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模具CAD集成技術
內容提要：通過分析計算機輔助注射模設計和制造的各個環(huán)節(jié)中共享的技術和信息。本義揭示了注射模CAD的集成技術的根本內涵.并提出了它的研究熱點和趨勢。
引言
模具CAD集成技術是一項重要的模具先進制造技術，是一項用高技術改造模具傳統(tǒng)技術的重要關鍵技術。從六五計劃開始,我國有許多模具企業(yè)采用CAD技術,特別是近年，CAD技術的應用越來越普遍和深入，人大縮短了模具設計周期,提高了制模質量和復雜模具的制造能力。然而，由于許多企業(yè)對模具CAD集成技術認識不足，投資帶有盲目性，不能很好地發(fā)揮作用,造成了很大的浪費。本文就塑料模具CAD集成技術及其應用發(fā)表一些觀點，供大家參考。
1.塑料模具CAD集成技術
塑料模具的制造，包括塑料產品的造型設計、模具的結構設計及分析、模具的數(shù)控加工(銑削、電加工、線切割等）、拋光和配試模以及快速成形制造等各個環(huán)節(jié)所涉及的CAD單元技術有:造型和結構設計(CAD)、產品外形的快速反求(RE)、結構分析與優(yōu)化設計(CAE)、輔助制造(CAM)、加工過程虛擬仿真(STMULATIOX)、產品及模具的快速成形(RP)、輔助工藝過程(CAPP)和產品數(shù)據(jù)管理技術(PDM) 等。塑料模CAD集成技術，就是把塑料模具制造過程所涉及的各項單元技術集成起來,統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫和文件傳輸格式，實現(xiàn)信息集成和數(shù)據(jù)資源共享,從而大大縮短模具的設計制造周期,提高制模質量。
2.塑料產品的CAD設計與外形的快速反求
進行塑料模具設計制造的第一步是塑件產品的設計。傳統(tǒng)產品設計方法是設計者對產品的三維構思用二維平面圖紙表達出來，圖紙上標明:工藝及施工方法,這種方法決定了所設計圖形的簡單性及不能直接控制制造質量。現(xiàn)代設計方法是設計者在電腦直接建立產品的三維模型,根據(jù)產品三維模型進行模具結構設計及優(yōu)化設計,再根據(jù)模具結構設計三維模型進行加工編程及編制工藝計劃。這種方法使產品模型設計、模具結構設計、加工編程及工藝設計都以3D數(shù)據(jù)為基礎,實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,不僅能快速提高設計效率,而且能保證質量，降低成本。電腦塑件產品模型的來源有三種:利用CAD系統(tǒng)軟件進行產品模型設計、利用實物測量進行快速反求建模、利用其它CAD系統(tǒng)的標準格式文件。針對這三種產品模型的來源方式，目前已研究出各種技術來提高產品模型的設計效率和質量。下面進步分析各種技術的內涵和特點（利用CAD系統(tǒng)軟件進行產品模型設計,其技術主要包括—維幾何圖形的繪制、二維參數(shù)化圖形的設計、三維實體造型設計、三維特征造型設計、三維參數(shù)化實體造型設計、三維曲面造型設計、空間自由造型設計、產品的外觀渲染、產品的動態(tài)廣告設計等等。這些軟件有許多典型的代表。二維軟件有:MFJO、CADKBY、AUTOCAD、DMCAD、Genis、Sigraph等；三維軟件有:UGII、PRO/E、IDEAS、 CATTA、EUCLID等；產品自由造型及廣告設計的軟件有:Alia、 CDRS等。二維幾何圖形的繪制是利用平面CAD軟件繪制零件圖形，即用計算機代替手工繪圖；而二維參數(shù)化，即計算機實現(xiàn)了圖形的變量設計,使修改更加方便；三維造型設計是數(shù)字化的產品的真實形狀設計，它完全表達了產品，能夠進一步為模具設計、分析和加工提供必要的數(shù)學模型：空間自曲造型設計是產品外形的藝術設計,使產品不僅是功能產品，也是藝術品;產品的外觀渲染是產品的效果設計，使產品更加美觀、顏色更加能迎合人們的各種需求：產品的動態(tài)廣告設計是將產品設計的結果直接制作宣傳廣告,進行市場推廣。利用實物測量進行快速反求建模是目前研究的熱點之一,它是產品仿型基礎上進行產品修改設計的重要技術。