簡述塑膠模具CAD內建技術

模具CAD內建技術是一項重要的模具先進制造技術, 是一項用高技術改造模具傳統技術的重要關鍵技術。從六五計劃開始, 我國有許多模具企業采用CAD技術, 特别是近年, CAD技術的應用越來越普遍和深入, 大大縮短了模具設計周期, 提高了制模品質和複雜模具的制造能力。然而, 由于許多企業對模具CAD內建技術認識不足, 投資帶有盲目性, 不能很好地發揮作用, 造成了很大的浪費。

1、塑膠模具CAD內建技術

塑膠模具的制造, 包括塑膠産品的造型設計、模具的結構設計及分析、模具的數控加工(銑削、電加工、線切割等)、抛光和配試模以及快速成形制造等。各個環節所涉及的CAD單元技術有: 造型和結構設計(CAD)、産品外形的快速反求(RE)、結構分析與優化設計(CAE)、輔助制造(CAM)、加工過程虛拟仿真(SIMULATION)、産品及模具的快速成形(RP)、輔助工藝過程(CAPP)和産品資料管理技術(PDM)等。塑膠模具CAD內建技術, 就是把塑膠模具制造過程所涉及的各項單元技術內建起來, 統一資料庫和檔案傳輸格式, 實作資訊內建和資料資源共享, 進而大大縮短模具的設計制造周期, 提高制模品質。

2、塑膠産品的CAD設計與外形的快速反求

進行塑膠模具設計制造的第一步是塑件産品的設計。傳統産品設計方法是設計者對産品的三維構思用二維平面圖紙表達出來, 圖紙上标明工藝及施工方法, 這種方法決定了所設計圖形的簡單性及不能直接控制制造品質。現代設計方法是設計者在電腦上直接建立産品的三維模型, 根據産品三維模型進行模具結構設計及優化設計, 再根據模具結構設計三維模型進行加工程式設計及編制工藝計劃。這種方法使産品模型設計、模具結構設計、加工程式設計及工藝設計都以3D資料為基礎, 實作資料共享, 不僅能快速提高設計效率, 而且能保證品質, 降低成本。

電腦塑件産品模型的來源有三種: 利用CAD系統軟體進行産品模型設計、利用實物測量進行快速反求模組化、利用其它CAD系統的标準格式檔案。針對這三種産品模型的來源方式, 目前已研究出各種技術來提高産品模型的設計效率和品質。下面進一步分析各種技術的内涵和特點。

利用CAD系統軟體進行産品模型設計, 其技術主要包括二維幾何圖形的繪制、二維參數化圖形的設計、三維實體造型設計、三維特征造型設計、三維參數化實體造型設計、三維曲面造型設計、空間自由造型設計、産品的外觀渲染、産品的動态廣告設計等等。這些軟體有許多典型的代表。二維軟體有: ME10、CADKEY、AUTOCAD、DHCAD、Genis、Sigraph等; 三維軟體有: UGII、PRO/E、IDEAS、CATIA、EUCLID等; 産品自由造型及廣告設計的軟體有: Alias、CDRS等。二維幾何圖形的繪制是利用平面CAD軟體繪制零件圖形, 即用計算機代替手工繪圖; 而二維參數化, 即計算機實作了圖形的變量設計, 使修改更加友善; 三維造型設計是數字化的産品的真實形狀設計, 它完全表達了産品, 能夠進一步為模具設計、分析和加工提供必要的數學模型; 空間自由造型設計是産品外形的藝術設計, 使産品不僅是功能産品, 也是藝術品; 産品的外觀渲染是産品的效果設計, 使産品更加美觀、顔色更加能迎合人們的各種需求; 産品的動态廣告設計是将産品設計的結果直接制作宣傳廣告, 進行市場推廣。

利用實物測量進行快速反求模組化是目前研究的熱點之一, 它是産品仿型基礎上進行産品修改設計的重要技術。其基本原理是通過三座标測量機、雷射測量機或電子抄數儀對實物進行掃描測量, 把測量所獲得的數字化的大量資料點送入進階CAD軟體的反求子產品或專用的反求軟體中, 反求軟體可直接讀取點資料群, 并可對點資料群進行編輯、過濾、整理、求精、排序、局部修改與重組, 然後自動生成曲面, 最終獲得同實物精确一緻的或經改造的電腦塑件産品模型。這一方式可極大提高新産品設計速率。目前較成熟的曲面反求模組化軟體有: Surfacer, Cimatronrenge, Strim100等。

