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1、cad / cae / cam技术在现代塑料模设计制造中的应用班级：材料111姓名：万骞学号：201106088单位：青岛理工大学摘要：介绍了 cad / cae / cam技术在现代塑料模设计与制造中的应用，采用cad / cae / cam技术可提高模具产品的设计质量、缩短模具设计与制造周期、降低产 品成本。还简耍介绍了并行工程、逆向工程、知识工程在塑料模中的应用，展望 了现代塑料模设计制造技术的发展。关键词：塑料模；并行工程；逆向工程；知识工程： 1引言：塑料工业近20年來发展十分迅速，早在十多年前塑料的年产量按体积计算己 经超过钢铁和有色金属年产量的总和，塑料制品在汽车、机电、仪表、航

2、天航空 等国家支柱产业及与人民日常生活相关的各个领域中得到了广泛地应用。相应 地，塑料模具在整个模具行业占有很重要的地位。根据国内外模具市场的发展状 况，有关专家预测，未来我国的模具业经过行业调整后，塑料模具的比例将不断 增大。近年来，塑料模具的设计与制造技术得到很快发展，特别是计算机技术的 飞速发展及其在塑料模设计与制造中的应用，彻底改变了传统的模具设计与制造 方式，使塑料模技术得到了飞跃性的发展。在现代塑料模具设计与制造中，cad 是利用计算机对模具进行几何设计、实体建模、绘图等；cae是利用计算机进行 数值模拟分析计算进而评估和分析模型，从而对模具模型进行优化；cam指设计 的模具模型在

3、经过cae评估分析及优化后，最终进行加工刀具轨迹生成与仿真， 产生数控加工代码，从而控制数控机床进行加工。现代塑料模具设计的思路是设 计者在电脑上直接建立产品的三维模型，并根据模型进行模具结构设计、分析及 优化，再根据模具结构设计三维模型进行nc编程，从而加工出模具。这种方法使 产品模型设计、模具结构设计、模具结构分析、工艺设计及加工编程都以3d数据 为基础，实现数据共享，不仅能大幅度提高设计效率，且能保证质量，降低成本。 下面主要介绍cad / cae / cam技术在现代塑料模中的应用及发展，并简耍介绍并 行工程、逆向工程和知识工程在塑料模中的应用。2 cad e / c在塑料模设计制造中

4、的应用2. 1 cad技术与塑料模设计塑料模设计制造的第一步是塑料产品设计，设计者先在电脑上直接建立产品 的三维模型，再根据产品的三维模型进行模具结构设计及优化设计。三维cad造 型软件如pro / e. ug、catia等为设计师提供了方便的设计平台，它们强大的曲 面造型和编辑修改功能以及逼真的显示效果使设计者可以自如地表现自己的设 计意图，真正做到所想即所得，而口制品的质量、体积等各种物理参数一并计算 保存，为后续的模具设计和分析打下良好的基础。同时，这些软件还有专门的设 计模块，提供模具分型面工具，使得复杂的成型零件都能自动生成，而且标准模 架库、典型结构及标准零件库品种齐全，调用简单，

5、添加方便，这些功能大大缩 短了模具设计时间。下面以三维软件pro/e为例，简要介绍三维cad造型软件在 塑料模设计中的应用。pro/e是一参数化的、基于特征的实体模型设计软件， 其强大和独特的功能主要表现在参数方法和基丁特征的功能，其独特的数据结构 提供了从产品设计到制造过程的全相关i生，任何一处的修改都会引起其他有关 地方的自动修改。pro / e具有零件模块、装配模块、制造模块、模具设计模块等 80个专用模块，其中promoldesign模块的岀现使呱彻底完成了塑料模的设计自 动化，大大提高了模具设计的效率。pro / moldesign是pro / e系统中的一个选择性模块，提供了方便实

6、用的三维 环境下模具设计与分析工具。利用这些工具，可以由制品的三维实体模型建立起 模具装配模型，设计分型面、浇注系统及冷却系统，牛成模具模型零件的三维实 体模型，从而方便、正确地完成模具核心部分的设计工作。利用pm/e系统的布 局及装配模块，还可以进行模具的顶出系统和三维总装配设计，并最终利用工程 模块生成二维工程图。pro'moldesign模块述提供了一些模具设计过程中非常实 用的分析检测功能，其中包括脱模检测、厚度检测、分型面检测、投影面积计算、 充模仿真、开模仿真等。在模具设计过程中适当地利用这些分析检测功能，可以 使模具设计更合理、准确，口能避免设计中不必要的重复劳动。2.

