塑料制品的结构工艺性(第12章)

第12章模具CAD/CAM/CAE简介12．1概述12．2CAD/CAM/CAE的基本概念12．3CAD/CAM/CAE常用软件简介12．4MoldWizard注塑模具设计实例12．1概述•目前各工业先进国家为了应付当前市场多样化的要求，并缩短产品制造周期以取得最佳的竞争优势，无不引入CAE/CAD/CAM之计算机一体化制造技术，以提高产品质量，降低生产成本，增加竞争力。一般而言，一件完整理想的工业产品，其制造流程为先由原创性的观念设计出原件，配合计算机辅助工程分析技术，再依据分析结果修改、测试，最后再依此设计图经由计算机辅助制造，进行产品自动化生产，上述整个过程均在计算机上进行。•CAD/CAM/CAE是一门新的学科，它是介于计算机与工程制造这两类专业之间的一门边缘科学技术。它以计算机技术作为工具，以工程制造为目的。随着计算机硬、软件技术和数控（即：NC）加工技术的迅猛发展，CAD/CAM/CAE技术日趋完善，已在电子、航空、机械制造和模具制造等部门得到了广泛应用。•塑料模具生产的特点是品种多，批量小，换代快。塑料模具的设计、制造水平与塑料制品的质量、成本及生产周期息息相关。随着产品尤其电子产品制造业的飞速发展，人们对塑料模具的要求越来越高。传统的人工设计、手工作坊制造的生产方式已无法适应工业发展的需要。计算机辅助设计/辅助制造/辅助工程（即：CAD/CAM/CAE）技术就是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。•目前，塑料模具CAD/CAM/CAE技术已进入实用和普及的阶段，国外有许多公司出售商品化的塑料模具CAD/CAM/CAE软件。其主要功能有：几何造型、标准模架选择、材料选择、有限元网格生成、流动分析、冷却分析和NC编程。再配以美国DME公司的标准模架库PolyMold,就成了一个集成的CAD/CAM/CAE软件系统，可用于几何造型、模架选择、流动/冷却分析以及NC加工等主要过程。近几年占中国CAD/CAM市场份额较大的EDS公司也是采用类似的办法以满足模具行业用户的需要。12．2CAD/CAM/CAE的基本概念•计算机辅助设计（CAD即：ComputerAidedDesign）是精确地建立零件的几何模型（包括三维实体模型及二维工程图），使技术人员从繁重的重复的绘图劳动中解脱出来，包括产品的概念设计、草图设计、结构分析与设计、装配设计、零件几何造型设计、真实感图形显示。另外，查找表格数据和零件目录、绘制模具图纸和明细表等工作，可以全部交给计算机和绘图仪去完成。•计算机辅助制造（CAM即：ComputerAidedManufacture）是利用CAD产生的几何模型，自动形成NC加工机床所需的信息，即NC加工程序。换句话说，CAM是依赖于CAD的NC加工自动编程系统。计算机辅助几何设计和NC加工自动编程是两个独立发展的分支。但是，随着它们的推广应用，二者之间的相互依存关系变得越来越明显了。设计系统只有配合NC加工，才能充分显示其巨大的优越性；而NC技术只依靠设计系统产生的模型，才能发挥其效率。因此，在实际应用中二者很自然地紧密结合起来，形成计算机辅助设计与制造系统，即CAD/CAM系统。在这种系统中，设计和制造的各个阶段可利用公共数据库中的数据，数据的共享既提高了工作效率又减少了出错的机会。CAD/CAM大大缩短了产品的制造周期，显著提高了产品质量，产生了巨大的经济效益。•计算机辅助工程（CAE即：ComputerAidedEngineering）在设计过程中主要起模拟分析作用，其最大的功能是在于将设计原型在电脑上进行仿真分析，而不必经由实体测试，或减少实测次数，从而可节省大量测试所需资金与时间的浪费。此外，有些无法经由测试取得的数据，也可经由CAE分析，预测其结果，故对于降低成本、提高产品质量及缩短产品开发时间有很大的助益。如：塑料注射模在注射填充、保压、冷却过程的模拟；精确的预测塑料射出成型产品经过收缩翘曲变形后的尺寸。