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11.引言1.1课题的依据和意义随着科学的发展，各种产品的更新换代速度越来越快，而产品的更新是以新产品的造型设计和模具的设计、制造与更新为前提的。模具的设计是模具更新的基础，模具设计工作与产品的更新信息相关。传统的手工设计模式已经不能很好地适应时代的需要，计算机辅助设计与制造已成为许多大型CAD/CAM/CAE软件追求的目标。而在众多辅助设计制造软件中，Unigraphics软件是当今世界较先进、面向制造业的综合软件。该软件的功能覆盖了整个产品的开发过程，即覆盖了从概念设计、功能工程、工程分析、加工制造到产品发布的全过程，在模具、航空、汽车、机械、电器电子等各工业领域的应用非常广泛。UG软件在产品造型、注塑模设计和冲压级进模设计中的应用，将体现该软件在产品造型和模具设计中的强大功能，展现它的灵活性和工程设计严谨性的特点和优点。1.2注塑模具CAD技术概述CAD(ComputerAidedDesign)技术的应用，使得设计人员在设计过程中，能够充分发挥计算机的强大算术逻辑运算功能、大容量信息存储与快速信息查找的能力，完成信息管理、数值计算、分析模拟、优化设计和绘图等项任务;让设计人员能够集中精力进行更有效的创造性思维，从而更好地完成从设计方案的提出、评价、分析模拟与修改到具体设计实现的设计全过程。注塑模具CAD技术是指在注塑模具设计过程中采用CAD系统来辅助设计人员进行模具设计，以便提高模具设计的水平和效率。注塑模具CAD系统是在通用CAD系统的基础上，加载了注塑模具知识和设计经验模块，支持注塑模具设计的基本流程。1.2.1注塑模具CAD技术发展背景传统的注塑模具设计依靠设计人员的经验进行，模具设计加工以后往往需要经过反复的调试和修改才能正式投入生产，发现问题后，不仅要重新调整工艺参数，甚至要修改塑料制品和模具的设计。这种设计方式制约了新产品的开发，随着塑料工业的2飞速发展，人们对塑料制品质量要求越来越高，且产品更新快，价格越来越低，市场竞争激烈，在这种情况下，对模具的要求是交货期短、质量好、价格低。显然，传统的人工设计、手工设计生产方式己不能适应现代化工业发展的要求，为了在市场经济的残酷竞争中取胜，跟上产品更新的速度，模具制造业必须采用新技术、新工艺来解决传统技术中存在的问题。常用塑料如PC,PE,PS,ABS等在20世纪40年代问世以来，虽然注射模的历史不过几十年的时间，但发展速度却异常迅速。如1985年美国塑料消耗量以体积计算己经超过钢、铜、铝的总和，美国和日本的塑料模具专业厂均己超过一万家。塑料工业对模具的迫切需求促使注射模CAD技术迅速发展，而近几十年塑料流变学、几何造型技术、NC加工以及计算机技术的突飞猛进又为注射模CAD系统的开发创造了条件。始于20世纪60年代，英国、美国、加拿大等国的学者如J.R.Pearson(英国)、J.F.Stevenson(美国)、M.R.Kamal(加拿大)、K.K.Wang(美国)等开展了一系列有关塑料熔体在模具型腔内流动与冷却的基础研究。在合理的简化基础上，20世纪60年代完成了一维流动与冷却分析程序，20世纪70年代完成了二维分析程序，20世纪80年代开展三维流动与冷却分析并把研究扩展到保压、纤维分子取向以及翘曲预测等领域。进入20世纪90年代后开展了流动、保压、冷却、应力分析的注塑工艺全过程的集成化研究。这些卓有成效的研究成果为开发适用型的注射模分析软件奠定了基础。在几何造型方面，基于线框模型的CAD系统率先由飞机和汽车制造公司开发并使用。例如美国Lockheed飞机公司于1965年研制的CADAM系统、美国McDonnellDouglas飞机公司于1966年研制的CADD系统、美国GeneralMotor汽车公司的AD2000系统等。进入20世纪70年代，曲面造型技术发展很快，Coons曲面、Bezier曲面和B样条曲面相继问世，出现了一批以曲面造型为核心的CAD/CAM系统。