利用其它CAD系統的标準格式檔案來模組化, 這一方式較友善。由于市場的全球化和INTERNET網絡技術的發展, 模具企業的CAD技術交流和合作有許多通過CAD檔案方式進行。由于CAD系統種類較多, 是以檔案的格式就必須遵循國際标準, 如DXF、IGES、STEP、VDA、STL等。通過讀取标準格式檔案來直接建立或修改後建立産品模型, 既可加快、加深使用者與模具廠家的交流, 也可縮短産品設計周期。

3、模具的CAD設計與分析

模具的CAD設計、分析, 包括根據産品模型進行模具分型面的設計、确定型腔和型芯、模具結構的詳細設計、塑膠充填過程分析等幾個方面。利用先進的特征造型軟體如PRO/E、UGII等很容易地确定分型面, 生成上下模腔和模芯, 再進行流道、澆口以及冷卻水管的布置等。确定了這些設計資料以後, 再利用模具分析軟體, 如MOLDFLOW、CFLOW進行塑膠的成形過程分析。根據MOLDFOLW軟體和它的豐富的材料、工藝資料庫, 通過輸入成形工藝參數, 可動态仿真分析塑膠在注塑模腔内的注射過程流動情況(含多澆口注射時的塑膠彙流紋分析)、分析溫度壓力變化情況、分析注塑件殘餘應力等, 根據分析情況來檢查模具結構的合理性、流動狀态的合理性、産品的品質問題等。比如是否存在澆注系統不合理, 出現流道和澆口位置尺寸不當, 無法平衡充滿型腔; 是否存在産品結構不合理或模具結構不合理, 出現産品充不滿(即短射現象); 是否冷卻不均勻, 影響生産效率和産品品質; 是否存在注塑工藝不對, 出現産品的翹曲變形等。模具通過CAD設計和分析, 就可以将錯誤消除在設計階段, 提高一次試模成功率。

在塑膠模具設計和分析這一階段應用了許多新的電腦輔助技術, 如參數化技術、特征造型技術、資料庫技術等。塑膠模具中有許多标準件, 如标準模架、頂出機構、澆注系統、冷卻系統等都可以采用基于資料庫管理的參數化特征造型設計方法進行設計或建立标準件庫, 這樣既可以實作資料共享, 又可以滿足使用者對設計的随時修改, 使模具的設計分析快速、準确、高效。參數化特征造型不僅可以完整地描述産品的幾何圖形資訊, 而且可以獲得産品的精度、材料及裝配等資訊, 其所建立的産品模型是一種易于處理、能反映設計意圖和加工特征的模型。是以, 參數化特征造型技術是模具制造過程最重要的技術之一。

4、模具的CAM技術的應用、加工仿真及制造

模具的計算機輔助制造(CAM)技術主要應用在數控銑削加工、線切割加工、電火花加工等方面。CAM技術尤其是在複雜模具的型腔、型芯及電極的銑削加工中起着更加重要的作用。其主要的技術特點包括: (1) 粗、精加工刀具軌迹的優化規劃和NC指令的産生, (2) 刀具種類、特性和材料庫的建立, (3) 切削加工工藝參數的确定, (4) 普通切削和高速切削加工的特性控制, (5) 過切檢查與加工表面的精度控制, (6) 加工過程的電腦實體仿真切削, (7) 電腦控制數控機床的DNC技術及群控技術的應用等等。

在CAM技術的應用中特别需要CAD三維産品模型資料。較多的專業電腦程式設計軟體如MASTERCAM、UNIMOD、CIMATRON等在多曲面的程式設計加工時對産品的曲面模型有較高的要求, 如相鄰曲面的U、V方向的一緻性、曲面與曲面的高精度拟合、曲面斜率連續變化等。在進階CAD/CAM一體化系統中(如UGII、PRO/E), 由于利用了參數化特征造型設計和同一資料庫技術, 使得産品模型資料、模具的型腔和型芯模型資料、刀具軌迹資料有着内在的聯系, 産品模型的修改刀具軌迹亦自動修改。

模具加工實體仿真技術越來越成熟, 也越來越受到人們的重視。加工實體仿真是在電腦上模仿機床的加工過程, 能直覺反映加工的結果, 能直接評估加工後零件的品質, 能檢查出加工的錯誤。在檢查加工後零件的品質時, 可在電腦上對加工後的實體模型進行任意的剖切, 直接測量其尺寸和精度。是以, 它能把錯誤消除在加工工藝程式設計設計階段, 減少加工後的修補和返工, 大大提高模具的制造效率和品質。

