摘要：文章主要介紹注塑模具的發(fā)展方向，以及傳統(tǒng)注塑模具設計過程并與Pro/Engineer環(huán)境下設計注塑模具、基于并行設計的注塑工藝、模具計算機集成的實施方案等作比較，突出新技術方法及設計系統(tǒng)的優(yōu)點及必要。
關鍵詞：注塑模具、Pro/Engineer模具設計、Pro/Engineer運行硬件要求、并行設計、ＣＡＥ
一、注塑模具發(fā)展
1. 模具工業(yè)的發(fā)展：
近年來，模具的發(fā)展越來越多的被人們所重視，它凝聚了各類高新技術，能快速精密地直接把材料成型、焊接、裝配成零部件、組件或產(chǎn)品，其效率、精度、流線、超微型化、節(jié)能、環(huán)保，以及產(chǎn)品的性能、外觀等，都是傳統(tǒng)工藝方法所望塵莫及的。
2. 當前注塑模具技術發(fā)展現(xiàn)狀:
隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，人們對塑料制品的需求日益提高，作為塑料制品成型加工中最為普遍的注塑成型工藝技術，在不斷注入高新技術的基礎上，近年來獲得了長足的進步，如熱流道技術、自干擾流動等，塑料注塑制品已成為國民經(jīng)濟建設、國防建設和人們日常生活中不可短缺的用品，且對其需求程度越來越大。國外技術先進的國家，模具制作已實行“無紙化”，模具師靠電腦設計，產(chǎn)品加工也就是向電腦輸入數(shù)據(jù)，進行模具開發(fā)。我國塑料模具無論是在數(shù)量上，還是在質量、技術和能力等方面都有了很大發(fā)展，但與國民經(jīng)濟發(fā)展需求和世界先進水平相比，差距仍很大。一些大型、精密、復雜、長壽命的中高檔塑料模具每年仍大量進口。在總量供不應求的同時，一些低檔塑料模具已供過于求，市場競爭激烈；一些技術含量不太高的中檔塑料模具也有一些趨向于供過于求。國內模具制造企業(yè)相比外資模具企業(yè)的優(yōu)勢主要還是體現(xiàn)在成本優(yōu)勢上，但這種優(yōu)勢會越來越不明顯。國內模具企業(yè)的劣勢主要體現(xiàn)在管理水平的落后、技術水平的落后、生產(chǎn)設備的落后、人才培訓機制的落后等。
由于我國塑料工業(yè)的快速發(fā)展，特別是工程塑料的高速發(fā)展，我國塑料模具的發(fā)展速度仍將繼續(xù)高于模具工業(yè)的整體發(fā)展速度。在生產(chǎn)量高速增長的情況下，中國塑料模具水平也有很大提高。國內目前已能生產(chǎn)單套重量達60噸的大型模具、型腔精度達0.5μm的精密模具、一模7800腔的多腔模具及4m／min以上擠出速度的高速模具。模具壽命也有很大提高，己可以達到100萬模次以上。
3. 注塑模具技術的發(fā)展趨勢
大型化、高精密度、多功能復合型將是未來模具的發(fā)展方向，熱流道模具在塑料模具中的比重將逐漸提高，并且隨著塑料成型工藝的不斷改進與發(fā)展，氣輔模具及適應高壓注射成型等工藝的模具也將隨之發(fā)展。其中精密、大型、復雜、長壽命模具等高檔塑料模具應加大研制與開發(fā)。
發(fā)展趨勢為：
（1）模具產(chǎn)品將向著更大型、更精密、更復雜及更經(jīng)濟快速方向發(fā)展；模具生產(chǎn)將朝著信息化、無圖化、精細化、自動化方向發(fā)展；模具企業(yè)將向著技術集成化、設備精良化、產(chǎn)品品牌化、管理信息化、經(jīng)營國際化方向發(fā)展。