如英国的DUCT系统，美国的CAMAX系统等。曲面造型系统比较适用于具有复杂型腔表面的注射模。20世纪80年代实体造型技术发展迅速，如美国斯坦福大学的Geomod系统、罗彻斯特大学的PADL系统、日本北海道大学的TIPS系统、英国剑桥大学的BULID系统等，它们为实体造型软件的开发做了奠基性工作。正是由于近20年来上述领域的卓有成效的工作，注塑模CAD技术才会得到日新月异的进步。1.2.2注塑模具CAD技术发展过程注射模设计CAD技术的发展主要经历了三个阶段。3(1)人工设计阶段这一阶段一直持续到CAD技术的发展初期，当时的注射模设计纯粹依靠设计人员的经验、技巧和现有的设计资料，从塑件的工艺计算到注射模的设计制图，全靠手工操作完成，设计效率较为低下。同时，由于设计过程纯粹依赖于设计人员的经验和技巧，缺乏系统的理论指导，所以模具和塑件的质量难以保障。(2)通用CAD系统设计阶段20世纪70年代，以手工为主的注射模设计己跟不上塑料工业高速发展的形势，于是人们开始尝试使用当时比较成熟的通用CAD系统进行注射模设计。这个时期的主要特征是三维几何造型技术的应用。在几何造型方面分别采用了三维线框模型、曲面模型和实体模型技术。这些技术的应用，实现了设计计算和图样绘制的自动化，缩短了设计时间。但是，这只是将设计人员从手工绘图中解放了出来，起到的只是辅助绘图的功能，没有完全体现其辅助设计功能。到了20世纪80年代，随着UG-11,Pro/E等优秀通用集成软件系统的问世，注射模CAD技术也蓬勃发展起来。这个时期CAD系统的主要特征就是参数化设计方法的应用。参数化设计以一种全新的思维方式来进行产品的创建和修改。它用约束来表达产品几何模型，定义一组参数来控制设计结果，从而能够通过调整参数来修改设计模型。这样，设计人员在设计时，无需再为保持约束条件而操心，可以真正按照自己的意愿动态地、创造性地进行新产品设计。参数化设计方法与传统方法相比，最大的不同在于它存储了设计的整个过程，设计人员的任何修改都能快速地反映到几何模型上，并且能设计出一组形状相似而不是单一的产品模型。参数化设计是新一代智能化、集成化CAD系统的核心内容，新的设计系统都增加了参数化设计功能。参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形的功能，成为初始设计、产品建模及修改、系列化设计、多种方案比较和动态设计的有效手段。参数化设计技术的应用，很大程度上提高了注射模设计质量和效率，提高了注射模设计的水平。但是参数化设计只适用于单一的零件设计，当进行部件或复杂结构设计时，修改参数就很容易引起结构干涉。在通用的CAD软件上加载了各种标准零件库，如螺栓、螺母等，对提高设计效率也起到了重要的作用。(3)专用注射模CAD系统注射模设计阶段采用通用CAD系统进行注射模设计，虽然在很大程度上提高了模具设计的质量和效率。但是，一方面由于通用CAD系统在一定意义上说还只是一种几何建模工具，注4塑模设计效率的提高仅在于三维效果的增强、绘图及建档速度的加快等实现手段上，注塑模设计经验的加入还主要依赖于人工干预，每一次设计的设计过程与手工实现基本一样，设计效率没有从根本上得到提高。另一方面，作为通用的CAD系统，在开发之初都是作为通用机械设计工具来构思的，因此在使用这些通用CAD软件设计注射模时，仍会感到效率低下、操作烦琐、功能短缺。为此，近年来发展的趋势是开发自动化和智能化程度较高的注射模CAD技术。1.2.3国内外注塑模具CAD技术研究现状近几年来国外先进工业国家对模具CAD技术的开发非常重视，在CAD开发上投入了很大的人力和物力，将通用CAD系统改造成为适合模具行业的专用CAD系统，并将其应用于模具的设计与制造中。目前国际上流行的模具CAD软件如下:UnigraphicsNX是美国EDS公司开发的面向制造业的CAD系统。UGNX有强大的建模工具和分析模块，被广泛地应用于航空、航天、汽车、机械、模具、工业设计等行业。