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塑料模具CAD集成技術(shù)
引 言
模具CAD集成技術(shù)是一項重要的模具先進(jìn)制造技術(shù), 是一項用高技術(shù)改造模具傳統技術(shù)的重要關(guān)鍵技術(shù)。從六五計劃開(kāi)始, 我國有許多模具企業(yè)采用CAD技術(shù), 特別是近年, CAD技術(shù)的應用越來(lái)越普遍和深入, 大大縮短了模具設計周期, 提高了制模質(zhì)量和復雜模具的制造能力。然而, 由于許多企業(yè)對模具CAD集成技術(shù)認識不足, 投資帶有盲目性, 不能很好地發(fā)揮作用, 造成了很大的浪費。本文就塑料模具CAD集成技術(shù)及其應用發(fā)表一些觀(guān)點(diǎn), 供大家參考。
1、塑料模具CAD集成技術(shù)
塑料模具的制造, 包括塑料產(chǎn)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(xiàn)切割等)、拋光和配試模以及快速成形制造等。各個(gè)環(huán)節所涉及的CAD單元技術(shù)有: 造型和結構設計(CAD)、產(chǎn)品外形的快速反求(RE)、結構分析與優(yōu)化設計(CAE)、輔助制造(CAM)、加工過(guò)程虛擬仿真(SIMULATION)、產(chǎn)品及模具的快速成形(RP)、輔助工藝過(guò)程(CAPP)和產(chǎn)品數據管理技術(shù)(PDM)等。塑料模具CAD集成技術(shù), 就是把塑料模具制造過(guò)程所涉及的各項單元技術(shù)集成起來(lái), 統一數據庫和文件傳輸格式, 實(shí)現信息集成和數據資源共享, 從而大大縮短模具的設計制造周期, 提高制模質(zhì)量。
2、塑料產(chǎn)品的CAD設計與外形的快速反求
進(jìn)行塑料模具設計制造的第一步是塑件產(chǎn)品的設計。傳統產(chǎn)品設計方法是設計者對產(chǎn)品的三維構思用二維平面圖紙表達出來(lái), 圖紙上標明工藝及施工方法, 這種方法決定了所設計圖形的簡(jiǎn)單性及不能直接控制制造質(zhì)量�，F代設計方法是設計者在電腦上直接建立產(chǎn)品的三維模型, 根據產(chǎn)品三維模型進(jìn)行模具結構設計及優(yōu)化設計, 再根據模具結構設計三維模型進(jìn)行加工編程及編制工藝計劃。這種方法使產(chǎn)品模型設計、模具結構設計、加工編程及工藝設計都以3D數據為基礎, 實(shí)現數據共享, 不僅能快速提高設計效率, 而且能保證質(zhì)量, 降低成本。
電腦塑件產(chǎn)品模型的來(lái)源有三種: 利用CAD系統軟件進(jìn)行產(chǎn)品模型設計、利用實(shí)物測量進(jìn)行快速反求建模、利用其它CAD系統的標準格式文件。針對這三種產(chǎn)品模型的來(lái)源方式, 目前已研究出各種技術(shù)來(lái)提高產(chǎn)品模型的設計效率和質(zhì)量。下面進(jìn)一步分析各種技術(shù)的內涵和特點(diǎn)。
利用CAD系統軟件進(jìn)行產(chǎn)品模型設計, 其技術(shù)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(shí)體造型設計、三維特征造型設計、三維參數化實(shí)體造型設計、三維曲面造型設計、空間自由造型設計、產(chǎn)品的外觀(guān)渲染、產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)廣告設計等等。這些軟件有許多典型的代表。二維軟件有: ME10、CADKEY、AUTOCAD、DHCAD、Genis、Sigraph等; 三維軟件有: UGII、PRO/E、IDEAS、CATIA、EUCLID等; 產(chǎn)品自由造型及廣告設計的軟件有: Alias、CDRS等。