1引言

　　塑料工業(yè)近20年來發(fā)展十分迅速，早在十多年前塑料的年產(chǎn)量按體積計(jì)算已經(jīng)超過鋼鐵和有色金屬年產(chǎn)量的總和，塑料制品在汽車、機(jī)電、儀表、航天航空等國家支柱產(chǎn)業(yè)及與人民日常生活相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛地應(yīng)用。相應(yīng)地，塑料模具在整個(gè)模具行業(yè)占有很重要的地位。根據(jù)國內(nèi)外模具市場(chǎng)的發(fā)展?fàn)顩r，有關(guān)專家預(yù)測(cè)，未來我國的模具業(yè)經(jīng)過行業(yè)調(diào)整后。塑料模具的比例將不斷增大。

　　近年來，塑料模具的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)得到很快發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展及其在塑料模設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用，徹底改變了傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)與制造方式，使塑料模技術(shù)得到了飛躍性的發(fā)展。在現(xiàn)代塑料模具設(shè)計(jì)與制造中，CAD是利用計(jì)算機(jī)對(duì)模具進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)、實(shí)體建模、繪圖等;CAE是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬分析計(jì)算進(jìn)而評(píng)估和分析模型，從而對(duì)模具模型進(jìn)行優(yōu)化;CAM指設(shè)計(jì)的模具模型在經(jīng)過CAE評(píng)估分析及優(yōu)化后，最終進(jìn)行加工刀具軌跡生成與仿真，產(chǎn)生數(shù)控加工代碼，從而控制數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。現(xiàn)代塑料模具設(shè)計(jì)的思路是設(shè)計(jì)者在電腦上直接建立產(chǎn)品的三維模型，并根據(jù)模型進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析及優(yōu)化，再根據(jù)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三維模型進(jìn)行NC編程，從而加工出模具。這種方法使產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)分析、工藝設(shè)計(jì)及加工編程都以3D數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，不僅能大幅度提高設(shè)計(jì)效率，且能保證質(zhì)量，降低成本。下面主要介紹CAD/CAE/CAM技術(shù)在現(xiàn)代塑料模中的應(yīng)用及發(fā)展，并簡要介紹并行工程、逆向工程和知識(shí)工程在塑料模中的應(yīng)用。

　　2 CAD/CAE/CAM在塑料模設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用

　　2.1 CAD技術(shù)與塑料模設(shè)計(jì)

　　塑料模設(shè)計(jì)制造的第一步是塑料產(chǎn)品設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者先在電腦上直接建立產(chǎn)品的三維模型，再根據(jù)產(chǎn)品的三維模型進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)。三維CAD造型軟件如Pro/E、UG、CATIA等為設(shè)計(jì)師提供了方便的設(shè)計(jì)平臺(tái)，它們強(qiáng)大的曲面造型和編輯修改功能以及逼真的顯示效果使設(shè)計(jì)者可以自如地表現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)意圖，真正做到所想即所得，而且制品的質(zhì)量、體積等各種物理參數(shù)一并計(jì)算保存，為后續(xù)的模具設(shè)計(jì)和分析打下良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，這些軟件還有專門的設(shè)計(jì)模塊，提供模具分型面工具，使得復(fù)雜的成型零件都能自動(dòng)生成，而且標(biāo)準(zhǔn)模架庫、典型結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)零件庫品種齊全，調(diào)用簡單，添加方便。這些功能大大縮短了模具設(shè)計(jì)時(shí)間。下面以三維軟件Pro/E為例，簡要介紹三維CAD造型軟件在塑料模設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

　　Pro/E是一參數(shù)化的、基于特征的實(shí)體模型設(shè)計(jì)軟件。其強(qiáng)大和獨(dú)特的功能主要表現(xiàn)在參數(shù)方法和基于特征的功能，其獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造過程的全相關(guān)性，任何一處的修改都會(huì)引起其他有關(guān)地方的自動(dòng)修改。Pro/E具有零件模塊、裝配模塊、制造模塊，模具設(shè)計(jì)模塊等80個(gè)專用模塊，其中Pro/MOLDESIGN模塊的出現(xiàn)使PTC徹底完成了塑料模的設(shè)計(jì)自動(dòng)化，大大提高了模具設(shè)計(jì)的效率。

　　Pro/MOLDESIGN是Pro/E系統(tǒng)中的一個(gè)選擇性模塊，提供了方便實(shí)用的三維環(huán)境下模具設(shè)計(jì)與分析工具。利用這些工具，可以由制品的三維實(shí)體模型建立起模具裝配模型，設(shè)計(jì)分型面、澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)。生成模具模型零件的三維實(shí)體模型，從而方便、正確地完成模具核心部分的設(shè)計(jì)工作。利用Pro/E系統(tǒng)的布局及裝配模塊，還可以進(jìn)行模具的頂出系統(tǒng)和三維總裝配設(shè)計(jì)，并最終利用工程模塊生成二維工程圖。Pro/MOLDESIGN模塊還提供了一些模具設(shè)計(jì)過程中非常實(shí)用的分析檢測(cè)功能，其中包括脫模檢測(cè)、厚度檢測(cè)、分型面檢測(cè)、投影面積計(jì)算、充模仿真、開模仿真等。在模具設(shè)計(jì)過程中適當(dāng)?shù)乩眠@些分析檢測(cè)功能，可以使模具設(shè)計(jì)更合理、準(zhǔn)確，且能避免設(shè)計(jì)中不必要的重復(fù)勞動(dòng)。

