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62 模具是工業(yè)生產(chǎn)中的重要工藝裝備， 隨著汽 車、 電子、 航空、 儀器儀表和日用品工業(yè)的發(fā)展， 對于塑料制品的需求量急劇增加， 對塑料模具質 量與設計制造效率的要求越來越高。 由于塑料模 具具有品種多、 更新?lián)Q代快和單件小批量生產(chǎn)等 特點， 傳統(tǒng)的模具設計模式已不能適應工業(yè)生產(chǎn) 發(fā)展的需要， 將軟件技術應用于模具設計就成為 了模具行業(yè)發(fā)展的迫切要求。 CAD / CAE 技術為 工程技術人員提供了一種有效的計算機輔助工 具， 使設計人員可以借助計算機軟件對塑料制件 從產(chǎn)品開發(fā)、 模具結構到工藝成型等進行設計與 優(yōu)化， 能顯著縮短塑料模具設計周期， 提高產(chǎn)品 質量， 并極大地降低生產(chǎn)成本。 1 塑料模具 CAD /CAE 技術概述 1 1 塑料模具 CAD / CAE 含義 CAD 即計算機輔助設計。 是利用計算機軟、 硬件系統(tǒng)輔助人們對產(chǎn)品或工程進行設計、 繪 圖、 工程分析與技術文檔編制等設計活動的總 稱。 早期的 CAD 軟件主要致力于實現(xiàn)交互式繪 圖， 常用的軟件有: CADAM、 AutoCAD、 MEDUSA 等。 隨著計算機技術的發(fā)展和幾何造型技術的日 益完善，CAD 軟件采用實體造型技術定義產(chǎn)品 零件的幾何模型， 目前在模具設計中比較常用的 通用 CAD 軟件主要有: Pro /ENGINEER、 CATIA 等。 塑料模具 CAD 技術的引入， 從根本上改變了 模具的生產(chǎn)方式， 應用該技術可以將大量有關材 料參數(shù)、 工藝參數(shù)、 設計參數(shù)及標準件等信息存 入計算機， 并同時采用參數(shù)化設計， 從而可以大 大提高設計效率、 改善產(chǎn)品質量、 降低成本。 CAE 即 計 算 機 輔 助 工 程 技 術 。 一 般 認 為 CAE 是指用科學的方法， 以計算機軟件的形式， 輔助技術人員對產(chǎn)品設計質量、 性能、 加工工藝 及制造過程進行評價分析與優(yōu)化設計塑料模具 CAE 技術就是利用預先確定的方法對應用 CAD 技術設計的塑料制件進行模擬或描述， 計算機輸 出計算結果后， 用戶對結果做出評價與修正， 如: 澳大利亞 MODLFLOW 公司研制的注射模 CAE 系統(tǒng)， 該 系統(tǒng) 包括流 動和 保壓 分析 軟件 MF / Flow、 冷卻分析軟件 MF / Cool 和翹曲分析軟 件 MF / Warp 等。 對于塑料模具 CAE 技術來講， 目前還僅局限于用數(shù)值模擬方法模擬塑料制件 的成型過程及缺陷預測， 由此得出工藝方案與有 關參數(shù)以及模具結構對制件質量的影響， 從而達 到優(yōu)化塑料制件、 模具結構與工藝參數(shù)的目的。 收稿日期:20101220 作者簡介:姜雪燕(1980)， 女， 山東青島人， 濰坊職業(yè)學院教師， 碩士， 研究方向: 材料成型工藝及模具設計。 摘要: CAD /CAE 技術為工程技術人員提供了一種有效的計算機輔助工具， 使設計人員可以借助計算機軟件對塑料制 件從產(chǎn)品開發(fā)、 模具結構到工藝成型等進行設計與優(yōu)化， 能顯著縮短塑料模具設計周期， 提高產(chǎn)品質量， 并極大地降低生產(chǎn) 成本。 關鍵詞: CAD /CAE; 集成; 塑料模具 中圖分類號: TQ32文獻標識碼: C 文章編號: 16711440(2011)02006204 談 CAD /CAE 技術在塑料模具設計中的應用 姜雪燕 ( 濰坊職業(yè)學院， 山東省濰坊市261031) 中 國 包 頭職 大 學 報2011 年 第 2 期 63 1 2 塑料模具 CAD / CAE 技術的發(fā)展與應 用 國外塑料模具 CAD /CAE 技術的研究始于 20世紀60年代。 