第十二章(模具设计初步)

第十二章模具设计初步模具是工业生产中的基础工艺装备，也是高新技术产业化的重要领域，其技术发展水平的高低已成为衡量一个国家制造业水平和产品开发能力的重要标志，模具工业已成为国民经济的重要基础工业。当前，由于市场竞争日益激烈及人们对产品需求的多样化，产品生命周期不断缩短，更新换代越来越快，传统的模具设计与制造只有结合先进的CAD/CAM技术才能适应社会的发展。当前，人们已深刻意识到CAD/CAM技术在模具设计制造中的重要性，因此在模具设计制造中广泛应用CAD/CAM技术，其中Pro/ENGINEER软件便是目前应用最为普遍的CAD/CAM软件之一。Pro/ENGINEER软件模具设计覆盖了钣金模具、注塑模具、铸造模具等，其中Pro/MOLDDESIGN作为Pro/ENGINEER软件的一个专业注塑模具设计模块，提供了一个功能强大、实用的注塑模具设计工具，本章主要介绍该功能模块的应用。第一节Pro/ENGINEER模具设计概述一、基本术语1.设计模型在进行模具设计之前，必须先确定并完成零件原型的设计和造型，我们称该零件原型为设计模型（DesignModel）。可以说，设计模型也就是该副模具所成型的产品。对于一副模具来说，其设计模型可以是一个，也可以多个。任何模具设计都是从设计模型开始的。2.参考模型在进行模具设计时，当用户提取一个设计模型并将该设计模型添加到模具模型中时，系统将该设计模型进行复制，生成一个新的模型，并应用该模型进行随后的模具设计，这个模型就称为参考模型或参照模型（ReferenceModel）。第一节Pro/ENGINEER模具设计概述提示设计模型与参考模型存在一定的关联关系。当在零件造型（PART）模块中修改设计模型时，参考模型也将发生相应的变化；但在模具模型中修改参考模型，则设计模型不会发生变化。第一节Pro/ENGINEER模具设计概述3.工件模型工件模型又称为坯料（Workpiece），它包含了模具元件的全部体积，其本身也是一个零件模型。用户设计了分型面后，应用分型面对它进行分割，便可以得到模具的型腔、型芯等模具元件。需注意的是，工件模型的体积必须包围所有参考模型、模腔、浇口、流道、滑块、冷却水道等。工件模型通常有两种创建方式：一是在模具设计（MOLD）环境下直接创建；二是通过装配的方式将零件造型（PART）模块中已创建好的工件模型添加到模具模型中。4.模具模型模具模型（MoldModel）是模具设计模块中最高级模型，它包括一个或多个参考模型和一个或多个工件，其后缀名为mfg。第一节Pro/ENGINEER模具设计概述5.分型面在注塑模具中，打开模具取出塑料制品的界面称为分型面（PartingSurface），它是动、定模在合模状态下的接触面或瓣合式模具的瓣合面。分型面用来分割工件模型或已存在的模具体积块，它在Pro/ENGINEER模具设计中有着非常重要的作用，其形状和位置的选择不仅直接关系着模具结构的复杂程度和制造难度，而且直接影响着塑件的质量和生产效率。分型面的设计整个模具设计进程中最重要、最关键的步骤。分型面一般由一个或多个曲面组成，在Pro/ENGINEER分型面设计时，应注意以下三点：(1）分型面必须与工件模型或模具体积块完全相交；(2）分型面内部不能有破孔；(3）分型面不能自交。第一节Pro/ENGINEER模具设计概述6.收缩率（shrinkage）塑料在冷却成型时，都会存在收缩，因此，在模具设计时，需要对设计模型进行适当的缩放，使塑料制品在冷却定型后其形状尺寸即为设计模型的形状尺寸。常用塑料的收缩率见下页表格。7.拔模斜度为了便于制品脱模或从模具中取出，在塑料制品设计时一般需要考虑拔模斜度。拔模斜度的大小与塑料材料、制品规格、制品结构等因素有关。第一节Pro/ENGINEER模具设计概述二、Pro/ENGINEER模具设计用户界面Pro/ENGINEERWildfire模具设计用户界面有模具菜单管理器和模具设计工具栏两部分。