7、2 cae技术与塑料模设计传统的模具设计主要依靠设计人员的直觉和经验，模具设计加工完后往往需 要经过反复调试与修正才能正式投入生产。试模发现问题后，不仅要重新调整工 艺参数，甚至要修改塑料制品和模具结构，这种生产方式严重制约了新产品的开 发效率。在现代模具设计技术中，cae技术彻底克服了这一问题。例如moldflow. polyflow等cae软件可以在模具制造前对模具设计的效果进行分析和预测。在注 射模设计过程中利用模拟流动分析软件ployflow提前对模具的设计效果进行分 析和预测，其内容包括确定最佳浇口位置、填充、保压、冷却、翘曲、结构应力、 最佳成型工艺等hlo通过分析，在设计阶段就预

8、测产品可能出现的缺陷，指导模 具设计师对已设计的模型进行修改和优化。从而提高一次试模的成功率，降低生 产成本，缩短产品的开发周期。在挤出模设计过程屮可利用polyflcw指导模具的 优化设计。例如，利用polyflow分析不同工艺条件下的挤出成型效果，以此来确 定挤岀的最优条件；可根据挤出制品的形状，利用polyflow进行口模设计等。此 软件的应用领域包括从板材、管材、异型材的挤出模拟，到双层复合挤出和双螺 杆挤出模拟等许多方面。2. 3 cad / cae技术与塑料模结构分析随着实际生产的需要和模具设计技术的发展，模具设计已经不仅仅停留在对 外观和结构的设计上，现代塑料模具技术已经扩展到对

9、模具结构分析的领域。对 己经设计出的模具运用cae软件（尤其是有限元软件）进行强度、刚度、抗冲击试 验模拟、跌落试验模拟、散热能力、疲劳和蠕变等分析，检验模具结构设计是否 合理，分析出结构不合理的原因和位置，然后在cad软件屮进行相应修改，再在 cae软件中进行各种性能检测，最终确定出符合性能、经济性等方面要求的、最 优化的模具产品。利用cae分析软件对塑料模结构分析的主要应用在以下几方面：强度和刚 度分析。运用c软件如ansys、defoma等对模具施加约束和载荷等外部条件来模拟 模具的真实应用情况，分析模具的强度和刚度是否达到规定要求。抗冲击试验 模拟。分析随时间变化的载荷，如交变载荷、随

10、机载荷和其他瞬态力等对结构的 影响，从而对模具结构提供完整的评估与解决方案。跌落试验模拟。分析模具 结构由于碰撞或跌落产牛的力、变形、应力、位移等对模具结构的影响。散热 能力分析。模拟模具中的温度分布，对各种材质模具的散热能力进行初步分析。疲劳和蠕变分析。对于那些可能在集中载荷、循环载荷和常值位移作用下的模 具或处于低温或者高温工作条件的模具产品进行初步的疲劳分析和蠕变分析。通过对cad / cae技术在塑料模设计中应用的分析，可以得到现代塑料模设计 的大致流程：用三维软件对产品进行实体造型，其中如有需要可以利用cae软 件(如ansys)对塑件产品的使用环境和情况进行强度、刚度等方面的分析和

11、校正, 使之满足使用要求或节约原材料(cad / cae)；根据选用塑料的相关数据进行模 拟流动分析(cae)；根据模拟流动分析结果，利用三维软件在塑件实体模型的 基础上进行模具设计(cad)；利用cae软件，如ansys,对模具结构进行强度刚 度等方面的分析(cae)；根据cae的优化结果，利用cad修改产品或模具几何实 体模型，直至获得最优化的模具结构；最后生成二维工程图。2. 4 im技术与塑料模制造模具结构通过cad / cae阶段的优化设计和分析，将模具设计的错误消除在设 计阶段，然后再利用cam技术，自动牛成加工模具型腔的"c代码，实现数字化制 造8-iolo例如，在利用

