【正文】 視。高速銑削機(jī)床（ HSM）一般主要用于大、中型模具加工，如汽車覆蓋件模具、變速箱體壓鑄模、大型注塑模等曲面加工，其曲面加工精度可達(dá) 。國(guó)外高速加工機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速已超過 100000R/min，快速進(jìn)給速度可達(dá) 120m/min，加速度可達(dá) 1～ 2g，換刀時(shí)間可提高到 1～ 2s【 9】 。 專業(yè)化生產(chǎn)是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的重 要特征之一，國(guó)外工業(yè)先進(jìn)的國(guó)家模具專業(yè)化生產(chǎn)已達(dá) 75%以上。美、日兩國(guó)的模具廠， 80%是 10 人以下的小工廠， 90%是 20 人以下小而專的企業(yè)。一般一個(gè)模具專業(yè)廠只生產(chǎn) 1～ 2 種模具。這種專業(yè)化小模具廠易于管 理，反應(yīng)靈活，易于提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效率，有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。 標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)模具專業(yè)化生產(chǎn)的基本前提，能系統(tǒng)提高整個(gè)模具行業(yè)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益，是機(jī)械制造業(yè)的深層次發(fā)展必由之路。國(guó)外企業(yè)都極為重視模具的標(biāo)準(zhǔn)化，我國(guó)的模具標(biāo)準(zhǔn)化程度不足 30%，而且標(biāo)準(zhǔn)品種少、質(zhì)量低、交貨期長(zhǎng)，嚴(yán)重阻礙模具的合理流向和效能發(fā)揮， 需大力制訂標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范。 總之，隨著模具技術(shù)的迅速發(fā)展及機(jī)械各類產(chǎn)品的多樣化、復(fù)雜化，模具應(yīng)用的廣度和深度將不斷向縱深發(fā)展，模具需求增長(zhǎng)速度將繼續(xù)高于國(guó)民經(jīng)濟(jì)總體發(fā)展的速度，供小于求的被動(dòng)狀態(tài)將大有改變。因此，在模具設(shè)計(jì)與制造中，采用新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備可持續(xù)發(fā)展模具工業(yè)，更將成為所有企業(yè)得以占據(jù)市場(chǎng)制高點(diǎn)的必由之路。 第一章 CAD 在注塑模具行業(yè)中的應(yīng)用 第一節(jié)、 CAD 發(fā)展概況 CAD 即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的英文簡(jiǎn)稱 (Computer Aided Design)。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使得設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中，能充分發(fā)揮 計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大算術(shù)邏輯運(yùn)算功能、大容量信息存儲(chǔ)與快速信息查找的能力，完成信息管理、數(shù)值計(jì)算、分析模擬、優(yōu)化設(shè)計(jì)和繪圖等項(xiàng)任務(wù)；而設(shè)計(jì)人員集中精力進(jìn)行有效的創(chuàng)造性思維，從而更好地完成從設(shè)計(jì)方案的提出、評(píng)介、分析模擬與修改到具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)全過程 .對(duì)于機(jī)械行業(yè)來講，通用的 CAD 件是 AutoCAD，但 6 AutoCAD 是一種通用的繪圖軟件，對(duì)機(jī)械行業(yè)針對(duì)性差，不過幸運(yùn)的是， AutoCAD 是個(gè)開放性軟件，可以對(duì)它進(jìn)行二次開發(fā)，如采用 Autolisp， ADS， ARX 甚至采用 VB 語(yǔ)言等，現(xiàn)今的高華 CAD、天目 CAD 就是在該 軟件的基礎(chǔ)上開發(fā)的機(jī)械專業(yè) CAD。由于二次開發(fā)的深入，加強(qiáng)了參數(shù)化設(shè)計(jì)、智能化設(shè)計(jì)等，這樣充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大的搜索功能和運(yùn)算功能。 