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。
4、模具的CAM技术的应用、加工仿真及制造
模具的计算机辅助制造(CAM)技术主要应用在数控铣削加工、线切割加工、电火花加工等方面。CAM技术尤其是在复杂模具的型腔、型芯及电极的铣削加工中起着更加重要的作用。其主要的技术特点包括: (1) 粗、精加工刀具轨迹的优化规划和NC指令的产生, (2) 刀具种类、特性和材料库的建立, (3) 切削加工工艺参数的确定, (4) 普通切削和高速切削加工的特性控制, (5) 过切检查与加工表面的精度控制, (6) 加工过程的电脑实体仿真切削, (7) 电脑控制数控机床的DNC技术及群控技术的应用等等。
在CAM技术的应用中特别需要CAD三维产品模型数据。较多的专业电脑编程软件如MASTERCAM、UNIMOD、CIMATRON等在多曲面的编程加工时对产品的曲面模型有较高的要求, 如相邻曲面的U、V方向的一致性、曲面与曲面的高精度拟合、曲面斜率连续变化等。在高级CAD/CAM一体化系统中(如UGII、PRO/E), 由于利用了参数化特征造型设计和同一数据库技术, 使得产品模型数据、模具的型腔和型芯模型数据、刀具轨迹数据有着内在的联系, 产品模型的修改刀具轨迹亦自动修改。
模具加工实体仿真技术越来越成熟, 也越来越受到人们的重视。加工实体仿真是在电脑上模仿机床的加工过程, 能直观反映加工的结果, 能直接评估加工后零件的质量, 能检查出加工的错误。在检查加工后零件的质量时, 可在电脑上对加工后的实体模型进行任意的剖切, 直接测量其尺寸和精度。因此, 它能把错误消除在加工工艺编程设计阶段, 减少加工后的修补和返工, 大大提高模具的制造效率和质量。
5、塑料产品及其模具的快速成形制造
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。
6、模具CAD集成技术的发展趋势
综上所述, 模具CAD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CAD集成技术发展的重点。PDM系统的出现为解决这一问题带来了曙光。PDM系统的实施是模具企业应用CAD集成技术的重要课题。在模具的设计制造方面, 含有丰富专家知识的智能化模具CAD/CAM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。
主要参考文献
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