CAD在注塑模具行业的应用现状

　　CAD即计算机辅助设计的英文简称(Computer Aided Design)。计算机的应用，使得设计人员在设计过程中，能充分发挥计算机的强大算术逻辑运算功能、大容量信息存储与快速信息查找的能力，完成信息管理、数值计算、分析模拟、优化设计和绘图等项任务；而设计人员集中精力进行有效的创造性思维，从而更好地完成从设计方案的提出、评介、分析模拟与修改到具体设计实现的设计全过程.对于机械行业来讲，通用的CAD件是AutoCAD，但AutoCAD是一种通用的绘图软件，对机械行业针对性差，不过幸运的是，AutoCAD是个开放性软件，可以对它进行二次开发，如采用Autolisp，ADS，ARX甚至采用VB语言等，现今的高华CAD、天目CAD就是在该软件的基础上开发的机械专业CAD。由于二次开发的深入，加强了参数化设计、智能化设计等，这样充分发挥了计算机的强大的搜索功能和运算功能。

　　世界上第一套塑料模具CAD软件是澳大利亚MOLDFLOW公司于1976年推出井以公司名字命名的MOLDFLOW。目前MOLDFLOW已经发展得比较完善，实现了对注塑过程的模拟、设计原理的应用和精确计算，并逐步优化模拟过程，使设计工程师在产品设计阶段可以在计算机上“制造”塑料产品，并能灵活地适应市场需求的变化。应用MOLDFLOW公司的技术已经在世界范围内成功地设计出了上万副模具。继MOLDFLOW之后美国康奈尔大学、德国的亚森(Aachen)技术大学、美国的C. V.公司、MCAP公司、日本的CAD-M公司等也相继开发了塑料模具CAD/CAM系统。第一套塑料模具CAD/CAM经过数年努力研制而成，于1982年推出，它就是后来称为GRAFTEK的系统。塑料模具CAD/CAM的应用带来了巨大的社会效益和经济效益。据报导，美国Protety pe & Plastic Mold公司采用了Computool公司的CAD/CAM系统后，一年内生产效率提高了一倍，节省了35%的准备时间，制造周期平均缩短了30 %，材料节省了10%，模具成本降低了10%—30%。

　　国内部分科研单位、大专院校也在塑料行业开展了CAD技术的研制和开发工作。华中理工大学国家重点实验室叶显高、李德群、肖景容等研制成功了“实用化注塑模CAD/CAE/CAM微机系统HSC1. 1”；北京化工学院进行了注塑充模过程计算机仿真；其他部分企业科研单位也做了一些探讨工作，并且收到了一定的经济效益。总的来讲我国塑料模具CAD仅仅处于开发使用初期，很多自己研发的软件并不是很成熟。

　　注塑模具CAD研究的内容

　　在模具设计中，模架及某些零件，如导柱、导套、推杆、支撑块、浇口套、定位圈等分别已形成厂标、行标或国标。对于这些标准的或本单位采用的模架及零件可在通用的二维工程图CAD系统中建立模架、零件库，以被设计时调用。对于浇注系统、温控系统、模架结构强度计算等内容，已有一些较成熟的计算方法或经验计算方法，可设置这些计算公式的模块，以便设计人员进行快速计算。另外对于一些设计中常用的数据库资料也可以设置在CAD系统中以便设计人员快速查询，根据各个工厂的不同要求和情况，还可以在系统中设置本单位所特有的内容。这样建立的CAD系统可大幅度减轻设计人员的工作强度、提高设计速度并可实现模具设计的规范化及标准化。对于某些在原成型制品的基础上作局部修改而需重新设计的模具来说，其效果就更加明显。总体来说，注塑模CAD的内容有以下几点。

　　1、注塑制品的几何造型

　　采用几何造型系统，如线框造型、面造型和实体造型，在计算机中生成注塑制品的几何模型，这是注塑模结构的CAD的第一步。由于注塑制品大多数是薄壁件，且又有复杂的表面，因此，常用表面造型的方法来产生制品的几何模型。

　　2、模腔面形状的生成

　　在注塑模具中，行腔用来生成制品的外表面，型芯用来生成制品的内表面，由于塑料的成型收缩率，模具磨损及加工精度的影响，制品的内外表面尺寸并不就是模具型芯面、型腔面的尺寸，两者之间需要比较复杂的换算。目前流行的商品化注塑模CAD软件并未能很好的解决这种换算，因此，制品的形状和型腔的形状要分别输入，工作量较大且比较繁琐，如何由制品形状方便、快捷的生成型腔和型芯表面形状仍是当前的研究课题。