隨著計算機技術的發(fā)展， 到20世 紀 70 年 代 發(fā) 達 國 家 就 已 研 制 出 了 塑 料 模 具 CAD /CAE 的專門系統(tǒng)， 可以應用計算機對塑料 熔體在圓形、 長方形型腔內的流動情況進行分 析。 到了20世紀80年代， 美國、 日本等國家就已 經(jīng)將塑料模具 CAD / CAE 技術廣泛應用于塑料 模具的設計與制造過程中， 并推出了許多商業(yè)化 的 CAD / CAE 軟件， 如: 美國 PTC 公司的機械設 計自動化軟件 Pro /ENGINEER、 美國 EDS 公司的 設計、 制造一體化軟件 UG 等， 現(xiàn)已廣泛應用于 航空航天、 模具、 通用機械及汽車等領域。 我國塑料模具 CAD /CAE 技術的發(fā)展起步 較晚， 對于塑料模具 CAD /CAE 技術的開發(fā)與研 究始于20世紀70年代。 從20世紀80年代開始， 國 內許多大中型企業(yè)先后從國外引進了一些知名 的塑料模具 CAD / CAE 系統(tǒng)。 國內許多高等院 校、 研究部門和工廠企業(yè)也自主開發(fā)了實用的塑 料模具 CAD / CAE 應用軟件， 并在應用中不斷得 到完善， 如: 華中理工大學模具技術國家重點實 驗室開發(fā)的塑料注射模 CAD / CAE / CAM 系統(tǒng) HCS2 0， 主要應用于塑料模具設計中的塑料制 件三維圖形輸入、 流動模擬、 冷卻分析、 型腔強 度與剛度校核等。 2 塑料模具 CAD /CAE 集成系統(tǒng) 塑料模具 CAD / CAE 集成的關鍵是指 CAD、 CAE 子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換與共享。 塑料模具 CAD /CAE 集成系統(tǒng)借助于工程數(shù)據(jù)庫、 網(wǎng)絡通 信及標準格式的產(chǎn)品數(shù)據(jù)接口技術， 把 CAD、 CAE 子系統(tǒng)高效、 快捷地集成起來， 實現(xiàn)軟、 硬 件資源共享， 從而保證信息流在整個系統(tǒng)暢通無 阻。 塑料模具 CAD / CAE 的集成， 要求產(chǎn)品設計 與模擬分析緊密結合， 其目的是保證從塑料制件 設計、 工藝分析直至數(shù)值模擬過程中的數(shù)據(jù)具有 一致性， 能夠直接在計算機間傳遞， 從而減少在 信息傳遞過程中的誤差以及編輯出錯的可能性。 通過采用特征建模技術、 基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的 參數(shù)化 CAD 系統(tǒng)建立塑料制件三維實體模型與 標準零件庫， 再利用塑料模具 CAE 系統(tǒng)對塑料 制件在成型過程中的流動、 保壓、 收縮、 翹曲等 進行模擬分析， 得出計算結果后， 對設計方案進 行改進， 從而最終達到優(yōu)化設計的目的， 實現(xiàn) “設計 分析 優(yōu)化” 的自動化。 塑料模具 CAD /CAE 集成系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。 3 塑料模具設計技術路線 3 1 塑料模具 CAD 設計 現(xiàn)在廣泛應用的通用的參數(shù)化 CAD 軟件， 基本都具有基于特征、 尺寸驅動、 數(shù)據(jù)全相關等 特點， 許多 CAD 軟件( 如: Pro / ENGINEER、 UG、 AutoCAD 等) 之間已經(jīng)可以通過 IGES 格式輕松 的實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉換。 