注塑工藝及模具設計第七講 注塑模CAD及其智能系統（一）

洪慎章

(上海交通大學塑性成形技術與裝備研究院，上海 200030)

（接上期）

注塑模 CAD技術始于20世紀60年代，蓬勃發展于20世紀80、90年代。進人21世紀后，該技術得到了進一步發展及完善。

7.1 概述

7.1.1 注塑模CAD的特點

注塑成型方法能對形狀復雜的塑料產品一次成型，是一種高效率、 大批量的生產方式。現在，用這種方式生產的塑料產品在整個塑料產品中占有很大的比重。注塑成型模具是這種生產方式中的關鍵工藝裝備。由于塑料注射成型工藝十分復雜，設計模具時要考慮的因素比較多，因此傳統的手工設計方法對模具設計人員的知識、經驗和技術要求很高。

注塑模設計的主要特點如下所述:

（1）外部約束條件多 要選擇適合的塑料并對所選塑料的性能參數及工藝條件進行認真考慮，要考慮注塑機的注塑量、注射壓力、鎖模力、機架尺寸和剛度等條件，還要充分考慮塑料產品的形狀結構、 尺寸大小及其使用場合和生產批量等需求。

（2）結構復雜且靈活多變 注塑模具包含模架、成型零部件、澆注系統、冷卻系統、 脫膜機構等部分。成型零部件一般由凸模、凹模和側向抽芯機構等部分組成。 澆注系統包括主流道、分流道和澆口等部分。冷卻系統一般包括定模水道、動模水道和型芯中的冷卻芯等部分。結構的復雜性由此可見一斑。無論是模具整體結構還是某些零部件的結構，在設計實現時大都沒有固定不變的準則可循，不同的設計師往往設計出不完全相同的可行結構方案，靈活性很大。

（3）經驗性與試探性強 注塑成型工藝過程難以用定量關系來描述，并存在許多不確定的因素。因此，注塑模具設計離不開設計師的經驗，而且設計出來的模具一般都要經過反復的試模與修模過程。

上述這些特點反映到注塑模 CAD系統的開發方面，要求系統具有功能豐富、流程復雜、交互性強、用戶界面友好等特點。此外，一般的注塑模 CAD系統對操作人員的領域知識和設計決策能力要求比較高 。

注塑模 CAD技術主要從兩個方面對模具設計人員提供強有力的幫助:一是CAE，二是結構 CAD。

注塑模 CAE（Computer Aided Engineering，計算機輔助工程）是指使用計算機對模具進行有限元結構力學分析、流動分析模擬和冷卻分析模擬等。

注塑模結構CAD包括塑料產品的建模、模具總體結構方案設計和零部件設計、數控仿真和數控程序生成、模具裝配模擬、零件圖和裝配圖的生成與繪制等方面。

注塑模CAD系統一般都需要建立塑料和模具材料的性能參數數據庫、注塑機規范數據庫及標準模架和模具標準件等的圖形庫和數據庫，要求實現模具的標準化和系列化。

注塑模CAD/CAM一體化系統，一般具有五個相互獨立又相互聯系的部分，即：

a.產品圖輸入或產品造型。

b.模具總體設計方案的確定。

c.模具結構設計和零件設計。

d.模具強度分析和注塑成型過程中的流動分析模擬和冷卻分析模擬。

e.與CAM系統的接口（數控仿真和數控加工程序生成）。

這種系統的機構框圖如圖366所示。

圖366 注塑模CAD/CAM系統結構框圖

7.1.2 注塑模CAD技術

隨著工業，尤其是塑料工業的飛速發展，塑料制件的更新速度加快，注塑產品對模具的要求也越來越嚴格，傳統的注塑模設計制造方法已無法適應現代工業發展的需要。這些因素使工程技術人員更加清晰地認識到，注塑模計算機輔助設計技術是提高注塑模設計與制造效率的有效途徑。

注塑模計算機輔助設計技術，是模具設計工程師和模具制造工程師在CAD系統的輔助下，根據注塑產品的綜合特性（幾何特性和非幾何特性）進行模具設計和制造的一項先進技術。模具設計工程師根據注塑產品的綜合特性進行模具結構方案設計，經過初步分析和論證，在滿足特定技術條件后進行模具結構的詳細設計，同時進行詳細的工藝和力學分析，最終輸出相關技術文檔。而模具制造工程師則根據 CAD過程所提供的設計信息，進行模具零件的制造工藝設計和 NC 編程，最終生成模具零件制造加工過程的控制信息 。

注塑模 CAD是改造傳統注塑模設計與制造方式的關鍵技術。注塑模 CAD技術的應用縮短了模具開發周期，提高了設計質量，減少了開發和制造成本。

傳統的注塑模設計是以手工和經驗設計為主，但隨著注塑產品結構復雜程度的增加和產品更新周期的加快，傳統的設計與制造方法顯然難以適應市場竟爭的需要，發展注塑模 CAD技術是必然趨勢。應用CAD技術進行注塑產品開發，不僅可縮短注塑產品及其模具的設計和制造周期，同時還可增強計算分析能力，優化設計結果，提高注塑產品質量。而且設計、分析、制造和檢測都基于同一產品模型，從而有利于保證整個產品開發過程的正確性、可靠性和完整性，并最終實現設計、分析和制造過程的自動化。

