塑料模具CAX集成技术

   文 | 钟燕锋 赖建康 徐旋波

配图 | 来源互联网

模具CAX集成技术是一项重要的模具先进制造技术, 是一项用高技术改造模具传统技术的重要关键技术。从六五计划开始, 我国有许多模具企业采用CAD技术, 特别是近年, CAX技术的应用越来越普遍和深入, 大大缩短了模具设计周期, 提高了制模质量和复杂模具的制造能力。然而, 由于许多企业对模具CAX集成技术认识不足, 投资带有盲目性,不能很好地发挥作用, 造成了很大的浪费。

塑料模具的制造, 包括塑料产品的造型设计、模具的结构设计及分析、模具的数控加工(铣削、电加工、线切割等)、抛光和配试模以及快速成形制造等。各个环节所涉及的CAX单元技术有: 造型和结构设计(CAD)、产品外形的快速反求(RE)、结构分析与优化设计(CAE)、辅助制造(CAM)、模具工艺性审查（DFM），加工过程虚拟仿真(SIMULATION)、产品及模具的快速成形(RP)、辅助工艺过程(CAPP)和产品数据管理技术(PDM)等。塑料模具CAD集成技术, 就是把塑料模具制造过程所涉及的各项单元技术集成起来, 统一数据库和文件传输格式, 实现信息集成和数据资源共享, 从而大大缩短模具的设计制造周期, 提高制模质量。

进行塑料模具设计制造的第一步是塑件产品的设计。传统产品设计方法是设计者对产品的三维构思用二维平面图纸表达出来, 图纸上标明工艺及施工方法, 这种方法决定了所设计图形的简单性及不能直接控制制造质量。现代设计方法是设计者在电脑上直接建立产品的三维模型, 根据产品三维模型进行模具结构设计及优化设计, 再根据模具结构设计三维模型进行加工编程及编制工艺计划。这种方法使产品模型设计、模具结构设计、加工编程及工艺设计都以3D数据为基础, 实现数据共享, 不仅能快速提高设计效率, 而且能保证质量, 降低成本。

电脑塑件产品模型的来源有三种: 利用CAD系统软件进行产品模型设计、利用实物测量进行快速反求建模、利用其它CAD系统的标准格式文件。针对这三种产品模型的来源方式, 目前已研究出各种技术来提高产品模型的设计效率和质量。下面进一步分析各种技术的内涵和特点。

利用CAD系统软件进行产品模型设计, 其技术主要包括二维几何图形的绘制、二维参数化图形的设计、三维实体造型设计、三维特征造型设计、三维参数化实体造型设计、三维曲面造型设计、空间自由造型设计、产品的外观渲染、产品的动态广告设计等等。这些软件有许多典型的代表。二维软件有: ME10、CADKEY、AUTOCAD、DHCAD、Genis、Sigraph等; 三维软件有: UGII、PRO/E、IDEAS、CATIA、EUCLID等; 产品自由造型及广告设计的软件有: Alias、CDRS等。二维几何图形的绘制是利用平面CAD软件绘制零件图形, 即用计算机代替手工绘图; 而二维参数化, 即计算机实现了图形的变量设计, 使修改更加方便; 三维造型设计是数字化的产品的真实形状设计, 它完全表达了产品, 能够进一步为模具设计、分析和加工提供必要的数学模型; 空间自由造型设计是产品外形的艺术设计, 使产品不仅是功能产品, 也是艺术品;产品的外观渲染是产品的效果设计, 使产品更加美观、颜色更加能迎合人们的各种需求; 产品的动态广告设计是将产品设计的结果直接制作宣传广告, 进行市场推广。

利用实物测量进行快速反求建模是目前研究的热点之一, 它是产品仿型基础上进行产品修改设计的重要技术。其基本原理是通过三座标测量机、激光测量机或电子抄数仪对实物进行扫描测量, 把测量所获得的数字化的大量数据点送入高级CAD软件的反求模块或专用的反求软件中, 反求软件可直接读取点数据群, 并可对点数据群进行编辑、过滤、整理、求精、排序、局部修改与重组, 然后自动生成曲面, 最终获得同实物精确一致的或经改造的电脑塑件产品模型。这一方式可极大提高新产品设计速率。目前较成熟的曲面反求建模软件有: Surfacer, Cimatronrenge, Strim100等。

利用其它CAD系统的标准格式文件来建模, 这一方式较方便。由于市场的全球化和INTERNET网络技术的发展, 模具企业的CAD技术交流和合作有许多通过CAD文件方式进行。由于CAD系统种类较多, 因此文件的格式就必须遵循国际标准, 如DXF、IGES、STEP、VDA、STL等。通过读取标准格式文件来直接建立或修改后建立产品模型, 既可加快、加深用户与模具厂家的交流, 也可缩短产品设计周期。

