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精密模具设计PrecisionMouldDesign大连理工大学机械工程学院模具研究所InstituteofDie&MouldofSchoolofMechanicalEngineeringDalianUniversityofTechnology第十一章注塑模具CAD/CAE/CAM技术及气体辅助注射成形技术简介11.1CAD/CAE/CAM技术的含义11.2CAD/CAE/CAM技术在模具中的应用11.3CAD/CAE/CAM技术的发展趋势11.4模具CAD/CAE/CAM技术的具体内容11.5注射模具CAD的设计流程11.6注射模具CAD设计实例11.7注射模具CAE技术11.8气体辅助注射成形技术的特点◆CAD体系结构大体可分为基础层、支撑层和应用层三个层次。基础层由计算机及外围设备等硬件和系统软件组成。硬件系统是CAD技术的物质基础；软件系统是CAD技术的核心，它决定了系统所具有的功能。11.1CAD/CAE/CAM技术的含义（1）CAD技术◆CAD是应用计算机硬件、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的一种方法与技术。包括设计、绘图、工程分析及技术文档制作等活动。随着网络技术的发展，异地协同虚拟CAD环境将是CAD支撑层的主要发展趋势。应用层针对不同应用领域的需求，开发各自的CAD专用软件来支持相应的CAD工作。CAE主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性与可靠性CAE软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算技术相结合，而形成的一种综合性、知识密集型信息产品。可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。CAE软件有Moldflow、Polyflow、Ansys、Dieform、Procast等等。2CAE技术CAM的核心是数控编程与加工技术。目前，CAM技术已经成为CAX（CAD、CAE、CAM等）体系的重要组成部分，可以直接在CAD系统建立的参数化、全相关的三维几何模型上进行加工编程，生成正确的加工轨迹，并进行加工过程模拟。典型的CAM系统有UG、Pro/E、Cimatron、MasterCAM等。3CAM技术◆传统的模具设计采用试错法，设计者依据经验和简单公式计算进行产品和模具开发。由于模具的复杂性，开发过程中经常需要反复试模和修模，导致生产周期延长、费用增加，产品质量难以保证。◆模具CAD/CAE/CAM是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工程。它以计算机软件的形式，为企业提供一种有效的辅助工具，使工程技术人员借助于计算机对产品性能、模具结构、成形工艺、数控加工及生产管理进行设计和优化。◆模具CAD/CAE/CAM技术能显著缩短模具设计与制造周期、降低生产成本和提高产品质量已成为模具界的共识。11.2CAD/CAE/CAM技术在模具中的应用1应用背景1）提高设计效率◆计算机高速运算和自动化绘图，可大大缩短设计时间。◆计算机的大容量存储能力，可将大量设计资料、设计标准存放在数据库中，设计过程自动检索或调用，提高效率。◆应用CAD/CAE/CAM技术，使模具设计、计算分析、生产准备、数控编程与加工、检验、试模等工作一体化，设计数据直接经过网络和数据库管理系统传递到各个生产部门，大大缩短模具生产周期。◆成形过程计算机模拟、并行工程、人工智能、快速原型制造等先进技术的应用，以及模具标准化、专业化生产等也缩短了模具的供货周期。2应用意义2）提高模具设计质量◆计算机高效准确的数值分析计算，使CAD能够采取一些科学的计算方法（如FEM、模拟分析和优化设计等），可以不考虑计算的复杂程度，对过去只是定性判断的内容，实现精确的定量分析计算，有助于模具工艺参数和结构参数的优化。