自動重構(gòu)，即在純幾何模型與特征模型之中引入與特定應(yīng)用無關(guān)的元特征，即形狀特征。該方法首先構(gòu)造出零件的形狀特征模型，隨后根據(jù)不同的應(yīng)用場合，形狀特征模型被解釋為更高層次的應(yīng)用特征模型。這種方式效率高，易擴(kuò)充，但由于在構(gòu)造形狀特征模型中，面對用戶的是缺乏實(shí)際含義的形狀特征與操作，缺少更高層次的設(shè)計(jì)概念及操作支持，因而還不能很好地應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計(jì)工作?；谔卣鞯脑煨拖到y(tǒng)是目前特征造型系統(tǒng)最好的實(shí)現(xiàn)方式，這種方式通過支持具有特定應(yīng)用含義的特征為用戶提供了高層次的符合工程設(shè)計(jì)過程的設(shè)計(jì)概念和方法，大幅度提高了用戶設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，同時(shí)也避免了特征的自動識別與重構(gòu)，同時(shí)在設(shè)

41、計(jì)過程中還可方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)特征的合法性檢查、特征相關(guān)性檢查以及組織更復(fù)雜的特征，具體過程可分為如下三步：1）建造一個(gè)特征庫，庫中的特征參數(shù)無具體數(shù)值；2）從庫中挑選所需特征構(gòu)造積木式的零件模型，同時(shí)輸入非幾何信息，如材料信息，公差信息等，此步驟稱為特征實(shí)例化。實(shí)例化后，特征中的參數(shù)便有了具體數(shù)值；3）利用特征的CSG表示和B-Rep表示進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到由特征組成的整體零件模型。綜上所述，目前的特征建模方法實(shí)際上是在CAD幾何建模系統(tǒng)上面加了一層，如圖2-6所示。 特征定義形 狀參 數(shù)非幾何信息 用戶接口 幾何建模： 線框模型 表面模型 實(shí)體模型 圖2-6 特征建模的結(jié)構(gòu)框圖特征建模技術(shù)與參數(shù)

42、化設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合，就構(gòu)成了基于特征的三維參數(shù)化造型系統(tǒng)。3工程數(shù)據(jù)庫傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(Database Management System, DBMS)運(yùn)用于CAD系統(tǒng)有許多缺陷：1）不能完全滿足工程環(huán)境中信息表達(dá)的要求，如表達(dá)復(fù)雜實(shí)體中各元素的聯(lián)系非常困難、缺乏動態(tài)模式修改能力等；2）不能支持整個(gè)工程應(yīng)用過程，對不同階段要求不同方面信息這一特點(diǎn)缺乏支持，對過程性信息的支持較弱；3）存取的效率很低。工程數(shù)據(jù)庫是隨著CAD/CAM/CAE/CAPP集成化軟件系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展的，這種集成化系統(tǒng)的所有功能模塊的信息都是在一個(gè)統(tǒng)一的工程數(shù)據(jù)庫下進(jìn)行管理。由于工程應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)管理的要求與傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域有很大的區(qū)別，使得工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的功能需求有所不同，一般情況下，它應(yīng)滿足以下功能要求：1）支持復(fù)雜對象及其語義關(guān)系的描述與處理，復(fù)雜對象和存在于復(fù)雜對象之間語義關(guān)系的復(fù)雜性是工程的特點(diǎn)之一。2）支持文字、圖形、圖象、動畫等多媒體數(shù)據(jù)的管理。3）是動態(tài)數(shù)據(jù)庫，不僅能對靜態(tài)數(shù)據(jù)建模，而且能對動態(tài)數(shù)據(jù)建模，允許動態(tài)地對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修改與