【文章內容簡介】 點實驗室在深入分析級進模設計特點的基礎上，將基于特征的設計方法應用于級進模CAD／CAM系統(tǒng)的開發(fā)上，于1999年在AutoCAD軟件平臺上建成了基于特征的級進模CAD／CAM集成系統(tǒng)(HMJC系統(tǒng))。系統(tǒng)共分板金零件的特征造型、基于特征的沖壓工藝設計(條料排樣)、模具結構及零件設計、級進模標準件和典型結構建庫工具，以及線切割自動編程等5大模塊。其中，板金零件特征造型模塊主要用于將板金零件的產品信息輸入計算機，建立板金零件的特征模型，為后續(xù)的工藝及模具結構設計提供信息?；谔卣鞯臎_壓工藝設計模塊可實現(xiàn)板金零件自動展開、毛坯排樣及沖壓工序設計、工位布置、工藝參數計算等。由于在沖壓工藝設計時需考慮眾多因素，所以該模塊提供進行交互設計的各種操作命令，以便用戶快速確定設計結果。模具結構及零件設計模塊則為用戶提供設計模具總裝結構及模具零件的相關功能，使用戶可方便地設計出級進模，輸出符合用戶要求的模具總裝圖與模具零件圖。模具標準件及典型結構建庫工具用于建立用戶的標準件庫和典型結構庫，它面向用戶開放，可按需要進行添加、刪除和修改。目前正在繼續(xù)開發(fā)基于UGⅡ軟件的級進模CAD系統(tǒng)。3． 塑料注射模CAD的應用隨著實體造型、特征造型技術的日趨成熟，通用的三維CAD系統(tǒng)層出不窮，目前已成為機械CAD的主流產品。基于三維機械CAD的注射模CAD軟件已成為注射模CAD發(fā)展的必然趨勢，并正在逐步占領市場。UG公司推出的Moldwizard系統(tǒng)是目前注射模三維CAD系統(tǒng)的典型代表。Moldwizard系統(tǒng)是基于UG軟件開發(fā)的，有必要先對UG軟件做簡單介紹。UG從美國麥道飛機公司內起家，從二維繪圖、數控加工編程、曲面造型等功能發(fā)展起來，面向飛機的總體外形和結構設計及加工生產需要。20世紀90年代初，美國通用汽車公司選中UG作為全公司的CAD主導系統(tǒng)，進一步有力地推動了UG的發(fā)展。1997年10月，UG與Intergraph公司簽約，合并了后者的機械CAD產品，將微機版SolidEdge軟件統(tǒng)一到Parasolid平臺上(Parasolid是由英國EDS公司推出的造型底層平臺)，由此形成了一個從低端到高端，兼有UNIX工作站和Windows微機版的較完整的企業(yè)級CAD／CAE／CAM集成系統(tǒng)。塑料注射模CAD的應用典范――MoldwizardMoldwizard是UG系列軟件中用于注射模具設計的專業(yè)應用模塊基于知識驅動自動化理念的應用系統(tǒng)擯棄了傳統(tǒng)的CAD軟件重功能輕過程的開發(fā)思維定式跳出了特征或功能的狹隘空間Moldwizard在注射模具設計自動化方面取得了極其顯著的效果Moldwizard是UG系列軟件中用于注射模具設計的專業(yè)應用模塊，是UG系列軟件中最先向模具行業(yè)用戶推出的、基于知識驅動自動化理念的應用系統(tǒng)，它擯棄了傳統(tǒng)的CAD軟件重功能輕過程的開發(fā)思維定式，跳出了特征或功能的狹隘空間。UGMoldwizard在注射模具設計自動化方面取得了極其顯著的效果，受到用戶的普遍歡迎。Moldwizard遵循了模具設計的一般規(guī)律，圖1所示為Moldwizard模塊的主菜單，圖2為Moldwizard應用的一般流程。 　　　　