　　3、模具结构方面的设计

　　采用计算机软件来辅助计算最佳型腔的数目，引导模具设计者布置型腔，构思浇注系统、冷却系统和推出机构，为选择标准模架和设计动模部装图和定模部装图作准备。

　　4、标准模架选择

　　采用计算机软件来设计模具的前提是尽可能多地实现模具标准化，包括模架标准化、模具零件标准化、结构标准化及工艺参数标准化等。一般而言，用作标准模架选择的设计软件应具用两个功能，一是能引导模具设计者输入本企业的标准模架，以建立专用的标准模架库；二是能方便地从已建好的专用标准模架库中，选出本次设计中所需的模架类型及全部模具标准件的图形和数据。

　　5、部装图及总装图的生成

　　根据已选定的标准模架及已完成型腔布置，模具设计软件以交互方式引导模具设计者生成部装图和总装图。模具设计者在完成总装图时，能利用光标在屏幕上拖动模具零件以搭积木的方式装配模具总图。

　　6、模具零件图的生成

　　模具设计软件能引导用户根据模具部装图、总装图以及相应图形库完成模具零件的设计、绘图和标注尺寸。

　　7、常规计算和校核

　　模具设计软件可将理论计算和行之有效的设计经验相结合，为模具设计师提供对模具零件全面的计算和校核，以验证模具结构等有关参数的正确性。

　　注塑模CAD中的数据处理

　　注塑模结构CAD的重点在于注塑制品的造型、模具设计、绘图和数控加工的模拟，注塑模CAD的过程就是数据处理的过程。通常，由于注塑模结构CAD涉及面广，程序规模很大，结构相当复杂，一个高效率的注塑模CAD系统不仅涉及到程序的结构和算法，同时也涉及数据结构和管理方法。在应用程序的执行过程中，经常需要利用一些标准数据和其他程序的设计及结果，系统各部分是通过交换数据相互联系的。因此，数据的处理在注塑模结构CAD中又十分重要的作用。

　　注塑模CAD系统中，数据类型十分广泛，除了数字型、字符型数据之外，图形/模型及其文本数据项也是注塑模CAD系统的数据。而图形/模型数据又是由基本图形元素、图形符号、模型部分及各级图形/模型数据组成。

　　注塑模CAD系统中数据可分为组合数据和基本数据，可将组合数据逐层分解至基本数据为止。根据这种分解模式，可以对总体、部件、详细数据这三类数据分别进行处理。

　　1、总体数据

　　它是一种模型数据，可以表达为如下格式。

　　文件名：总装图。

　　组成：各部件数据名+定位关系数据。

　　组织：依次记录各部件名，定位数据。

　　2、部件数据

　　它可定义为一种图形/模型数据，以标准模架为例说明其表达格式。

　　文件名：部件名。

　　组成：基准件名+各组成零件名+定位关系+尺寸关系+零件图形关联性。

　　组织：依次记录个零件名、定位关系、主特征尺寸。

　　3、零件数据

　　它可定义为一种图形文本数据，为注塑模系统的基本单元数据，该数据类型可表达为如下格式。

　　文件名：零件名。

　　组成：图形信息+尺寸信息+文本信息。

　　组织：依次按图形记录图形节点信息、尺寸标注及文本信息。

　　注塑模具CAD的设计

　　1、塑料模具CAD的技术路线

　　（1）产品设计

　　产品的结构和材料对注塑过程及模具设计有着直接的影响，因而模具CAD从产品设计的CAD开始着手。如图1所示，通过样品的计算机辅助测量或产品概念设计，建立产品的三维数据模型。设计人员由实体造型可获得几何及色彩上的直观感受。设计变量为产品厚度及产品所用材料。输入产品在使用环境中的载荷及边界条件，经有限元分析及后置处理可得应力及变形结果。最后，按照用户设定指标完成产品性能评估。

　　（2）模具设计

　　1）概念设计阶段

　　对产品进行工艺性分析，确定生产批量和生产规模。设计参数包括：①型腔数；②材料类别及牌号；③注塑机型号；④工艺参数(充填时间、保压时间、冷却时间、注射速率或注射压力等)；⑤浇口位置、尺寸及数目；⑥分型面等。

　　上述参数作为输入参数设定后，经过注塑过程模拟，依分析结果作调整，待完成方案评估后，即可作为优化后的模具设计参数，以文件形式输出。 

　　2）初步设计阶段

　　最有利于产品性能的浇口位置和流道设计完成后，产品与注塑机喷嘴之间的几何关系也就确定了。输入所要求的型腔尺寸和冷却管道布置等资料，即可选定模架尺寸，调用模架数据库中的模架模型,自动生成一个模架。