其基本原理是通過三座標測量機、激光測量機或電子抄數(shù)儀對實物進行掃描測覺，把測量所獲得的數(shù)字化的大量數(shù)據(jù)點送入高級CAD軟件的反求模塊或專用的反求軟件中,反求軟件可直接讀取點數(shù)據(jù)群,并可對點數(shù)據(jù)群進行編輯、過濾、整理、求精、排序、局部修改與重組,然后自動生成曲面,最終獲得同實物精確一致的或經改造的電腦塑件產品模型。這一方式可極大提高新產品設計速率。目前較成熟的曲面反求建模軟件有：Surfacer、Cimatronrenge、StrimlOO等。利用其它CAD系統(tǒng)的標準格式文件來建模，這一方式較方便。由于市場的全球化和TXTERXFT網絡技術的發(fā)展，模具企業(yè)的CAD技術交流和合作有許多通過CAD文件方式進行。由于CAD系統(tǒng)種類較多,因此文件的格式就必須遵循國際標準，如DXF、IGES、 STFP、VDA、STL等。通過讀取標準格式文件來直接建立或修改后建立產品模型，既可加快、加深用戶與模具廠家的交流，也可縮短產品設計周期。
3.模具的CAD設計與分析
模具的CAD設計、分析，包括根據(jù)產品模型進行模具分型面的設計、確定型腔和型芯、模具結構的詳細設計、塑料充填過程分析等幾個方面。利用先進的特征造型軟件如PRO/E、UGII等很容易地確定分型面，生成上下模腔和模芯，再進行流道、澆道以及冷卻水管的布置表確定了這些設計數(shù)據(jù)以后，再利用模具分析軟件，如MOLDFLOW、CFLOW進行塑料的成形過程分析。根據(jù)M0LDF0W軟件和它的豐富的材料、工藝數(shù)據(jù)庫,通過輸入成形工藝參數(shù),可動態(tài)仿真分析塑料也注塑模腔內的注射過程流動情況(含多澆口注射時的塑料匯流紋分析）、分析溫度力變化情況、分析注塑件殘余應力等, 根據(jù)分析情況來檢查模具結構的合理性、流動狀態(tài)的合理性、產品的質量問題等。比如是否在澆注系統(tǒng)不合理，出現(xiàn)流道和澆口位置尺寸不當，無法平衡充滿型腔：是否存在產品結構不合理或模具結構不合理,出現(xiàn)產品充不滿(即短射現(xiàn)象）：是否冷卻不均勻,影響生產效率和產品質量:是否存在注塑工藝不對,出現(xiàn)產品的翹曲變形等。模具通過CAD設計和分析，就可以將錯誤消除在設計階段，提高一次試模成功率。在塑料模具設計和分析這一階段應用了許多新的電腦輔助技術,如參數(shù)化技術、特征造型技術、數(shù)據(jù)庫技術等。塑料模具中對許多標準件,如標準模架、頂出機構、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等都可以采用基于數(shù)據(jù)庫管理的參數(shù)化特征造型設計方法進行設計或建立標準件庫， 這樣既可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，又可以滿足用廣對設計的隨時修改，使模具的設計分析快速、準確、高效。 參數(shù)化特征造型不僅可以完整地描述產品的幾何圖形信息，而且可以獲得產品的精度，枓料及裝配等信息,其所建立的產品模型是一種易于處理、能反映設計意圖和加工特征的模型。因此,參數(shù)化特征造型技術是模具制造過程最重要的技術之一。
4.模具的CAM技術的應用、加工仿真及制造
模具的計算機輔助制造(CAM)技術主要應用在數(shù)控銑削加工、線切割加工、電火花加工等方面。CAM 技術尤其是在復雜模具的型腔、型芯及電極的銑削加工中起著更加重要的作用。其主要的技術特點包括：（1)粗、精加工刀具軌跡的優(yōu)化規(guī)劃和NC指令的產生，（2)刀具種類、特性和材料庫的建立，（3)切削加工工藝參數(shù)的確定，（4)普通切削和髙速切削加工的特性控制，（5)過切檢查與加工表面的精度控制，（6)加工過程的電腦實體仿真切削，（7)電腦控制數(shù)控機床的DXC技術及群控技術的應用等等。在CAM技術的應用中特別需要CAD三維產品模型數(shù)據(jù)。較多的專業(yè)電腦編程軟件如 MASTERCAM、 UNTMOD、CTMATRON等在多曲面的編程加工時對產品曲面模型有較高的要求,如相鄰曲面的U、V方向的一致性、曲面與曲面的高精度擬合、曲面斜率連續(xù)變化等。在高級CAD/CAM一體化系統(tǒng)中（如UGII、PRO/E),由于利用了參數(shù)化特征造型設計和同一數(shù)據(jù)庫技術，使得產品模型數(shù)據(jù)、 模具的型腔和型芯模型數(shù)據(jù)、刀典軌跡數(shù)據(jù)有著內在的聯(lián)系，產品模型的修改刀具軌跡亦自動修改。模具加工實體仿真技術越來越成熟,也越來越受到人們的重視。加工實體仿真是在電腦上模仿機床的加工過程,能直觀反映加工的結果,能直接評估加工后零件的質量，能檢查出加工的錯誤。在檢查加工后零件的質量時，可在電腦上對加工后的實體模型進行任意的剖切， 直接測量其尺寸和精度。因此，它能把錯誤消除在加工工藝編程設計階段，減少加工后的修補和返工，大大提高模具的制造效率和質量。
