塑料模具CAD集成技術(shù)

塑料模具CAD集成技術(shù)

通過分析計(jì)算機(jī)輔助注射模設(shè)計(jì)和制造的各個(gè)環(huán)節(jié)中共享的技術(shù)和信息，本文揭示了注射模CAD的集成技術(shù)的根本內(nèi)涵，并提出了它的研究熱點(diǎn)和趨勢(shì)。（作者：鐘燕鋒 賴建康 徐旋波）
?
??? 0、引言
??? 模具CAD集成技術(shù)是一項(xiàng)重要的模具先進(jìn)制造技術(shù), 是一項(xiàng)用高技術(shù)改造模具傳統(tǒng)技術(shù)的重要關(guān)鍵技術(shù)。從六五計(jì)劃開始, 我國有許多模具企業(yè)采用CAD技術(shù), 特別是近年, CAD技術(shù)的應(yīng)用越來越普遍和深入, 大大縮短了模具設(shè)計(jì)周期, 提高了制模質(zhì)量和復(fù)雜模具的制造能力。然而, 由于許多企業(yè)對(duì)模具CAD集成技術(shù)認(rèn)識(shí)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(fèi)。本文就塑料模具CAD集成技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)表一些觀點(diǎn), 供大家參考。
??? 1、塑料模具CAD集成技術(shù)
??? 塑料模具的制造, 包括塑料產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)、模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)環(huán)節(jié)所涉及的CAD單元技術(shù)有: 造型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(CAD)、產(chǎn)品外形的快速反求(RE)、結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)(CAE)、輔助制造(CAM)、加工過程虛擬仿真(SIMULATION)、產(chǎn)品及模具的快速成形(RP)、輔助工藝過程(CAPP)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)(PDM)等。塑料模具CAD集成技術(shù), 就是把塑料模具制造過程所涉及的各項(xiàng)單元技術(shù)集成起來, 統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫和文件傳輸格式, 實(shí)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(shè)計(jì)制造周期, 提高制模質(zhì)量。
??? 2、塑料產(chǎn)品的CAD設(shè)計(jì)與外形的快速反求
??? 進(jìn)行塑料模具設(shè)計(jì)制造的第一步是塑件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法是設(shè)計(jì)者對(duì)產(chǎn)品的三維構(gòu)思用二維平面圖紙表達(dá)出來, 圖紙上標(biāo)明工藝及施工方法, 這種方法決定了所設(shè)計(jì)圖形的簡(jiǎn)單性及不能直接控制制造質(zhì)量。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是設(shè)計(jì)者在電腦上直接建立產(chǎn)品的三維模型, 根據(jù)產(chǎn)品三維模型進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì), 再根據(jù)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三維模型進(jìn)行加工編程及編制工藝計(jì)劃。這種方法使產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工編程及工藝設(shè)計(jì)都以3D數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享, 不僅能快速提高設(shè)計(jì)效率, 而且能保證質(zhì)量, 降低成本。
??? 電腦塑件產(chǎn)品模型的來源有三種: 利用CAD系統(tǒng)軟件進(jìn)行產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)、利用實(shí)物測(cè)量進(jìn)行快速反求建模、利用其它CAD系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)格式文件。針對(duì)這三種產(chǎn)品模型的來源方式, 目前已研究出各種技術(shù)來提高產(chǎn)品模型的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。下面進(jìn)一步分析各種技術(shù)的內(nèi)涵和特點(diǎn)。
??? 利用CAD系統(tǒng)軟件進(jìn)行產(chǎn)品模型設(shè)計(jì), 其技術(shù)主要包括二維幾何圖形的繪制、二維參數(shù)化圖形的設(shè)計(jì)、三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)、三維特征造型設(shè)計(jì)、三維參數(shù)化實(shí)體造型設(shè)計(jì)、三維曲面造型設(shè)計(jì)、空間自由造型設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的外觀渲染、產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)廣告設(shè)計(jì)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(chǎn)品自由造型及廣告設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)代替手工繪圖; 而二維參數(shù)化, 即計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了圖形的變量設(shè)計(jì), 使修改更加方便; 三維造型設(shè)計(jì)是數(shù)字化的產(chǎn)品的真實(shí)形狀設(shè)計(jì), 它完全表達(dá)了產(chǎn)品, 能夠進(jìn)一步為模具設(shè)計(jì)、分析和加工提供必要的數(shù)學(xué)模型; 空間自由造型設(shè)計(jì)是產(chǎn)品外形的藝術(shù)設(shè)計(jì), 使產(chǎn)品不僅是功能產(chǎn)品, 也是藝術(shù)品; 產(chǎn)品的外觀渲染是產(chǎn)品的效果設(shè)計(jì), 使產(chǎn)品更加美觀、顏色更加能迎合人們的各種需求; 產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)廣告設(shè)計(jì)是將產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)果直接制作宣傳廣告, 進(jìn)行市場(chǎng)推廣。