圖1　Moldwizard模塊的主菜單圖2 Moldwizard應用的一般流程圖2顯示了Moldwizard應用的一般流程，流程圖左邊4個步驟是模具設計者在使用Moldwizard之前先要考慮的準備階段。Moldwizard注射模設計系統(tǒng)主要的功能特色有：Moldwizard注射模設計系統(tǒng)主要的功能支持注射模具設計全過程適合于注塑制品的曲面造型功能基于知識的設計自動化齊全、開放的標準庫(有HASCO、DME、FUTABA、OMNI、LKM_SG等公司的標準模架與標準件)成形零件的關聯(lián)設計1)支持注射模具設計全過程Moldwizard模塊支持典型的塑料注射模具設計的全過程，即從讀取產品模型開始，到如何確定和構造拔模方向、收縮率、分型面、型芯型腔、滑塊、頂桿、模架及其標準件、型腔布置、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、模具零部件清單等，操作的一般順序模擬了模具設計的整個過程。2)適合于注塑制品的曲面造型功能UG的曲面造型功能強而豐富，提供了豐富的邊、面高級過渡和倒圓功能，支持復雜的抽殼、等距和變厚等幾何操作(這是生成薄壁零件的主要方法)，支持復雜零件的拔模操作。3)基于知識的設計自動化Moldwizard融合了知識嵌入的基本理念，內嵌了以前僅僅存在于高級模具設計師頭腦中的知識，并通過與UG的WAVE、主模型等功能相結合，使得Moldwizard具有極強的自動化能力，并幫助用戶獲取模具設計專業(yè)知識。Moldwizard的用戶界面結合了業(yè)界最好的經驗，指導用戶構造模具的全過程，其初級用戶可以利用向導菜單所提供的設計步驟，直觀地、一步一步地完成模具設計的全過程，而有經驗的模具設計者能夠利用軟件所提供的各種計算功能快速、有效地進行模具優(yōu)化設計，熟練地設計出復雜程度較高的模具。 4)齊全、開放的標準庫Moldwizard提供了標準模架管理工具，允許對標準模架進行查詢搜索、編輯數據、定制等操作，Moldwizard對定位圈、澆口套、頂桿、滑塊與內抽芯等標準件與典型結構進行統(tǒng)一管理，提供了分類選擇、定位、添加、修改、定制等功能。常用的HASCO、DME、FUTABA、OMNI、LKM_SG等的標準模架與標準件都已經預先存入庫中，使用非常方便。圖3是龍記大水口標準模架庫?！　　　　　　　D3　龍記大水口標準模架庫 5)成形零件的關聯(lián)設計成形零件的關聯(lián)設計是Moldwizard的主要功能特色之一，所謂關聯(lián)設計是指在模具設計過程中，具有尺寸與結構相關性的制品與模具零部件雙向關聯(lián)，對制品結構與尺寸的改動可以自動地反映在模具上，無需再手動修改模具設計。如圖4所示，圖4(a)為塑料制件，圖4(b)為該零件對應的模具型芯，模具設計完成后，用戶對零件的尺寸參數進行了修改，如圖5(a)所示，系統(tǒng)根據修改后的數據自動更新設計過程中產生的型腔模型(考慮了收縮問題)、分型面、型芯等相關設計，更新的模具型芯如圖5(b)所示。 圖4　塑件及對應的模具型芯　　　　　　　　　　　圖5　更改塑件設計，模具型芯自動更新四、 模具設計CAE將產品設計、模具設計、分析、制造貫穿于產品研制過程的每一個環(huán)節(jié)之中，以計算機為輔助工具來指導和預測產品在構思、設計與制造階段的行為CAE(計算機輔助工程)所包含的內容十分廣泛。CAE將工程設計、試驗、分析乃至制造貫穿于產品研制過程的每一個環(huán)節(jié)之中，以計算機為輔助工具來指導和預測產品在構思、設計與制造階段的行為。