世界上第一套塑料模具 CAD 軟件是澳大利亞 MOLDFLOW公司于 1976 年推出井以公司名字命名的 MOLDFLOW。目前 MOLDFLOW已經(jīng)發(fā)展得比較完善，實(shí)現(xiàn)了對(duì)注塑過程的模擬、設(shè)計(jì)原理的應(yīng)用和精確計(jì)算，并逐步優(yōu)化模擬過程，使設(shè)計(jì)工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段可以在計(jì)算機(jī)上“制造”塑料產(chǎn)品，并能靈活地適應(yīng)市場(chǎng)需求的變化。應(yīng)用 MOLDFLOW 公司的技術(shù)已經(jīng)在世界范圍內(nèi)成功地設(shè)計(jì)出了上萬(wàn)副 模具。繼 MOLDFLOW之后美國(guó)康奈爾大學(xué)、德國(guó)的亞森 (Aachen)技術(shù)大學(xué)、美國(guó)的 C. 、 MCAP 公司、日本的 CADM 公司等也相繼開發(fā)了塑料模具 CAD/CAM 系統(tǒng)。第一套塑料模具 CAD/CAM 經(jīng)過數(shù)年努力研制而成，于1982 年推出，它就是后來稱為 GRAFTEK的系統(tǒng)。塑料模具 CAD/CAM 的應(yīng)用帶來了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)報(bào)導(dǎo)，美國(guó) Protety pe amp。 Plastic Mold 公司采用了 Computool公司的CAD/CAM 系統(tǒng)后，一年內(nèi)生產(chǎn)效率提高了一倍，節(jié)省了 35%的準(zhǔn)備時(shí)間，制 造周期平均縮短了 30 %，材料節(jié)省了 10%，模具成本降低了 10%～ 30%。 國(guó)內(nèi)部分科研單位、大專院校也在塑料行業(yè)開展了 CAD 技術(shù)的研制和開發(fā)工作。華中理工大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室葉顯高、李德群、肖景容等研制成功了“實(shí)用化注塑模 CAD/CAE/CAM 微機(jī)系統(tǒng) HSC1. 1”；北京化工學(xué)院進(jìn)行了注塑充模過程計(jì)算機(jī)仿真；其他部分企業(yè)科研單位也做了一些探討工作，并且收到了一定的經(jīng)濟(jì)效益 【 10】 。總的來講我國(guó)塑料模具 CAD 僅僅處于開發(fā)使用初期， 很多自己研發(fā)的軟件并不是很成熟。 第二節(jié)、 注塑模 CAD 內(nèi)容 在模具設(shè)計(jì) 中，模架及某些零件，如導(dǎo)柱、導(dǎo)套、推桿、支撐塊、澆口套、定位圈等分別已形成廠標(biāo)、行標(biāo)或國(guó)標(biāo)。對(duì)于這些標(biāo)準(zhǔn)的或本單位采用的模架及零件可在通用的二維工程圖 CAD 系統(tǒng)中建立模架、零件庫(kù)，以被設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)用。對(duì)于澆注系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、模架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算等內(nèi)容，已有一些較成熟的計(jì)算方法或經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，可設(shè)置這些計(jì)算公式的模塊，以便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行快速計(jì)算。另外對(duì)于一些設(shè)計(jì)中常用的數(shù)據(jù)庫(kù)資料也可以設(shè)置在 CAD 系統(tǒng)中以便設(shè)計(jì)人員快速查詢，根據(jù)各個(gè)工廠的不同要求和情況，還可以在系統(tǒng)中設(shè)置本單位所特有的內(nèi)容。這樣建立的 CAD 系統(tǒng)可大幅度 減輕設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度、提高設(shè)計(jì)速度并可實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)的規(guī)范化及標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)于某些在原成型制品的基礎(chǔ)上作局部修改而需重新設(shè)計(jì)的模具來說，其效果就更加明顯?？