（2）模具企業(yè)及其模具生產(chǎn)正在向信息化方面迅速發(fā)展，這也是一種趨向。21世紀，信息越來越多，信息技術越來越先進發(fā)達，信息已與人們的生產(chǎn)和生活休戚相關。在目前的信息社會中，高水平的模具，現(xiàn)代模具企業(yè)，單單只是CAD/CAM的應用已遠遠不夠。目前許多企業(yè)已經(jīng)采用的CAE、PDM、CAPP、KBE、KBS、RE、CIMS、ERP等技術及其他許多先進制造技術和虛擬網(wǎng)絡技術等都是信息化的表現(xiàn)。向信息化方向發(fā)展這一趨向已被行業(yè)所共認。
（3）高速加工、復合加工、精益生產(chǎn)、敏捷制造及新材料、新工藝、新技術將不斷得到發(fā)展。
（4）隨著人類社會的不斷進步，模具必然會向著更廣泛的領域和更高水平發(fā)展?，F(xiàn)在，能把握機遇，開拓市場，不斷發(fā)現(xiàn)新的增長點的模具企業(yè)和能生產(chǎn)高技術含量模具的企業(yè)日子普遍好過，任務忙不過來，利潤水平和職工收入都很好，日子紅紅火火。因此，模具企業(yè)應把握這個趨向，使自己生產(chǎn)的模具向高水平發(fā)展，不斷提高自己的綜合素質和整體實力及進入國際市場的競爭力。
二、傳統(tǒng)注塑模具設計過程
1. 塑件的工藝性分析
1.1塑件的原材料分析
1.2零件的尺寸精度分析
1.3表面質量分析
1.4外殼結構工藝性分析
2. 成型設備的選擇與模塑工藝參數(shù)的編制
2.1計算塑件的體積與質量
2.2選用注塑機
2.3塑件注射成型工藝參數(shù)
3. 注塑模結構設計
3.1分型面選擇
3.2流道設計
3.3澆口設計
3.4模架的選擇
4. 推出機構
4.1 導柱、導套
4.2 推管、復位桿等
5.制件體積的計算
6.射機校核
6.1最大注射量的校核
6.2鎖模力的校核
6.3最大注射壓力的校核
7.模具工程圖與零件制造工藝
7.1總裝配圖
7.2型芯零件圖及工藝
三、Pro/Engineer環(huán)境下設計注塑模具
1.設計過程
典型的注塑模設計過程在Pro/ENGINEER環(huán)境下，注塑模設計過程包含以下步驟：
1.1創(chuàng)建塑料件模型（也稱為三維造型）；
1.2創(chuàng)建毛坯，用來定義所有模具元件的體積；
1.3根據(jù)不同的收縮率、脫模斜度和塑件模型構建型腔、型芯的特征和尺寸；
1.4加進模具裝配特征形成澆注系統(tǒng)，定義分模面及模塊；
1.5定義模具開啟的步驟及檢查干涉；
1.6依需要裝配模座，完成冷卻系統(tǒng)設計；
1.7完成所有零件的零件圖；
1.8根據(jù)加工需要，天生零件的NC代碼。
2.模具型腔和型芯的設計
在設計過程中，首先通過對塑料件模型的不同部位尺寸設定收縮率、構建設計模型、產(chǎn)生型腔及型芯特征尺寸，然后使設計模型與型腔或型芯毛坯重疊，經(jīng)過一系列面的天生、延伸及融合等操縱形成分模面，最后從毛坯中挖往設計模型，并從分模面切割產(chǎn)生型腔和型芯。
3.模具零件加工
4.其他功能
Pro/ENGINEER具有強大的接口功能，能通過IGES、STL、SET、STEP等格式與其他CAD/CAE/CAM軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)文件的交換。在塑料產(chǎn)品開發(fā)中，通常利用這個接口與C-MOLD、MOLDFLOW、Z-MOLD等軟件相連，利用它們的分析模塊，對Pro/ENGINEER中的造型進行分析，以確定模具的結構及注塑工藝。
Pro/ENGINEER提供的Pro/PROGRAM是零件與裝配自動化設計的一個重要工具，用戶可經(jīng)過非常簡單的高級語言來控制零件特征的出現(xiàn)與否、尺寸的大小與零部件的出現(xiàn)與否、零部件的簡易顯示或完全顯示以及零部件的數(shù)目等。當零件或裝配件的Pro/PROGRAM設計完成后，讀取此零件或裝配件時，其各種變化情況即可利用交互方式得到不同的幾何外形，達到產(chǎn)品設計要求。利用Pro/ENGINEER還可以方便地建立零件庫。在注塑模設計中所需的通用件和標準件都可根據(jù)用戶的要求建立，同時用戶所設計的每副模具都可作為模具庫的組成部分，以供后續(xù)模具設計應用。
