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[摘 要]传统的注塑模设计与制造不仅质量不能保证，且模具设计、制造周期长，成本高；在传统和现代注塑模设计与制造方法比较基础上，介绍了CAE技术在注塑模设计与制造中的作用，并简单介绍了CAD/CAE/CAM系统集成。
[关键词]CAD CAE CAM 注塑模设计与制造
中图分类号：TP311.5 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）36-0348-02
一、 引言
传统的注塑模设计与制造主要依靠模具设计师的直觉、经验和制模工人的技艺，因此模具往往要经过反复调试和修正才能正式投入生产。解决这一问题的关键在于注塑模的设计、制造以及注塑成型工艺以科学分析为基础，突破经验束缚，即采用计算机辅助工程技术（CAE）。
二、 注塑模CAE软件的组成
目前，许多商品化的注塑模CAE软件，如Mold Flow、Hyperworks一般包括如下几个部分。
⑴数据库。数据库中存储有注塑材料的流动数据、物理数据、注塑机参数、模具材料参数、冷却介质参数、工艺条件参数以及计算控制参数等；同时，数据库具有扩充、修改功能，即用户可加入数据库中尚未存储的各类参数。
⑵几何造型和网格划分模块。几何造型软件用于定义型腔、浇注系统和冷却系统的形状，利用网格划分模块进行自动剖分、生成用于分析计算的数据文件。
⑶初始设计模块。初始设计模块供用户选择注塑材料、冷却介质、模具材料和注塑机，生成材料性能、工艺条件、计算控制参数供分析计算模块调用。
⑷分析计算模块。包括流动分析、保压分析、冷却分析和翘曲分析模块等，是注塑模CAE分析软件的核心。
⑸结果显示。使CAE分析软件结果可视化，可提供压力分布图、速度场图、等值线图和熔体填充瞬态图等。模具设计人员根据图表和数据，判断模具设计是否合理，并进行修改。
三、注塑模具传统设计、制造与模具CAD/CAE/CAM技术的比较
图1-1、1-2给出了人工设计、制造模具与CAD/CAE/CAM技术制造模具两种方法所采用的设备及技术需求。从图1-1、1-2中可以看出，两种注塑模设计、制造方法所采用的设备和技术具有较大差异，传统的设计、制造方法主要依赖于设计人员和钳工的经验技巧，利用传统的机械加工设备，是一种串行的设计、制造模具的方法，现代化的注塑模设计、制造方法，主要依赖CAD/CAE/CAM技术、计算机网络和数控加工设备。
另外，图1-1较图1-2中多了一个工程分析模块，使设计的合理性及时得到验证，不必等到模具制造完成，试模时发现设计、制造中有错误再返工。从而降低成本，提高模具质量，缩短制模时间。
传统设计、制造和模具CAD/CAE/CAM的过程比较。
1、传统设计、制造模具
图1-3给出了人工设计、制造注塑模具的流程图，一般分成下列四个阶段。
①产品设计和重建产品模型。用户提供给模具设计人员常有三种形式的资料，第一种是样件，第二种是图纸，第三种既有样件又有图纸，但需修改样件模型。不管提供哪种资料，模具设计者必须得到详细的产品图才能进行模具设计。
模具设计者面临重新构造产品形状，计算加工材料的收缩率。产品图中每一个尺寸均须乘上一个因子（材料收缩率）。在较复杂的模具设计中，由于尺寸很多，都要乘上一个因子，确是一项麻烦、费事并易出错的工作。当产品图纸已作处理并反映了收缩率之后，才可正式开始设计模具。
②模具设计。在进行模具设计时，其设计过程基本是按以下程序进行：
⑴确定注射机型号。
⑵确定型腔数量和型腔排列。
⑶确定分型面。
⑷确定侧向分型与轴芯机构。
⑸设计浇注、排气、冷却、顶出系统。
⑹设计导向装置。
⑺确定模架和选用标准件。
⑻选用模具钢。
⑼绘制模具装配图和主要零件图。