二維幾何圖形的繪制是利用平面CAD軟件繪制零件圖形, 即用計算機代替手工繪圖; 而二維參數化, 即計算機實(shí)現了圖形的變量設計, 使修改更加方便; 三維造型設計是數字化的產(chǎn)品的真實(shí)形狀設計, 它完全表達了產(chǎn)品, 能夠進(jìn)一步為模具設計、分析和加工提供必要的數學(xué)模型; 空間自由造型設計是產(chǎn)品外形的藝術(shù)設計, 使產(chǎn)品不僅是功能產(chǎn)品, 也是藝術(shù)品; 產(chǎn)品的外觀(guān)渲染是產(chǎn)品的效果設計, 使產(chǎn)品更加美觀(guān)、顏色更加能迎合人們的各種需求; 產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)廣告設計是將產(chǎn)品設計的結果直接制作宣傳廣告, 進(jìn)行市場(chǎng)推廣。
利用實(shí)物測量進(jìn)行快速反求建模是目前研究的熱點(diǎn)之一, 它是產(chǎn)品仿型基礎上進(jìn)行產(chǎn)品修改設計的重要技術(shù)。其基本原理是通過(guò)三座標測量機、激光測量機或電子抄數儀對實(shí)物進(jìn)行掃描測量, 把測量所獲得的數字化的大量數據點(diǎn)送入高級CAD軟件的反求模塊或專(zhuān)用的反求軟件中, 反求軟件可直接讀取點(diǎn)數據群, 并可對點(diǎn)數據群進(jìn)行編輯、過(guò)濾、整理、求精、排序、局部修改與重組, 然后自動(dòng)生成曲面, 最終獲得同實(shí)物精確一致的或經(jīng)改造的電腦塑件產(chǎn)品模型。這一方式可極大提高新產(chǎn)品設計速率。目前較成熟的曲面反求建模軟件有: Surfacer, Cimatronrenge, Strim100等。
利用其它CAD系統的標準格式文件來(lái)建模, 這一方式較方便。由于市場(chǎng)的全球化和INTERNET網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展, 模具企業(yè)的CAD技術(shù)交流和合作有許多通過(guò)CAD文件方式進(jìn)行。由于CAD系統種類(lèi)較多, 因此文件的格式就必須遵循國際標準, 如DXF、IGES、STEP、VDA、STL等。通過(guò)讀取標準格式文件來(lái)直接建立或修改后建立產(chǎn)品模型, 既可加快、加深用戶(hù)與模具廠(chǎng)家的交流, 也可縮短產(chǎn)品設計周期。
3、模具的CAD設計與分析
模具的CAD設計、分析, 包括根據產(chǎn)品模型進(jìn)行模具分型面的設計、確定型腔和型芯、模具結構的詳細設計、塑料充填過(guò)程分析等幾個(gè)方面。利用先進(jìn)的特征造型軟件如PRO/E、UGII等很容易地確定分型面, 生成上下模腔和模芯, 再進(jìn)行流道、澆口以及冷卻水管的布置等。確定了這些設計數據以后, 再利用模具分析軟件, 如MOLDFLOW、CFLOW進(jìn)行塑料的成形過(guò)程分析。根據MOLDFOLW軟件和它的豐富的材料、工藝數據庫, 通過(guò)輸入成形工藝參數, 可動(dòng)態(tài)仿真分析塑料在注塑模腔內的注射過(guò)程流動(dòng)情況(含多澆口注射時(shí)的塑料匯流紋分析)、分析溫度壓力變化情況、分析注塑件殘余應力等, 根據分析情況來(lái)檢查模具結構的合理性、流動(dòng)狀態(tài)的合理性、產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)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(wú)法平衡充滿(mǎn)型腔; 是否存在產(chǎn)品結構不合理或模具結構不合理, 出現產(chǎn)品充不滿(mǎn)(即短射現象); 是否冷卻不均勻, 影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量; 是否存在注塑工藝不對, 出現產(chǎn)品的翹曲變形等。模具通過(guò)CAD設計和分析, 就可以將錯誤消除在設計階段, 提高一次試模成功率。
