1引言

　　塑料工業近20年來發展十分迅速，早在十多年前塑料的年產量按體積計算已經超過鋼鐵和有色金屬年產量的總和，塑料制品在汽車、機電、儀表、航天航空等國家支柱產業及與人民日常生活相關的各個領域中得到了廣泛地應用。相應地，塑料模具在整個模具行業占有很重要的地位。根據國內外模具市場的發展狀況，有關專家預測，未來我國的模具業經過行業調整后。塑料模具的比例將不斷增大。

　　近年來，塑料模具的設計與制造技術得到很快發展，特別是計算機技術的飛速發展及其在塑料模設計與制造中的應用，徹底改變了傳統的模具設計與制造方式，使塑料模技術得到了飛躍性的發展。在現代塑料模具設計與制造中，CAD是利用計算機對模具進行幾何設計、實體建模、繪圖等;CAE是利用計算機進行數值模擬分析計算進而評估和分析模型，從而對模具模型進行優化;CAM指設計的模具模型在經過CAE評估分析及優化后，最終進行加工刀具軌跡生成與仿真，產生數控加工代碼，從而控制數控機床進行加工。現代塑料模具設計的思路是設計者在電腦上直接建立產品的三維模型，并根據模型進行模具結構設計、分析及優化，再根據模具結構設計三維模型進行NC編程，從而加工出模具。這種方法使產品模型設計、模具結構設計、模具結構分析、工藝設計及加工編程都以3D數據為基礎，實現數據共享，不僅能大幅度提高設計效率，且能保證質量，降低成本。下面主要介紹CAD/CAE/CAM技術在現代塑料模中的應用及發展，并簡要介紹并行工程、逆向工程和知識工程在塑料模中的應用。

　　2 CAD/CAE/CAM在塑料模設計制造中的應用

　　2.1 CAD技術與塑料模設計

　　塑料模設計制造的第一步是塑料產品設計，設計者先在電腦上直接建立產品的三維模型，再根據產品的三維模型進行模具結構設計及優化設計。三維CAD造型軟件如Pro/E、UG、CATIA等為設計師提供了方便的設計平臺，它們強大的曲面造型和編輯修改功能以及逼真的顯示效果使設計者可以自如地表現自己的設計意圖，真正做到所想即所得，而且制品的質量、體積等各種物理參數一并計算保存，為后續的模具設計和分析打下良好的基礎。同時，這些軟件還有專門的設計模塊，提供模具分型面工具，使得復雜的成型零件都能自動生成，而且標準模架庫、典型結構及標準零件庫品種齊全，調用簡單，添加方便。這些功能大大縮短了模具設計時間。下面以三維軟件Pro/E為例，簡要介紹三維CAD造型軟件在塑料模設計中的應用。

　　Pro/E是一參數化的、基于特征的實體模型設計軟件。其強大和獨特的功能主要表現在參數方法和基于特征的功能，其獨特的數據結構提供了從產品設計到制造過程的全相關性，任何一處的修改都會引起其他有關地方的自動修改。Pro/E具有零件模塊、裝配模塊、制造模塊，模具設計模塊等80個專用模塊，其中Pro/MOLDESIGN模塊的出現使PTC徹底完成了塑料模的設計自動化，大大提高了模具設計的效率。

　　Pro/MOLDESIGN是Pro/E系統中的一個選擇性模塊，提供了方便實用的三維環境下模具設計與分析工具。利用這些工具，可以由制品的三維實體模型建立起模具裝配模型，設計分型面、澆注系統及冷卻系統。生成模具模型零件的三維實體模型，從而方便、正確地完成模具核心部分的設計工作。利用Pro/E系統的布局及裝配模塊，還可以進行模具的頂出系統和三維總裝配設計，并最終利用工程模塊生成二維工程圖。Pro/MOLDESIGN模塊還提供了一些模具設計過程中非常實用的分析檢測功能，其中包括脫模檢測、厚度檢測、分型面檢測、投影面積計算、充模仿真、開模仿真等。在模具設計過程中適當地利用這些分析檢測功能，可以使模具設計更合理、準確，且能避免設計中不必要的重復勞動。

　　2.2 CAE技術與塑料模設計

　　傳統的模具設計主要依靠設計人員的直覺和經驗，模具設計加工完后往往需要經過反復調試與修正才能正式投入生產。試模發現問題后，不僅要重新調整工藝參數，甚至要修改塑料制品和模具結構，這種生產方式嚴重制約了新產品的開發效率。在現代模具設計技術中，CAE技術徹底克服了這一問題。例如，Moldflow、Polyflow等CAE軟件可以在模具制造前對模具設計的效果進行分析和預測。

　　在注射模設計過程中利用模擬流動分析軟件Moldflow提前對模具的設計效果進行分析和預測，其內容包括確定最佳澆口位置、填充、保壓、冷卻、翹曲、結構應力、最佳成型工藝等。通過分析.在設計階段就預測產品可能出現的缺陷，指導模具設計師對已設計的模型進行修改和優化，從而提高一次試模的成功率，降低生產成本，縮短產品的開發周期。

　　在擠出模設計過程中可利用Polyflow指導模具的優化設計。例如，利用Polyflow分析不同工藝條件下的擠出成型效果，以此來確定擠出的最優條件;可根據擠出制品的形狀，利用Polyflow進行口模設計等。此軟件的應用領域包括從板材、管材、異型材的擠出模擬，到雙層復合擠出和雙螺桿擠出模擬等許多方面。