③制造、抛光、装配。一般在模具零件图和总装图设计完成时，型腔，型芯和其它模具零件材料已准备完毕，且样模等辅助工具也已制成。零件毛坯经切削、手工抛光和反复修配，然后组装成一个完整的模具。
④试模、修模。模具装配后就吊裝到注射机上试模，如果试模成功，就对试件进行尺寸检查，看看是否符合图纸要求。如果不符合，模具要送回模具车间返修。这个过程一直持续到打出合格试件为止。有时制品不能完全达到设计的预期要求，设计方案就要修改，这就牵涉到模具设计的改变，重复修模和重新试模。值得指出的是，反复修模会使模具因修正（如焊接）而出现内应力，从而使模具的整体性能恶化。最后考核的项目，是确定注塑产品是否符合要求。如果答案是否定的，则整副模具就有可能报废，并须重新开始一个新的设计过程 。
人工设计方法的分解暴露了这种方法的许多不足之处，当然这些问题也不会同时出现在某一个产品的设计上。
2、模具CAD/CAE/CAM技术
图1-4给出采用模具CAD/CAE/CAM技术进行注塑模设计、制造的流程图。用CAD/CAE/CAM技术进行注塑模设计、制造一般分下列几个阶段。
①产品设计和模型建立。计算机辅助设计、工程分析和制造所用的产品模型不同于人工设计。以计算机为基础的模型通常是一种完备的三维描述，而不是图纸表示的二维描述。用三坐标测量机可以精确采集塑件三维坐标，对测得的数据进行处理，生成产品的曲面或实体模型。通过交互方式修改产品模型，并用软件模块显示产品的实体图形，对产品可进行修改完善。接着利用软件的自动投影功能，可将产品的各个视图自动求得，存入相应的数据库。如果软件具有特征造型功能，可输入塑件的形状特征、精度特征和材料特征并存人系统的工程数据库中。 ②模具结构设计和工程分析。与传统模具设计一样，在模具设计时也需进行确定注射机型号等多项工作。不同之处，传统设计完全由人的经验来决定诸如型腔数目、浇注系统和冷却系统中的一系列设计方案，采用模具CAD/CAE技术，则完全在计算机上完成各项校核和设计工作。
首先分析塑件壁厚和流动长度是否可行，该塑件是否能在现有注塑机上生产，以及生产成本如何，如果存在问题，及时修改方案。
在许多场合下，浇口设计一般在模具设计、制造快完成时才考虑，这往往容易铸成大错，若将浇口设计与产品性能同样作为一个初始的考虑因素则可避免这样的失误。利用流动分析模块可以确定浇口的位置和大小且使：①局部成形应力最小；②实现要求的填充方式；③熔接痕处于对产品影响的最小区域；④气穴位置在较合理的地方。
浇口的位置和大小确定后，就要确定型腔数目和注塑机的尺寸大小，我们能用经济性分析程序作出决定，当然要考虑诸如模具制造成本、塑件生产数量、型腔多造成废料多等各种因素来决定。
型腔数目和浇口位置经优化后，可用计算机软件辅助确定模具草图所要求的最小模架，输入要求的型腔镶块尺寸和推荐使用的浇道布置（平衡或非平衡的）等。一般确定模架总体尺寸的依据是推件板必须完全罩住制品型腔区或者说把型腔最大投影区包含在推件板周界以内。选定模架尺寸后，就可以从模架库中调用模架的产品模型。所以，我们不是照一个样子去画出模架，而是由CAD/CAM系统自动生成一个模架，它可供CAD/CAM系统编辑之用，成为某塑件的专用模架。
下一步工作是将塑件产品模型与模具模型合并起来。塑件的几何形状一般先贮存在数据库中。可以从数据库中复制出这些几何形状并通过单个命令将其在一个选定的位置自动装入模具模型。假如材料的收缩率是均匀而稳定的，只要用一个简单的标度命令即可对模型进行修正（考虑收缩的影响）。执行的内容，是将模型的所有尺寸乘上一个收缩因子，然后再显示出经修正的图形。在某些情况下，也可由合并命令实现。假如材料性质较复杂，例如，在流动方向和横向具有不同的收缩率，那就要采用稍复杂的方法。