CAE也可以利用CAD产生的几何模型，自动产生有限元网格进行。CAE系统不但有深刻的数学、力学、热学等多学科的综合分析，而且凝聚了专家们的丰富经验和知识，是专业性、技术性很强的系统。CAE系统对工程中的力学、热学等现象具有模拟和预测作用，可以自动给出最优的设计方案,CAD、CAM、CAE的紧密结合，成为一体化的CAD/CAM/CAE系统。它特别适合作为塑料模具及产品设计、制造的有力的辅助工具。•CAD/CAM/CAE系统按运行方式可分为交互系统和自动系统。虽然人们正在研究各种全自动的CAD/CAM/CAE系统，但在目前的技术发展水平上计算机难以自动完成全部设计工作。因此，绝大多数CAD/CAM/CAE系统都属于交互式的系统。交互系统亦称为会话型系统，以交互式运行。在这种方式下，计算机用图形或数据的形式显示数据，用文本、菜单或图标的形式提示操作者输入数据，操作者用键盘和鼠标等设备输入参数，选择方案，修改设计等。•模具CAD/CAM/CAE技术特别是注塑模具的CAD/CAM/CAE技术，被公认为CAD技术在机械制造业中的应用典范。•在塑料模具设计、制造中采用CAD/CAM/CAE技术的优越性主要体现在：•（1）实现手工与普通机床无法做到的具有复杂曲面的精密塑料模具的设计及型腔零件的加工。•（2）使模具设计标准化、合理化，并使加工精度大大提高，从而提高模具和塑件的质量，并节省模具和塑件的原材料；•（3）在计算机上模拟塑料在模具型腔中填充、保压和冷却，相当于模拟试模和改模，从而既改善注塑成型工艺性又减少实际试模次数和装、修模时间；•（4）使设计、数控编程自动化，从而大大提高工作效率，缩短模具制造周期，满足塑料制品快速更新换代的要求，并将设计者从繁冗的计算和绘图工作中解放出来。12．3CAD/CAM/CAE常用软件简介•12．3．1UG（Unigraphics）•12．3．2Pro/E（Pro/Engineer）•12．3．3MasterCAM•12．3．4Cimatron•12．3．5CAE-MOLD软件简介•12．3．6MoldFlow软件简介•12．3．7MoldWizard软件简介UG（Unigraphics）•该软件是美国UnigraphicsSolutionsofEDS公司的CAD/CAM/CAE一体化软件，广泛应用在航空、汽车、机械、电子、化工等各个行业，可完成产品设计、分析、加工的全过程。1．使用UG完成产品生产的过程：•1．使用UG完成产品生产的过程：•用sKetch或curve工具建立模型的二维轮廓•建立三维模型•建立相关的二维工作图•建立相关的刀具路径•修改并更新模型、图纸、刀路•保存数据（每一操作过程随时保存）2．UG的主要功能模块•Modeling—产品三维设计建模•Drafting—自动生产二维工作图纸•Manufacturing—数控加工模拟及自动编程•Assembly—产品装配•CAE（GFEMPlusScenario）—力、热、变形分析•Photo—产生模型真实感照片3．UG的主要功能•（1）产品设计：可建立各种复杂程序产品的三维参数化实体装配模型，自动生成工作图纸（半自动标注尺寸）。设计小组间可进行协同设计，可规定不同设计人员的修改权限。工作图与三维实体模型完全相关，统一的主模型数据库。•（2）性能分析：利用有限元方法对产品模型进行受力分析、受热分析和模态分析。•（3）零件加工：半自动产生刀具路径，自动产生数控加工指令•（4）机构运动分析：可分析产品的实际运动情况和干涉情况。•（5）产品宣传：可产生真实感和艺术照片。Pro/E（Pro/Engineer）该软件是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation）开发的一个以特征为基础的参数化的CAD/CAM/CAE软件产品。具有与UG软件相似的功能，但Pro/E软件在参数化设计功能方面比UG软件强，且容易自学，而在零件加工功能方面Pro/E软件不及UG软件。