12、pro / e进行注射模设计时，将设计的注射模模型经过cae 评估分析及优化后，最终在cam中进行刀具轨迹生成与仿真，产生数控加工代码, 从而控制数控机床进行加工。这种方法使产品造型设计、模具设计、加工编程及 工艺设计都以3d数据为基础，实现数据共享，不仅能快速提高设计效率，而且能 保证质量，降低成木。另外，也可以采用专业的cam软件mastelcam来现注射摸的 g mo利用pro/e设计的注射模模型经过cae评估分析及优化后，便可在pm / e中 提取相关加工信息，通过iges或dxf传入mastcacam软件屮进行模拟加工。 mastelcam是数控加工自动编程常用的软件，它提供刀具选择

13、、加工路径规划、 切削用量设定等功能，设置有关参数，编辑好后处理文件，就可以自动生成加工 程序并传输至数控机床，最终完成零件的加工。现代模具制造的必然趋势是机械 加工尽可能地取代手工加工。目前数控车床、多轴联动数控机床、模具雕刻机等 现代设备已在工厂屮广泛使用，这些设备大部分所用的程序都是应用cad / cae / cam系统产生的。操作人员按照规定的程序装夹工件、配备刀具和操作机床， 就能自动地完成加工任务，将合格的模具零件制造出来。cam技术使得数控加工 技术快速发展，也促进模具技术迅速发展。与传统加工方法相比，cam具有准确、 快速、简便的优势，给人们带来极犬的方便，省去了代码编辑、调试

14、等繁琐的工 作。采用模具cad / cae / cam技术具有提高模具产品设计质量，缩短模具设计、 制造周期，提高塑料制品质量，降低成本等优点，是塑料模设计和制造技术发展 的必然方向。3并行工程在现代塑料模设计制造中的应用随着全球经济一体化的发展，各企业间的竞争日益激烈，而其竞争逐渐趋向 于产品设计制造周期、产品质量、生产成本、客户服务等方向，即(time, quality, cost, service)之间的竞争。并行工程(concurrent, engineering, ce)正是基于 此而产生和发展起来的。它是以计算机技术、信息技术为基础，通过集成企业的 一切资源，并行化进行产品开发制造

15、，是一种以动态优化方式处理问题的系统工 程方法。并行工程的具体做法是：在产品开发初期，组织多种职能协同工作的项 目组，使有关人员从一开始就获得对新产品需求的要求和信息，积极研究涉及本 部门的工作业务，并将所需要求提供给设计人员，使许多问题在开发早期就得到 解决，从而保证了设计质量，避免了大量的返工浪费。模具产品的设计不同于普通产品，它的主要特点是：设计过程复杂，信息含量大, 设计因素众多，专业分工细致。计算、分析过程繁琐，制造资源要求高。另外， 现代模具设计制造技术依赖于快速发展的计算机技术，cad、cae、cam和pe1v1 的高度集成，使模具设计制造向数字化与智能化方向发展。利用计算机技术

16、实施 实体建模、优化、仿真、虚拟制造、原型制造等，不但提高了设计效率，同时也 保证了更高的设计质量。相应地，由此决定的模具设计与制造是一个复杂的过程, 需要多部门的人员共同参与和协同工作，因此进行模具产品的协同设计研究有着 广泛的实用价值。模具设计制造过程中应用并行工程技术，在产品的研发设计初期就由相关应 用部门介入，使设计、工艺、制造、装配、销售、维护等多部门人员直接参与.并 由多部门人员共同组成产品开发小组，这样不仅可以降低成本，还可以人人缩短 产品开发周期，改善产品质量。基于并行工程的模具设计流程如图1所示。模具 整体设计和制造过程的各个环节是相互关联、相互依赖的，这就耍求在总体设计 时