塑件的几何形状并入模架中，并根据预期的收缩加以修正之后，就可确定型腔块。这些型腔块必须包含有辅助性的分割面，以满足滑动、顶出或其它机械动作。在加大分割面时充分注意到叠层的作用，接下来提取这些模具零件的实体就很容易，这样就简化了生成这些零件图的步骤。在这种情形下，模具设计者可以集中精力去确定浇道系统的设计。流动分析程序在这里可用于设计人工平衡浇道系统。这样设计出来的浇道系统将使塑件具有最宽广的“加工范围”。目前的软件系统已经可以分析最现代化的设计，如成套模具的人工平衡热浇道设计。
浇道设计结束之后，接着设计冷却系统。在冷却系统设计中，会出现与顶出机构争夺位置的问题。过去缺乏计算机技术，很少去研究水道形状、水温和水道位置之间的关系，更谈不上什么优化。由于对顶出要求了解得较多，所以先满足顶出设计要求，然后在位置允許的条件下再加入水道，结果是塑件的顶出没有问题了，但造成冷却时间过长，生产率低，增大了生产塑件的成本。利用冷却分析程序，提供一个冷却系统的设计方案。设计者首先得到水道的尺寸及其距离模具表面深度的设计推荐值。然后设计者就可在现有的模具空间范围内对推荐值进行斟酌，确定一个方案。接着，将此方案输入计算机进行分析，在试模之前就可了解方案的性能特点和经济性。根据水道几何形状及位置的描述，计算机可以将这些水道组成一个回路，使冷却液压力降与温升的配合达到最佳。然后，计算机推荐适当的水温、流速以及冷却时间，进行适当的冷却。将冷却时间与理论最小冷却时间评估，可以判断为了提高生产率是否还要改变冷却系统的设计。这种分析还有如下优点：确定这样的冷却回路能避免型腔中的热点，使得两半对开模的温度保持一致，确保在不产生热变形的条件下实现最短的生产周期。
冷却系统设计完毕后，就可在模具设计方案中添入其余零件，如顶杆，导柱，分型面锁紧装置等。通过模具零件库既可以按特殊尺寸生成零件，又可以从数据库中复制零件。这两者都促进了模具设计的标准化。由于标准的结构可以与标准的设计相结合，从而促进了模具设计质量的提高和成本的下降。利用特征造型技术对数据库中增添非图形信息，这种信息依附于一组特定的几何图形。例如零件号与价格，与零件的几何图形一起贮存在数据库中，日后能对非图形信息进行扫描并提出报告。
基本设计方案完成之后，可检查任何活动零件的性能。 CAD/CAM便于在屏幕上让这些活动零件的图像平移或转动，因此决定这些零件相对其他模具零件所需的活动范围。活动零件包括滑动机构、顶出机构、反顶出驱动机构等。如果运用运动仿真软件系统，还能对装配进行真实的动态分析，这种软件能帮助设计者检查设计的机械动作是否达到要求的轨迹，是否与其它零件相干扰。
③数控加工编程和加工仿真。模具设计分析完成后，根据工艺规程要求，对模具零件例如型腔、型芯、电极等分别进行数控线切割加工编程、数控电火花加工编程、数控铣加工编程等，主要是对设计阶段生成的型腔、型芯和电极的三维形状离散化，生成刀位数据文件，并根据其特征信息和机床信息自动生成加工指令代码。
自动编程的关键是，系统要有描述型腔、型芯、电极详细的特征造型信息。利用计算机强大的图形功能，可将被加工零件的加工过程（切削、切割、电火花加工）在计算机上动态模拟，检查加工效果（切削量、干涉、切削速度等），从而克服加工盲目性，避免加工零件报废，并缩短加工时间。
四、 注塑模CAE技术在现代塑料产品开发中的作用
注射模CAE技术能有效地应用在如下的注塑加工领域中：①使塑件和模具一次成功的可能性达到最大；②解决诸如翘曲、尺寸不稳定和加工周期长等问题；③减少加工成本，如模具投入使用成本、塑件注射成本、材料费、模具返工费、废料和回用料成本等。从图1-2中可以看出，注塑模CAE分析在模具制造之前进行，如发现错误，便可及时修改概念设计、产品设计和模具设计阶段的内容。
五、 结束语
注塑模CAE技术是CAD/CAM向纵深方向发展的必然结果，是实现注塑模CAD/CAE/CAM集成化的关键技术之一，是保证模具的质量、缩短模具的设计与制造周期、降低成本的必要手段；在实施CAD/CAE/CAM系统方面，不仅要重视“硬件”的引进，还要关心“软件”的建设，使CAD/CAE/CAM技术从根本上改变传统的模具设计和制造方法，产生明显的应用效果。
