【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在深入分析級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將基于特征的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于級(jí)進(jìn)模CAD／CAM系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)上，于1999年在AutoCAD軟件平臺(tái)上建成了基于特征的級(jí)進(jìn)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(shè)計(jì)(條料排樣)、模具結(jié)構(gòu)及零件設(shè)計(jì)、級(jí)進(jìn)模標(biāo)準(zhǔn)件和典型結(jié)構(gòu)建庫(kù)工具，以及線切割自動(dòng)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(chǎn)品信息輸入計(jì)算機(jī)，建立板金零件的特征模型，為后續(xù)的工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供信息?；谔卣鞯臎_壓工藝設(shè)計(jì)模塊可實(shí)現(xiàn)板金零件自動(dòng)展開(kāi)、毛坯排樣及沖壓工序設(shè)計(jì)、工位布置、工藝參數(shù)計(jì)算等。由于在沖壓工藝設(shè)計(jì)時(shí)需考慮眾多因素，所以該模塊提供進(jìn)行交互設(shè)計(jì)的各種操作命令，以便用戶(hù)快速確定設(shè)計(jì)結(jié)果。模具結(jié)構(gòu)及零件設(shè)計(jì)模塊則為用戶(hù)提供設(shè)計(jì)模具總裝結(jié)構(gòu)及模具零件的相關(guān)功能，使用戶(hù)可方便地設(shè)計(jì)出級(jí)進(jìn)模，輸出符合用戶(hù)要求的模具總裝圖與模具零件圖。模具標(biāo)準(zhǔn)件及典型結(jié)構(gòu)建庫(kù)工具用于建立用戶(hù)的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)和典型結(jié)構(gòu)庫(kù)，它面向用戶(hù)開(kāi)放，可按需要進(jìn)行添加、刪除和修改。目前正在繼續(xù)開(kāi)發(fā)基于UGⅡ軟件的級(jí)進(jìn)模CAD系統(tǒng)。3． 塑料注射模CAD的應(yīng)用隨著實(shí)體造型、特征造型技術(shù)的日趨成熟，通用的三維CAD系統(tǒng)層出不窮，目前已成為機(jī)械CAD的主流產(chǎn)品?；谌S機(jī)械CAD的注射模CAD軟件已成為注射模CAD發(fā)展的必然趨勢(shì)，并正在逐步占領(lǐng)市場(chǎng)。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(kāi)發(fā)的，有必要先對(duì)UG軟件做簡(jiǎn)單介紹。UG從美國(guó)麥道飛機(jī)公司內(nèi)起家，從二維繪圖、數(shù)控加工編程、曲面造型等功能發(fā)展起來(lái)，面向飛機(jī)的總體外形和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工生產(chǎn)需要。20世紀(jì)90年代初，美國(guó)通用汽車(chē)公司選中UG作為全公司的CAD主導(dǎo)系統(tǒng)，進(jìn)一步有力地推動(dòng)了UG的發(fā)展。1997年10月，UG與Intergraph公司簽約，合并了后者的機(jī)械CAD產(chǎn)品，將微機(jī)版SolidEdge軟件統(tǒng)一到Parasolid平臺(tái)上(Parasolid是由英國(guó)EDS公司推出的造型底層平臺(tái))，由此形成了一個(gè)從低端到高端，兼有UNIX工作站和Windows微機(jī)版的較完整的企業(yè)級(jí)CAD／CAE／CAM集成系統(tǒng)。塑料注射模CAD的應(yīng)用典范――MoldwizardMoldwizard是UG系列軟件中用于注射模具設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用模塊基于知識(shí)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化理念的應(yīng)用系統(tǒng)擯棄了傳統(tǒng)的CAD軟件重功能輕過(guò)程的開(kāi)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(shè)計(jì)自動(dòng)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(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用模塊，是UG系列軟件中最先向模具行業(yè)用戶(hù)推出的、基于知識(shí)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化理念的應(yīng)用系統(tǒng)，它擯棄了傳統(tǒng)的CAD軟件重功能輕過(guò)程的開(kāi)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(shè)計(jì)自動(dòng)化方面取得了極其顯著的效果，受到用戶(hù)的普遍歡迎。Moldwizard遵循了模具設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，圖1所示為Moldwizard模塊的主菜單，圖2為Moldwizard應(yīng)用的一般流程。 　　　　圖1　Moldwizard模塊的主菜單圖2 Moldwizard應(yīng)用的一般流程圖2顯示了Moldwizard應(yīng)用的一般流程，流程圖左邊4個(gè)步驟是模具設(shè)計(jì)者在使用Moldwizard之前先要考慮的準(zhǔn)備階段。