17、，充分考虑模具结构设计、零部件加工工艺等诸多因素，因此有必要建立模具 设计并行工作小组(由设计、工艺、加工等人员组成)，研究、讨论、制定小组的 工作目标。应用在模具设计和制造屮的并行工程强调以产品为屮心，以市场为导向的快 速开发机制，在团体式的协作工作中，及时沟通产品生产厂、模具设计者和模具 制造厂之间的信息，强调设计过程中的实时性和并行性，通过组建动态联盟和合 理的协同工作环境，在计算机高速信息网络技术的支持下，实现人力、物力资源 的集成和信息的共享，从而把模具设计和制造带入一个全新的、快速发展的阶段。 4逆向工程在现代塑料模设计制造中的应用在塑料模具市场竞争h益激烈、新产品层岀不穷、技术含

18、量不断提高、产品 市场寿命和制造周期不断缩短的今天，要求模具企业既要具有快速开发产品的能 力，又要具备创新设计的能力。基于此，近年来一些企业逐步开始采用逆向工程 技术来模仿、借鉴以及消化吸收国内外其他同类产品的先进设计，开发自己的产 品。逆向工程(reverse engineering, re)是指在无图纸或者图纸不完整以及无 cad模型的情况下，根据现有实物或概念模型，利用各种数字化技术及cad技术， 重新构造原型cad模型的过程。相对于传统的正向工程的设计思路，逆向工程有 以下特点：可以较快捷地对实物进行克隆、再设计或者设计出与实物相匹配的 产品；基于已有实物进行产品开发，可以提高研发成功

19、率；不需要从零开始 进行cad建模，可以大大缩短产品的设计周期，特别是对于大型、结构复杂和精 密的产品设计而言，效率会提高更多。逆向工程技术主耍包括数据采集、数据处 理、造型以及快速制造等，大致分为两步。第一步就是运用各种手段，釆集实物 模型的有关数据。其测量方法主要有2种：一是传统的接触式测量法，如三坐标 仪测量法；二是非接触式测量法，如投影光栅法、激光三角形法。第二步就是模 型重建，常用造型软件大致可以分为两大类：一是专用的逆向软件，如美国 imageware公司的surfacer等。二是提供逆向处理模块的正向cad / cae / cam 软件，女ip公司的pro / scan-tool

20、s模块，ey13公司的ug / point aoud功能模块 等逆向工程是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术，该技术己经广泛应用 到新产品的开发、i口零件的还原以及产品的检测中，它不仅消化和吸收实物原型, 并且能修改再设计以制造出新的产品。逆向工程由于其开发产品的快速性，己经 被广泛应用在模具行业。逆向工程可以极大地缩短新产品的开发周期，提高产品 的设计和制造质量，增强企业对市场的快速响应能力。5知识工程在现代塑料模设计中的应用模具在现代产品制造中起着越来越重要的作用，而模具设计是一项对经验知 识要求较高的工作，一个好的模具设计人员需通过长期的实践和学习来积累相关 的设计经验、技巧、方法乃至

21、失败的教训。为了帮助模具设计人员快速、高效地 完成模具设计工作，减少人为的设计失误，国内外的研究人员把知识工程引入到 模具设计中，通过建立基于知识的儕能模型，用计算机模拟人类专家的智能活动, 辅助模具设计人员进行分析、判断和决策，以实现设计过程的智能化、数字化, 达到缩短企业对市场需求的响应时间，增强企业市场竞争能力的目的在工程设 计领域，知识工程将人工智能(包括知识库、知识规则、逻辑推理等)与cax系统 (g、cae、m)有机地结合起来，使其应用对象从几何造型、分析、制造扩展到 设计领域，形成了工程设计与cax系统的无缝连接。注射模设计是一项复杂的知 识密集型工作，将知识工程的相关技术与注射模设计结合起來，构成智能化的设 计和决策体系，从整体上提高注射模的水平是模具行业计算机应用发展的重耍方 向之一。近年来，研究注射模设计单元技术与知识工程相结合的成果越来越多， 包括型腔与分型面设计091,智能化顶出机构设计等。基于实例推理的模具设计 技术是知识工程在模具设计中一个重要应用。戚占龙介绍了-种基于实例推理技 术的模具设计方法，通过状态空间法表示了设计实例，阐述了基于相似度理论的 最近邻居算法检索策略，能够对实例库中的实