塑料模概述

第一节　塑料模CAD/CAE/CAM概述

一、发展简史

塑料模又称注射模或塑料注射模，注射成型是塑料制品的主要加工方法之一，在塑料制品生产中占有很大比重，它对形状复杂、尺寸准确的塑料制品能一次成型，适用于高效率、大批量的生产。但是，塑料注射成型过程是一个十分复杂的周期性循环过程(图4－1)。注射成型的效率和质量主要取决于模具的设计。影响模具设计的因素主要有以下四个方面:

(1)注射机　包括注射量、注射压力、锁模力、机架刚度及其顶出系统。

(2)模具结构　包括流道系统、成型部件、顶出系统和冷却系统等。

(3)操作条件　包括时间、温度、压力三要素。

(4)材料特性　包括塑料的黏度、结晶性、添加剂、冷却介质等。

模具设计人员不仅应熟悉塑料注射成型工艺和模具结构，还必须具备高分子聚合物流变学和热力学方面的知识。除了要求设计人员加强业务学习，在实践中积累经验外，提高模具设计质量的另一途径是采用计算机辅助技术。

图4－1　塑料注射成型循环过程

计算机软件和硬件技术的高速发展，以及高性能塑料在飞机、汽车、建筑、电信、家电和玩具等行业中被广泛应用和推广，极大地促进了注射模CAD/CAM应用技术的发展。利用塑料模CAD/CAM系统，设计人员可以进行各个环节的模具设计，如选择标准模架与模具标准件，选择不同特性的塑料，人机交互式地设计流道，进行注射流动模拟和冷却固化质量分析，完成模具的总体结构设计等。

随着计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助制造(CAM)技术的发展及其在塑料模具设计技术中的应用，逐步形成了以计算机模拟为手段，剖析塑料加工过程、完成模具设计的塑料模具计算机辅助工程(CAE)技术。

英国、美国、加拿大等国学者在20世纪60年代研制出了线框模型的CAD系统，在70年代研制出了以曲面造型为核心的CAD/CAM系统，在80年代开展了三维流动与冷却分析，并把研究扩展到保压分析、纤维分子取向以及翘曲与变形预测等领域。进入20世纪90年代后，在流动、保压、冷却、应力分析和注射成型全过程的集成化方面的研究为开发实用的注射模CAE软件奠定了基础。

CAD/CAE/CAM技术主要从两个方面对技术人员提供强有力的帮助:其一，CAE是用计算机对模具进行有限元结构力学分析、流动分析模拟和冷却分析模拟的技术;其二，注射模结构CAD，包括塑料产品的建模，模具总体结构方案设计和零部件设计，数控仿真和数控程序生成，模具模拟装配，零件图和装配图的生成与绘制等。

CAD技术能使模具设计人员从繁重的重复劳动中解脱出来。例如，查找表格数据和零件目录、绘制模具图样和明细表等工作，可以全部交给计算机和绘图仪去完成。CAE技术能辅助模具设计人员以计算机为工具，迅速完成各种计算和分析，如计算型腔尺寸、平衡流道系统、模拟注射过程塑料的充模和冷却过程等。这样，模具设计人员就能有较多时间从事创造性的工作，以提高模具的设计质量。

但是，目前CAE技术还不能完全代替人的创造性工作，它只能作为一种辅助工具帮助人去判断设计方案是否正确，通过反复交互(修改—分析—再修改)，将设计人员的正确经验体现到模具设计中去，即设计方案的优劣仍然在很大程度上取决于人的经验。

几何造型技术与有数控加工技术的发展为注射模CAD/CAM技术提供了可靠的保证，目前国内外市场上已有了一批商品化的CAD/CAM/CAE软件，主要代表有:美国GRATEK公司的注射模CAD/CAM/CAE系统，该系统包括三维几何形状描述软件OPTIMOLDⅢ、二维注射流动分析软件SIMUFLOW、三维有限元流动分析软件SIMUFLOW 3D、冷却分析软件SIMUCOOL、标准模架(美国DME标准)选择软件OPTIMOLD等部分; Plastics＆Computer INC公司的TICONCEPT专家系统，它包括材料选择TIC－MCS、注射工艺条件和模具费用优化TMC－MCO、注射流动分析TIC－FA、型腔尺寸设计TIC－CSE和模具传热分析TMC－MTA等功能模块;澳大利亚Moldflow PTY公司的Moldflow系统，它具有很强的注射模分析模拟功能，包括绘制型腔图形的线框造型软件SMOD、有限元网格生成软件FMESH、流动分析软件FLOW、冷却分析软件COOLING、流动冷却分析结果和模架应力场分布的可示化显示软件FRES以及翘曲分析模拟软件;德国IKV研究所的CADMOULD系统，它具有注射模流动分析、冷却分析和力学性能校核的功能，CADMOULD－MEFISTO系统则采用有限元法进行三维型腔的流动分析;美国的AC－Tech公司直接利用和推广Cornell大学的科研成果而研制开发的C－MOLD软件等。

我国的CAD/CAM/CAE技术从20世纪80年代才开始开发，具有代表性的软件有:北航海尔软件有限公司开发的注射模CAD/CAE/CAM系统，它具有强大的造型功能和计算机辅助制造功能;浙江大学基于工作站的UG系统开发出精密注射模CAD/CAM系统，该系统采用特征造型技术构造产品模型，使形状特征表达与工艺信息描述统一，并利用特征反转映射实现了型腔模型的快速生成;华中理工大学的塑料注射模CAD/CAE/CAM系统HSC，该系统具有塑料制品三维形状输入、流动模拟、冷却分析、型腔强度与刚度校核及模具图设计与绘制等功能;上海交通大学1988年开发出了集成化注射模智能CAD系统，又在工作站UG平台上进一步开发智能CAD/CAE/CAM系统。此外，合肥工业大学研究开发的注射模CAD三维参数化系统IPMMCAD，在技术水平和实用性等方面达到了较高水平;郑州工业大学国家橡塑模具研究中心开发的注射模CAE软件Z－MOLD，也具有较高的技术水平。

