注塑模具CADCAECAM技术概述

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注塑模具CADCAECAM技术概述

作者：宁波蓝天电脑培训学校，时间：2015， 01，03

注塑模具CAD/CAE/CAM技术概述

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。
2、模具CAD/CAE/CAM技术的发展历程与现状
模具CAD/CAE/CAM技术具体就是模具设计人员和组织模具产品制造的工艺设计人员在CAD/CAE/CAM系统的辅助下，根据模具的设计和制造程序进行设计和制造的一项新技术。目前，模具CAD/CAE/CAM技术发展很快，广泛的应用于模具生产企业。采用模具CAD/CAE/CAM技术是模具生产革命化的措施，也是模具技术发展的一个显著特点。
2.1国外模具CAD/CAE/CAM技术的发展历程与现状
国外模具CAD/CAM技术的研究始于上世纪60年代，到70年代已经研制出了模具CAD/CAM的专门系统，推出了面向中小型企业的CAD/CAM的商业软件，可应用于各种类型的模具设计和制造。
1973年，美国的DIE COMP公司率先研制成功PDDC连续模系统。1977年，捷克斯洛伐克金属加工工业研究所研制成功AKT冲模CAD系统。1978年，日本机械工程实验室建立ME1连续模设计系统。1979年，日本旭光学工业公司研究成功的冲空模和弯曲模PENTAX的CAD系统。1985年，日本NISSIN精密机器公司采用了冷冲模CAD/CAM系统。到80年代末，美国、日本等工业发达国家的模具生产已有近50%采用了CAD/CAM技术。近二十多年来，随着计算机硬件的不断提升，工业发达国家的CAD/CAM技术不断创新、完善、逐步发展，已经形成一个从研究开发、生产制造到推广应用和销售服务的完整的高技术产业。
国外在上世纪60年代开始开发有限元进行软件，1976年发行了第一套流动分析软件。利用CAE技术可以在模具加工前，在计算机上对整个成型过程进行模拟分析，减少甚至避免模具返修报废、提高模具质量和降低成本等。目前国外的模具CAE技术已经相当成熟，完全走向实用化阶段，并取得了显著效果。国外著名的CAE软件有NASTRAN、ADINA 、ANSYS、ABAQUS、MARC、COSMOS等。
2.2国内模具CAD/CAE/CAM技术的发展历程与现状
我国模具CAD/CAM技术开始于20世纪70年代末，与国外相比尚有一段距离，但目前也趋于成熟，并在模具生产企业得到广泛应用。特别是20世纪80年代后期，我国进入了CAD/CAM技术迅猛发展的时期，各大院校和科研单位不仅自主研发适合国情、专业化极强的CAD/CAM实用系统，也引进国外先进CAD/CAM，同时在国外的CAD/CAM系统之上进行二次开发。如吉林大学依托一汽对汽车覆盖件CAD/CAM系统的研究已经取得显著成效，华中科技大学模具技术国家重点实验室在AutoCAD软件平台上开发出基于特征的级进模CAD/CAM系统HMJC，上海交通大学为瑞士法因托(Finetool)精冲公司开发成功精密冲裁级进模CAD/CAM系统，西安交通大学开发出多工位弯曲级进模CAD系统等，这些CAD/CAM系统的研发促进了国内模具行业快速发展。
经过这十几年的发展，我国模具CAD/CAM软件的开发水平也逐渐接近国外先进水平。在政府的大力支持下先后出现了一批先进的模具CAD/CAM示范企业，高校和企业也培养了一大批模具CAD/CAM软件开发及应用人才。但总的来说，我国目前模具CAD/CAM软件不管是从产品开发水平还是从商品化、市场化程度都与发达国家有不小的差距。
随着有限元技术的快速发展，早在上世纪80年代，国内就有一批科研单位和高校投入有限元技术的研究、开发和应用中。在此背景下，国内相继取得了可喜的成绩，如：大连理工大学的JIFEX，郑州机械研究所的紫瑞，北京农机学院的有限元分析系统。在模具CAE方面：如湖南大学的冲压CAE系统，华中科技大学冲压成型快速分析软件FASTAMP，清华的铸造CAE分析软件FTStar，华北工学院的铸造分析软件CASTsoft等，但是与CAD/CAM系统的集成度相对较弱。
3、CAD/CAE/CAM 在塑料模具设计制造中的应用
3.1 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Pm／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I生，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。
3.2 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。
3.3 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、Defoma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。
3.4 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来实现注射摸的CAM。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Pro/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。
4、模具CAD/CAE/CAM技术的发展趋势
21世纪市场要求高质量、低成本的产品，并且要求对各种不同的市场需求作出快速的反应。模具制造技术的发展趋于专业化、标准化、集成化、智能化、虚拟化、网络化，这将使模具行业发生巨大变革。