注塑模設計過程中存在著大量重復性工作，如相同或相似零部件的多次重復使用以及設計過程的多次重復等。 注塑模 CAD 技術的應用使模具設計工程師從繁重的重復勞動中解放出來，讓模具設計工程師能夠更專注于創造性的設計工作，以最終提高模具的設計質量。

（1）注塑模 CAD系統的設計過程 注塑模設計工程師在計算機上利用 CAD 系統進行注塑模設計，與傳統的設計方法有本質的區別。 因為利用 CAD技術進行注塑模設計，所有的設計、分析、制造和檢測都基于同一產品信息模型，在進行產品或模具設計的同時，可并行地進行其他相關過程設計，從而大大縮短了產品的開發周期，提高了產品質量。

根據傳統注塑模設計流程，結合 CAD技術的特點，可歸納出圖367所示的注塑模 CAD流程。 其中在各設計校核和分析評估階段，都需要制定詳細的評估內容與評估標準，并根據用戶的要求對校核和分析結果進行評估，及時修改不能滿足用戶需求的設計內容 。

（2）注塑模 CAD技術的基本內容 注塑模 CAD系統的主要內容應包含注塑模設計工程應用數據庫模塊、注塑模 CAD設計功能模塊、 CAM模塊或接口和CAE模塊或接口；另外，為支持并行工程的應用，還應增加產品數據管理模塊。

工程應用數據庫是 CAD技術的應用基礎，它主要解決應用中大量數據的持久保存、安全操作和多用戶、多應用共享等數據管理問題。同時，為了有效地支持設計過程，數據庫中應包括所有設計生產產品及其模具所必需的全部資料，按存儲數據的類型一般可分為以下幾類:

a.材料數據庫，如工程塑料庫、模具材料庫和冷卻介質庫等。

b.注塑設備庫，如注塑機規格、型號等。

c.標準件庫，如標準零件庫、標準模架庫等。

d.典型機構結構庫，如抽芯機構常用結構庫、頂出機構結構庫等。

圖367 注塑模CAD設計流程圖

e.事例庫，存儲典型模具結構和設計方案等。

注塑模計算機輔助系統中，設計模塊主要是進行模具方案設計和塑件及模具零件造型設計。其中造型功能的強弱直接關系到CAD設計模塊的設計效率和質量，是注塑模CAD的系統的關鍵和核心模塊。

CAM模塊或接口直接利用CAD生成的零件三維實體模型進行NC編程，生成加工指令和進行加工模擬。

CAE模塊或接口可對設計的注塑件和注塑模進行注塑工藝分析，包括流動、溫度和應力等分析，幫助模具設計工程師進行設計和校核，并對最終設計進行優化。

7.1.3 注塑模CAD的發展概況

注塑模CAD的發展歷史是注塑模設計制造與CAD技術相互促進、相互依賴、共同發展的歷史。注塑模CAD技術的興起與應用，首先是由于CAD技術和通用CAD系統的發展，另外，也是優于注塑模理論的發展及注塑模設計和制造本身對CAD技術應用迫切需求的內在要求。

隨著計算機的升級換代，計算機圖形學和計算機技術的迅速發展，從20世紀60～70年代，是CAD/CAM技術的飛速發展的階段。20世紀60年代中期，美國和英國的許多大公司和大學投入大量的人力和物力對CAD/CAM技術進行研究和開發，并研制出許多實用的 CAD/CAM系統。與此同時，英國、美國和加拿大等國的學者開展了有關塑料熔體在模具型腔內流動和冷卻的基礎研究，建立了熔體一維流動數學模型，為系統地開展注塑模 CAD研究奠定了基礎。

從1972年開始，加拿大麥吉爾（McGill）大學化學工程系 M. R. Kamal 教授領導的研究小組對注塑成型工藝的計算機模擬、過程控制和塑料性能試驗等進行了系統研究，在此基礎上建立了注塑工藝過程計算機模擬集成系統 MCKAM。 美國康奈爾大學的 K.K. Wang領導的注塑模科研組從1974年開始對注塑模CAD/ CAM/CAE技術進行了深入研究，先后建立了注塑過程流動、保壓、冷卻的一維、二維和三維數學模型，開展了塑料熔體流變性能和熱性能的實驗研究，創立了流道平衡計算的數學模型。經過長期的研究和發展，注塑模設計計算機輔助技術已進人實用階段。

