塑料模具CAD集成技術

通過分析計算機輔助注射模設計和制造的各個環節中共享的技術和信息，本文揭示了注射模CAD的集成技術的根本內涵，并提出了它的研究熱點和趨勢。（作者：鐘燕鋒 賴建康 徐旋波）
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??? 0、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采用CAD技術, 特別是近年, CAD技術的應用越來越普遍和深入, 大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。各個環節所涉及的CAD單元技術有: 造型和結構設計(CAD)、產品外形的快速反求(RE)、結構分析與優化設計(CAE)、輔助制造(CAM)、加工過程虛擬仿真(SIMULATION)、產品及模具的快速成形(RP)、輔助工藝過程(CAPP)和產品數據管理技術(PDM)等。塑料模具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, 統一數據庫和文件傳輸格式, 實現信息集成和數據資源共享, 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。現代設計方法是設計者在電腦上直接建立產品的三維模型, 根據產品三維模型進行模具結構設計及優化設計, 再根據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數據為基礎, 實現數據共享, 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。下面進一步分析各種技術的內涵和特點。
??? 利用CAD系統軟件進行產品模型設計, 其技術主要包括二維幾何圖形的繪制、二維參數化圖形的設計、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、產品的動態廣告設計等等。這些軟件有許多典型的代表。二維軟件有: ME10、CADKEY、AUTOCAD、DHCAD、Genis、Sigraph等; 三維軟件有: UGII、PRO/E、IDEAS、CATIA、EUCLID等; 產品自由造型及廣告設計的軟件有: Alias、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; 而二維參數化, 即計算機實現了圖形的變量設計, 使修改更加方便; 三維造型設計是數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學模型; 空間自由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儀對實物進行掃描測量, 把測量所獲得的數字化的大量數據點送入高級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據群, 并可對點數據群進行編輯、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, Strim100等。
??? 利用其它CAD系統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INTERNET網絡技術的發展, 模具企業的CAD技術交流和合作有許多通過CAD文件方式進行。由于CAD系統種類較多, 因此文件的格式就必須遵循國際標準, 如DXF、IGES、STEP、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、澆口以及冷卻水管的布置等。確定了這些設計數據以后, 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MOLDFOLW軟件和它的豐富的材料、工藝數據庫, 通過輸入成形工藝參數, 可動態仿真分析塑料在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)、分析溫度壓力變化情況、分析注塑件殘余應力等, 根據分析情況來檢查模具結構的合理性、流動狀態的合理性、產品的質量問題等。比如是否存在澆注系統不合理, 出現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, 出現產品充不滿(即短射現象); 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, 如參數化技術、特征造型技術、數據庫技術等。塑料模具中有許多標準件, 如標準模架、頂出機構、澆注系統、冷卻系統等都可以采用基于數據庫管理的參數化特征造型設計方法進行設計或建立標準件庫, 這樣既可以實現數據共享, 又可以滿足用戶對設計的隨時修改, 使模具的設計分析快速、準確、高效。參數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、材料及裝配等信息, 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化規劃和NC指令的產生, (2) 刀具種類、特性和材料庫的建立, (3) 切削加工工藝參數的確定, (4) 普通切削和高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) 電腦控制數控機床的DNC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三維產品模型數據。較多的專業電腦編程軟件如MASTERCAM、UNIMOD、CIMATRON等在多曲面的編程加工時對產品的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、曲面斜率連續變化等。在高級CAD/CAM一體化系統中(如UGII、PRO/E), 由于利用了參數化特征造型設計和同一數據庫技術, 使得產品模型數據、模具的型腔和型芯模型數據、刀具軌跡數據有著內在的聯系, 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, 它摒棄了傳統的機械加工方法。其成形原理是將三維CAD實體模型離散成設定厚度的一系列片層數據, 利用激光成形機或其它成形設備讀取這些數據, 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, 給制造業帶來巨大的震動。此后十年, 快速成形技術得到飛速發展, 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, 但由于材料范圍窄, 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。FDM法由于成形速度快, 成本低, 在塑料產品行業中得到較好的應用, 由于零件的尺寸小, 精度差, 也受到一定的限制。LOM法由于采用紙或者是薄片塑料, 成本低, 且激光只照射每一層的輪廓邊緣, 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、耐負荷和著色能力較強, 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。快速成形技術制造的模具, 目前主要是軟材料的成形模(蠟模、環氧樹脂模、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, 先制作環氧樹脂模或其它材料的軟模, 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有化學粘結劑的鋼粉, 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, 只能做試制產品或小批量生產。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。
??? 快速成形技術制作模具和產品的成型設備, 均是讀取CAD系統產生的STL或CLI等文件格式數據, 不同的文件格式數據對制作的產品精度有較大的差距, 因此, 研究CAD系統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節的計算機輔助技術和實現各環節信息集成的技術。顯然, 信息集成與數據統一管理是關鍵。產品的信息是貫穿于設計、分析、加工、檢測、裝配等各個階段, 實現各環節信息的流暢、解決數據格式的標準化及數據維護與共享是未來CAD集成技術發展的重點。PDM系統的出現為解決這一問題帶來了曙光。PDM系統的實施是模具企業應用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系統的研究、高速切削加工及其編程等是未來研究發展的趨勢。