因此， 應用 CAD 技術實現(xiàn)塑料 模具設計已經(jīng)十分方便與便捷。 塑料模具 CAD 設計主要是指塑料制件和模 具標準件三維參數(shù)化模型建立。 塑料制件設計即 利用通用的參數(shù)化軟件對產(chǎn)品進行三維造型， 用 于進行模具設計與 CAE 分析計算; 標準件設計 主要指模架設計( 包括定模板、 動模板、 定模固 定板、 動模固定板、 推件板、 導柱、 導套、 復位桿、 墊板、 支承板等) 和螺釘、 銷釘?shù)瘸Ｓ媚＞邩藴?件的參數(shù)化設計。 3 2 塑料模具 CAE 分析 塑料模具 CAE 分析包括對流道、 澆口、 模具型 腔進行充模流動分析、 保壓分析、 收縮分析、 冷卻分 析、 翹曲變形分析等。 三維參數(shù)化模型建立后， 就需 要應用 CAE 技術建立有限元分析模型。 首先要將 64 應用 CAD 技術建立的幾何模型從通用的參數(shù)化 CAD 軟件輸出到 CAE 軟件中， 設定有限元網(wǎng)格形 狀、 密度、 邊界條件等相關信息后， 將模型進行網(wǎng)格 化處理， 建立起可用于分析的有限元模型。 塑料模具 CAE 軟件在對應用 CAD 技術建立 的幾何模型有限元網(wǎng)格化處理后， 輸入塑料名稱、 牌號和成型過程中所需要的工藝參數(shù)( 溫度、 壓力、 時間等) 后， 對塑料模具進行流動、 保壓、 翹曲變形 等模擬， CAE 分析軟件就能給出塑料熔體流動的 動態(tài)圖( 顯示不同時間間隔塑料熔體在各個部位的 溫度、 壓力、 流動速度等分布情況) 、 塑料制件翹曲 變形的位移變化圖等信息。 根據(jù) CAE 軟件的分析結果， 發(fā)現(xiàn)塑料制件、 塑 料模具澆注系統(tǒng)、 冷卻系統(tǒng)等設計中存在的缺陷與 不足， 如: 個別部位有氣孔、 充模不完全、 塑料制件 有熔接痕等， 對原有澆注系統(tǒng)、 冷卻系統(tǒng)設計方案 進行修改后， 再應用塑料模具 CAE 技術重新進行 分析， 并最終優(yōu)化設計出合適的流道、 澆口、 冷卻水 道等設計方案。 4 CAD /CAE 技術在塑料鼠標外殼的設計中 的應用實例 首先， 應用通用 CAD 設計軟件 Pro /ENGI- NEER4 0建立塑料鼠標外殼的三維參數(shù)化模型， 并 對定模板、 動模板、 定模固定板、 動模固定板、 推件 板、 導柱、 導套等模架零件進行參數(shù)化設計。 將應用 CAD 技術建立的塑料鼠標外殼三維參 數(shù)化模型輸出到 CAE 軟件中， 設定有限元網(wǎng)格形 狀、 密度、 邊界條件等相關信息后， 將模型進行網(wǎng)格 化處理， 建立起可用于分析的有限元模型， 如圖2所 示。 在應用塑料模具 CAE 軟件對塑料鼠標外殼三 維參數(shù)化模型有限元網(wǎng)格化處理后， 輸入塑料名 稱、 牌號和成型過程中所需要的工藝參數(shù)( 溫度、 壓 力、 時間等) 后， 對塑料鼠標外殼塑料熔體流動情況 進行動態(tài)模擬， 如圖3所示。 通過模擬分析， 發(fā)現(xiàn)塑料鼠標外殼在充模過程 中， 個別部位充模不完全、 有熔接痕， 會造成鼠標外 殼在這些部位強度低、 質量差， 難以滿足使用要求， 如圖4所示。 對原工藝參數(shù)( 溫度、 壓力、 時間等) 設計方案 進行修改后， 再應用塑料模具 CAE 技術重新進行 分析， 通過模擬并得到符合使用要求的塑料鼠標外 殼， 如圖5所示， 從而最終優(yōu)化設計出合適的澆口、 工藝參數(shù)等設計方案。 通過應用 CAD /CAE 技術進行塑料制件、 塑料 模具的設計， 并完成了澆注系統(tǒng)與工藝參數(shù)的選擇、 確定， 得到了較為合理的塑料模具設計方案。 