模具數字化設計與快速制造

王宏松，汪程，修輝平

（九江職業技術學院，九江 332007）

隨著科技的發展和社會的進步，產品的小批量、多樣化、高精度、復雜化將是未來發展的趨勢，這就迫使制造企業在產品不斷更新、質量要求不斷提升的前提下，最大限度地縮短產品開發周期，降低成本，以滿足用戶的最新要求。制造業的發展離不開模具工業，模具的開發和制造是制約新產品開發的瓶頸，傳統模具設計和制造方法已經不能滿足市場需要，因此模具的數字化設計和快速模具制造技術為產品快速響應市場奠定了基礎。

1 模具的數字化設計和快速制造系統的組成

模具數字化設計與快速制造技術集成，可以減少中間建模的時間和誤差，借助計算機對模具性能、模具結構、數控加工及精度等進行反復修改和優化，將問題發現于正式生產之前，可以快速完成產品設計，并有效地確保所設計的產品具有最優的結構和可行的工藝性，顯著縮短產品開發周期，降低相關成本［1］。

模具數字化設計，是以先進設計理論和方法為基礎，以數字技術為工具，實現模具設計全過程中對象的數字化表達、處理、儲存、傳遞及控制［2］。其特征表現為數字化設計、加工、分析以及數字化制造［3］。傳統的模具是由模具鋼經過“去除材料”，如車、銑、刨、磨等加工而成，制造周期長，成本高，工藝復雜?？焖倌＞咧圃旒夹g是由快速成形與快速制造（Rapid prototyping＆Manufacturing）作為支撐的一項基礎創新制造方法［4］，即從根本上拋棄了舊工藝方法，采用新的工藝方法，是一種新的“增加”材料制造模具的方法。

模具的數字化設計和快速制造集成系統如圖1所示。具體可以分為兩大過程:模具的數字化設計和模具的快速制造（RT）。

圖1 數字化設計和快速制造集成系統Fig.1 Integrated system of digital design and rapid manufacturing

1.1 模具的數字化設計

1.1.1 三維造型

實現產品和模具的三維CAD設計，是實現模具數字化制造的前提。數字化設計的方法有正向設計和逆向設計［5］。逆向設計是利用采集到的點云數據，導入到三維CAD后對產品和模具進行設計。同時，模具設計是一個典型的弱理論領域，具有很強的經驗知識，所以可以建立起專家庫，用于保存和重用已有經驗和知識，來指導模型的設計［6—7］。

1.1.2 結構分析

產品的設計不僅要滿足客戶的外觀要求，更重要的是要滿足使用性能和加工制造要求，因此要對產品進行結構分析。產品結構分析的主要內容有強度和剛度結構分析，根據分析的結果，對原始設計進行修改，使產品滿足客戶要求。

1.1.3 虛擬設計

虛擬技術是一種基于仿真的設計，虛擬設計是基于CAD模型，用精確逼真的數字模型表示物理模具的各個部分、各個部件以及整個原型模具及裝配。虛擬模具裝配系統在模具的設計階段，就對模具的機構設計、零件的安裝、裝配進行虛擬操作，將已完成設計的模具裝配到一起，用以檢查多個零部件裝配到一起的協調性，分析裝配和運動的干涉等。

1.1.4 成形工藝仿真與優化

注塑成形過程的機理比較復雜，注塑模具的結構設計（如分型面、澆口、流道、冷卻系統的設計），直接影響注塑件的外觀質量，如翹曲變形、熔接痕等。傳統的模具設計多是基于經驗的多反復性過程。通過反復的試模-修模-試模的方式來進行新模的開發，從而導致了模具的開發周期長，開發成本高。注塑工藝的仿真與優化可以評判結構設計的好壞，及時反饋給CAD的設計;同時還能確定合理的注塑成形工藝參數，為設計提供有力的依據。

1.2 模具的快速制造

1.2.1 快速成形

快速成形（Rapid Prototyping）是一種由CAD模型直接驅動，快速生成任意復雜形狀的三維實體的制造技術，它是一種“增加”材料制造的方法［8］。RP技術根據CAD模型，對實體進行切片，得到各個層的二維輪廓信息，按照這些輪廓一層一層加工堆砌形成三維的實體。目前商業化的快速成形方法主要有5種，其成形方法特點和應用場合見表1［9］。