在塑料模具設計和分析這一階段應用了許多新的電腦輔助技術(shù), 如參數化技術(shù)、特征造型技術(shù)、數據庫技術(shù)等。塑料模具中有許多標準件, 如標準模架、頂出機構、澆注系統、冷卻系統等都可以采用基于數據庫管理的參數化特征造型設計方法進(jìn)行設計或建立標準件庫, 這樣既可以實(shí)現數據共享, 又可以滿(mǎn)足用戶(hù)對設計的隨時(shí)修改, 使模具的設計分析快速、準確、高效。參數化特征造型不僅可以完整地描述產(chǎn)品的幾何圖形信息, 而且可以獲得產(chǎn)品的精度、材料及裝配等信息, 其所建立的產(chǎn)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。因此, 參數化特征造型技術(shù)是模具制造過(guò)程最重要的技術(shù)之一。
4、模具的CAM技術(shù)的應用、加工仿真及制造
模具的計算機輔助制造(CAM)技術(shù)主要應用在數控銑削加工、線(xiàn)切割加工、電火花加工等方面。CAM技術(shù)尤其是在復雜模具的型腔、型芯及電極的銑削加工中起著(zhù)更加重要的作用。其主要的技術(shù)特點(diǎn)包括: (1) 粗、精加工刀具軌跡的優(yōu)化規劃和NC指令的產(chǎn)生, (2) 刀具種類(lèi)、特性和材料庫的建立, (3) 切削加工工藝參數的確定, (4) 普通切削和高速切削加工的特性控制, (5) 過(guò)切檢查與加工表面的精度控制, (6) 加工過(guò)程的電腦實(shí)體仿真切削, (7) 電腦控制數控機床的DNC技術(shù)及群控技術(shù)的應用等等。
在CAM技術(shù)的應用中特別需要CAD三維產(chǎn)品模型數據。較多的專(zhuān)業(yè)電腦編程軟件如MASTERCAM、UNIMOD、CIMATRON等在多曲面的編程加工時(shí)對產(chǎn)品的曲面模型有較高的要求, 如相鄰曲面的U、V方向的一致性、曲面與曲面的高精度擬合、曲面斜率連續變化等。在高級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數據庫技術(shù), 使得產(chǎn)品模型數據、模具的型腔和型芯模型數據、刀具軌跡數據有著(zhù)內在的聯(lián)系, 產(chǎn)品模型的修改刀具軌跡亦自動(dòng)修改。
模具加工實(shí)體仿真技術(shù)越來(lái)越成熟, 也越來(lái)越受到人們的重視。加工實(shí)體仿真是在電腦上模仿機床的加工過(guò)程, 能直觀(guān)反映加工的結果, 能直接評估加工后零件的質(zhì)量, 能檢查出加工的錯誤。在檢查加工后零件的質(zhì)量時(shí), 可在電腦上對加工后的實(shí)體模型進(jìn)行任意的剖切, 直接測量其尺寸和精度。因此, 它能把錯誤消除在加工工藝編程設計階段, 減少加工后的修補和返工, 大大提高模具的制造效率和質(zhì)量。
5、塑料產(chǎn)品及其模具的快速成形制造
塑料產(chǎn)品及其模具用電腦CAD技術(shù)設計完成后, 可通過(guò)快速成形技術(shù)來(lái)制造。這是一種全新概念的制造技術(shù), 它摒棄了傳統的機械加工方法。其成形原理是將三維CAD實(shí)體模型離散成設定厚度的一系列片層數據, 利用激光成形機或其它成形設備讀取這些數據, 用材料添加法技術(shù), 依次將每層堆積起來(lái)成形。這一技術(shù)稱(chēng)為快速自動(dòng)成形技術(shù)(Rapid Prototype)。它也是CAD集成技術(shù)的重要組成部分。