[关键词]CAD CAE CAM 注塑模设计与制造
中图分类号：TP311.5 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）36-0348-02
一、 引言
传统的注塑模设计与制造主要依靠模具设计师的直觉、经验和制模工人的技艺，因此模具往往要经过反复调试和修正才能正式投入生产。解决这一问题的关键在于注塑模的设计、制造以及注塑成型工艺以科学分析为基础，突破经验束缚，即采用计算机辅助工程技术（CAE）。
二、 注塑模CAE软件的组成
目前，许多商品化的注塑模CAE软件，如Mold Flow、Hyperworks一般包括如下几个部分。
⑴数据库。数据库中存储有注塑材料的流动数据、物理数据、注塑机参数、模具材料参数、冷却介质参数、工艺条件参数以及计算控制参数等；同时，数据库具有扩充、修改功能，即用户可加入数据库中尚未存储的各类参数。
⑵几何造型和网格划分模块。几何造型软件用于定义型腔、浇注系统和冷却系统的形状，利用网格划分模块进行自动剖分、生成用于分析计算的数据文件。
⑶初始设计模块。初始设计模块供用户选择注塑材料、冷却介质、模具材料和注塑机，生成材料性能、工艺条件、计算控制参数供分析计算模块调用。
⑷分析计算模块。包括流动分析、保压分析、冷却分析和翘曲分析模块等，是注塑模CAE分析软件的核心。
⑸结果显示。使CAE分析软件结果可视化，可提供压力分布图、速度场图、等值线图和熔体填充瞬态图等。模具设计人员根据图表和数据，判断模具设计是否合理，并进行修改。
三、注塑模具传统设计、制造与模具CAD/CAE/CAM技术的比较
图1-1、1-2给出了人工设计、制造模具与CAD/CAE/CAM技术制造模具两种方法所采用的设备及技术需求。从图1-1、1-2中可以看出，两种注塑模设计、制造方法所采用的设备和技术具有较大差异，传统的设计、制造方法主要依赖于设计人员和钳工的经验技巧，利用传统的机械加工设备，是一种串行的设计、制造模具的方法，现代化的注塑模设计、制造方法，主要依赖CAD/CAE/CAM技术、计算机网络和数控加工设备。
另外，图1-1较图1-2中多了一个工程分析模块，使设计的合理性及时得到验证，不必等到模具制造完成，试模时发现设计、制造中有错误再返工。从而降低成本，提高模具质量，缩短制模时间。
传统设计、制造和模具CAD/CAE/CAM的过程比较。
1、传统设计、制造模具
图1-3给出了人工设计、制造注塑模具的流程图，一般分成下列四个阶段。
①产品设计和重建产品模型。用户提供给模具设计人员常有三种形式的资料，第一种是样件，第二种是图纸，第三种既有样件又有图纸，但需修改样件模型。不管提供哪种资料，模具设计者必须得到详细的产品图才能进行模具设计。
模具设计者面临重新构造产品形状，计算加工材料的收缩率。产品图中每一个尺寸均须乘上一个因子（材料收缩率）。在较复杂的模具设计中，由于尺寸很多，都要乘上一个因子，确是一项麻烦、费事并易出错的工作。当产品图纸已作处理并反映了收缩率之后，才可正式开始设计模具。
②模具设计。在进行模具设计时，其设计过程基本是按以下程序进行：
⑴确定注射机型号。
⑵确定型腔数量和型腔排列。
⑶确定分型面。
⑷确定侧向分型与轴芯机构。
⑸设计浇注、排气、冷却、顶出系统。
⑹设计导向装置。
⑺确定模架和选用标准件。
⑻选用模具钢。
⑼绘制模具装配图和主要零件图。
③制造、抛光、装配。一般在模具零件图和总装图设计完成时，型腔，型芯和其它模具零件材料已准备完毕，且样模等辅助工具也已制成。零件毛坯经切削、手工抛光和反复修配，然后组装成一个完整的模具。