　　根据输出的设计参数，可以调用标准零件数据库中的零件模型，自动生成标准零件。对于非标准零件，可利用商用软件的参数设计功能，方便地生成所需的零件。所有零件生成后，即可进行模具的装配模型建立，通常采用自下而上的布局。一般CAD软件均提供变量约束、尺寸定位及取向定位等功能。全面自动的干涉量检查为用户提供了检查间隙和干涉的功能，并给出干涉总量以及间隙估计的文本记录。

　　更进一步，利用系统动态分析对模具的活动零件(如顶杆)进行真实的动态模拟，决定这些零件相对其他模具零件所需的活动范围，检查机械动作是否满足要求的运动轨迹，是否与其他零件相干扰。

　　3）详细设计阶段

　　模具的装配模型通过后，即可从中提取信息，详细设计零件，包括自动尺寸标准和引入材料清单。

　　由于整个设计流程基于一个完整的数据库，任何一次修改都被记录，并且在更新原有设计时，图形及尺寸会自动变更，因此最后的零件数据库模型提供了模具设计的全部图形与非图形信息。剩下的工作就是编制材料清单和作出加工模具零件所需的NC刀具轨迹。至此，塑料模具的CAD即告完成。

　　2、举例

　　为详细说明上述过程，在此举一个例子加以说明，这是一个在AutoCAD环境下开发的一个注塑模CAD系统。

　　由于AutoCAD仅是一通用绘图软件，其本身在机械制图方面的局限及其与我国国家标准的不一致使得由系统自动生成可用于生产的工程图纸十分困难，还需要模具设计人员完成大量的编辑、修改、标注等工作。同时，又由于AutoCAD缺乏参数化设计功能而对注塑模标准零件与结构的自动设计与绘图无能为力，设计师的工作量仍然很大。因此，开发注塑模具CAD系统应该首先在基本的图形支撑环境AutoCAD上建立一个更高层次的通用机械CAD绘图与设计平台，在此基础上再构建注塑模具CAD系统。

　　在保留通用机械CAD中的绘图环境控制功能、工程图生成功能、工程标注功能等功能模块的基础上，根据注塑模具的设计特点和要求，并考虑到如何提高模具设计效率，一般注塑模具CAD系统应具有塑料性能参数、标准模架与标准件的图形与系列化数据的管理与查询，模架类型的确定，模板尺寸的计算与强度、刚度校核，模具各个零部件的设计与图形绘制、装配图绘制等功能。

　　该系统在二维工程图设计系统的基础上，增加了具有针对注塑模具设计需求的参数数据库、标准件及标准模架图库和计算程序库。参数数据库提供注塑模具设计常用的参数，以便设计时可随机查询。包括常用树脂的流变参数、温控参数、排气槽参数、注塑机的参数和模具钢材的力学性能参数。标准件及标准模架图库中可调基于国家标准的注塑模具的标准零件及标准模架。计算程序库提供注塑模具设计常用的计算功能。其中包括型腔尺寸及壁厚计算、分流道直径计算、斜导柱长度计算、浇口平衡计算、浇口尺寸计算等。

　　注塑模具CAD二维系统的工作流程。第一个框表示输入模块的功能，即选择塑料，从数据库中读取其性能参数，仿照手工绘图的作法，按塑件的实际尺寸在屏幕上分别绘制塑件的三视图并存盘。第二框表示模架设计模块的功能，即根据塑件的大小与形状特征和模板刚度、强度的要求，计算出模板的长、宽、高尺寸，从标准模架库中选择适当的模架类型并获取某个所需系列尺寸。第三个框表示成型零部件设计模块的功能，即根据型腔、型芯的形状、尺寸与塑件之间的映射关系，自动生成成型零部件的视图。第四框表示注射机选择与校核模块的功能，即根据塑件及所设计的模架在注射机规范参数数据库中选择合适的注射机，或对用户选用的注射机进行必要的校核。接下来的三个框分别表示浇注系统、冷却系统、脱模机构设计模块的功能，即分别用来完成流道与浇口、冷却水道、推件杆等的设计。

　　结束语

　　塑料模具CAD技术是一种全新的设计技术，有助于提高产品及模具设计的质量和实现产品的最佳性能。塑料模具CAD的工作主要在于理解注塑过程模拟的分析结果，判读数据并作出合适的变更设计决择，熟悉CAD技术并有效地应用于模具设计也有赖于设计人员的素质和经验。塑料模具CAD的难点在于建立丰富的材料性能数据库，以及模具零件的标准化。

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