5.塑料產品及其模具的快速成形制造
塑料產品及其模具用電腦CAD技術設計完成后，可通過快速成形技術來制造。這是一種全新概念的制造技術,它摒棄了傳統(tǒng)的機械加工方法。期成形原理是將三維CAD實體模型離散成設定厚度的一系列片層數(shù)據(jù)，利用激光成形機或其它成形設備讀取這些數(shù)據(jù),用材料添加法技術,依次將每層堆積起來成形。這一技術稱為快速自動成形技術(Rapid Prototype)。它也是 CAD集成技術的重要組成部分。 第一臺快速成形設備于1987年在美國3D公司誕生,由于其特點是與制造的產品的復雜程度無關, 給制造業(yè)帶來巨大的震動。此后十年，快速成形技術得到飛速發(fā)展，設備的種類也層出不窮，從材料固化方法可分為激光和非激光燒結法(SLS)、固體表層造型法(SGC)、層片制造法(LOM)、熔化沉積法(FDM)、選區(qū)粘結法(DSPC、激光氣相沉積法(SALD)等。各種方法特點是:SLA法是最早應用的快速成形技術，初期市場占有較大的分額,但由于材料范闈窄,成本較高,成形件耐熱、耐負荷和著色能力低，近年逐漸被其它方法所代替。F D M由 于 速度快,，成本低，在塑料產品行業(yè)中得到較好的應用，由于零件的尺寸小，精度差,也受到一定的限制。L0M法由于釆用紙或者是薄片塑料，成本低，且激光只照射每一層的輪廊邊緣，因而成形速度快，但產品表面質量差。SLS法是用激光進行燒結， 采用的材料較廣，如塑料、蠟料、陶瓷、金屬等均可成形，成形件耐熱、耐負荷和者色能力較強,具有廣泛的應用前景。其它方法也在某些特種加工中得到應用。根據(jù)上述成形法特點,快速成形技術的作用主要在于:制造用于設計和試驗的產品模型、制造用于小批量生產的模具和小批量特殊零件的加工。快速成形技術制造的產品模型在材質方面比傳統(tǒng)加工方法制造的產品模型有所差別，但在外形及尺寸方面幾乎完全一樣，而且有一定的機械強度，可作功能性試驗，同時經過表面處理，看起來與真實產品一樣，可作廣告宣傳品?？焖俪尚渭夹g制造的模具，目前主要是軟材料的成形模(蠟模、 環(huán)氧樹脂模、硅橡膠模、低熔點合金鑄造模等)和陶瓷或金屬基合成材料硬型腔模。制造硬模時可用快速成形零件作母模，先制作環(huán)氧樹脂?；蚱渌辶系能浤?，在軟模中澆注陶瓷或石膏模，然后澆鑄鋼成鋼模;或者在軟模中澆注混合打化學粘結劑的鋼粉，進行燒結成鋼模。快速成形技術制造的鋼模需進一步做拋光等后加工,制成小批量生產的注塑模。由于模具是用鋼粉澆注或燒結而成,材質與普通模具鋼有一定的差距,因此，壽命較短，只能做試制產品成小批量生產。另外，快速成形技術也可以制作特殊的零件.如用冶金粉末法制作金屬電極、精密鑄造法制作銅電極、研模法制作石墨電極等?？焖俪尚渭夹g制作模具和產品的成型設備，均是讀取CAD系統(tǒng)產生的STL或CII等文件格式數(shù)據(jù).不同的文件格式數(shù)據(jù)對制作的產品精度有較大的差距。因此，研究CAD系統(tǒng)對快速成形設備的文件格式輸出有相當重要的意義。
6.模具CAD集成技術的發(fā)展趨勢
綜上所述，模具CAD集成技術就是應用于模具制造各個環(huán)節(jié)的計算機輔助技術和實現(xiàn)各環(huán)節(jié)信息集成的技術。顯然，信息集成與數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理是關鍵。產品的信息是貫穿于設計、分析、加工、檢測、裝配等各個階段,實現(xiàn)各環(huán)節(jié)信息的流暢、解決數(shù)據(jù)格式的標準化及數(shù)據(jù)維護與共享是未來CAD 集成技術發(fā)展的重點。PDM系統(tǒng)的出現(xiàn)為解決這一問題帶來了曙光。PDM系統(tǒng)的實施是模具企業(yè)應用CAD 集成技術的重要課題。在模具的設計制造方面，含有豐富專家知識的智能化模具CAD/CAM系統(tǒng)的研究、高速切削加工及其編程等是未來研究發(fā)展的趨勢。