四、Pro/ENGINEER運行硬件要求
統(tǒng)一的軟件平臺對硬件平臺的一致性提出了要求，首先是硬件性能的一致性，在CAD、CAE、CAM階段統(tǒng)一采用三維模型，就需要這三個階段均采用高性能的圖形工作站平臺。其次，是品牌服務的一致性，全部環(huán)節(jié)采用同一家廠商的產(chǎn)品有利于獲得穩(wěn)定一致的維護、維修和技術咨詢服務。當然，在不同階段也需要根據(jù)需求采用不同的配置，以IBM IntelliStation M Pro 6218系列個人圖形工作站為例（配置如表1所示）。M Pro 6218系列是IBM公司基于全新Intel i955X芯片組推出的新型個人圖形工作站，基于新的芯片組、處理器，用戶完全可以根據(jù)需求靈活搭配處理器、內存和專業(yè)圖卡。針對模具行業(yè)的需求，顯卡方面，僅需要將顯卡分為高端和低端選擇即可，高端采用FIREGL V7100或NV 3400/3450系列的顯卡，低端采用FIREGL V3100或NV 450/1300/1400系列的顯卡。按內存可分為高中低三檔，高檔選擇2GB或以上的內存，中檔在1GB內存，低檔選擇512MB內存。從處理器上劃分，M Pro 6218系列可以靈活選用LGA775接口的處理器，包括：Intel Pentium 4 630（3.0GHz）、Intel Pentium 4 640（3.2GHz）、Intel Pentium 4 650（3.4GHz）和Intel Pentium 4 670（3.8GHz），Pentium 4 940 (3.2G)雙核處理器。實際上，大部分模具設計、分析和制造工作在中低端配置上就可以完成。3.0GHz以上主頻的處理器、1GB內存和FIREGL V3100/ NV 1400顯卡屬于模具行業(yè)的主流安全配置。
五、基于并行設計的注塑工藝與模具計算機集成的實施方案
目前，注塑模具的開發(fā)過程中廣泛采用串行開發(fā)流程，存在著模具設計和制造規(guī)劃、注塑工藝設計等工作由實施階段的不同部門承擔的現(xiàn)象。圖1是這種模具開發(fā)方式的基本流程：
很顯然這種開發(fā)模式存在著下列問題:
（1）使得模具設計在早期不能全面的考慮下游的可制造性、可裝配性、質量保證、注塑工藝等多種因素。容易出現(xiàn)設計方案的反復，甚至返工，造成浪費。
（2）設計過程缺少信息集成，缺乏統(tǒng)一的信息模型。與CAD. CAM有關的部門沒有解決好在設計工作、制造工作、計算機系統(tǒng)之間共享數(shù)據(jù)的問題。對于注塑產(chǎn)品來講就是如何協(xié)調好塑件結構、注塑模具、模具制造和注塑工藝四個因素。
（3）缺乏全局性的優(yōu)化目標，一般難以獲得最佳的注塑產(chǎn)品質量。
1.注塑產(chǎn)品設計開發(fā)周期分析
并行工程強調整個產(chǎn)品生命周期的并行設計，產(chǎn)品生命周期是指產(chǎn)品從設計到使用生命結束的過程。對于注塑工藝來講，著力解決的主要問題仍然是產(chǎn)品開發(fā)周期的各個要素之間的關系，包括塑件設計、模具設計、模具制造、塑件制造幾個階段，這幾個階段的關系如圖2示，通過分析，可以得出以下幾點認識：
（1）在注塑產(chǎn)品的開發(fā)周期過程中，各環(huán)節(jié)相互關聯(lián)；
（2）產(chǎn)品功能、結構設計與模具的設計與制造、注塑成型加工、使用都有關系，產(chǎn)品設計在一定程度上決定了產(chǎn)品的性能、質量和成本；
