1.2 注塑模具CAD

SolidWorks/IMOLD本質上是一種計算機輔助模具設計工具，本節主要介紹注塑模具CAD的基本概念。

1.2.1 CAD/CAE/CAM技術介紹

1.模具CAD技術

運用CAD技術，IMOLD幫助廣大模具設計人員由注塑制品的零件圖迅速設計出該制品的全套模具圖，使模具設計師從煩瑣、冗長的手工繪圖和人工計算中解放出來，將精力集中于方案構思、結構優化等創造性工作。利用IMOLD軟件，用戶可以選擇軟件提供的標準模架或靈活方便地建立適合自己的標準模架庫，在選好模架的基礎上，從系統提供的諸如整體式、嵌入式、鑲拼式等多種形式的動、定模結構中，靈活地選擇并設計出動、定模部件裝配圖，采用參數化的方式設計澆口套、拉料桿、斜滑塊等通用件，然后設計推出機構和冷卻系統，完成模具的總裝圖。最后利用IMOLD系統提供的編輯功能，方便地完成各零件圖的尺寸標注及明細表。

2.模具CAE技術

CAE技術借助于有限元法、有限差分法和邊界元法等數值計算方法，分析型腔中塑料的流動、保壓和冷卻過程，計算制品和模具的應力分布，預測制品的翹曲變形，并由此分析工藝條件、材料參數及模具結構對制品質量的影響，達到優化制品和模具結構、優選成型工藝參數的目的。塑料注射成型CAE軟件主要包括流動保壓模擬、流道平衡分析、冷卻模擬、模具剛度強度分析和應力計算、翹曲預測等功能。其中流動保壓模擬軟件能提供不同時刻型腔內塑料熔體的溫度、壓力、剪切應力分布，其預測結果能直接指導工藝參數的選定及流道系統的設計。流道平衡分析軟件能幫助用戶對一模多腔模具的流道系統進行平衡設計，計算各個流道和澆口的尺寸，以保證塑料熔體能同時充滿各個型腔。冷卻模擬軟件能計算冷卻時間、制品及型腔的溫度分布，其分析結果可以用來優化冷卻系統的設計。剛度強度分析軟件能對模具結構進行力學分析，幫助用戶對型腔壁厚和模板厚度進行剛度和強度校核。應力計算和翹曲預測軟件則能計算出制品的收縮情況和內應力的分布，預測出制品出模后的變形量。

3.CAM概念

運用CAM技術能將模具型腔的幾何數據轉換為各種數控機床所需的加工指令代碼，取代手工編程。例如，自動計算鉬絲的中心軌跡，將其轉化為線切割機床所需的指令如3B指令、G指令等。對于數控銑床，則可以計算輪廓加工時銑刀的運動軌跡，并輸出相應的指令代碼。采用CAM技術能顯著提高模具加工的精度及生產管理的效率。IMOLD系統能夠幫助節省設計的時間，并提供完整的3D模型給CAM系統。

4.模具CAD技術的發展

近20年來以計算機技術為代表的信息技術的突飛猛進為注塑成型采用高新技術提供了強有力的條件，注塑成型計算機輔助軟件的發展十分引人注目。CAD方面，主要是在通用的機械CAD平臺上開發注塑模設計模塊。通用機械CAD的發展經歷了從二維到三維、從簡單的線框造型系統到復雜的曲面實體混合造型的轉變，模具CAD也有了較大的發展。目前國際上占主流地位的注塑模CAD軟件主要有SolidWorks/IMOLD、UG NX/Mold Wizard、Pro/E（Mold Design）、CATIA/Mold Tooling Design和TopSolid/Mold等。在國內，華中科技大學是較早（1985年）自主開發注塑模CAD系統的單位，并于1988年開發成功國內第一個CAD/CAE/CAM系統HSC1.0，合肥工業大學、中國科技大學、浙江大學、上海交通大學、北京航空航天大學等單位也開展了注塑模CAD的研究并開發了相應的軟件，目前在國內較有影響的注塑模CAD系統有北航的CAXA模具設計工具等。

1.2.2 模具CAD系統

1.注塑模具CAD系統的主要功能

一個完善的注塑模CAD/CAE/CAM系統應包括注塑制品構造、模具概念設計、CAE分析、模具評價、模具結構設計和CAM。

1）注塑制品構造

將注塑制品的幾何信息，以及非幾何信息輸入計算機，在計算機內部建立制品的信息模型，為后續設計提供信息。

2）模具概念設計

根據注塑制品的信息模型采用基于知識和基于實例的推理方法，得到模具的基本結構形式和初步的注塑工藝條件，為隨后的詳細設計、CAE分析、制造性評價奠定基礎。

3）CAE分析

運用有限元的方法，模擬塑料在模具型腔中流動、保壓和冷卻的過程，并進行翹曲分析，以得到合適的注射工藝參數和合理的澆注系統與冷卻系統結構。

4）模具評價

模具評價包括可制造性評價和可裝配性評價兩部分。注塑件可制造性評價在概念設計過程中完成，根據概念設計得到的方案進行模具費用估計。模具費用估計可分為模具成本的估計和制造難易估計兩種模式。成本估計是直接得到模具的具體費用，而制造難易估計是運用人工神經網絡的方法得到注塑件的可制造度，以此判斷模具的可制造性。可裝配性評價是在模具詳細設計完成后，對模具進行開啟、閉合、勾料、抽芯、工件推出等動態模擬，在模擬過程中自動檢查零件之間是否干涉，以此來評價模具的可裝配性。

5）模具詳細結構設計

根據制品的信息模型、概念設計和CAE分析結果進行模具詳細設計。包括成型零部件設計和非成型零部件設計，成型零件包括型芯、型腔、成型桿和澆注系統，非成型零部件包括脫模機構、導向機構、側抽芯機構，以及其他典型結構的設計。同時提供三維模型向二維工程圖轉換的功能。

6）CAM系統

主要是利用支撐系統下掛的CAM軟件完成成型零件的虛擬加工過程，并自動編制數控加工的NC代碼，最后完成成型零件的加工。

2.應用注射模CAD系統進行模具設計的通用流程

注射模CAD系統具有類似的設計流程，如圖1-4所示。

（1）制品的造型可直接采用通用的三維造型軟件。

（2）根據注塑制品采用專家系統進行模具的概念設計，專家系統包括模具結構設計、模具制造工藝規劃、模具價格估計等模塊，在專家系統的推理過程中，采用基于知識與基于實例相結合的推理方法，推理的結果是注射工藝和模具的初步方案。方案設計包括型腔數目與布置、澆口類型、模架類型、脫模方式和抽芯方式等。模具結構詳細設計的過程如圖1-5所示。

（3）在模具初步方案確定后，用CAE軟件進行流動、保壓、冷卻和翹曲分析，以確定合適的澆注系統、冷卻系統等。如果分析結果不能滿足生產要求，那么可根據用戶的要求修改注塑制品的結構或修改模具的設計方案。