1.模具菜单管理器模具菜单管理器如下图所示。第一节Pro/ENGINEER模具设计概述第一节Pro/ENGINEER模具设计概述菜单的各项选项含义说明：（1）模具模型（MoldModel）：对模具模型中的模具组件元件进行添加、删除和其它相关操作。（2）特征（Feature）：在模具模型中创建、删除和操作组件级或元件级特征，如建立浇注系统、冷却水道等。（3）收缩率（Shrinkage）：设置设计模型或参考模型的收缩率。（4）模具元件（MoldComp）：对模具体积块进行抽取或拭除等操作，如将模具体积块转变成模具实体元件形成PRT文件。第一节Pro/ENGINEER模具设计概述（5）模具进料孔（MoldOpening）：模拟模具的开模并检查干涉。（6）铸模（Molding）：由模具型腔模拟成型一个制件。（7）模具布局（MoldLayout）：创建或打开一个模具布局。（8）集成（Integrate）：比较同一个模型的两个不同版本，如果有必要，对差异进行集成。2.【模具/铸件制造】工具栏【模具/铸件制造】工具栏系统缺省在右工具箱中，工具栏如下图所示。工具栏中各按钮的含义见下页表格。第一节Pro/ENGINEER模具设计概述第一节Pro/ENGINEER模具设计概述第一节Pro/ENGINEER模具设计概述三、Pro/MoldDesign模具设计的一般流程应用Pro/MoldDesign进行模具设计时，其设计流程一般为：（1）塑料制品分析，包括其结构特点、材料，查找材料的有关性能参数；（2）确定模具的类型及模具型腔数；（3）新建文件夹：为当前设计任务新建一个文件夹，用以保存模具设计过程中生成的各类文件；（4）启动Pro/ENGINEER软件，并将步骤3所建立的文件夹设置为工作目录，同时，将设计模型文件复制至该文件夹中；（5）新建文件，文件类型为【制造】（Manufacturing），子类型为【模具型腔】（MoldCavity），输入文件名；（6）调入设计模型文件并完成模型的装配，也可以在模具设计环境中新建设计模型文件；第一节Pro/ENGINEER模具设计概述第一节Pro/ENGINEER模具设计概述（7）模型的检测，包括对模型进行拔模检测、壁厚检测等；（8）设置设计模型的收缩率；（9）创建工件（毛坯），建立模具模型；（10）创建浇口、流道和水线等模具特征；（11）创建分型面，分型面创建是模具设计中重要关键的步骤；（12）分割工件，得到模具体积块；（13）抽取模具体积块，生成模具零件；（14）开模模拟（定义模具开模的步骤），检测开模时是否存在干涉，必要时，应对模具元件进行修改；（15）完成详细设计，包括推出系统、水线等系统的设计；（16）保存文件。四、遮蔽和取消遮蔽在模具设计过程中，为了便于对象的显示、选取、观察，经常需对有关对象进行遮蔽或取消遮蔽操作，可以说遮蔽或取消遮蔽是模具设计过程中一个常见的操作。进行遮蔽或取消遮蔽的操作有以下三个途径：（1）【遮蔽-取消遮蔽】对话框（2）模型树（3）图形窗口下面对这三个途径的应用进行具体说明。第一节Pro/ENGINEER模具设计概述第一节Pro/ENGINEER模具设计概述（1）【遮蔽-取消遮蔽】对话框该对话框包含【遮蔽】和【取消遮蔽】两个页面，遮蔽和取消遮蔽的操作完全相同。下面介绍遮蔽操作的具体方法。第一节Pro/ENGINEER模具设计概述第一节Pro/ENGINEER模具设计概述过程的图示说明见下页图。第一节Pro/ENGINEER模具设计概述第一节Pro/ENGINEER模具设计概述（2）模型树在模型树中选取对象，在右键菜单中选取【遮蔽】和【取消遮蔽】命令：若该对象当前已被遮蔽，则右键菜单中显示【取消遮蔽】命令（如下图左图所示）；若该对象当前未被遮蔽，则右键菜单中显示【遮蔽】命令（如下图右图所示）。第一节Pro/ENGINEER模具设计概述（3）图形窗口在图形窗口中选取对象后，在右键菜单中选取【遮蔽】和【取消遮蔽】命令：若该对象当前未被遮蔽，则右键菜单中显示【遮蔽】命令（如下图右图所示）；若该对象当前已被遮蔽，则右键菜单中显示【取消遮蔽】命令。