1.2.2 模具快速制造方法

快速模具制造技術（RT）是快速成形技術（RP）的自然延伸?？焖俪尚巫畛醯哪康氖球炞C產品的設計，由于在材質上與真實的產品不一致，另外很難實現產品的大批量生產，因此迫切需要一種采用多種工藝、多種工具的新技術，它就是RT［10］?；赗P技術的模具快速制造工藝可以分為2種，一種是直接制造，另一種是間接制造，如圖2所示。

1.2.3 快速模具制造工藝

基于RP的模具快速制造工藝路線見表2。

表1 常用快速成形方法、原材料、特點和應用場合Table 1 Rapid prototyping methods，materials，characteristics and applications

表2 基于RP的模具快速制造工藝路線Table 2 Rapid mold manufacturing process

圖2 模具快速制造方法Fig.2 Rapid mold manufacturing methods

2 模具的數字化設計和快速制造的實現

根據客戶對快速成形制造工程中心的要求，試制2件玩具車齒輪。以客戶玩具車齒輪的原型為制造實例，采用FDM快速成形方式，通過間接制模方法，制造該產品的軟模，從而實現該產品的試制。通過樣品的試制，來驗證基于RP的快速模具制造系統的可行性。齒輪的數字化設計和快速模具制造流程如下。

2.1 模型的建立與分析

通過UG軟件建立模型，如圖3所示，然后進行塑模部件驗證，得到產品的綜合信息、拔模角等。分析顯示，齒輪厚度為25 mm，拔模角為0°，不利于分模，修改后的拔模角為1°。

圖3 玩具車齒輪Fig.3 Toy car gear

2.2 對產品進行分模和虛擬模具設計

運用UG進行產品的分模，確定型芯和型腔的長寬高，查看設計是否合理，并為后續的模具制造提供數據參考。擬采用軟模制造小批量產品，故不需要調用標準模架，但使用間接法來制造過渡模或批量模，可以調用標準模架，來觀察產品的布局是否合理。

圖4 型芯芯腔Fig.4 Core＆cavity

2.3 成形工藝分析

運用Moldflow對產品進行成形工藝的分析，考察在給定的成形工藝下，產品的收縮率、翹曲等，來確定產品和模具的設計是否合理。擬采用硅橡膠軟模來制造小批量的產品，硅橡膠軟模采用自然冷卻方式，無需要冷卻回路，因此可以省略成形工藝分析。

2.4 快速成形

與其他RP系統相比，FDM系統不用激光器件，使用維護簡單，成本較低，對于該塑料玩具制品，形狀不太復雜，要求的精度也不是很高，因此選用FDM成形工藝，采用北京殷華激光快速成形與模具技術有限公司的MEM-300-E型號的熔融快速成形機，配套開發的軟件為Auroral，成形層厚為0.2 mm，噴嘴溫度為260℃，工作室溫度為60℃，其他參數默認。成形后的零件如圖5所示。

圖5 快速成形系統與快速成形零件Fig.5 Rapid prototyping systems＆part

2.5 快速模具制造

軟模是一種試制用模具，它制造周期短、成本低、彈性好，工件易于脫模，再現性好?？蛻粢笤囍圃?件樣品，根據產品的材料和結構特點，結合制造成本和開發周期，優先選擇間接法制造硅橡膠軟模具。其工藝過程如下［11］。

1）在快速成形的母模上，沿著選定的分模面，貼一層膠帶，并用膠帶覆蓋住齒輪輪輻上的孔和軸孔。然后用強力膠將流道芯模粘結于母模上。

2）制作木頭澆注框，用油泥密封縫隙，懸掛母模和流道芯模與澆注框之中。

3）向澆注框中注入硅橡膠，同時加入少量的液態硅橡膠和固化劑。

4）烘干固化后，描畫分模線，用刀沿著分模線向粘貼的膠帶紙方向，切開澆注件。取出母模和澆注芯模具，最終得到玩具齒輪的上下模具。

3 結語

模具的數字化設計，可以快速完成產品設計，并有效地確保所設計的產品具有最優的結構和可行的工藝性;注塑模具的快速制造，可以針對不同的客戶需求和產品的質量要求，選擇不同的RP技術和RT技術。RP和RT技術的有機結合，能顯著縮短產品開發周期、制造周期，大大降低開發模具的成本。

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