注塑工艺及模具设计第七讲 注塑模CAD及其智能系统（一）

洪慎章

(上海交通大学塑性成形技术与装备研究院，上海 200030)

（接上期）

注塑模 CAD技术始于20世纪60年代，蓬勃发展于20世纪80、90年代。进人21世纪后，该技术得到了进一步发展及完善。

7.1 概述

7.1.1 注塑模CAD的特点

注塑成型方法能对形状复杂的塑料产品一次成型，是一种高效率、 大批量的生产方式。现在，用这种方式生产的塑料产品在整个塑料产品中占有很大的比重。注塑成型模具是这种生产方式中的关键工艺装备。由于塑料注射成型工艺十分复杂，设计模具时要考虑的因素比较多，因此传统的手工设计方法对模具设计人员的知识、经验和技术要求很高。

注塑模设计的主要特点如下所述:

（1）外部约束条件多 要选择适合的塑料并对所选塑料的性能参数及工艺条件进行认真考虑，要考虑注塑机的注塑量、注射压力、锁模力、机架尺寸和刚度等条件，还要充分考虑塑料产品的形状结构、 尺寸大小及其使用场合和生产批量等需求。

（2）结构复杂且灵活多变 注塑模具包含模架、成型零部件、浇注系统、冷却系统、 脱膜机构等部分。成型零部件一般由凸模、凹模和侧向抽芯机构等部分组成。 浇注系统包括主流道、分流道和浇口等部分。冷却系统一般包括定模水道、动模水道和型芯中的冷却芯等部分。结构的复杂性由此可见一斑。无论是模具整体结构还是某些零部件的结构，在设计实现时大都没有固定不变的准则可循，不同的设计师往往设计出不完全相同的可行结构方案，灵活性很大。

（3）经验性与试探性强 注塑成型工艺过程难以用定量关系来描述，并存在许多不确定的因素。因此，注塑模具设计离不开设计师的经验，而且设计出来的模具一般都要经过反复的试模与修模过程。

上述这些特点反映到注塑模 CAD系统的开发方面，要求系统具有功能丰富、流程复杂、交互性强、用户界面友好等特点。此外，一般的注塑模 CAD系统对操作人员的领域知识和设计决策能力要求比较高 。

注塑模 CAD技术主要从两个方面对模具设计人员提供强有力的帮助:一是CAE，二是结构 CAD。

注塑模 CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）是指使用计算机对模具进行有限元结构力学分析、流动分析模拟和冷却分析模拟等。

注塑模结构CAD包括塑料产品的建模、模具总体结构方案设计和零部件设计、数控仿真和数控程序生成、模具装配模拟、零件图和装配图的生成与绘制等方面。

注塑模CAD系统一般都需要建立塑料和模具材料的性能参数数据库、注塑机规范数据库及标准模架和模具标准件等的图形库和数据库，要求实现模具的标准化和系列化。

注塑模CAD/CAM一体化系统，一般具有五个相互独立又相互联系的部分，即：

a.产品图输入或产品造型。

b.模具总体设计方案的确定。

c.模具结构设计和零件设计。

d.模具强度分析和注塑成型过程中的流动分析模拟和冷却分析模拟。

e.与CAM系统的接口（数控仿真和数控加工程序生成）。

这种系统的机构框图如图366所示。

图366 注塑模CAD/CAM系统结构框图

7.1.2 注塑模CAD技术

随着工业，尤其是塑料工业的飞速发展，塑料制件的更新速度加快，注塑产品对模具的要求也越来越严格，传统的注塑模设计制造方法已无法适应现代工业发展的需要。这些因素使工程技术人员更加清晰地认识到，注塑模计算机辅助设计技术是提高注塑模设计与制造效率的有效途径。

注塑模计算机辅助设计技术，是模具设计工程师和模具制造工程师在CAD系统的辅助下，根据注塑产品的综合特性（几何特性和非几何特性）进行模具设计和制造的一项先进技术。模具设计工程师根据注塑产品的综合特性进行模具结构方案设计，经过初步分析和论证，在满足特定技术条件后进行模具结构的详细设计，同时进行详细的工艺和力学分析，最终输出相关技术文档。而模具制造工程师则根据 CAD过程所提供的设计信息，进行模具零件的制造工艺设计和 NC 编程，最终生成模具零件制造加工过程的控制信息 。

注塑模 CAD是改造传统注塑模设计与制造方式的关键技术。注塑模 CAD技术的应用缩短了模具开发周期，提高了设计质量，减少了开发和制造成本。

传统的注塑模设计是以手工和经验设计为主，但随着注塑产品结构复杂程度的增加和产品更新周期的加快，传统的设计与制造方法显然难以适应市场竟争的需要，发展注塑模 CAD技术是必然趋势。应用CAD技术进行注塑产品开发，不仅可缩短注塑产品及其模具的设计和制造周期，同时还可增强计算分析能力，优化设计结果，提高注塑产品质量。而且设计、分析、制造和检测都基于同一产品模型，从而有利于保证整个产品开发过程的正确性、可靠性和完整性，并最终实现设计、分析和制造过程的自动化。