（3）模具設計與模具制造、裝配、制品注塑生產(chǎn)都有關系，影響模具的可制造、可裝配性、生產(chǎn)的方便性、效率，并最終影響制品質量、成本；
（4）制品生產(chǎn)的工藝條件影響制品質量，間接影響制品的使用性能。
2.注塑模具并行設計方法
設計是一個需要多種專門知識和實踐經(jīng)驗，包含分析、綜合、評價等過程，直到實現(xiàn)合理正確的目標的一種創(chuàng)造性活動。從信息加工的角度來看，設計是人們對某一領域知識的創(chuàng)造、檢索、整理、表示、傳播以及在客現(xiàn)世界中的再現(xiàn)，是一個設計對象的描述信息逐步增加的過程。將并行設計方法用于指導模具設計，是近幾年不少學者致力開發(fā)的一個熱點。根據(jù)對所采用的方法的處理和所采用的技術路線的不同，有學者將注塑模具并行設計方法歸為兩類:基于束的并行設計和基于模擬的并行設計。
2.1基于約束的井行設計把與設計有關的制造性約束、裝配性約束、測試條件約束、可維護性約束、可重用、重組性約束等施加與產(chǎn)品的設計過程，使所設計的產(chǎn)品具有期望的性能，稱為基于約束的并行設計?；诩s束的并行設計方法實質是增加了過程需求約束的產(chǎn)品設計約束滿足問題。以過程需求約束表示并行設計中對周期下游因素的考慮。約束并行設計的特點是開發(fā)周期中的每一階段都需遵循一定的雙向傳遞的規(guī)則，產(chǎn)品開發(fā)上游階段的決策，在一定程度上影響著下游的結果，而下游的修改也直接反饋到上游，并做出相應的處理。
2.2基于模擬的并行設計通過CAE系統(tǒng).對產(chǎn)品制造等下游過程進行仿真，并將分析評價結果反饋給設計，使不合理設計因素能夠在設計階段得以修改，這樣的并行設計過程稱為基于模擬的并行設計。注塑工藝中有許多復雜問題是無法通過約束問題求解的，這些問題只有采用建立在嚴格實驗和數(shù)學模型基礎上的注塑工藝CAE系統(tǒng)，通過仿真模擬來發(fā)現(xiàn)，并進而提出解決方案。通過模擬軟件，對產(chǎn)品制造等下游過程進行仿真，將分析結果反饋給設計，確定不合理的設計因素。將產(chǎn)品開發(fā)下游中可能遇到的問題提前在設計階段發(fā)現(xiàn)并解決。例如，用注塑流動分析軟件C-MOLD分析模具設計方案，可以判斷出流動熔接線的位置，如果熔接線位置不合理，將修改澆口位置或數(shù)量，從而將熔接線位置移動到合適的位置，使得在傳統(tǒng)設計中，只能在試模階段發(fā)現(xiàn)的問題，在設計階段就得以發(fā)現(xiàn)并解決。另外基于模擬的并行設計方法可以結合注塑工藝的某一優(yōu)化目標進行模擬，以獲得最佳的注射工藝方案，而這些在基于約束的并行設計方法中，是難以實現(xiàn)的。注塑產(chǎn)品的注射充填過程的復雜性決定了計算機輔助工程(CAE)在并行設計中的重要性，即將CAE引入注塑產(chǎn)品的并行設計中來，用CAE模擬的結果指導產(chǎn)品開發(fā)的全過程，實施基于模擬的注塑工藝及模具的并行設計。
3. 注塑工藝與模具設計的并行實施和計算機集成
注塑模開發(fā)主要分為三個階段，即模具設計，模具制造，和注塑生產(chǎn)。每一個階段都有其本身的特點，包含有許多子任務，在時間上和空間上體現(xiàn)了串行和反復的特點，實施并行設計的主要目的之一是盡可能的減少反復環(huán)節(jié)的次數(shù)和時間，即通過加大設計階段的功能，將本來在制造或試模階段才能發(fā)現(xiàn)的諸如工藝或不符合產(chǎn)品功能要求等由于設計而造成的問題.加以發(fā)現(xiàn)和避免，從而，在整體上縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質量，而設計階段的功能的強化則通過CAD. CAM和CAE技術的并行實施來實現(xiàn)。