第一臺快速成形設備于1987年在美國3D公司誕生, 由于其特點(diǎn)是與制造的產(chǎn)品的復雜程度無(wú)關(guān), 給制造業(yè)帶來(lái)巨大的震動(dòng)。此后十年, 快速成形技術(shù)得到飛速發(fā)展, 設備的種類(lèi)也層出不窮, 從材料固化方法可分為激光和非激光燒結法(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)、激光氣相沉積法(SALD)等。各種方法特點(diǎn)是: SLA法是最早應用的快速成形技術(shù), 初期市場(chǎng)占有較大的分額, 但由于材料范圍窄, 成本較高, 成形件耐熱、耐負荷和著(zhù)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, 在塑料產(chǎn)品行業(yè)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料, 成本低, 且激光只照射每一層的輪廓邊緣, 因而成形速度快, 但產(chǎn)品表面質(zhì)量差。SLS法是用激光進(jìn)行燒結, 采用的材料較廣, 如塑料、蠟料、陶瓷、金屬等均可成形, 成形件耐熱、耐負荷和著(zhù)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(diǎn), 快速成形技術(shù)的作用主要在于: 制造用于設計和試驗的產(chǎn)品模型、制造用于小批量生產(chǎn)的模具和小批量特殊零件的加工�？焖俪尚渭夹g(shù)制造的產(chǎn)品模型在材質(zhì)方面比傳統加工方法制造的產(chǎn)品模型有所差別, 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(shí)經(jīng)過(guò)表面處理, 看起來(lái)與真實(shí)產(chǎn)品一樣, 可作廣告宣傳品�？焖俪尚渭夹g(shù)制造的模具, 目前主要是軟材料的成形模(蠟模、環(huán)氧樹(shù)脂模、硅橡膠模、低熔點(diǎn)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(shí)可用快速成形零件作母模, 先制作環(huán)氧樹(shù)脂�；蚱渌牧系能浤�, 在軟模中澆注陶瓷或石膏模, 然后澆鑄鋼成鋼模; 或者在軟模中澆注混合有化學(xué)粘結劑的鋼粉, 進(jìn)行燒結成鋼模�？焖俪尚渭夹g(shù)制造的鋼模需進(jìn)一步做拋光等后加工, 制成小批量生產(chǎn)的注塑模。由于模具是用鋼粉澆注或燒結而成, 材質(zhì)與普通模具鋼有一定的差距, 因此, 壽命較短, 只能做試制產(chǎn)品或小批量生產(chǎn)。另外, 快速成形技術(shù)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(shù)制作模具和產(chǎn)品的成型設備, 均是讀取CAD系統產(chǎn)生的STL或CLI等文件格式數據, 不同的文件格式數據對制作的產(chǎn)品精度有較大的差距, 因此, 研究CAD系統對快速成形設備的文件格式輸出有相當重要的意義。
6、模具CAD集成技術(shù)的發(fā)展趨勢
綜上所述, 模具CAD集成技術(shù)就是應用于模具制造各個(gè)環(huán)節的計算機輔助技術(shù)和實(shí)現各環(huán)節信息集成的技術(shù)。顯然, 信息集成與數據統一管理是關(guān)鍵。產(chǎn)品的信息是貫穿于設計、分析、加工、檢測、裝配等各個(gè)階段, 實(shí)現各環(huán)節信息的流暢、解決數據格式的標準化及數據維護與共享是未來(lái)CAD集成技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。PDM系統的出現為解決這一問(wèn)題帶來(lái)了曙光。PDM系統的實(shí)施是模具企業(yè)應用CAD集成技術(shù)的重要課題。在模具的設計制造方面, 含有豐富專(zhuān)家知識的智能化模具CAD/CAM系統的研究、高速切削加工及其編程等是未來(lái)研究發(fā)展的趨勢。
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