傮w來說，注塑模 CAD 的內(nèi)容有以下幾點(diǎn)： 采用幾何造型系統(tǒng)，如線框造型、面造型和實(shí)體造型，在計(jì)算機(jī)中生成注塑制品的幾何模型，這是注塑模結(jié)構(gòu)的 CAD 的第一步。由于注塑制品大多數(shù)是薄壁件，且又有復(fù)雜的表面，因此，常用表面造型的方法來產(chǎn)生制品的幾何模型。 在注塑模具中，行腔用來生成制品的外表面，型芯用來生成制品的內(nèi)表 面，由于塑料的 7 成型收縮率，模具磨損及加工精度的影響，制品的內(nèi)外表面尺寸并不就是模具型芯面、型腔面的尺寸，兩者之間需要比較復(fù)雜的換算。目前流行的商品化注塑模 CAD 軟件并未能很好的解決這種換算，因此，制品的形狀和型腔的形狀要分別輸入，工作量較大且比較繁瑣，如何由制品形狀方便、快捷的生成型腔和型芯表面形狀仍是當(dāng)前的研究課題。 采用計(jì)算機(jī)軟件來輔助計(jì)算最佳型腔的數(shù)目，引導(dǎo)模具設(shè)計(jì)者布置型腔，構(gòu)思澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和推出機(jī)構(gòu)，為選擇標(biāo)準(zhǔn)模架和設(shè)計(jì)動(dòng)模部裝圖和定模部裝圖 做準(zhǔn)備 。 擇 采用計(jì)算機(jī)軟件來設(shè)計(jì)模具的前提是盡可能多地實(shí)現(xiàn)模具標(biāo)準(zhǔn)化，包括模架標(biāo)準(zhǔn)化、模具零件標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化及工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化等。一般而言，用作標(biāo)準(zhǔn)模架選擇的設(shè)計(jì)軟件應(yīng)具用兩個(gè)功能，一是能引導(dǎo)模具設(shè)計(jì)者輸入本企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)模架，以建立專用的標(biāo)準(zhǔn)模架庫(kù)；二是能方便地從已建好的專用標(biāo)準(zhǔn)模架庫(kù)中，選出本次設(shè)計(jì)中所需的模架類型及全部模具標(biāo)準(zhǔn)件的圖形和數(shù)據(jù)。 根據(jù)已選定的標(biāo)準(zhǔn)模架及已完成型腔布置，模具設(shè)計(jì)軟件以交互方式引導(dǎo)模具設(shè)計(jì)者生成部裝圖和總裝圖。模具設(shè)計(jì)者在完成總裝圖時(shí)，能利用光標(biāo)在屏幕上拖 動(dòng)模具零 件以搭積木的方式裝配模具總圖。 模具設(shè)計(jì)軟件能引導(dǎo)用戶根據(jù)模具部裝圖、總裝圖以及相應(yīng)圖形庫(kù)完成模具零件的設(shè)計(jì)、繪圖和標(biāo)注尺寸。 模具設(shè)計(jì)軟件可將理論計(jì)算和行之有效的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，為模具設(shè)計(jì)師提供對(duì)模具零件全面的計(jì)算和校核，以驗(yàn)證模具結(jié)構(gòu)等有關(guān)參數(shù)的正確性。注塑模 CAD 中的數(shù)據(jù)處理 注塑模結(jié)構(gòu) CAD 的重點(diǎn)在于注塑制品的造型、模具設(shè)計(jì)、繪圖和數(shù)控加工的模擬，注塑模 CAD的過程就是數(shù)據(jù)處理的過程。通常，由于注塑模結(jié)構(gòu) CAD 涉及面廣，程序規(guī)模很大，結(jié)構(gòu)相當(dāng) 復(fù)雜，一個(gè)高效率的注塑模 CAD 系統(tǒng)不僅涉及到程序的結(jié)構(gòu)和算法，同時(shí)也涉及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和管理方法。在應(yīng)用程序的執(zhí)行過程中，經(jīng)常需要利用一些標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和其他程序的設(shè)計(jì)及結(jié)果，系統(tǒng)各部分是通過交換數(shù)據(jù)相互聯(lián)系的。因此，數(shù)據(jù)的處理在注塑模結(jié)構(gòu) CAD 中又十分重要的作用。注塑模 CAD 系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)類型十分廣泛，除了數(shù)字型、字符型數(shù)據(jù)之外，圖形/模型及其文本數(shù)據(jù)項(xiàng)也是注塑模 CAD 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。而圖形 /模型數(shù)據(jù)又是由基本圖形元素、圖形符號(hào)、模型部分及各級(jí)圖形 /模型數(shù)據(jù)組成。 