Moldwizard注射模設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要的功能特色有：Moldwizard注射模設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要的功能支持注射模具設(shè)計(jì)全過(guò)程適合于注塑制品的曲面造型功能基于知識(shí)的設(shè)計(jì)自動(dòng)化齊全、開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)(有HASCO、DME、FUTABA、OMNI、LKM_SG等公司的標(biāo)準(zhǔn)模架與標(biāo)準(zhǔn)件)成形零件的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)1)支持注射模具設(shè)計(jì)全過(guò)程Moldwizard模塊支持典型的塑料注射模具設(shè)計(jì)的全過(guò)程，即從讀取產(chǎn)品模型開(kāi)始，到如何確定和構(gòu)造拔模方向、收縮率、分型面、型芯型腔、滑塊、頂桿、模架及其標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)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(qiáng)而豐富，提供了豐富的邊、面高級(jí)過(guò)渡和倒圓功能，支持復(fù)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(fù)雜零件的拔模操作。3)基于知識(shí)的設(shè)計(jì)自動(dòng)化Moldwizard融合了知識(shí)嵌入的基本理念，內(nèi)嵌了以前僅僅存在于高級(jí)模具設(shè)計(jì)師頭腦中的知識(shí)，并通過(guò)與UG的WAVE、主模型等功能相結(jié)合，使得Moldwizard具有極強(qiáng)的自動(dòng)化能力，并幫助用戶(hù)獲取模具設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)。Moldwizard的用戶(hù)界面結(jié)合了業(yè)界最好的經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)用戶(hù)構(gòu)造模具的全過(guò)程，其初級(jí)用戶(hù)可以利用向?qū)Р藛嗡峁┑脑O(shè)計(jì)步驟，直觀地、一步一步地完成模具設(shè)計(jì)的全過(guò)程，而有經(jīng)驗(yàn)的模具設(shè)計(jì)者能夠利用軟件所提供的各種計(jì)算功能快速、有效地進(jìn)行模具優(yōu)化設(shè)計(jì)，熟練地設(shè)計(jì)出復(fù)雜程度較高的模具。 4)齊全、開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)Moldwizard提供了標(biāo)準(zhǔn)模架管理工具，允許對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模架進(jìn)行查詢(xún)搜索、編輯數(shù)據(jù)、定制等操作，Moldwizard對(duì)定位圈、澆口套、頂桿、滑塊與內(nèi)抽芯等標(biāo)準(zhǔn)件與典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一管理，提供了分類(lèi)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(biāo)準(zhǔn)模架與標(biāo)準(zhǔn)件都已經(jīng)預(yù)先存入庫(kù)中，使用非常方便。圖3是龍記大水口標(biāo)準(zhǔn)模架庫(kù)?！　　　　　　　D3　龍記大水口標(biāo)準(zhǔn)模架庫(kù) 5)成形零件的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)成形零件的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)是Moldwizard的主要功能特色之一，所謂關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)是指在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，具有尺寸與結(jié)構(gòu)相關(guān)性的制品與模具零部件雙向關(guān)聯(lián)，對(duì)制品結(jié)構(gòu)與尺寸的改動(dòng)可以自動(dòng)地反映在模具上，無(wú)需再手動(dòng)修改模具設(shè)計(jì)。如圖4所示，圖4(a)為塑料制件，圖4(b)為該零件對(duì)應(yīng)的模具型芯，模具設(shè)計(jì)完成后，用戶(hù)對(duì)零件的尺寸參數(shù)進(jìn)行了修改，如圖5(a)所示，系統(tǒng)根據(jù)修改后的數(shù)據(jù)自動(dòng)更新設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的型腔模型(考慮了收縮問(wèn)題)、分型面、型芯等相關(guān)設(shè)計(jì)，更新的模具型芯如圖5(b)所示。 圖4　塑件及對(duì)應(yīng)的模具型芯　　　　　　　　　　　圖5　更改塑件設(shè)計(jì)，模具型芯自動(dòng)更新四、 模具設(shè)計(jì)CAE將產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、分析、制造貫穿于產(chǎn)品研制過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)之中，以計(jì)算機(jī)為輔助工具來(lái)指導(dǎo)和預(yù)測(cè)產(chǎn)品在構(gòu)思、設(shè)計(jì)與制造階段的行為CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)所包含的內(nèi)容十分廣泛。