注射模CAD/CAM/CAE系统现阶段还存在以下两个问题没有解决好:

(1)无法由已建立的制品模型，在考虑塑料收缩率和型腔(芯)磨损量后自动给出模具型腔、型芯的尺寸，模具型腔、型芯的尺寸仍然由模具设计人员凭经验确定。

(2)无法建立适合于各个工厂的标准模架库，大部分结构大同小异的标准模具零件，如板类、杆类等构件需要重复地造型，设计效率低下，造成人力物力的浪费。

自上而下以数据库为核心，建立塑件的三维模型，进行模具的结构设计、型腔布局、浇注系统等的设计，包括选定模架、完成装配图;由产品模型根据不同塑料的收缩率可以自动换算出模具型腔和型芯尺寸，再由CAE验证方案的合理性和正确性，反复修改，最后由计算机输出所需要的零件图和加工模具的数控刀具轨迹及线切割、电火花加工程序，以上即是注射模CAD/CAE/CAM集成化技术，这项技术是软件开发人员今后要解决的问题。

二、注射模CAD/CAE/CAM的工作内容

目前市场上先进的商品化软件或在某些软件基础上二次开发的注射模CAD/CAE/ CAM集成化软件，其系统结构如图4－2所示。

图4－2　注射模CAD/CAE/CAM集成系统框架

采用先进的CAD/CAM软件，能把零件的几何图形信息同工艺信息结合起来，经过数据组织和交换，最后生成机床识别的加工代码。CAD/CAE/CAM一体化的实现，使设计、制造进入了一个崭新的领域，其工作内容主要有:

(1)注塑制品的几何造型　采用几何造型系统，如线框造型、曲面造型和实体造型，在计算机中建立注塑制品的几何模型，这是工作的第一步。由于目前还无法将塑件的内外表面尺寸，在考虑收缩率、模具磨损、加工精度等因素后直接转换成型腔、型芯的尺寸，所以本模块在完成注射制品尺寸的收缩计算和公差处理后，再交互生成型腔和型芯的线框模型及表面模型，给用户提供了二维视图生成、三维视图生成以及由二维建立三维视图的功能，使用户能方便地生成注射模型腔及型芯几何模型。

(2)模腔表面形状的生成　在注塑模具中，型腔用以生成制品的外表面，型芯用以生成制品的内表面。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的型芯面、型腔面的尺寸，两者之间需要经过比较复杂的换算。现阶段的注塑模CAD软件还不能解决这个问题，因此制品的形状和模腔的形状要分别地输入，工作量大且十分繁琐。

(3)模具结构方案设计　模具结构设计模块向用户提供了一整套注射模结构设计功能，包括视图生成、方案布置、动模装配图生成、定模装配图生成、镶拼设计、浇注系统设计、推出系统设计、冷却系统设计、斜抽芯机构设计、总装图生成、模具零件图生成、零件明细表生成、尺寸标注、汉字调用。采用计算机软件来引导模具设计者布置型腔的数目和位置，构思浇注系统、冷却系统和顶出机构，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)标准模架库　采用专用的编码技术，存储各类标准模架，实现模架标准化、模具零件标准化、结构标准化以及工艺参数标准化。

(5)部装图及总装图的生成　选定标准模架及完成型腔布置后，模具设计软件以交互方式引导模具设计者生成模具部装图和总装图。模具设计者能利用鼠标在屏幕上拖动模具零件，以搭积木的方式装配模具。

(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、总装图以及相应的图形库完成模具零件的设计、绘图和尺寸标注。

(7)注塑工艺条件及注塑材料的优选　基于模具设计者的输入数据以及选定的优化算法，模具的CAE程序能向模具设计者提供较合理的注射时间、注射温度和模具温度、注射成型压力及最佳注塑材料，以便制订正确的注射成型工艺条件，并为流动模拟软件提供正确的初始数据。

(8)注塑流动及保压过程模拟　其模拟结果能提供熔体在流动过程中的动态图，提供不同时刻熔体及制品在型腔内各处的温度、压力、剪切速率、切应力以及所需的最大锁模力等。其预测结果对改进模具浇注系统及调整注塑成型工艺参数有着重要的指导意义。

(9)冷却过程分析　分析塑料制品、模具及冷却水管的热交换过程，一直到塑料制品冷却到规定的推出温度为止。冷却分析模块能提供合理的冷却时间、制品和模具型腔在不同冷却时刻的温度场，还可提供动模和定模在冷却过程中所带走的热量，冷却水的温升、压力降以及为了达到湍流所需的冷却水的最低流速，并可向用户提供在任意冷却时刻、任意位置制品截面上的温度变化曲线。

(10)力学分析　一般常采用有限元法来计算模具在注塑成型过程中最大的变形和应力，以此来检验模具的刚度和强度能否保证模具正常地工作。有些软件还能对制品在注塑成型后可能发生的翘曲进行预测，以便模具设计者在模具制造之前及时采取补救措施。

(11)数控加工　利用CAD阶段建立的几何信息，并结合工艺条件信息，生成两轴到五轴数控铣加工轨迹指令，另外还可生成二维数控线切割加工指令。目前已有许多自动编程系统和CAD/CAM软件能够生成机床所需的数控线切割指令，以及曲面的三轴、五轴数控铣削刀具运动轨迹和相应的数控代码。