第三節(jié)、 CAD 數(shù)據(jù)組成 注塑模 CAD 系統(tǒng)中數(shù)據(jù)可分為組合 數(shù)據(jù)和基本數(shù)據(jù)，可將組合數(shù)據(jù)逐層分解至基本數(shù)據(jù)為止。根據(jù)這種分解模式，可以對(duì)總體、部件、詳細(xì)數(shù)據(jù)這三類數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理。 8 它是一種模型數(shù)據(jù)，可以表達(dá)為如下格式 ： 文件名：總裝圖； 組成：各部件數(shù)據(jù)名 +定位關(guān)系數(shù)據(jù)； 組織：依次記錄各部件名，定位數(shù)據(jù)。 它可定義為一種圖形 /模型數(shù)據(jù)，以標(biāo)準(zhǔn)模架為例說明其表達(dá)格式 ： 文件名：部件名 ； 組成：基準(zhǔn)件名 +各組成零件名 +定位關(guān)系 +尺寸關(guān)系 +零件圖形關(guān)聯(lián)性 ； 組織：依次記錄個(gè)零件名、定位關(guān)系、主特征尺寸。 它可定義為一 種圖形文本數(shù)據(jù)，為注塑模系統(tǒng)的基本單元數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)類型可表達(dá)為如下格式： 文件名：零件名 ； 組 成：圖形信息 +尺寸信息 +文本信息 ； 組 織：依次按圖形記錄圖形節(jié)點(diǎn)信息、尺寸標(biāo)注及文本信息 。 第四節(jié)、 CAD 技術(shù)在模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 一、 產(chǎn)品設(shè)計(jì) 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和材料對(duì)注塑過程及模具設(shè)計(jì)有著直接的影響，因而模具 CAD 從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的CAD 開始著手。通過樣品的計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量或產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)，建立產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)模型。設(shè)計(jì)人員由實(shí)體造型可獲得幾何及色彩上的直觀感受。設(shè)計(jì)變量為產(chǎn)品厚度及產(chǎn)品所用材料。輸入產(chǎn)品在使用環(huán)境中的載 荷及邊界條件，經(jīng)有限元分析及后置處理可得應(yīng)力及變形結(jié)果。最后，按照用戶設(shè)定指標(biāo)完成產(chǎn)品性能評(píng)估。 二、 模具設(shè)計(jì) 對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行工藝性分析，確定生產(chǎn)批量和生產(chǎn)規(guī)模。設(shè)計(jì)參數(shù)包括：型腔數(shù)；材料類別及牌號(hào)；注塑機(jī)型號(hào)；工藝參數(shù) (充填時(shí)間、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間、注射速率或注射壓力等 )；澆口位置、尺寸及數(shù)目；分型面等。上述參數(shù)作為輸入?yún)?shù)設(shè)定后，經(jīng)過注塑過程模擬，依分析結(jié)果作調(diào)整，待完成方案評(píng)估后，即可作為優(yōu)化后的模具設(shè)計(jì)參數(shù)，以文件形式輸出。 9 最有利于產(chǎn)品性能的澆口位置和流道設(shè)計(jì)完成 后，產(chǎn)品與注塑機(jī)噴嘴之間的幾何關(guān)系也就確定了。輸入所要求的型腔尺寸和冷卻管道布置等資料，即可選定模架尺寸，調(diào)用模架數(shù)據(jù)庫(kù)中的模架模型 ,自動(dòng)生成一個(gè)模架。 根據(jù)輸出的設(shè)計(jì)參數(shù)，可以調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)零件數(shù)據(jù)庫(kù)中的零件模型，自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)零件。對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)零件，可利用商用軟件的參數(shù)設(shè)計(jì)功能，方便地生成所需的零件。所有零件生成后，即可進(jìn)行模具的裝配模型建立，通常采用自下而上的布局。