CAE將工程設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、分析乃至制造貫穿于產(chǎn)品研制過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)之中，以計(jì)算機(jī)為輔助工具來(lái)指導(dǎo)和預(yù)測(cè)產(chǎn)品在構(gòu)思、設(shè)計(jì)與制造階段的行為。目前，注射模CAE僅限于注射過(guò)程的計(jì)算機(jī)分析，即模擬注射成形中熔體充模、保壓與冷卻過(guò)程及預(yù)測(cè)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(dòng)保壓模擬、流道平衡設(shè)計(jì)、冷卻模擬、翹曲預(yù)測(cè)等功能流動(dòng)保壓模擬軟件能提供不同時(shí)刻型腔內(nèi)塑料熔體的溫度、壓力、剪切應(yīng)力等的分布，其預(yù)測(cè)結(jié)果能直接指導(dǎo)工藝參數(shù)的選定及流道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；流道平衡設(shè)計(jì)軟件能幫助用戶(hù)對(duì)一模多腔模具的流道系統(tǒng)進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)，計(jì)算各個(gè)流道和澆口的尺寸，以保證塑料熔體能同時(shí)充滿(mǎn)各個(gè)模腔；冷卻模擬軟件能計(jì)算冷卻時(shí)間、制品及模腔的溫度分布，其分析結(jié)果可以用來(lái)優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；應(yīng)力計(jì)算和翹曲預(yù)測(cè)軟件則能計(jì)算出制品的收縮情況和內(nèi)應(yīng)力的分布，預(yù)測(cè)制品出模后的變形。注射模CAE技術(shù)借助于有限元法、有限差分法和邊界元法等數(shù)值計(jì)算方法，分析型腔中塑料的流動(dòng)、保壓和冷卻過(guò)程，計(jì)算制品和模具的應(yīng)力分布，預(yù)測(cè)制品的翹曲變形，并由此分析工藝條件、材料參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)對(duì)制品質(zhì)量的影響，達(dá)到優(yōu)化制品和模具結(jié)構(gòu)、優(yōu)選成形工藝參數(shù)的目的。塑料注射成形CAE軟件主要包括流動(dòng)保壓模擬、流道平衡設(shè)計(jì)、冷卻模擬、翹曲預(yù)測(cè)等功能。其中流動(dòng)保壓模擬軟件能提供不同時(shí)刻型腔內(nèi)塑料熔體的溫度、壓力、剪切應(yīng)力等的分布，其預(yù)測(cè)結(jié)果能直接指導(dǎo)工藝參數(shù)的選定及流道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；流道平衡設(shè)計(jì)軟件能幫助用戶(hù)對(duì)一模多腔模具的流道系統(tǒng)進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)，計(jì)算各個(gè)流道和澆口的尺寸，以保證塑料熔體能同時(shí)充滿(mǎn)各個(gè)模腔；冷卻模擬軟件能計(jì)算冷卻時(shí)間、制品及模腔的溫度分布，其分析結(jié)果可以用來(lái)優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；應(yīng)力計(jì)算和翹曲預(yù)測(cè)軟件則能計(jì)算出制品的收縮情況和內(nèi)應(yīng)力的分布，預(yù)測(cè)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(guó)外　　澳大利亞Moldflow公司的Moldflow　　　　美國(guó)ACTech公司的CMold國(guó)內(nèi)　　華中科技大學(xué)塑料注射成形模擬軟件HSCAE3D近30年來(lái)，塑料流變學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算數(shù)學(xué)、圖形學(xué)等技術(shù)的突飛猛進(jìn)，為塑料注射模CAE技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。從20世紀(jì)70年代起，塑料注射模CAE技術(shù)就成為塑料成形領(lǐng)域的熱門(mén)研究課題，從分散、零星的研究發(fā)展為集中、系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，研究機(jī)構(gòu)層出不窮，如澳大利亞Moldflow公司、美國(guó)ACTech公司、德國(guó)IKV研究所、法國(guó)GISIGRAPH公司、臺(tái)灣清華大學(xué)等。但在眾多注射模CAE產(chǎn)品中，最具國(guó)際影響、市場(chǎng)占有率最高的應(yīng)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(dòng)模擬軟件，在生產(chǎn)中發(fā)揮了顯著作用，其CAE軟件包括流動(dòng)模擬、冷卻分析、應(yīng)力分析和翹曲變形預(yù)測(cè)等，該公司還開(kāi)發(fā)出一套智能控制器(LPC)，它先利用分析軟件產(chǎn)生的結(jié)果對(duì)塑料流動(dòng)情況進(jìn)行優(yōu)化，然后據(jù)此來(lái)控制注射機(jī)。