??? 利用實(shí)物測(cè)量進(jìn)行快速反求建模是目前研究的熱點(diǎn)之一, 它是產(chǎn)品仿型基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品修改設(shè)計(jì)的重要技術(shù)。其基本原理是通過三座標(biāo)測(cè)量機(jī)、激光測(cè)量機(jī)或電子抄數(shù)儀對(duì)實(shí)物進(jìn)行掃描測(cè)量, 把測(cè)量所獲得的數(shù)字化的大量數(shù)據(jù)點(diǎn)送入高級(jí)CAD軟件的反求模塊或?qū)Ｓ玫姆辞筌浖? 反求軟件可直接讀取點(diǎn)數(shù)據(jù)群, 并可對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)群進(jìn)行編輯、過濾、整理、求精、排序、局部修改與重組, 然后自動(dòng)生成曲面, 最終獲得同實(shí)物精確一致的或經(jīng)改造的電腦塑件產(chǎn)品模型。這一方式可極大提高新產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)格式文件來建模, 這一方式較方便。由于市場(chǎng)的全球化和INTERNET網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展, 模具企業(yè)的CAD技術(shù)交流和合作有許多通過CAD文件方式進(jìn)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(biāo)準(zhǔn), 如DXF、IGES、STEP、VDA、STL等。通過讀取標(biāo)準(zhǔn)格式文件來直接建立或修改后建立產(chǎn)品模型, 既可加快、加深用戶與模具廠家的交流, 也可縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。
??? 3、模具的CAD設(shè)計(jì)與分析
??? 模具的CAD設(shè)計(jì)、分析, 包括根據(jù)產(chǎn)品模型進(jìn)行模具分型面的設(shè)計(jì)、確定型腔和型芯、模具結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)、塑料充填過程分析等幾個(gè)方面。利用先進(jìn)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(jìn)行流道、澆口以及冷卻水管的布置等。確定了這些設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以后, 再利用模具分析軟件, 如MOLDFLOW、CFLOW進(jìn)行塑料的成形過程分析。根據(jù)MOLDFOLW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(dòng)態(tài)仿真分析塑料在注塑模腔內(nèi)的注射過程流動(dòng)情況(含多澆口注射時(shí)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(yīng)力等, 根據(jù)分析情況來檢查模具結(jié)構(gòu)的合理性、流動(dòng)狀態(tài)的合理性、產(chǎn)品的質(zhì)量問題等。比如是否存在澆注系統(tǒng)不合理, 出現(xiàn)流道和澆口位置尺寸不當(dāng), 無法平衡充滿型腔; 是否存在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理或模具結(jié)構(gòu)不合理, 出現(xiàn)產(chǎn)品充不滿(即短射現(xiàn)象); 是否冷卻不均勻, 影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量; 是否存在注塑工藝不對(duì), 出現(xiàn)產(chǎn)品的翹曲變形等。模具通過CAD設(shè)計(jì)和分析, 就可以將錯(cuò)誤消除在設(shè)計(jì)階段, 提高一次試模成功率。
??? 在塑料模具設(shè)計(jì)和分析這一階段應(yīng)用了許多新的電腦輔助技術(shù), 如參數(shù)化技術(shù)、特征造型技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。塑料模具中有許多標(biāo)準(zhǔn)件, 如標(biāo)準(zhǔn)模架、頂出機(jī)構(gòu)、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(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)或建立標(biāo)準(zhǔn)件庫, 這樣既可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享, 又可以滿足用戶對(duì)設(shè)計(jì)的隨時(shí)修改, 使模具的設(shè)計(jì)分析快速、準(zhǔn)確、高效。參數(shù)化特征造型不僅可以完整地描述產(chǎn)品的幾何圖形信息, 而且可以獲得產(chǎn)品的精度、材料及裝配等信息, 其所建立的產(chǎn)品模型是一種易于處理、能反映設(shè)計(jì)意圖和加工特征的模型。因此, 參數(shù)化特征造型技術(shù)是模具制造過程最重要的技術(shù)之一。
??? 4、模具的CAM技術(shù)的應(yīng)用、加工仿真及制造
??? 模具的計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)技術(shù)主要應(yīng)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(shù)尤其是在復(fù)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(shù)特點(diǎn)包括: (1) 粗、精加工刀具軌跡的優(yōu)化規(guī)劃和NC指令的產(chǎn)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(shí)體仿真切削, (7) 電腦控制數(shù)控機(jī)床的DNC技術(shù)及群控技術(shù)的應(yīng)用等等。
??? 在CAM技術(shù)的應(yīng)用中特別需要CAD三維產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)。較多的專業(yè)電腦編程軟件如MASTERCAM、UNIMOD、CIMATRON等在多曲面的編程加工時(shí)對(duì)產(chǎn)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(xù)變化等。在高級(jí)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(shè)計(jì)和同一數(shù)據(jù)庫技術(shù), 使得產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)、模具的型腔和型芯模型數(shù)據(jù)、刀具軌跡數(shù)據(jù)有著內(nèi)在的聯(lián)系, 產(chǎn)品模型的修改刀具軌跡亦自動(dòng)修改。