模具的CAD设计、分析,包括根据产品模型进行模具分型面的设计、确定型腔和型芯、模具结构的详细设计、塑料充填过程分析等几个方面。利用先进的特征造型软件如PRO/E、UGII等很容易地确定分型面,生成上下模腔和模芯, 再进行流道、浇口以及冷却水管的布置等。确定了这些设计数据以后, 再利用模具分析软件, 如MOLDFLOW、CFLOW进行塑料的成形过程分析。根据MOLDFOLW软件和它的丰富的材料、工艺数据库, 通过输入成形工艺参数, 可动态仿真分析塑料在注塑模腔内的注射过程流动情况(含多浇口注射时的塑料汇流纹分析)、分析温度压力变化情况、分析注塑件残余应力等, 根据分析情况来检查模具结构的合理性、流动状态的合理性、产品的质量问题等。比如是否存在浇注系统不合理, 出现流道和浇口位置尺寸不当, 无法平衡充满型腔; 是否存在产品结构不合理或模具结构不合理, 出现产品充不满(即短射现象); 是否冷却不均匀, 影响生产效率和产品质量; 是否存在注塑工艺不对, 出现产品的翘曲变形等。模具通过CAD设计和分析, 就可以将错误消除在设计阶段, 提高一次试模成功率。

在塑料模具设计和分析这一阶段应用了许多新的电脑辅助技术, 如参数化技术、特征造型技术、数据库技术等。塑料模具中有许多标准件, 如标准模架、顶出机构、浇注系统、冷却系统等都可以采用基于数据库管理的参数化特征造型设计方法进行设计或建立标准件库, 这样既可以实现数据共享, 又可以满足用户对设计的随时修改, 使模具的设计分析快速、准确、高效。参数化特征造型不仅可以完整地描述产品的几何图形信息,而且可以获得产品的精度、材料及装配等信息, 其所建立的产品模型是一种易于处理、能反映设计意图和加工特征的模型。因此, 参数化特征造型技术是模具制造过程最重要的技术之一。 

塑料产品及其模具用电脑CAD技术设计完成后, 可通过快速成形技术来制造。这是一种全新概念的制造技术, 它摒弃了传统的机械加工方法。其成形原理是将三维CAD实体模型离散成设定厚度的一系列片层数据, 利用激光成形机或其它成形设备读取这些数据, 用材料添加法技术, 依次将每层堆积起来成形。这一技术称为快速自动成形技术(Rapid Prototype)。它也是CAD集成技术的重要组成部分。

第一台快速成形设备于1987年在美国3D公司诞生, 由于其特点是与制造的产品的复杂程度无关, 给制造业带来巨大的震动。此后十年, 快速成形技术得到飞速发展, 设备的种类也层出不穷, 从材料固化方法可分为激光和非激光烧结法(SLS)、固体表层造型法(SGC)、层片制造法(LOM)、熔化沉积法(FDM)、选区粘结法(DSPC)、激 光 气相沉积法(SALD)等。各种方法特点是: SLA法是最早应用的快速成形技术, 初期市场占有较大的分额, 但由于材料范围窄, 成本较高, 成形件耐热、耐负荷和着色能力低, 近年逐渐被其它方法所代替。FDM法由于成形速度快, 成本低, 在塑料产品行业中得到较好的应用, 由于零件的尺寸小, 精度差, 也受到一定的限制。LOM法由于采用纸或者是薄片塑料, 成本低, 且激光只照射每一层的轮廓边缘, 因而成形速度快, 但产品表面质量差。SLS法是用激光进行烧结, 采用的材料较广, 如塑料、蜡料、陶瓷、金属等均可成形, 成形件耐热、耐负荷和着色能力较强, 具有广泛的应用前景。其它方法也在某些特种加工中得到应用。

根据上述成形法特点, 快速成形技术的作用主要在于: 制造用于设计和试验的产品模型、制造用于小批量生产的模具和小批量特殊零件的加工。快速成形技术制造的产品模型在材质方面比传统加工方法制造的产品模型有所差别, 但在外形及尺寸方面几乎完全一样, 而且有一定的机械强度, 可作功能性试验, 同时经过表面处理,看起来与真实产品一样, 可作广告宣传品。快速成形技术制造的模具,目前主要是软材料的成形模(蜡模、环氧树脂模、硅橡胶模、低熔点合金铸造模等)和陶瓷或金属基合成材料硬型腔模。制造硬模时可用快速成形零件作母模, 先制作环氧树脂模或其它材料的软模, 在软模中浇注陶瓷或石膏模, 然后浇铸钢成钢模; 或者在软模中浇注混合有化学粘结剂的钢粉, 进行烧结成钢模。快速成形技术制造的钢模需进一步做抛光等后加工, 制成小批量生产的注塑模。由于模具是用钢粉浇注或烧结而成, 材质与普通模具钢有一定的差距, 因此, 寿命较短, 只能做试制产品或小批量生产。另外, 快速成形技术也可以制作特殊的零件, 如用冶金粉末法制作金属电极、精密铸造法制作铜电极、研模法制作石墨电极等。

快速成形技术制作模具和产品的成型设备, 均是读取CAD系统产生的STL或CLI等文件格式数据, 不同的文件格式数据对制作的产品精度有较大的差距, 因此, 研究CAD系统对快速成形设备的文件格式输出有相当重要的意义。 

综上所述, 模具CAX集成技术就是应用于模具制造各个环节的计算机辅助技术和实现各环节信息集成的技术。显然, 信息集成与数据统一管理是关键。产品的信息是贯穿于设计、分析、加工、检测、装配等各个阶段, 实现各环节信息的流畅、解决数据格式的标准化及数据维护与共享是未来CAX集成技术发展的重点。在模具的设计制造方面, 含有丰富专家知识的智能化检查DFX系统的研究、高速切削加工及其编程等是未来研究发展的趋势。

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