該系統(tǒng)可在較短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)地做好機(jī)器的起動(dòng)準(zhǔn)備，通過(guò)對(duì)充模、保壓等工藝參數(shù)的優(yōu)化來(lái)減小產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)。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(shù)；平衡流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)；三維流動(dòng)、保壓、冷卻分析程序及應(yīng)力分析和翹曲變形預(yù)測(cè)程序。該公司于2000年被Moldflow公司兼并。我國(guó)自20世紀(jì)80年代以來(lái)陸續(xù)從國(guó)外引進(jìn)了一批塑料注射模CAE系統(tǒng)。實(shí)踐表明這些軟件對(duì)提高我國(guó)模具技術(shù)水平有一定的推動(dòng)作用，但由于這些軟件價(jià)格昂貴、二次開(kāi)發(fā)能力差、缺乏國(guó)產(chǎn)材料數(shù)據(jù)庫(kù)、技術(shù)支持和售后服務(wù)相對(duì)不足，因此軟件的推廣和應(yīng)用情況并不理想。我國(guó)的一些科研機(jī)構(gòu)，特別是高等院校，自20世紀(jì)80年代中期開(kāi)展注射模CAE技術(shù)的研究以來(lái)，華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、天津輕工業(yè)學(xué)院、成都科技大學(xué)等都先后取得了一批喜人的科研成果。如華中科技大學(xué)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(jīng)過(guò)了十余年時(shí)間的推廣，國(guó)內(nèi)近百家工廠的驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)近20年的努力，華中科技大學(xué)目前已推出一套適用范圍廣、運(yùn)行穩(wěn)定、結(jié)果可靠、使用方便，并具有自主版權(quán)的基于實(shí)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(dòng)形態(tài)產(chǎn)品體積收縮冷卻時(shí)間纖維配向性產(chǎn)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(chǎn)品幾何造型及成形條件最佳化的進(jìn)階模流分析軟件。從材料的選擇、模具的設(shè)計(jì)暨成形條件參數(shù)設(shè)定，以確保在射出成型過(guò)程中塑料在模具內(nèi)的充填行為模式，以獲得高質(zhì)量產(chǎn)品。MPI 能分析模擬塑料流動(dòng)形態(tài)、產(chǎn)品體積收縮、冷卻時(shí)間、纖維配向性、產(chǎn)品翹曲等等，并且加強(qiáng)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(chǎn)周期時(shí)間，通過(guò)電腦模擬分析能確定和修改潛在問(wèn)題，并幫助模具設(shè)計(jì)人員預(yù)測(cè)常碰到的問(wèn)題并加以修正設(shè)計(jì)。MPI的有限元解決模型MPI/Midplane（中間面網(wǎng)格模型）MPI/FUSION（雙層面網(wǎng)格模型）MPI/3D（3D實(shí)體模型）(1)MPI的有限元解決模型 MPI/Midplane（中間面網(wǎng)格模型）MPI/Midplane 適用于分析肉厚較均勻之薄殼類(lèi)塑膠零件。它提取實(shí)體壁厚的中間面作為網(wǎng)格外形，并賦予它厚度，使用較少的網(wǎng)格數(shù)目快速分析得到最精確的分析結(jié)果，圖6是中間面模型的模擬過(guò)程?！　　　　　　　　　　　　　D6　中間面模型的模擬過(guò)程MPI/FUSION（雙層面網(wǎng)格模型）MPI/FUSION 適用于分析形狀特征復(fù)雜之薄殼類(lèi)塑膠零件。它基于Moldflow的獨(dú)家專(zhuān)利的Dual Domain（雙層面）分析技術(shù)，直接從CAD軟件中提取實(shí)體表面產(chǎn)生網(wǎng)格。FUSION網(wǎng)格大大降低前期網(wǎng)格處理時(shí)間，能快速對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行流動(dòng)、冷卻，翹曲等分析。它以最快的網(wǎng)格處理及最佳的網(wǎng)格質(zhì)量和準(zhǔn)確的分析結(jié)果成為應(yīng)用廣泛的薄壁件分析的網(wǎng)格形式， 　圖7是基于實(shí)體表面模型的模擬過(guò)程?！　　　　　　　　　　　D7　基于實(shí)體表面模型的模擬過(guò)程MPI/3D（3D實(shí)體模型）MPI/3D適用應(yīng)用于模擬粗厚件產(chǎn)品的塑料流動(dòng)分析。三維實(shí)體流動(dòng)分析使用獨(dú)一無(wú)二仿真求解三技術(shù)， 應(yīng)用四面體有限元素網(wǎng)格，來(lái)模擬塑料三維方向充填流動(dòng)情況， 至整個(gè)模穴填滿(mǎn)為止。 (2) 基本分析模塊 MPI/Flow(流動(dòng)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(guò)程中熔膠流動(dòng)行為模式，以確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)、質(zhì)量及制造的可行性。使用流動(dòng)分析能夠迅速找到最佳射出成型條件、預(yù)知產(chǎn)品可能發(fā)生問(wèn)題點(diǎn)及自動(dòng)修正流道系統(tǒng)以達(dá)模穴平衡。由流動(dòng)分析結(jié)果來(lái)考慮生產(chǎn)方式和修正產(chǎn)品幾何造型決定最佳的澆口位置、閥澆口數(shù)目或使用冷熱流道系統(tǒng)。 MPI的常用分析模塊MPI/Flow(流動(dòng)分析