??? 模具加工實(shí)體仿真技術(shù)越來越成熟, 也越來越受到人們的重視。加工實(shí)體仿真是在電腦上模仿機(jī)床的加工過程, 能直觀反映加工的結(jié)果, 能直接評(píng)估加工后零件的質(zhì)量, 能檢查出加工的錯(cuò)誤。在檢查加工后零件的質(zhì)量時(shí), 可在電腦上對(duì)加工后的實(shí)體模型進(jìn)行任意的剖切, 直接測(cè)量其尺寸和精度。因此, 它能把錯(cuò)誤消除在加工工藝編程設(shè)計(jì)階段, 減少加工后的修補(bǔ)和返工, 大大提高模具的制造效率和質(zhì)量。
??? 5、塑料產(chǎn)品及其模具的快速成形制造
??? 塑料產(chǎn)品及其模具用電腦CAD技術(shù)設(shè)計(jì)完成后, 可通過快速成形技術(shù)來制造。這是一種全新概念的制造技術(shù), 它摒棄了傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法。其成形原理是將三維CAD實(shí)體模型離散成設(shè)定厚度的一系列片層數(shù)據(jù), 利用激光成形機(jī)或其它成形設(shè)備讀取這些數(shù)據(jù), 用材料添加法技術(shù), 依次將每層堆積起來成形。這一技術(shù)稱為快速自動(dòng)成形技術(shù)(Rapid Prototype)。它也是CAD集成技術(shù)的重要組成部分。
??? 第一臺(tái)快速成形設(shè)備于1987年在美國3D公司誕生, 由于其特點(diǎn)是與制造的產(chǎn)品的復(fù)雜程度無關(guān), 給制造業(yè)帶來巨大的震動(dòng)。此后十年, 快速成形技術(shù)得到飛速發(fā)展, 設(shè)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(jié)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(jié)法(DSPC)、激光氣相沉積法(SALD)等。各種方法特點(diǎn)是: SLA法是最早應(yīng)用的快速成形技術(shù), 初期市場(chǎng)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(fù)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(chǎn)品行業(yè)中得到較好的應(yīng)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(chǎn)品表面質(zhì)量差。SLS法是用激光進(jìn)行燒結(jié), 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(fù)荷和著色能力較強(qiáng), 具有廣泛的應(yīng)用前景。其它方法也在某些特種加工中得到應(yīng)用。
??? 根據(jù)上述成形法特點(diǎn), 快速成形技術(shù)的作用主要在于: 制造用于設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的產(chǎn)品模型、制造用于小批量生產(chǎn)的模具和小批量特殊零件的加工?？焖俪尚渭夹g(shù)制造的產(chǎn)品模型在材質(zhì)方面比傳統(tǒng)加工方法制造的產(chǎn)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(jī)械強(qiáng)度, 可作功能性試驗(yàn), 同時(shí)經(jīng)過表面處理, 看起來與真實(shí)產(chǎn)品一樣, 可作廣告宣傳品?？焖俪尚渭夹g(shù)制造的模具, 目前主要是軟材料的成形模(蠟?zāi)！h(huán)氧樹脂模、硅橡膠模、低熔點(diǎn)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(shí)可用快速成形零件作母模, 先制作環(huán)氧樹脂?；蚱渌牧系能浤? 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有化學(xué)粘結(jié)劑的鋼粉, 進(jìn)行燒結(jié)成鋼模。快速成形技術(shù)制造的鋼模需進(jìn)一步做拋光等后加工, 制成小批量生產(chǎn)的注塑模。由于模具是用鋼粉澆注或燒結(jié)而成, 材質(zhì)與普通模具鋼有一定的差距, 因此, 壽命較短, 只能做試制產(chǎn)品或小批量生產(chǎn)。另外, 快速成形技術(shù)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(shù)制作模具和產(chǎn)品的成型設(shè)備, 均是讀取CAD系統(tǒng)產(chǎn)生的STL或CLI等文件格式數(shù)據(jù), 不同的文件格式數(shù)據(jù)對(duì)制作的產(chǎn)品精度有較大的差距, 因此, 研究CAD系統(tǒng)對(duì)快速成形設(shè)備的文件格式輸出有相當(dāng)重要的意義。
??? 6、模具CAD集成技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
??? 綜上所述, 模具CAD集成技術(shù)就是應(yīng)用于模具制造各個(gè)環(huán)節(jié)的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)和實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)信息集成的技術(shù)。顯然, 信息集成與數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理是關(guān)鍵。產(chǎn)品的信息是貫穿于設(shè)計(jì)、分析、加工、檢測(cè)、裝配等各個(gè)階段, 實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)信息的流暢、解決數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化及數(shù)據(jù)維護(hù)與共享是未來CAD集成技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。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(shí)施是模具企業(yè)應(yīng)用CAD集成技術(shù)的重要課題。在模具的設(shè)計(jì)制造方面, 含有豐富專家知識(shí)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(shì)。