應用 CAD /CAE 技術進行塑料模具設計， 可以大大縮短 塑料模具設計制造周期， 提高產(chǎn)品質量。 隨著計算機 技術的快速發(fā)展和模具工業(yè)的發(fā)展需要， 塑料模具 CAD /CAE 技術將得到越來越廣泛的推廣與應用。 (下轉第71頁) 71 槍鉆工作時， 高壓切削液(3 10MP，孔徑越 小， 壓力應越大) 從鉆桿內孔打入， 送到切削區(qū) 起冷卻潤滑作用， 同時把切屑從排屑溝中沖出 來。 槍鉆刃部的幾何參數(shù)如圖5所示。 外角 1和 內角 2的大小和鉆尖位置的確定， 對鉆孔精度 和切屑形成有很大影響， 通過對徑向切削力的計 算來確定。 內、 外角和鉆尖的適當搭配， 可使切 削力近似平衡或使其合理指向第一導向條 1的 方向， 從而使槍鉆保持很好的自我導向， 孔的切 削和擠壓可一次完成， 保證了被加工孔的精度、 表面粗糙度和直線度。 四、 振動槍鉆鉆削機理討論 振動鉆削是在傳統(tǒng)的鉆削過程中利用可控 的人為地給鉆頭或工件加上某種有規(guī)律、 可控的 振動， 使切削用量按某種規(guī)律變化， 從而進行連 續(xù)有規(guī)律的脈動切削， 這種切削方式改變了傳統(tǒng) 的切削機理和切屑的形成條件， 從而形成一種全 新的加工方法。 1、 軸向振動、 周向扭振加入后， 切削刃和切 屑、 切削表面周期性的接觸和分離， 且由于振動 頻率較高， 使切削液呈霧狀， 從而使切削液能充 分進入切削區(qū)、 刀具、 切屑與加工表面之間摩擦 系數(shù)大為減小。 從而有效減小了切削熱的產(chǎn)生。 2、 由于振動的存在， 破壞了積屑瘤的生成條 件， 控制了切屑形成的過程， 促進了斷屑和排 屑， 大大改善了鉆頭的工作條件， 故可獲得較好 的表面質量。 3、 合理的確定鉆頭的外角 1和內角 2的大 小和鉆尖的位置， 能使槍鉆保持很好的導向， 從 而保證了被加工孔的直線度。 導向條 1的擠壓 作用有助于改善孔表面的粗糙度。 根據(jù)大量的振動切削實驗驗證， 本文振動鉆 削深孔裝置具有以下特點: 只用一套裝置即可 方便地實現(xiàn)3種振動方式之間的切換并能調整振 幅， 從而獲得最佳振動切削參數(shù); 結構簡單、 尺 寸緊湊， 可作為機床附件安裝在普通車床的主軸 箱或溜板上進行鉆孔; 振動可靠、 受干擾小， 配 合切削系統(tǒng)， 能獲得高精度的深孔表面質量。 例 如表1所示相對普通鉆削而言， 振動鉆的表面粗 糙度大大降低了。 表1 普通鉆削與振動鉆削時的表面粗糙度 Ra(m) 參考文獻 1 史曉娟等 深孔鉆削狀態(tài)監(jiān)測與分析 J 機床與金屬 加工 2006年第4期 2 劉占鋒等 超細長小直徑深孔振動鉆削工藝 J 機械 工程師 2004年第1期 3 肖繼明 振動立鉆上用麻花鉆鉆孔的研究 J 新工藝 新技術 1996第1期 材料普通鉆削振動鉆削 45鋼 0 25420 1226 (上接第64頁) 參考文獻 1石明洪， 駱志高 注塑模 CAD /CAE /CAM 的研究現(xiàn)狀與發(fā) 展方向J 江蘇理工大學學報， 1998， (11 ) : 25 30 2肖祥芷， 王義琳 模具 CAD /CAE /CAMJ 北京: 電子工業(yè) 出版社， 2004 3劉法謙， 燕立唐， 胡海青等 CAE 在彩電后殼澆注系統(tǒng)中的 應用J 現(xiàn)代塑料加工應用， 2002， (6 ) : 19 22 Abstract: This paper comprehensive discussed the development Status of the domestic and inter- national on CAD /CAE technology， right in the plastic mold design CAD /CAE integration technol- ogy is discuss