5、塑膠産品及其模具的快速成形制造

塑膠産品及其模具用電腦CAD技術設計完成後, 可通過快速成形技術來制造。這是一種全新概念的制造技術, 它摒棄了傳統的機械加工方法。其成形原理是将三維CAD實體模型離散成設定厚度的一系列片層資料, 利用雷射成形機或其它成形裝置讀取這些資料, 用材料添加法技術, 依次将每層堆積起來成形。這一技術稱為快速自動成形技術(Rapid Prototype)。它也是CAD內建技術的重要組成部分。

第一台快速成形裝置于1987年在美國3D公司誕生, 由于其特點是與制造的産品的複雜程度無關, 給制造業帶來巨大的震動。此後十年, 快速成形技術得到飛速發展, 裝置的種類也層出不窮, 從材料固化方法可分為雷射和非雷射燒結法(SLS)、固體表層造型法(SGC)、層片制造法(LOM)、熔化沉積法(FDM)、選區粘結法(DSPC)、雷射氣相沉積法(SALD)等。各種方法特點是: SLA法是最早應用的快速成形技術, 初期市場占有較大的分額, 但由于材料範圍窄, 成本較高, 成形件耐熱、耐負荷和着色能力低, 近年逐漸被其它方法所代替。FDM法由于成形速度快, 成本低, 在塑膠産品行業中得到較好的應用, 由于零件的尺寸小, 精度差, 也受到一定的限制。LOM法由于采用紙或者是薄片塑膠, 成本低, 且雷射隻照射每一層的輪廓邊緣, 因而成形速度快, 但産品表面品質差。SLS法是用雷射進行燒結, 采用的材料較廣, 如塑膠、蠟料、陶瓷、金屬等均可成形, 成形件耐熱、耐負荷和着色能力較強, 具有廣泛的應用前景。其它方法也在某些特種加工中得到應用。

根據上述成形法特點, 快速成形技術的作用主要在于: 制造用于設計和試驗的産品模型、制造用于小批量生産的模具和小批量特殊零件的加工。快速成形技術制造的産品模型在材質方面比傳統加工方法制造的産品模型有所差别, 但在外形及尺寸方面幾乎完全一樣, 而且有一定的機械強度, 可作功能性試驗, 同時經過表面處理, 看起來與真實産品一樣, 可作廣告宣傳品。快速成形技術制造的模具, 目前主要是軟材料的成形模(蠟模、環氧樹脂模、矽橡膠模、低熔點合金鑄造模等)和陶瓷或金屬基合成材料硬型腔模。制造硬模時可用快速成形零件作母模, 先制作環氧樹脂模或其它材料的軟模, 在軟模中澆注陶瓷或石膏模, 然後澆鑄鋼成鋼模; 或者在軟模中澆注混合有化學粘結劑的鋼粉, 進行燒結成鋼模。快速成形技術制造的鋼模需進一步做抛光等後加工, 制成小批量生産的注塑模。由于模具是用鋼粉澆注或燒結而成, 材質與普通模具鋼有一定的差距, 是以, 壽命較短, 隻能做試制産品或小批量生産。另外, 快速成形技術也可以制作特殊的零件, 如用冶金粉末法制作金屬電極、精密鑄造法制作銅電極、研模法制作石墨電極等。

快速成形技術制作模具和産品的成型裝置, 均是讀取CAD系統産生的STL或CLI等檔案格式資料, 不同的檔案格式資料對制作的産品精度有較大的差距, 是以, 研究CAD系統對快速成形裝置的檔案格式輸出有相當重要的意義。

6、模具CAD內建技術的發展趨勢

綜上所述, 模具CAD內建技術就是應用于模具制造各個環節的計算機輔助技術和實作各環節資訊內建的技術。顯然, 資訊內建與資料統一管理是關鍵。産品的資訊是貫穿于設計、分析、加工、檢測、裝配等各個階段, 實作各環節資訊的流暢、解決資料格式的标準化及資料維護與共享是未來CAD內建技術發展的重點。PDM系統的出現為解決這一問題帶來了曙光。PDM系統的實施是模具企業應用CAD內建技術的重要課題。在模具的設計制造方面, 含有豐富專家知識的智能化模具CAD/CAM系統的研究、高速切削加工及其程式設計等是未來研究發展的趨勢。