UG/MoldWizard是UG系列软件中一个独立的应用模块，也是应用于注塑模具设计的专业应用模块。它应用知识嵌入的基本理念，按照注塑模具设计过程的一般顺序来模拟模具设计的整个过程，在此过程中，它只需根据一个产品的三维实体造型建立一套与产品浩型参数想过的三维实体模具。它不但能自动设计一般的模具，还能结合应用UG软件的其它应用模块来拓展其功能，设计出复杂程度较高的模具[3]。此外，UG还提供了UG/DieEngineeringWizard(冲压模工程向导)、UG/ProgressiveDieWizard(多工位级进模向导)等专用模具CAD工具。Pro/Engineer系统是美国PTC(ParametricTechnologyCorporation)公司推出的三维CAD软件，为满足模具行业需求，Pro/E提供了一系列模具设计模块:Pro/Casting(锻造模具设计)、Pro/MoldDesign(注塑模、压铸模、锻模设计)，Pro/Dieface(冲压模设计)、EMXA模架专家库(ExpertMoldBaseExtension)，MoldFillingSimulationOption(注塑模具流动分析功能包)等。Pro/MoldDesign模块用于设计模具部件和模板组装，能自动生成模具型腔几何体，并可通过修改造型几何体的方法补偿产品的收缩。为满足模具设计与制造解决方案，Pro/E提供了模架专家库EMXA，该模块能将使用者对模具设计的专业知识和整个设计流程整合在一起，将模芯拆模及模座设计两大部分完整的结合在一起，使设计者可以通过简单的操作界面完成模架的相关设定[4]0CATIA是法国达索飞机公司(DassaultSystem)在其开发的系统设计应用软件的5基础上，与美国IBM公司合作研究发展，共同支持和销售的CAD/CAE/CAM一体化软件。新的V5版本界面更加友好，功能也日趋完善，开创了CAD软件的一种全新风格。CATIA也提供了模具辅助设计模块(MoldandDieMachiningAssistant):MTl(模具设计产品)，它支持包括凸凹模固定板定义、组件实例化、注射和冷却特征定义等模具设计的所有工作。用户界面以标准目录库访问功能为基础，通过对组件及其关联孔的混合实例化，支持模具零件和装配的自动配置。这些预定义的组件可以使用诸如DME,DME-AMERICA,EOC,FUTABA等系列标注模架库，以快速、经济地创建模具。SolidWorks软件是美国SolidWorks公司在总结和继承大型机械CAD软件的基础上，在Windows环境下实现的第一个机械CAD软件，是面向产品级的机械设计工具。SolidWorksMoldbase模块是SolidWorks是提供标注模架库，它是该软件最新模具，提供了标准模具目录并完全与SolidWorks其它工具集成。除了完整的装配以外，Moldbase还提供大量的组件，例如:削钉、顶杆、AB板、螺栓、定位环、轴衬等。我国在注塑模CAD技术开发、应用及研究方面起步较晚。从80年代中期开始，国内部分大中型企业先后引进了一些国外知名度较高的CAD系统。同时，一些高等学校和科研院所也开始了注塑模CAD系统的研制与开发工作。多年来，我国对注塑模设计制造技术及其CAD的开发应用十分重视，国家和许多省市都在这方面安排了攻关项目或重点科研课题。这些项目的成果对促进我国注塑模CAD技术的迅速发展起到了重要作用，使我国注塑模CAD技术的发展和应用水平得到很快提高。1.3国内外塑料工业的发展概况塑料工业是年轻的新兴工业之一。自1868年硝化纤维素开创以来，世界塑料工业至今已有百余年，如从1910年酚醛塑料工业化生产算起，只有八十多年的历史而塑料成为工程材料应用至今不过四十年，塑料工业真正获得发展只是近二十年的事情。塑料工业的发展历史虽然很短，但其发展速度相当惊人。据统计，1910年全世界塑料的产量只有20kt，1930年达100kt,1950年达1500kt,1970年达3Mt，1990年就激增到0.1Gt。从1950年以来，世界塑料产量增长