目前，注射模CAE僅限于注射過程的計算機分析，即模擬注射成形中熔體充模、保壓與冷卻過程及預測塑料制品在脫模后的翹曲變形。塑料注射成形CAE軟件包括流動保壓模擬、流道平衡設計、冷卻模擬、翹曲預測等功能流動保壓模擬軟件能提供不同時刻型腔內塑料熔體的溫度、壓力、剪切應力等的分布，其預測結果能直接指導工藝參數的選定及流道系統(tǒng)的設計；流道平衡設計軟件能幫助用戶對一模多腔模具的流道系統(tǒng)進行平衡設計，計算各個流道和澆口的尺寸，以保證塑料熔體能同時充滿各個模腔；冷卻模擬軟件能計算冷卻時間、制品及模腔的溫度分布，其分析結果可以用來優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的設計；應力計算和翹曲預測軟件則能計算出制品的收縮情況和內應力的分布，預測制品出模后的變形。注射模CAE技術借助于有限元法、有限差分法和邊界元法等數值計算方法，分析型腔中塑料的流動、保壓和冷卻過程，計算制品和模具的應力分布，預測制品的翹曲變形，并由此分析工藝條件、材料參數及模具結構對制品質量的影響，達到優(yōu)化制品和模具結構、優(yōu)選成形工藝參數的目的。塑料注射成形CAE軟件主要包括流動保壓模擬、流道平衡設計、冷卻模擬、翹曲預測等功能。其中流動保壓模擬軟件能提供不同時刻型腔內塑料熔體的溫度、壓力、剪切應力等的分布，其預測結果能直接指導工藝參數的選定及流道系統(tǒng)的設計；流道平衡設計軟件能幫助用戶對一模多腔模具的流道系統(tǒng)進行平衡設計，計算各個流道和澆口的尺寸，以保證塑料熔體能同時充滿各個模腔；冷卻模擬軟件能計算冷卻時間、制品及模腔的溫度分布，其分析結果可以用來優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的設計；應力計算和翹曲預測軟件則能計算出制品的收縮情況和內應力的分布，預測制品出模后的變形。1. 注射模CAE的發(fā)展概況注射模CAE的代表軟件國外　　澳大利亞Moldflow公司的Moldflow　　　　美國ACTech公司的CMold國內　　華中科技大學塑料注射成形模擬軟件HSCAE3D近30年來，塑料流變學、計算機技術、計算數學、圖形學等技術的突飛猛進，為塑料注射模CAE技術的發(fā)展創(chuàng)造了條件。從20世紀70年代起，塑料注射模CAE技術就成為塑料成形領域的熱門研究課題，從分散、零星的研究發(fā)展為集中、系統(tǒng)的開發(fā)，研究機構層出不窮，如澳大利亞Moldflow公司、美國ACTech公司、德國IKV研究所、法國GISIGRAPH公司、臺灣清華大學等。但在眾多注射模CAE產品中，最具國際影響、市場占有率最高的應屬ACTech公司和Moldflow公司。1987年Moldflow公司率先推出商品化的二維流動模擬軟件，在生產中發(fā)揮了顯著作用，其CAE軟件包括流動模擬、冷卻分析、應力分析和翹曲變形預測等，該公司還開發(fā)出一套智能控制器(LPC)，它先利用分析軟件產生的結果對塑料流動情況進行優(yōu)化，然后據此來控制注射機。該系統(tǒng)可在較短時間內自動地做好機器的起動準備，通過對充模、保壓等工藝參數的優(yōu)化來減小產品質量的波動。ACTech公司的注射模CAE軟件CMold包括：優(yōu)選注射工藝材料；優(yōu)化成形工藝參數；平衡流道系統(tǒng)設計；三維流動、保壓、冷卻分析程序及應力分析和翹曲變形預測程序。該公司于2000年被Moldflow公司兼并。我國自20世紀80年代以來陸續(xù)從國外引進了一批塑料注射模CAE系統(tǒng)。