　　2.2 CAE技術(shù)與塑料模設(shè)計(jì)

　　傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)主要依靠設(shè)計(jì)人員的直覺和經(jīng)驗(yàn)，模具設(shè)計(jì)加工完后往往需要經(jīng)過反復(fù)調(diào)試與修正才能正式投入生產(chǎn)。試模發(fā)現(xiàn)問題后，不僅要重新調(diào)整工藝參數(shù)，甚至要修改塑料制品和模具結(jié)構(gòu)，這種生產(chǎn)方式嚴(yán)重制約了新產(chǎn)品的開發(fā)效率。在現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)技術(shù)中，CAE技術(shù)徹底克服了這一問題。例如，Moldflow、Polyflow等CAE軟件可以在模具制造前對(duì)模具設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

　　在注射模設(shè)計(jì)過程中利用模擬流動(dòng)分析軟件Moldflow提前對(duì)模具的設(shè)計(jì)效果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，其內(nèi)容包括確定最佳澆口位置、填充、保壓、冷卻、翹曲、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、最佳成型工藝等。通過分析.在設(shè)計(jì)階段就預(yù)測(cè)產(chǎn)品可能出現(xiàn)的缺陷，指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)師對(duì)已設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行修改和優(yōu)化，從而提高一次試模的成功率，降低生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

　　在擠出模設(shè)計(jì)過程中可利用Polyflow指導(dǎo)模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如，利用Polyflow分析不同工藝條件下的擠出成型效果，以此來確定擠出的最優(yōu)條件;可根據(jù)擠出制品的形狀，利用Polyflow進(jìn)行口模設(shè)計(jì)等。此軟件的應(yīng)用領(lǐng)域包括從板材、管材、異型材的擠出模擬，到雙層復(fù)合擠出和雙螺桿擠出模擬等許多方面。

　　在設(shè)計(jì)塑料模過程中，除了用CAE進(jìn)行模擬流動(dòng)分析外，為了獲得高準(zhǔn)確度的分析結(jié)果，還應(yīng)充分考慮模具使用過程中的實(shí)際情況，同時(shí)進(jìn)行其他的校正分析，使模具設(shè)計(jì)更具有實(shí)際意義和參考價(jià)值。例如在設(shè)計(jì)注射模的過程中，除了利用Moldflow對(duì)塑料熔體的流動(dòng)過程及其產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行比較充分的考慮和模擬來選擇最佳的設(shè)計(jì)方案外，還應(yīng)考慮在實(shí)際充模過程中，模具本身由于受到注射過程中壓力的影響而發(fā)生變形，特別是型腔和型芯的變化，會(huì)對(duì)塑件的形狀造成很大影響，關(guān)系到塑件是否能滿足其尺寸精度和技術(shù)要求。所以，很有必要對(duì)注射過程中模具的變化進(jìn)行全面分析，盡可能使分析結(jié)果與實(shí)際情況更加吻合。模具本身的這種變形分析不可能用一般注射模CAE軟件來分析，但可進(jìn)行常用的結(jié)構(gòu)分析。因此注射模設(shè)計(jì)的全面CAE分析除了需要一般注射模CAE軟件外，還需其他優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)分析軟件，如Ansys等。將結(jié)構(gòu)分析軟件引入模具CAE中，會(huì)使注射模設(shè)計(jì)的CAE具有更高的可行性、有效性、真實(shí)性，也才會(huì)使注射模設(shè)計(jì)CAE具有更大的價(jià)值。

　　2.3 CAD/CAE技術(shù)與塑料模結(jié)構(gòu)分析

　　隨著實(shí)際生產(chǎn)的需要和模具設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，模具設(shè)計(jì)已經(jīng)不僅僅停留在對(duì)外觀和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上。現(xiàn)代塑料模具技術(shù)已經(jīng)擴(kuò)展到對(duì)模具結(jié)構(gòu)分析的領(lǐng)域。對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)出的模具運(yùn)用CAE軟件(尤其是有限元軟件)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、抗沖擊試驗(yàn)?zāi)M、跌落試驗(yàn)?zāi)M、散熱能力、疲勞和蠕變等分析。檢驗(yàn)?zāi)＞呓Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，分析出結(jié)構(gòu)不合理的原因和位置。然后在CAD軟件中進(jìn)行相應(yīng)修改，再在CAE軟件中進(jìn)行各種性能檢測(cè)，最終確定出符合性能、經(jīng)濟(jì)性等方面要求的、最優(yōu)化的模具產(chǎn)品。