注塑模设计过程中存在着大量重复性工作，如相同或相似零部件的多次重复使用以及设计过程的多次重复等。 注塑模 CAD 技术的应用使模具设计工程师从繁重的重复劳动中解放出来，让模具设计工程师能够更专注于创造性的设计工作，以最终提高模具的设计质量。

（1）注塑模 CAD系统的设计过程 注塑模设计工程师在计算机上利用 CAD 系统进行注塑模设计，与传统的设计方法有本质的区别。 因为利用 CAD技术进行注塑模设计，所有的设计、分析、制造和检测都基于同一产品信息模型，在进行产品或模具设计的同时，可并行地进行其他相关过程设计，从而大大缩短了产品的开发周期，提高了产品质量。

根据传统注塑模设计流程，结合 CAD技术的特点，可归纳出图367所示的注塑模 CAD流程。 其中在各设计校核和分析评估阶段，都需要制定详细的评估内容与评估标准，并根据用户的要求对校核和分析结果进行评估，及时修改不能满足用户需求的设计内容 。

（2）注塑模 CAD技术的基本内容 注塑模 CAD系统的主要内容应包含注塑模设计工程应用数据库模块、注塑模 CAD设计功能模块、 CAM模块或接口和CAE模块或接口；另外，为支持并行工程的应用，还应增加产品数据管理模块。

工程应用数据库是 CAD技术的应用基础，它主要解决应用中大量数据的持久保存、安全操作和多用户、多应用共享等数据管理问题。同时，为了有效地支持设计过程，数据库中应包括所有设计生产产品及其模具所必需的全部资料，按存储数据的类型一般可分为以下几类:

a.材料数据库，如工程塑料库、模具材料库和冷却介质库等。

b.注塑设备库，如注塑机规格、型号等。

c.标准件库，如标准零件库、标准模架库等。

d.典型机构结构库，如抽芯机构常用结构库、顶出机构结构库等。

图367 注塑模CAD设计流程图

e.事例库，存储典型模具结构和设计方案等。

注塑模计算机辅助系统中，设计模块主要是进行模具方案设计和塑件及模具零件造型设计。其中造型功能的强弱直接关系到CAD设计模块的设计效率和质量，是注塑模CAD的系统的关键和核心模块。

CAM模块或接口直接利用CAD生成的零件三维实体模型进行NC编程，生成加工指令和进行加工模拟。

CAE模块或接口可对设计的注塑件和注塑模进行注塑工艺分析，包括流动、温度和应力等分析，帮助模具设计工程师进行设计和校核，并对最终设计进行优化。

7.1.3 注塑模CAD的发展概况

注塑模CAD的发展历史是注塑模设计制造与CAD技术相互促进、相互依赖、共同发展的历史。注塑模CAD技术的兴起与应用，首先是由于CAD技术和通用CAD系统的发展，另外，也是优于注塑模理论的发展及注塑模设计和制造本身对CAD技术应用迫切需求的内在要求。

随着计算机的升级换代，计算机图形学和计算机技术的迅速发展，从20世纪60～70年代，是CAD/CAM技术的飞速发展的阶段。20世纪60年代中期，美国和英国的许多大公司和大学投入大量的人力和物力对CAD/CAM技术进行研究和开发，并研制出许多实用的 CAD/CAM系统。与此同时，英国、美国和加拿大等国的学者开展了有关塑料熔体在模具型腔内流动和冷却的基础研究，建立了熔体一维流动数学模型，为系统地开展注塑模 CAD研究奠定了基础。

从1972年开始，加拿大麦吉尔（McGill）大学化学工程系 M. R. Kamal 教授领导的研究小组对注塑成型工艺的计算机模拟、过程控制和塑料性能试验等进行了系统研究，在此基础上建立了注塑工艺过程计算机模拟集成系统 MCKAM。 美国康奈尔大学的 K.K. Wang领导的注塑模科研组从1974年开始对注塑模CAD/ CAM/CAE技术进行了深入研究，先后建立了注塑过程流动、保压、冷却的一维、二维和三维数学模型，开展了塑料熔体流变性能和热性能的实验研究，创立了流道平衡计算的数学模型。经过长期的研究和发展，注塑模设计计算机辅助技术已进人实用阶段。