實踐表明這些軟件對提高我國模具技術水平有一定的推動作用，但由于這些軟件價格昂貴、二次開發(fā)能力差、缺乏國產材料數據庫、技術支持和售后服務相對不足，因此軟件的推廣和應用情況并不理想。我國的一些科研機構，特別是高等院校，自20世紀80年代中期開展注射模CAE技術的研究以來，華中科技大學、上海交通大學、浙江大學、天津輕工業(yè)學院、成都科技大學等都先后取得了一批喜人的科研成果。如華中科技大學于1988年底研制出了注射模CAD／CAE／CAM系統(tǒng)的原型版本HSCl．0，該系統(tǒng)已經過了十余年時間的推廣，國內近百家工廠的驗證。經過近20年的努力，華中科技大學目前已推出一套適用范圍廣、運行穩(wěn)定、結果可靠、使用方便，并具有自主版權的基于實體模型的塑料注射成形模擬軟件HSCAE3D。2. 模流分析軟件MPI（Moldflow Plastic Insight）模流分析軟件MPI（Moldflow Plastic Insight）分析模擬塑料流動形態(tài)產品體積收縮冷卻時間纖維配向性產品翹曲氣體輔助射出及熱固性成型模流分析軟件MPI 是決定產品幾何造型及成形條件最佳化的進階模流分析軟件。從材料的選擇、模具的設計暨成形條件參數設定，以確保在射出成型過程中塑料在模具內的充填行為模式，以獲得高質量產品。MPI 能分析模擬塑料流動形態(tài)、產品體積收縮、冷卻時間、纖維配向性、產品翹曲等等，并且加強了塑料材料的使用。此外 MPI 還能分析模擬氣體輔助射出及熱固性成型。MPI 模擬分析能減少生產周期時間，通過電腦模擬分析能確定和修改潛在問題，并幫助模具設計人員預測常碰到的問題并加以修正設計。MPI的有限元解決模型MPI/Midplane（中間面網格模型）MPI/FUSION（雙層面網格模型）MPI/3D（3D實體模型）(1)MPI的有限元解決模型 MPI/Midplane（中間面網格模型）MPI/Midplane 適用于分析肉厚較均勻之薄殼類塑膠零件。它提取實體壁厚的中間面作為網格外形，并賦予它厚度，使用較少的網格數目快速分析得到最精確的分析結果，圖6是中間面模型的模擬過程。　　　　　　　　　　　　　　圖6　中間面模型的模擬過程MPI/FUSION（雙層面網格模型）MPI/FUSION 適用于分析形狀特征復雜之薄殼類塑膠零件。它基于Moldflow的獨家專利的Dual Domain（雙層面）分析技術，直接從CAD軟件中提取實體表面產生網格。FUSION網格大大降低前期網格處理時間，能快速對產品進行流動、冷卻，翹曲等分析。它以最快的網格處理及最佳的網格質量和準確的分析結果成為應用廣泛的薄壁件分析的網格形式， 　圖7是基于實體表面模型的模擬過程?！　　　　　　　　　　　D7　基于實體表面模型的模擬過程MPI/3D（3D實體模型）MPI/3D適用應用于模擬粗厚件產品的塑料流動分析。三維實體流動分析使用獨一無二仿真求解三技術， 應用四面體有限元素網格，來模擬塑料三維方向充填流動情況， 至整個模穴填滿為止。 (2) 基本分析模塊 MPI/Flow(流動分析,優(yōu)化充填和保壓階段)MPI/Flow 基本分析模塊，能模擬射出成型過程中熔膠流動行為模式，以確保產品設計、質量及制造的可行性。使用流動分析能夠迅速找到最佳射出成型條件、預知產品可能發(fā)生問題點及自動修正流道系統(tǒng)以達模穴平衡。由流動分析結果來考慮生產方式和修正產品幾何造型決定最佳的澆口位置、閥澆口數目或使用冷熱流道系統(tǒng)。 MPI的常用分析模塊MPI/Flow(流動分析