　　利用CAE分析軟件對(duì)塑料模結(jié)構(gòu)分析的主要應(yīng)用在以下幾方面：①強(qiáng)度和剛度分析。運(yùn)用CAE軟件如Ansys、Ddoml等對(duì)模具施加約束和載荷等外部條件來模擬模具的真實(shí)應(yīng)用情況，分析模具的強(qiáng)度和剛度是否達(dá)到規(guī)定要求。②抗沖擊試驗(yàn)?zāi)M。分析隨時(shí)間變化的載荷，如交變載荷、隨機(jī)載荷和其他瞬態(tài)力等對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，從而對(duì)模具結(jié)構(gòu)提供完整的評(píng)估與解決方案。③跌落試驗(yàn)?zāi)M。分析模具結(jié)構(gòu)由于碰撞或跌落產(chǎn)生的力、變形、應(yīng)力、位移等對(duì)模具結(jié)構(gòu)的影響。④散熱能力分析。模擬模具中的溫度分布，對(duì)各種材質(zhì)模具的散熱能力進(jìn)行初步分析。⑤疲勞和蠕變分析。對(duì)于那些可能在集中載荷、循環(huán)載荷和常值位移作用下的模具或處于低溫或者高溫工作條件的模具產(chǎn)品進(jìn)行初步的疲勞分析和蠕變分析。

　　通過對(duì)CAD/CAE技術(shù)在塑料模設(shè)計(jì)中應(yīng)用的分析，可以得到現(xiàn)代塑料模設(shè)計(jì)的大致流程：①用三維軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)體造型，其中如有需要可以利用CAE軟件(如Ansys)對(duì)塑件產(chǎn)品的使用環(huán)境和情況進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等方面的分析和校正，使之滿足使用要求或節(jié)約原材料(CAD/CAE);②根據(jù)選用塑料的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬流動(dòng)分析(CAE);③根據(jù)模擬流動(dòng)分析結(jié)果，利用三維軟件在塑件實(shí)體模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行模具設(shè)計(jì)(CAD);④利用CAE軟件，如Ansys,對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度剛度等方面的分析(CAE);⑤根據(jù)CAE的優(yōu)化結(jié)果，利用CAD修改產(chǎn)品或模具幾何實(shí)體模型，直至獲得最優(yōu)化的模具結(jié)構(gòu);⑥最后生成二維工程圖。

　　2.4 CAM技術(shù)與塑料模制造

　　模具結(jié)構(gòu)通過CAD/CAE階段的優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析，將模具設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤消除在設(shè)計(jì)階段，然后再利用CAM技術(shù)，自動(dòng)生成加工模具型腔的NC代碼，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造。例如，在利用Pro/E進(jìn)行注射模設(shè)計(jì)時(shí)，將設(shè)計(jì)的注射模模型經(jīng)過CAE評(píng)估分析及優(yōu)化后，最終在CAM中進(jìn)行刀具軌跡生成與仿真，產(chǎn)生數(shù)控加工代碼，從而控制數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。這種方法使產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)、模具設(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。

　　另外，也可以采用專業(yè)的CAM軟件MasterCAM來實(shí)現(xiàn)注射模的(蝴。利用Pro/E設(shè)計(jì)的注射模模型經(jīng)過CAE評(píng)估分析及優(yōu)化后，便可在PIo/E中提取相關(guān)加工信息，通過IGES或DXF傳入MasterCAM軟件中進(jìn)行模擬加工。MasterCAM是數(shù)控加工自動(dòng)編程常用的軟件，它提供刀具選擇、加工路徑規(guī)劃、切削用量設(shè)定等功能，設(shè)置有關(guān)參數(shù)，編輯好后處理文件，就可以自動(dòng)生成加工程序并傳輸至數(shù)控機(jī)床。最終完成零件的加工。

　　現(xiàn)代模具制造的必然趨勢(shì)是機(jī)械加工盡可能地取代手加工。目前數(shù)控車床、多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床、模具雕刻機(jī)等現(xiàn)代設(shè)備已在工廠中廣泛使用。這些設(shè)備大部分所用的程序都是應(yīng)用CAD/CAE/CAM系統(tǒng)產(chǎn)生的。操作人員按照規(guī)定的程序裝夾工件、配備刀具和操作機(jī)床，就能自動(dòng)地完成加工任務(wù)，將合格的模具零件制造出來。CAM技術(shù)使得數(shù)控加工技術(shù)快速發(fā)展，也促進(jìn)模具技術(shù)迅速發(fā)展。與傳統(tǒng)加工方法相比，CAM具有準(zhǔn)確、快速、簡便的優(yōu)勢(shì)，給人們帶來極大的方便，省去了代碼編輯、調(diào)試等繁瑣的工作。

　　采用模具CAD/CAE/CAM技術(shù)具有提高模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短模具設(shè)計(jì)、制造周期，提高塑料制品質(zhì)量。降低成本等優(yōu)點(diǎn)，是塑料模設(shè)計(jì)和制造技術(shù)發(fā)展的必然方向。