7.1.4 注塑模 CAD的發展趨勢

CAD技術的發展方向今后仍然是集成化、智能化、柔性、網絡化與并行設計、提高系統的實用性和使用方便性，以及降低價格等。下面簡述幾個顯著的發展趨勢 。

（1）CAD與 CAM系統集成 設計、制造或施工及相應的生產與工程管理等方面存在緊密的聯系。為了提高工作效率，人們首先將 CAD與 CAM兩個過程有機地連接起來，實現了 CAD/CAM一體化。這種系統將 CAD的設計結果直接用于數控仿真和生成數控加工程序，在數控機床上進行自動加工。

在這種一體化系統的基礎上，人們又積極開展計算機集成制造系統（Computer Integrated Manufact uring System，CIMS）的研制。 CIMS系統基于計算機技術和信息技術，將設計、制造和生產管理、經營決策等方面有機地結合成一個整體，形成物流和信息流的綜合，對產品設計、零件加工、整機裝配和檢測檢驗的全過程實施計算機控制，從而達到進一步提高效率、提高柔性、提高質量和降低成本的目的。

（2）建立和應用 CAD網絡環境 現在，將多臺微型機CAD工作站聯網或將多臺微型機 CAD工作站和工程工作站聯網，構成分布式 CAD系統，已成為一種趨勢。這種網絡系統結構靈活、 功能強大、 價格較低。每個工作站可單獨使用，也可相互配合，實現資源和信息共享，也可實現并行設計和協同工作。 這種CAD 網絡很適合企業單位的需要。這是因為企業中的產品設計與制造一般都不是個人行為，而是一個組或一個科室群體有組織有計劃進行的工程項目。參加工作的各個成員必須相互配合、協同努力，在規定的權限下共享資源和已有的設計結果，有關負責人還要對各步的設計結果進行審核。CAD 網絡的建立以及設計管理和協同設計功能的實現，無疑將大大促進企業經濟效益的提高。

（3）人工智能與專家系統技術的應用 設計過程需要大量的設計知識和專家經驗。一般的 CAD系統都是一種人機系統，即系統中包含了使用系統的人。使用CAD系統的設計者在系統行為中起著主導和決策的作用。人工智能（AI）、專家系統（ES）和基于知識的系統（Knowledge-Based System，KBS）技術的發展及其在設計領域的應用，為 CAD技術的發展開辟了新的途徑，從而出現了新的面貌。

7.2 注塑模的軟件及硬件配置

7.2.1 注塑模軟件

軟件的特點及開發環境可能有區別，注塑模CAD、 CAE、 CAM軟件有一般通用工程軟件的功能，具體包括以下幾方面:

（1）自由曲面造型功能 系統應能根據給定的離散數據和工程問題的邊界條件，來定義、 生成、 控制和處理過渡曲面和多邊域曲面，并能方便地構造帶有自由曲面產品的幾何模型 。

（2）實體造型功能 系統應具有定義和生成幾何體素的能力，并能采用幾何體素和規則幾何形體構造產品的幾何模型。

（3）參數化造型功能 系統應具有三維參數化造型功能，即能夠用幾何約束（尺寸及其類型）來修改產品的幾何形狀。在注塑模具 CAD/CAM系統中，參數化功能可以方便地用于由產品形狀生成型腔形狀，以及建立標準模架及其零件庫等 。

（4）物體質量特性計算功能 系統應具有根據產品幾何模型計算其體積、表面積、質量、密度、中心及軸向轉動慣性矩等數據的能力，以便為后續工程分析和數值計算提供必要的參數和數據。

（5）圖形顯示及編輯功能 系統應具有動態顯示三維圖形、 消除隱藏線、生成彩色濃淡圖 （或稱陰影圖）的能力，并能方便地對生成的圖形進行刪除、增加與修改。

（6）二維視圖生成功能 產品的幾何造型需要三維圖形生成功能，而模具結構圖在傳統上仍采用二維多向視圖，這就要求 CAD 系統能方便地將三維圖形轉換為各個投影方向的二維視圖。

（7）有限元網格生成功能 為能用有限元法對產品或模具結構進行性能分析，系統應具有有限元網格自動生成的能力 。

（8）數控加工功能 系統應具有多軸數控機床的數控加工指令生成的能力，并能在屏幕上顯示刀具運動軌跡，以及對數控加工的全過程進行動態仿真 。

（9）三維運動機構的分析與仿真功能 系統應具有對運動機構（如模具開合、側向抽芯等）運動軌跡和干涉校核進行研究的能力，為用戶提供直觀的仿真效果 。

（10）信息處理與管理功能 系統應具有統一處理和管理產品設計與制造等全部信息的能力，并能與其他系統進行數據傳輸與交換。

圖368給出了注塑模CAD/CAE/CAM軟件配置。

圖368 注塑模 CAD/CAE/CAM軟件配置

圖369 注塑模CAD/CAE/CAM硬件配置

7.2.2 注塑模硬件

根據現代模具設計加工的特點，圖369給出了注塑模CAD/CAE/CAM硬件配置。