④试模、修模。模具装配后就吊裝到注射机上试模，如果试模成功，就对试件进行尺寸检查，看看是否符合图纸要求。如果不符合，模具要送回模具车间返修。这个过程一直持续到打出合格试件为止。有时制品不能完全达到设计的预期要求，设计方案就要修改，这就牵涉到模具设计的改变，重复修模和重新试模。值得指出的是，反复修模会使模具因修正（如焊接）而出现内应力，从而使模具的整体性能恶化。最后考核的项目，是确定注塑产品是否符合要求。如果答案是否定的，则整副模具就有可能报废，并须重新开始一个新的设计过程 。
人工设计方法的分解暴露了这种方法的许多不足之处，当然这些问题也不会同时出现在某一个产品的设计上。
2、模具CAD/CAE/CAM技术
图1-4给出采用模具CAD/CAE/CAM技术进行注塑模设计、制造的流程图。用CAD/CAE/CAM技术进行注塑模设计、制造一般分下列几个阶段。
①产品设计和模型建立。计算机辅助设计、工程分析和制造所用的产品模型不同于人工设计。以计算机为基础的模型通常是一种完备的三维描述，而不是图纸表示的二维描述。用三坐标测量机可以精确采集塑件三维坐标，对测得的数据进行处理，生成产品的曲面或实体模型。通过交互方式修改产品模型，并用软件模块显示产品的实体图形，对产品可进行修改完善。接着利用软件的自动投影功能，可将产品的各个视图自动求得，存入相应的数据库。如果软件具有特征造型功能，可输入塑件的形状特征、精度特征和材料特征并存人系统的工程数据库中。 ②模具结构设计和工程分析。与传统模具设计一样，在模具设计时也需进行确定注射机型号等多项工作。不同之处，传统设计完全由人的经验来决定诸如型腔数目、浇注系统和冷却系统中的一系列设计方案，采用模具CAD/CAE技术，则完全在计算机上完成各项校核和设计工作。
首先分析塑件壁厚和流动长度是否可行，该塑件是否能在现有注塑机上生产，以及生产成本如何，如果存在问题，及时修改方案。
在许多场合下，浇口设计一般在模具设计、制造快完成时才考虑，这往往容易铸成大错，若将浇口设计与产品性能同样作为一个初始的考虑因素则可避免这样的失误。利用流动分析模块可以确定浇口的位置和大小且使：①局部成形应力最小；②实现要求的填充方式；③熔接痕处于对产品影响的最小区域；④气穴位置在较合理的地方。
浇口的位置和大小确定后，就要确定型腔数目和注塑机的尺寸大小，我们能用经济性分析程序作出决定，当然要考虑诸如模具制造成本、塑件生产数量、型腔多造成废料多等各种因素来决定。
型腔数目和浇口位置经优化后，可用计算机软件辅助确定模具草图所要求的最小模架，输入要求的型腔镶块尺寸和推荐使用的浇道布置（平衡或非平衡的）等。一般确定模架总体尺寸的依据是推件板必须完全罩住制品型腔区或者说把型腔最大投影区包含在推件板周界以内。选定模架尺寸后，就可以从模架库中调用模架的产品模型。所以，我们不是照一个样子去画出模架，而是由CAD/CAM系统自动生成一个模架，它可供CAD/CAM系统编辑之用，成为某塑件的专用模架。
下一步工作是将塑件产品模型与模具模型合并起来。塑件的几何形状一般先贮存在数据库中。可以从数据库中复制出这些几何形状并通过单个命令将其在一个选定的位置自动装入模具模型。假如材料的收缩率是均匀而稳定的，只要用一个简单的标度命令即可对模型进行修正（考虑收缩的影响）。执行的内容，是将模型的所有尺寸乘上一个收缩因子，然后再显示出经修正的图形。在某些情况下，也可由合并命令实现。假如材料性质较复杂，例如，在流动方向和横向具有不同的收缩率，那就要采用稍复杂的方法。
塑件的几何形状并入模架中，并根据预期的收缩加以修正之后，就可确定型腔块。这些型腔块必须包含有辅助性的分割面，以满足滑动、顶出或其它机械动作。在加大分割面时充分注意到叠层的作用，接下来提取这些模具零件的实体就很容易，这样就简化了生成这些零件图的步骤。在这种情形下，模具设计者可以集中精力去确定浇道系统的设计。流动分析程序在这里可用于设计人工平衡浇道系统。这样设计出来的浇道系统将使塑件具有最宽广的“加工范围”。目前的软件系统已经可以分析最现代化的设计，如成套模具的人工平衡热浇道设计。