圖3是本文所提出的注塑工藝及模具計算機集成的系統(tǒng)框圖，按照這個方案，注塑產(chǎn)品開發(fā)及模具設計過程主要包括產(chǎn)品定義、模具設計、零件加工工藝規(guī)劃和注塑1藝CAE及工藝參數(shù)優(yōu)化幾個設計部分。其中，注塑產(chǎn)品定義主要是根據(jù)產(chǎn)品性能要求或根據(jù)圖紙等技術資料的要求對產(chǎn)品的屬性，如幾何形狀、材料性能等在CAD系統(tǒng)中進行描述，建立制件的三維幾何模型，井從中將CAE系統(tǒng)分析需要的幾何和拓撲信息(如材料屬性)等有關信息輸入到CAE分析系統(tǒng)中。同時根據(jù)零件的幾何特征而由設計人員完成的模具概念設計 (如澆口位置、流道布置及冷卻方案構思等)信息也傳輸?shù)阶⑺芄に嘋AE分析子系統(tǒng)中，CAE子系統(tǒng)完成模具設計方案和冷卻及流動系統(tǒng)的優(yōu)化。運用CAE系統(tǒng)進行1_藝方案評價的過程，是一個優(yōu)化的過程，一般是由模具設計子系統(tǒng)提供多種方案，根據(jù)CAE的分析評價結果篩選出其中最優(yōu)的方案提供給設計子模塊。根據(jù)CAE及優(yōu)化子模塊得出的流道系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)方案及有關參數(shù)，模具設計子模塊完成模具結構的具體設計，然后將設計結果提供給零件加工工藝規(guī)劃和數(shù)控編程子模塊，完成零件的工藝規(guī)劃和加工的數(shù)控編程。對按工藝要求不合理的設計部分，及時反饋到設計子模塊進行必要的修改，直到獲得合理的設計方案。由于圖形化數(shù)控交互編程技術在CAD系統(tǒng)中的成功應用，目前很多CAD系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了CAD/ CAM的無縫集成，所以在同一系統(tǒng)中將產(chǎn)品定義、模具設計、加工工藝規(guī)劃和數(shù)控編程等設計過程集成起來在技術上是可行的，將上述三個子模塊的成稱為注塑模具設計CAD/CAM集成 (圖中內虛線框示)。有些CAD系統(tǒng)提供了部分CAE功能模塊，如UG系統(tǒng)中內嵌的Part Adviser. Pro/Engineer系統(tǒng)中的Quick Fil等只能進行簡易流動分析，而對于注塑工藝和模具設計的總體分析評價和優(yōu)化來講，這些模塊的功能顯然是不足的，所以在注塑模具和工藝集成系統(tǒng)中CAE子系統(tǒng)是功能完善的獨立系統(tǒng)，它和設計子系統(tǒng)的信息傳輸只能通過標準格式數(shù)據(jù)文件來實現(xiàn)。全功能注塑工藝CAE系統(tǒng)與CAD/CAM系統(tǒng)的無縫集成目前尚沒有實現(xiàn)。系統(tǒng)中最終輸出的結果是經(jīng)過CAE系統(tǒng)分析評價的針對該種模具設計方案的最優(yōu)注射工藝參數(shù)文件和零件加工的工藝文件和NC代碼。
4.結論
并行設計的基本思路是將下游某過程提前到設計階段集中研究，具體的實施方法各異。將多個下游過程作為一個整體同時進行并行設計時，信息如何協(xié)調一致地共享是其核心問題。以上是本文所提出的基于并行設計方法的注塑工藝與模具計算機集成的實施方案，這種實施方式的突出特點是強化模具設計階段的功能，一旦設計階段完滿結束，接下來開發(fā)過程的下游階段就在上游設計信息的指導和支持下實施的，一次設計成功成為可能。