MasterCAM•该软件为美国CNC公司基于PC平台的CAM软件，主要用于零件加工。其主要功能模块有三维设计、车床（Lathe）、线切割（Wire-EDM）、铣床（Mill）、刀具加工轨迹模拟等。该软件在广东珠江三角洲小型企业及个体企业数控机床加工中广泛应用。Cimatron•该软件是以色列Cimatron公司的代表产品，是较早在微机平台上实现三维CAD/CAM全功能的系统，集绘图、设计、加工、分析于一体的系统。目前，运行于WindowsNT系统的CIMATRONV10.0版本已在中国推出，并且北京宇航计算机软件公司（BACS）对系统进行了全面汉化，具有比较灵活的用户界面、优良的三维造型和工程绘图、全面数控加工、各种通用和专用数据接口以及集成化的产品数据管理（PDM）。CAE-MOLD软件简介•1．概述•目前国外较著名的CAE模具设计软件，有美国的.C.Tech.公司所发展的C-MOLD、C-PACK、C-COOL、C-WARP等四套软件以及澳洲的MOLD-FLOW公司所发展出的MOLD-FLOW、MOLD-PACK、MOLD-COOL、MOLD-WARP等四套软件。此两种套装软件已广泛被欧美、日、韩使用在其各相关塑料工业上，因此可感受到CAE应用于塑料射出成型已是一个成熟的技术。对于急待提高产品质量、降低成本，以增加整体竞争力的产业而言，射出成型CAE已是一个不可缺的利器。此两种套装软件目前在国内工业界及研究单位已有几家使用，但由于价格昂贵（每套约近百万元人民币）以及国内人才缺乏，对软件了解不够等因素，此类软件在国内并未普遍的为工业界所利用。•2．CAE-MOLD软件•CAE-MOLD为塑料射出成型填充、保压、及冷却过程的电脑辅助分析软件，用来帮助模具设计者或射出成型加工业者，在开模生产前或生产过程中经由电脑模拟的结果，了解塑料在充填保压及冷却过程中的各种状态，如温度、压力、密度、流速、剪切力及剪切应变等分布的变化。进而由这些资料决定最适当的加工条件及作为模具设计者参考。例如可决定流道尺寸大小，选择最佳的进浇口位置及进浇方式、多型腔安排、熔合线及排气孔位置预测，并提供保压时间、保压压力、锁模力、注射压力、加工温度、模温及收缩率分布的预测等。工业界使用此套软件，可实际利用电脑辅助工程分析的方法，透过模流分析、保压分析、冷却分析等电脑试模的方式，解决塑料射出成型加工过程中所产生的各种问题。•CAE-MOLD发展至今，经过不断测试和更新，使用效果十分良好，已有许多分析成功的案例。目前CAE-MOLD对外公开的软件包含六大部分：lCAE-FLOW—充填分析lCAE-PACK—充填保压分析lCAE-COOL—冷却分析lCAE-INT—前处理应用分析lCAE-POST—后处理应用分析•CAE-WINDOW—视窗管理系统分析•（1）CAE-FLOW填充分析•目的：可于模具开发前后，进行电脑上试模，模拟塑料射出成型过程中填充状况以及发现问题。藉以修改模具设计或成型操作条件，降低生产成本及模具设计工时，提高成品质量。•功能：l在加工条件方面，有助于选择熔料温度、模具温度、充填时间、填充速度及射出压力。同时可得到剪切力、剪切率的分布，可提供作为加工条件设定的参考。•在辅助模具设计方面，有助于决定流道设计、浇口位置、排气孔位置、进浇方式、熔接线位置、模具型腔数量及冷却水管路安排。•（2）CAE-PACK充填分析•目的：可于模具开模生产前或生产过程中欲修改模具设计或加工条件时，先行电脑试模，以电脑模拟了解塑料在充填及保压过程中各种状态，如温度、压力、密度、流速等的分布与变化情形，将发现的问题，作为模具设计或修改及加工条件选择的参考。•功能：除流动分析功能外，尚可决定保压压力大小、保压时间的长短、体积收缩率的分布及估计锁模力，防止产品过度填充、短射以及收缩等不良状况发生。•（3）CAE-COOL冷却分析•目的：可供使用者在未开模前即可利用电脑模拟的结果，预测出摸具产品的温度分布等资料，有助于决定最佳冷却时间及适当的冷却水管路安排，缩短