4.1模具CAD/CAE/CAM技术的专业化程度显著提高
任何一种模具软件不可能包罗万象，完全能适应不同的模具产品、不同生产企业的需求。这就要求有针对性的开发专用模具CAD/CAE/CAM系统软件，或者根据模具生产企业自身的特点对软件系统进行二次开发。这样才有可能一切从实际出发，最大的发挥出软件的潜能，充分利用好企业自身的设备，制造出高质量的模具产品。
随着模具工业的快速发展，各大主要软件开发商和有独立科研实力的企业已经开始有针对性地开发专用模具CAD/CAM实用软件系统，并取得了巨大的经济效益。如：专用的进级模系统NX-PDW，专用的塑料注射模系统MoldWizard，专用的锻压模系统AutoMolder，此外还有法国Misslelsoftware公司的注射模专用软件TopMold和级进模专用软件TopProgress、日本UNISYS株式会社的塑料模设计和制造系统CADCEUS等。这些专用模具软件的产生，大大的提高了模具设计人员的工作效率，让模具设计人员从繁琐的劳动中解放出来，进行创造性的设计活动。
4.2模具CAD/CAE/CAM技术的标准化势在必行
标准化模具 CAD/CAM系统可建立标准零件数据库、非标准零件数据库和模具参数数据库。标准零件库中的零件在模具CAD设计中可以随时调用，并采用GT(Group Technology，成组技术)生产。非标准零件库中存放的零件，虽然与设计所需结构不尽相同，但利用系统自身的建模技术可以方便地进行修改，从而加快设计过程，使典型模具结构库在参数化设计的基础上实现。
数据的传递、转化成为企业之间、企业与客户之间、软件之间、软件与设备之间进行信息传递的最大障碍。在模具CAD/CAE/CAM软件系统中也存在这样的问题，为保障数据在传递、转化的过程中不丢失，建立数据转换的标准显得非常重要，这样可以模具CAD/CAE/ CAM软件系统内部的信息交流成为整体，从而真正意义上实现了模具制造信息传递的畅通。
4.3模具CAD/CAE/CAM技术的集成化是必然趋势
国内模具制造企业虽然也采用了CAD/CAM/CAE技术，但模具的设计尚未形成成熟的理论指导和设计体系，各类设计工具更多的表现为单一学科的软件化，其相互集成也是以软件接口实现的数据集成。模具CAD/CAE/CAM技术与GT、CE(Concurrent Engineering)、CAE、CAPP(Computer Aided Process Planning)、PDM(Product Data Management)等技术密切相连，组成一个有机的整体，建立一个统一的全局模具产品数据模型，在模具开发、模具设计中，提供全部的信息，使信息共享、交换处理和反馈，它综合了计算机技术，系统集成技术，并行技术和管理技术，最终将发展成为 CIMS(Computer Integrated Manufacture System，计算机集成制造系统)。
4.4智能技术将使模具CAD/CAE/CAM技术如虎添翼
模具CAD/CAE/CAM技术中的智能化是指由模具CAD/CAE/CAM软件系统和人类专家共同组成的人机一体化系统，它能再模具生产过程中进行分析、推理、判断、构思和决策等智能活动，有效地实现了人与模具设计系统的有机融合及人的智能的充分发挥。近年来，人工智能在模具 CAD/CAE/CAM 系统中的应用主要集中在知识工程的引入和模具设计专家系统开发上。
目前，在模具的设计和制造过程中，在很多环节上仍然依靠模具设计人员的经验。如模具设计方案的选择、工艺流程和参数的选择、模具结构的优化等，模具CAD/CAE/CAM设计系统只是完成一些简单建模和数值计算，缺乏灵活性和可靠性。这就要求模具设计系统必须利用KBE(Knowledge-Based Engineering)技术进行深入的改造，从分发挥、利用知识库和专家系统设计出高质量的模具。在模具行业已有成功案例，如华中科技大学模具技术国家重点实验室在国产注射成型模拟软件HSCAE6.10中成功地引入了人工智能技术。
4.5虚拟技术将在模具CAD/CAE/CAM得到应用
虚拟制造(VM)是一种新的制造技术，它以仿真技术、信息技术、虚拟现实技术为支撑，对产品设计、工艺规划、加工制造等生产过程进行统一建模。虚拟制造技术应用于模具生产实际是模具CAD/CAE/CAM技术的集成和延伸，因此，模具工业今后推广应用虚拟制造技术，必须首先对当前应用于模具生产的各种先进设计与制造技术和方法进行全面、深入的消化吸收和推广应用。虚拟制造技术在国外模具工业中也有成功的应用。如美国的Foundry Service(FSC)公司采用虚拟制造技术对整个工艺生产过程进行仿真，并根据仿真结果更改设备参数后，成功地完成了生产系统的改造工程，节约了大量的资金。AUTODIE公司采用虚拟制造技术后，在8～10个月内完成一种车型的设计与制造，一年内可以接受5种车型的模具定货。
4.6网络化是模具CAD/CAE/CAM技术应用的重要手段
网络化敏捷制造与模具CAD/CAE/CAM技术的结合是当今模具制造业中的主流方向之一。随着信息技术、网络技术的发展，网络化制造的研究已经达到了前所未有的高度。网络化模具制造指的是：面对模具市场机遇，针对模具市场需要，利用以因特网为标志的信息高速公路，灵活而迅速地组织社会模具制造资源，快速地组合成一种超越空间概念的、靠电子手段联系的、统一指挥的经营实体网络联盟模具制造企业，以便快速推出高质量、低成本的模具产品。
5、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。

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