◆通过对模具设计方法、经验的整理、优化，建立知识库，作为设计的基础，使设计合理化，而且可避免人为失误，提高设计质量。◆由于计算机代替人完成了繁琐的计算、数表检索、模具图纸的绘制等，人可集中精力进行创造性的工作。3)改善了设计信息的传递◆CAD可提供高质量的标准化工程图纸和完善的设计文档，也能为CAM提供初始数据。◆数据库和网络技术的应用使设计师可以在更大范围内共享设计资源，进行异地协同设计与信息交流，提高模具设计的总体水平。◆应用CAD/CAE/CAM技术从根本上改变了传统的产品开发和模具生产方式，大大提高了产品质量，缩短了开发周期，降低了生产成本，强有力地推动了模具技术的发展。◆据文献统计，国外采用模具CAD/CAE/CAM技术可使设计时间缩短50%，制造时间缩短30%，成本下降10%；塑料原材料节省7%，一次试模成功率提高45%～50%。4）改变传统产品开发和模具生产方式，推动技术发展◆CAD/CAE/CAM技术随着Internet/Intranet网络和并行高性能计算及事务处理技术的普及，使异地、协同、虚拟设计及实时仿真等技术在模具领域得到了广泛应用。11.3CAD/CAM/CAE技术的发展趋势◆新一代模具CAD／CAE／CAM系统必然是当今昀好的设计理念、昀新的成形理论和昀高水平的制造方法相结合的产物，其特点将反映在集成化、智能化、网络化和标准化四个方面。1）基于网络的CAD/CAM/CAE集成技术CAD技术的集成化将体现在三个层次上∶其一是广义CAD功能集成，即CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP的集成，成为企业一体化解决方案。新产品设计能力与现代企业管理能力的集成，将成为企业信息化的重点；其二是将CAD技术采用的算法，甚至功能模块或系统，做成专用芯片，以提高CAD系统的使用效率；英国Delcam´sPowerSolution等集成系统，包括了塑件几何建模、逆向工程、工业设计、工程制图、仿真分析、快速原型、数据编程、测量分析等各个领域。系统的每个功能模块既可独立运行，又可通过数据接口与其他系统相兼容，并能按使用要求进行组合，以便形成专业化的CAD／CAE／CAM系统，做到开放性、兼容性和专业化的统一。其三是CAD基于计算机网络环境，实现异地、异构系统在企业间的集成。应运而生的虚拟设计、虚拟制造、虚拟企业就是该集成层次上的应用。例如，在美国通用汽车公司的生产过程，大量的零部件生产、装配都通过“虚拟工厂”、“动态企业联盟”的方式完成，本企业只负责产品的总体设计和少数零部件的生产，并昀终完成产品的装配。模具CAD／CAE／CAM系统将在未来几年内，逐步发展成为支持从设计、分析、管理和加工全过程的产品信息管理集成化系统。如以色列的Cimatron注射模专家系统，能根据塑件脱模方向优化自动生成模具分型面。◆以CAD模型的局部几何特征为目标对象的处理方式，已成为现有CAM系统向智能化方向发展的制约因素。未来的CAM系统不仅可继承并智能化地判断工艺特征，而且具有模型对比、残余模型分析与判断功能，使刀具路径更优化，效率更高。同时也具有对工件包括夹具的防过切、防碰撞功能，提高操作的安全性，更符合高速加工的工艺要求，并开发相关的工艺库、知识库、材料库和刀具库，使工艺知识的自动积累、学习、运用成为可能。2）模具CAD/CAM/CAE系统的智能化程度不断提高◆设计是一种具有高度智能的人类创造性活动，智能CAD是CAD技术发展的必然方向。智能CAD（ICAD）不仅是简单地将现有的智能技术与CAD技术相结合，而是要深入研究人类设计的思维模型，并用信息技术进行表达和模拟，才会产生高效的ICAD系统。CAD软件一般应集成在一个异构的工作平台之上，只有依靠标准化技术才能解决CAD系统支持异构跨平台的环境问题。目前，除了CAD支撑软件逐步实现ISO标准和工业标准外，面向应用的标准零部件库、标准化设计方法已成为CAD系统中的必备内容，且向合理化工程设计的应用方向发展。