7.1.4 注塑模 CAD的发展趋势

CAD技术的发展方向今后仍然是集成化、智能化、柔性、网络化与并行设计、提高系统的实用性和使用方便性，以及降低价格等。下面简述几个显著的发展趋势 。

（1）CAD与 CAM系统集成 设计、制造或施工及相应的生产与工程管理等方面存在紧密的联系。为了提高工作效率，人们首先将 CAD与 CAM两个过程有机地连接起来，实现了 CAD/CAM一体化。这种系统将 CAD的设计结果直接用于数控仿真和生成数控加工程序，在数控机床上进行自动加工。

在这种一体化系统的基础上，人们又积极开展计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufact uring System，CIMS）的研制。 CIMS系统基于计算机技术和信息技术，将设计、制造和生产管理、经营决策等方面有机地结合成一个整体，形成物流和信息流的综合，对产品设计、零件加工、整机装配和检测检验的全过程实施计算机控制，从而达到进一步提高效率、提高柔性、提高质量和降低成本的目的。

（2）建立和应用 CAD网络环境 现在，将多台微型机CAD工作站联网或将多台微型机 CAD工作站和工程工作站联网，构成分布式 CAD系统，已成为一种趋势。这种网络系统结构灵活、 功能强大、 价格较低。每个工作站可单独使用，也可相互配合，实现资源和信息共享，也可实现并行设计和协同工作。 这种CAD 网络很适合企业单位的需要。这是因为企业中的产品设计与制造一般都不是个人行为，而是一个组或一个科室群体有组织有计划进行的工程项目。参加工作的各个成员必须相互配合、协同努力，在规定的权限下共享资源和已有的设计结果，有关负责人还要对各步的设计结果进行审核。CAD 网络的建立以及设计管理和协同设计功能的实现，无疑将大大促进企业经济效益的提高。

（3）人工智能与专家系统技术的应用 设计过程需要大量的设计知识和专家经验。一般的 CAD系统都是一种人机系统，即系统中包含了使用系统的人。使用CAD系统的设计者在系统行为中起着主导和决策的作用。人工智能（AI）、专家系统（ES）和基于知识的系统（Knowledge-Based System，KBS）技术的发展及其在设计领域的应用，为 CAD技术的发展开辟了新的途径，从而出现了新的面貌。

7.2 注塑模的软件及硬件配置

7.2.1 注塑模软件

软件的特点及开发环境可能有区别，注塑模CAD、 CAE、 CAM软件有一般通用工程软件的功能，具体包括以下几方面:

（1）自由曲面造型功能 系统应能根据给定的离散数据和工程问题的边界条件，来定义、 生成、 控制和处理过渡曲面和多边域曲面，并能方便地构造带有自由曲面产品的几何模型 。

（2）实体造型功能 系统应具有定义和生成几何体素的能力，并能采用几何体素和规则几何形体构造产品的几何模型。

（3）参数化造型功能 系统应具有三维参数化造型功能，即能够用几何约束（尺寸及其类型）来修改产品的几何形状。在注塑模具 CAD/CAM系统中，参数化功能可以方便地用于由产品形状生成型腔形状，以及建立标准模架及其零件库等 。

（4）物体质量特性计算功能 系统应具有根据产品几何模型计算其体积、表面积、质量、密度、中心及轴向转动惯性矩等数据的能力，以便为后续工程分析和数值计算提供必要的参数和数据。

（5）图形显示及编辑功能 系统应具有动态显示三维图形、 消除隐藏线、生成彩色浓淡图 （或称阴影图）的能力，并能方便地对生成的图形进行删除、增加与修改。

（6）二维视图生成功能 产品的几何造型需要三维图形生成功能，而模具结构图在传统上仍采用二维多向视图，这就要求 CAD 系统能方便地将三维图形转换为各个投影方向的二维视图。

（7）有限元网格生成功能 为能用有限元法对产品或模具结构进行性能分析，系统应具有有限元网格自动生成的能力 。

（8）数控加工功能 系统应具有多轴数控机床的数控加工指令生成的能力，并能在屏幕上显示刀具运动轨迹，以及对数控加工的全过程进行动态仿真 。

（9）三维运动机构的分析与仿真功能 系统应具有对运动机构（如模具开合、侧向抽芯等）运动轨迹和干涉校核进行研究的能力，为用户提供直观的仿真效果 。

（10）信息处理与管理功能 系统应具有统一处理和管理产品设计与制造等全部信息的能力，并能与其他系统进行数据传输与交换。

图368给出了注塑模CAD/CAE/CAM软件配置。

图368 注塑模 CAD/CAE/CAM软件配置

图369 注塑模CAD/CAE/CAM硬件配置

7.2.2 注塑模硬件

根据现代模具设计加工的特点，图369给出了注塑模CAD/CAE/CAM硬件配置。