　　在設計塑料模過程中，除了用CAE進行模擬流動分析外，為了獲得高準確度的分析結果，還應充分考慮模具使用過程中的實際情況，同時進行其他的校正分析，使模具設計更具有實際意義和參考價值。例如在設計注射模的過程中，除了利用Moldflow對塑料熔體的流動過程及其產生的結果進行比較充分的考慮和模擬來選擇最佳的設計方案外，還應考慮在實際充模過程中，模具本身由于受到注射過程中壓力的影響而發生變形，特別是型腔和型芯的變化，會對塑件的形狀造成很大影響，關系到塑件是否能滿足其尺寸精度和技術要求。所以，很有必要對注射過程中模具的變化進行全面分析，盡可能使分析結果與實際情況更加吻合。模具本身的這種變形分析不可能用一般注射模CAE軟件來分析，但可進行常用的結構分析。因此注射模設計的全面CAE分析除了需要一般注射模CAE軟件外，還需其他優秀的結構分析軟件，如Ansys等。將結構分析軟件引入模具CAE中，會使注射模設計的CAE具有更高的可行性、有效性、真實性，也才會使注射模設計CAE具有更大的價值。

　　2.3 CAD/CAE技術與塑料模結構分析

　　隨著實際生產的需要和模具設計技術的發展，模具設計已經不僅僅停留在對外觀和結構的設計上。現代塑料模具技術已經擴展到對模具結構分析的領域。對已經設計出的模具運用CAE軟件(尤其是有限元軟件)進行強度、剛度、抗沖擊試驗模擬、跌落試驗模擬、散熱能力、疲勞和蠕變等分析。檢驗模具結構設計是否合理，分析出結構不合理的原因和位置。然后在CAD軟件中進行相應修改，再在CAE軟件中進行各種性能檢測，最終確定出符合性能、經濟性等方面要求的、最優化的模具產品。

　　利用CAE分析軟件對塑料模結構分析的主要應用在以下幾方面：①強度和剛度分析。運用CAE軟件如Ansys、Ddoml等對模具施加約束和載荷等外部條件來模擬模具的真實應用情況，分析模具的強度和剛度是否達到規定要求。②抗沖擊試驗模擬。分析隨時間變化的載荷，如交變載荷、隨機載荷和其他瞬態力等對結構的影響，從而對模具結構提供完整的評估與解決方案。③跌落試驗模擬。分析模具結構由于碰撞或跌落產生的力、變形、應力、位移等對模具結構的影響。④散熱能力分析。模擬模具中的溫度分布，對各種材質模具的散熱能力進行初步分析。⑤疲勞和蠕變分析。對于那些可能在集中載荷、循環載荷和常值位移作用下的模具或處于低溫或者高溫工作條件的模具產品進行初步的疲勞分析和蠕變分析。

　　通過對CAD/CAE技術在塑料模設計中應用的分析，可以得到現代塑料模設計的大致流程：①用三維軟件對產品進行實體造型，其中如有需要可以利用CAE軟件(如Ansys)對塑件產品的使用環境和情況進行強度、剛度等方面的分析和校正，使之滿足使用要求或節約原材料(CAD/CAE);②根據選用塑料的相關數據進行模擬流動分析(CAE);③根據模擬流動分析結果，利用三維軟件在塑件實體模型的基礎上進行模具設計(CAD);④利用CAE軟件，如Ansys,對模具結構進行強度剛度等方面的分析(CAE);⑤根據CAE的優化結果，利用CAD修改產品或模具幾何實體模型，直至獲得最優化的模具結構;⑥最后生成二維工程圖。

　　2.4 CAM技術與塑料模制造

　　模具結構通過CAD/CAE階段的優化設計和分析，將模具設計的錯誤消除在設計階段，然后再利用CAM技術，自動生成加工模具型腔的NC代碼，實現數字化制造。例如，在利用Pro/E進行注射模設計時，將設計的注射模模型經過CAE評估分析及優化后，最終在CAM中進行刀具軌跡生成與仿真，產生數控加工代碼，從而控制數控機床進行加工。這種方法使產品造型設計、模具設計、加工編程及工藝設計都以3D數據為基礎，實現數據共享，不僅能快速提高設計效率，而且能保證質量，降低成本。

　　另外，也可以采用專業的CAM軟件MasterCAM來實現注射模的(蝴。利用Pro/E設計的注射模模型經過CAE評估分析及優化后，便可在PIo/E中提取相關加工信息，通過IGES或DXF傳入MasterCAM軟件中進行模擬加工。MasterCAM是數控加工自動編程常用的軟件，它提供刀具選擇、加工路徑規劃、切削用量設定等功能，設置有關參數，編輯好后處理文件，就可以自動生成加工程序并傳輸至數控機床。最終完成零件的加工。

　　現代模具制造的必然趨勢是機械加工盡可能地取代手加工。目前數控車床、多軸聯動數控機床、模具雕刻機等現代設備已在工廠中廣泛使用。這些設備大部分所用的程序都是應用CAD/CAE/CAM系統產生的。操作人員按照規定的程序裝夾工件、配備刀具和操作機床，就能自動地完成加工任務，將合格的模具零件制造出來。CAM技術使得數控加工技術快速發展，也促進模具技術迅速發展。與傳統加工方法相比，CAM具有準確、快速、簡便的優勢，給人們帶來極大的方便，省去了代碼編輯、調試等繁瑣的工作。

　　采用模具CAD/CAE/CAM技術具有提高模具產品設計質量，縮短模具設計、制造周期，提高塑料制品質量。降低成本等優點，是塑料模設計和制造技術發展的必然方向。