CAD系统的标准——GKS；IGES；STEP3）标准化4）网络化随着互联网的普及，宽带通信技术的突破，全球化的信息网络环境已经形成。开发适应基于Web环境下的CAD/CAE/CAM应用软件，实施网上营销、培训与咨询服务，以及计算量大的分析软件网上运行，使不同用户间能够实现多专业、异地、协同设计、综合分析与评估及信息交流与资源共享，实施产品的快速开发与创新，这将是CAD/CAE/CAM软件未来发展的新趋势。1塑料制品设计现代的CAD应用软件可完成各种结构与形状复杂的几何形体的生成，为制品设计提供了有效的工具。基于特征的三维造型软件的强大编辑、修改功能和曲面造型功能以及逼真的显示渲染效果使设计师可以自如地表现自己的设计意图，真正做到所想即所得，且可进行制品的质量、体积等物理性能计算，为后续的模具设计和分析提供可靠的数据。强大的工程数据库包括了各种塑料的材料特性，且添加方便。基于知识（Knowledge-BasedReasoning,KBR）和基于实例（Case-BasedReasoning,CBR）推理的专家系统的运用，使塑料材料的选择简单、准确。11.4模具CAD/CAE/CAM技术的具体内容2模具结构设计注塑模具结构设计要根据制品的形状、尺寸精度、材料特性及成型工艺要求和生产批量来确定总体方案，包括型腔数目及排列、浇注系统布局、成型零件、冷却系统、脱模机构、侧抽芯机构等的设计，并选用标准模架。昀后生成模具总体结构装配关系图及零件图，包括配合关系及尺寸、形位公差。3模具运动仿真注塑模具结构复杂，要求各部件运动灵活准确，互不干涉。运用CAD技术可对模具的开、合以及制品推出的全过程进行仿真，从而检查出模具结构设计的不合理之处，并及时改正，避免设计缺陷。4注塑过程数值分析采用CAE技术可以模拟熔体在模具中的流动与保压及冷却过程，并提供不同时刻熔体及制品在型腔各处的温度、压力、剪切速率以及昀大锁模力等数据，可使模具设计者在模具制造之前预知制品成型时可能产生的缺陷，并及时修改模具设计，避免发生缺陷，进而提高模具设计质量。5数控加工复杂型面的模具零件多采用数控加工的方法制造，利用CAD生成的三维模型，CAM编程软件可自动生成曲面的三轴～五轴数控铣削加工轨迹、数控线切割加工指令；还可模拟刀具在三维曲面上的实时加工过程及是否产生过切、刀具有无干涉与碰撞等，以保证加工过程的可靠性及加工质量。11.5注射模具CAD的设计流程1）制品的造型注射模具结构设计的第一步，就是塑件的几何建模。可应用通用或专用的三维造型软件，采用线框模型、表面模型、实体模型及特征模型的建模方法进行造型。2）模具总体方案设计根据制品信息，系统进行模具的概念设计，包括分型面选择、成型零件结构及尺寸转换、型腔数目与布置、浇注系统类型、冷却系统、脱模方式和抽芯机构、模架尺寸等的确定。3）分析验证与评估在模具初步方案确定后，可用CAE软件进行流动、保压、冷却和制品翘曲分析，以验证浇注系统、冷却系统及相关结构设计的合理性。并对设计方案进行评估，如果分析结果不能满足制品成型质量要求，就需要修改模具设计方案或制品的结构，重新评价。4）详细结构设计在完成CAE分析和方案评价后，进行模具的详细结构设计，包括型腔、型芯具体结构的生成，浇注系统的布置及尺寸确定，冷却管路的布置及尺寸参数计算以及相关结构设计等。完成模具装配关系及全部零件结构设计，并标注尺寸、公差及材料等信息。5）可制造与装配性检验进行零件的加工工艺性、加工成本、装配方便与合理性等检验；同时可模拟模具开模、推出与合模动作过程，检查运动干涉情况等。6）输出结果，整理文档完成模具装配关系图及零件图设计与绘图，并生成型腔、型芯等主要零件的NC加工代码。完成设计过程的全部文档资料。图11-7模具CAD设计的基本流程图17-8模具结构设计的详细流程11.7注射模具CAE技术1注射成型CAE概述◆CAE（ComputerAidedEngerring）是将工程设计、试验、分析乃至制造贯穿于产品研制过程的每一个环节之中，以计算机为辅助工具来指导和预测产品在构思、设计与制造阶段的行为。◆注射成型CAE技术是基于高聚物流变学、传热学、计算