一般 CAD 軟件均提供變量約束、尺寸定位及取向定位等功能。全面自動(dòng)的干涉量檢查為用戶提供了檢查間隙和干涉的功能，并給出干涉總量以及間隙估計(jì)的文本記錄。 更進(jìn)一步，利用系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析對(duì)模具的活動(dòng)零件 (如頂桿 )進(jìn)行真實(shí)的動(dòng)態(tài)模擬，決定這些零件相對(duì)其他模具零件所需的活動(dòng)范圍，檢查機(jī)械動(dòng)作是否滿足要求的運(yùn)動(dòng)軌跡，是否與其他零件相干擾。 模具的裝配模型通過后，即可從中提取信息，詳細(xì)設(shè)計(jì)零件，包括自動(dòng)尺寸標(biāo)準(zhǔn)和引入材料清單。 由于整個(gè)設(shè)計(jì)流程基于一個(gè)完整的數(shù)據(jù)庫(kù)，任何一次修改都被記錄，并且在更新原有設(shè)計(jì)時(shí)，圖形及尺寸會(huì)自動(dòng)變更，因此最后的零件數(shù)據(jù)庫(kù)模型提供了模具設(shè)計(jì)的全部圖形與非圖形信息。剩下的工作就是編制材料清單和作 出加工模具零件所需的 NC刀具 軌跡。至此，塑料模具的 CAD 即告完成，流程如圖 21所示。 圖 21 CAD 設(shè)計(jì)流程 第五節(jié)、 應(yīng)用在本設(shè)計(jì)中的 CAD 技術(shù) 一、 Pro/ENGINEER2021 在模具設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用 Pro/ENGINEER2021是美國(guó) PTC 公司（ Parametric Technology Corporation—— 參數(shù)技術(shù)公司）開發(fā)的大型 CAD/CAM/CAE 集成軟件，是全方位的產(chǎn)品開發(fā)軟件。該軟件集產(chǎn)品設(shè)計(jì)、裝配、加工、鈑金設(shè)計(jì)等功能于一體，其模塊眾多、內(nèi)容豐富、功能強(qiáng)大，已廣泛應(yīng)用于電子、航天、汽車、家電和 玩具等行 業(yè)。 在 DVD 門模具設(shè)計(jì)過程中，主要應(yīng)用 Pro/ENGINEER2021 進(jìn)行了模仁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括分形面、澆注系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，滑塊等的設(shè)計(jì)。 10 二、 在模具設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用 PTC 用于 Pro/ENGINEER的新模架 —— EMX(Expert Moldbase Extension)，是一個(gè)基于知識(shí)庫(kù)的模架裝配和細(xì)化工具，它增強(qiáng)了現(xiàn)有 Pro/ENGINEER 模具工具的功能。專門為模具設(shè)計(jì)人員開發(fā)的這套工具，提供了快速創(chuàng)建和修改完整模具零部件的功能，能簡(jiǎn)化模具設(shè)計(jì)過程，提高生產(chǎn)效率。 在 DVD 門模具設(shè)計(jì)過程中， 應(yīng)用 進(jìn)行了模架結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)零件設(shè)計(jì)，包括頂出系統(tǒng)，導(dǎo)向系統(tǒng)，滑塊系統(tǒng)等。 三、 Moldflow Plastic Advisers 在模具設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用 Moldflow Plastic Advisers 是 Moldflow 公司開發(fā)的快速試模分析軟件，可以對(duì)塑件和模具進(jìn)行注塑分析和優(yōu)化，能幫助設(shè)計(jì)人員在早期發(fā)現(xiàn)問題。 在 DVD 門模具設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用 Moldflow Plastic Advisers 模流分析，包括澆口位置、材料選擇、熔接痕位置、困氣、流動(dòng)時(shí)間、壓力和溫度分布分析等。 四、 AutoCAD 在 模具設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用 AutoCAD 是最常用的工程制圖軟件。由 Pro/ENGINEER 產(chǎn)生的工程圖紙不規(guī)范，所以后期需要導(dǎo)入 AutoCAD2021 進(jìn)行完善。 第六節(jié)、 小結(jié) 塑料模具 CAD 技術(shù)是一種全新的設(shè)計(jì)技術(shù)