浇道设计结束之后，接着设计冷却系统。在冷却系统设计中，会出现与顶出机构争夺位置的问题。过去缺乏计算机技术，很少去研究水道形状、水温和水道位置之间的关系，更谈不上什么优化。由于对顶出要求了解得较多，所以先满足顶出设计要求，然后在位置允許的条件下再加入水道，结果是塑件的顶出没有问题了，但造成冷却时间过长，生产率低，增大了生产塑件的成本。利用冷却分析程序，提供一个冷却系统的设计方案。设计者首先得到水道的尺寸及其距离模具表面深度的设计推荐值。然后设计者就可在现有的模具空间范围内对推荐值进行斟酌，确定一个方案。接着，将此方案输入计算机进行分析，在试模之前就可了解方案的性能特点和经济性。根据水道几何形状及位置的描述，计算机可以将这些水道组成一个回路，使冷却液压力降与温升的配合达到最佳。然后，计算机推荐适当的水温、流速以及冷却时间，进行适当的冷却。将冷却时间与理论最小冷却时间评估，可以判断为了提高生产率是否还要改变冷却系统的设计。这种分析还有如下优点：确定这样的冷却回路能避免型腔中的热点，使得两半对开模的温度保持一致，确保在不产生热变形的条件下实现最短的生产周期。
冷却系统设计完毕后，就可在模具设计方案中添入其余零件，如顶杆，导柱，分型面锁紧装置等。通过模具零件库既可以按特殊尺寸生成零件，又可以从数据库中复制零件。这两者都促进了模具设计的标准化。由于标准的结构可以与标准的设计相结合，从而促进了模具设计质量的提高和成本的下降。利用特征造型技术对数据库中增添非图形信息，这种信息依附于一组特定的几何图形。例如零件号与价格，与零件的几何图形一起贮存在数据库中，日后能对非图形信息进行扫描并提出报告。
基本设计方案完成之后，可检查任何活动零件的性能。 CAD/CAM便于在屏幕上让这些活动零件的图像平移或转动，因此决定这些零件相对其他模具零件所需的活动范围。活动零件包括滑动机构、顶出机构、反顶出驱动机构等。如果运用运动仿真软件系统，还能对装配进行真实的动态分析，这种软件能帮助设计者检查设计的机械动作是否达到要求的轨迹，是否与其它零件相干扰。
③数控加工编程和加工仿真。模具设计分析完成后，根据工艺规程要求，对模具零件例如型腔、型芯、电极等分别进行数控线切割加工编程、数控电火花加工编程、数控铣加工编程等，主要是对设计阶段生成的型腔、型芯和电极的三维形状离散化，生成刀位数据文件，并根据其特征信息和机床信息自动生成加工指令代码。
自动编程的关键是，系统要有描述型腔、型芯、电极详细的特征造型信息。利用计算机强大的图形功能，可将被加工零件的加工过程（切削、切割、电火花加工）在计算机上动态模拟，检查加工效果（切削量、干涉、切削速度等），从而克服加工盲目性，避免加工零件报废，并缩短加工时间。
四、 注塑模CAE技术在现代塑料产品开发中的作用
注射模CAE技术能有效地应用在如下的注塑加工领域中：①使塑件和模具一次成功的可能性达到最大；②解决诸如翘曲、尺寸不稳定和加工周期长等问题；③减少加工成本，如模具投入使用成本、塑件注射成本、材料费、模具返工费、废料和回用料成本等。从图1-2中可以看出，注塑模CAE分析在模具制造之前进行，如发现错误，便可及时修改概念设计、产品设计和模具设计阶段的内容。
五、 结束语
注塑模CAE技术是CAD/CAM向纵深方向发展的必然结果，是实现注塑模CAD/CAE/CAM集成化的关键技术之一，是保证模具的质量、缩短模具的设计与制造周期、降低成本的必要手段；在实施CAD/CAE/CAM系统方面，不仅要重视“硬件”的引进，还要关心“软件”的建设，使CAD/CAE/CAM技术从根本上改变传统的模具设计和制造方法，产生明显的应用效果。