五、分型面的创建在应用Pro/ENGINEER软件进行模具设计时，有两类曲面可以完成工件的分割：一是使用PartingSurface专用模块生成的分型面特征；二是在参考模型或零件模型上使用【特征】中的【曲面】生成的曲面特征。使用第一种方法所创建的分型面是一个模具组件级的曲面特征，较为常用，也较易于操作和管理。第一节Pro/ENGINEER模具设计概述从分型面的创建原理角度而言，分型面的设计方法大致可以分为两大类：一是通过曲面创建分型面，如复制参考零件上的曲面或采用拉伸工具、旋转工具、扫描工具、高级曲面工具等创建的分型面；二是采用光投影技术生成分型面，如阴影曲面（Shadow）和裙边曲面（Skirt）等。在本章随后节次中将对这两种分型面的创建方法进行详细介绍。第一节Pro/ENGINEER模具设计概述下面对通过曲面创建分型面、阴影曲面创建分型面和裙边曲面创建分型面三种创建分型面的方法进行简要说明。1.通过曲面创建分型面该方法的原理是：复制参考模型上有关的曲面生成分型面（或分型面的主体）。应用该方法创建分型面通常存在下列两个问题：（1）分型面与工件或模具元件没有完全相交。（2）破孔。通过复制参考模型曲面是一种常用、灵活的分型面创建方法，对于结构复杂的参考模型尤其有效。第一节Pro/ENGINEER模具设计概述2.阴影曲面创建分型面阴影曲面的构造原理是当一个与开模方向相反的光源照射在参考模型上时，在参考模型上，系统将复制出受到光源照射到的曲面部分并生成一个阴影曲面，同时，系统将自动填补曲面上的破孔和将阴影曲面的外部边界延伸至要分割工件或模具元件的表面，最终形成一个分型曲面。第一节Pro/ENGINEER模具设计概述阴影曲面是一种快捷高效的分型面构造方法。但是，这种方法存在很大的局限性：首先，当设计模型的轮廓曲线在投影方向上存在交叉或曲面间有部分遮挡时，所生成的阴影曲面往往是错误的；其次，由于外部轮廓曲线在进行延伸操作时不能修改延伸方向，因此对复杂的外部边界，操作往往失败；第三，参考模型表面在投影方向必须具有脱模斜度，不能存在与投影方向平行的表面，否则难以保证构造出正确的分型面，因为当一个曲面与投影方向平行时，该曲面的投影就存在上方曲线链和下方曲线链，但是阴影曲面并没有选择曲面的上方曲线链或下方曲线链进行封闭的功能。对于上述不足，裙边曲面做了一些改进和完善。第一节Pro/ENGINEER模具设计概述3.裙边曲面创建分型面裙边曲面是通过参考模型的侧面影像曲线而构造起来的分型面，该曲面可以填补参考模型曲面上的破孔（但它不包含参考模型的曲面）。在建立裙边曲面时，首先必须创建侧面影像曲线（Silhouettecurve）。侧面影像曲线是指点在指定视觉方向上参考模型的轮廓曲线，是模具分型时的分模线，它一般包括若干个封闭的内环和外环，内环用于封闭分型面上的破孔，外环用于延伸曲面边界至要分割工件或模具元件的边界。三种分型面创建方法的比较及图例见下页表格。第一节Pro/ENGINEER模具设计概述第一节Pro/ENGINEER模具设计概述第二节简单模具的设计一般将没有滑块、破孔、镶块等结构的模具称为简单模具。对于简单模具，分型面的创建是最重要的内容，而创建分型面主要有两种方法：系统自动创建和人工手动创建。本节中将以下图所示零件为设计模型，介绍Pro/ENGINEER软件进行模具设计的一般流程及创建分型面的两种方法。第一节Pro/ENGINEER模具设计概述一、简单模具设计实例一——手动创建工件、系统自动创建分型面1.塑料制品分析材料为PP，收缩率为0.55%。2.新建文件夹并设置为工作目录步骤1：为当前模具设计任务建立一个新的文件夹，文件夹名称为cup-1_mold，将设计模型文件cup-1.prt文件复制至该文件夹中；步骤2：将cup-1_mold文件夹设置为工作目录。第二节简单模具的设计3.启