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现代模具设计技术的现状及发展趋势
点击:130 日期:2017-6-1 14:58:59

        摘要: 主要介绍了现代模具设计的内容和基本的设计方法,简要分析了模具设计与机械设计的区别; 分类介绍了与模具设计相关的软件,包括二维计算机辅助设计( CAD) 软件、三维计算机辅助设计( CAD) 软件和计算机辅助工程( CAE) 软件; 阐述并比较了各软件在模具设计方面的优缺点; 最后,提出了现代模具设计技术的发展趋势,包括集成化、智能化、网络化和三维化等。
        现代模具设计主要是指模具的数字化设计,即充分利用CAD、CAE 等数字化设计软件,结合传统模具设计方法,进行质量高、周期短的模具设计。模具设计过程不仅是设计人员参考设计经验及知识去进行设计的过程,更是一个不断创新的过程[1-3]。
        模具设计属于机械设计的范畴,早期的模具设计主要是利用手工绘图,这使得制造出来的模具在装配、精度等方面均有较大的问题。随着计算机的发展,模具的设计方法已经由传统的手工绘图设计逐步向计算机辅助设计( CAD) 方向发展,给模具设计带来了深刻的变革。同时,在设计过程中,使用计算机辅助工程( CAE) 进行模拟和优化也逐渐成为模具设计的主流。
1 模具设计
1. 1 模具设计的内容
        模具设计的内容包括: 制品工艺分析与设计、模具成型零件设计、模具整体结构设计和模具二维加工图纸设计[4]。
        ( 1) 制品工艺分析与设计。在设计制品时,应使其具有良好的成型工艺性,因为良好的工艺性可以减少材料的消耗,使工序减少,模具结构简单而寿命提高,产品质量稳定,操作简单等。设计时,一般先提出各种可行的成型工艺方案,然后综合考虑产品质量、生产效率、设备占用情况、模具制造和寿命、工艺成本、操作、安全等方面,确定最佳的成型工艺方案。最后,根据确定的成型工艺方案和制品的形状特点、精度要求、生产批量、模具加工条件等,选定模
具类型及结构型式,并进行必要的设计计算。
        ( 2) 模具成型零件设计。模具成型零件主要是指模具上与制品形体相吻合零件,即模具凹模和凸模或者成型镶件。模具成型零件的设计通常是指凸模和凹模上的型芯和型腔的设计,要求型芯和型腔的形状、结构、尺寸、精度等都必须与合格制品及其生产要求一致。
        ( 3) 模具整体结构设计。1) 精度的设计: 模具精度主要指模具及其各零部件之间的位置精度、形状精度、尺寸精度、配合精度、导向精度等。模具精度设计是指在模具设计时,通过进行严格的尺寸、精度等的设计及计算,来保证最终模具的各种精度及可靠性。2) 导向装置的设计: 模具运动方向的导向,是由导向装置来保证的。同时,导向装置对模具间隙的均匀性,精确合模运动还起定位的作用。常用的导向装置有导柱与导套组成的导向装置( 含滑动和滚动配合) ,导板导向装置( 含一般导板副和自润滑导板副) ,滑块与导轨组成的斜抽芯导向和冲模送料的导料板导向等四种。3) 脱模、卸料与抽芯的设计: 注塑模与压铸模的脱模,通常采用在型面上设计拔模斜度,同时在定模上设置顶件机构。冲模的卸料,通常采用在凹模上设计漏料孔漏料,在凸模上设计打料机构或设计气孔以及用压缩空气吹料等方法。注塑模与压铸模的抽芯机构,通常采用斜楔抽芯机构、液压缸抽芯机构以及齿轮机构等方法。4) 进料与冷却系统设计: 冲模的送料及安全机构设计,注塑模和压铸模的进料与浇注系统设计、冷却系统设计,都是进行模具整体设计的关键技术,其中采用的一些零件和元件,均已形成标准产品,以便用户在设计时选用。5) 支承与紧固的设计: 模架是模具的主要支承部件。模架分上模座( 或动模) 和下模座( 或定模)两部分,在模座上固定有凸模及其配件和凹模及其配件,在压铸模和注塑模的定模部分还设置有顶料机构。模座也是送料机构、抽芯机构的支承部件。另外,冲模中的凸模垫板、固定板及卸料板的支承配件,注塑模中的垫块、支承板以及顶杆的固定板等均是具有一定功能的标准支承零件。
        ( 4) 模具二维加工图纸设计。模具二维图纸包括模具零件图和装配图,其中,模具零件图的绘制主要是指非标准的模具零件图的绘制,对于直接采购的标准件无需绘图。模具零件图的绘制应符合机械制图国家标准及模具制图相关注意要点。绘制模具装配图时,无论采用手工绘制还是计算机绘制,应把模具的整体结构和各零部件的装配关系、紧固、定位等表达清楚。
1. 2 模具设计的方法
        模具设计的方法主要跟模具的CAD 设计技术挂钩,如采用标准化设计、模块化设计、参数化设计和智能化设计等。
        ( 1) 标准化设计。模具的标准化设计主要是指模具中一些零部件的标准化,使得在设计模具时有些标准化的零部件可以直接调用,不用再另行设计,方便模具设计,减少模具设计时间,提高设计效率。模具标准化可提高模具使用性能和质量,节约材料,缩短生产周期,有效地降低模具生产成本,简化生产管理和减少企业库存。
        模具标准化设计需要参照一定的标准,如国际三大模具标准( MISUMI、HASCO 和DME) 和我国模具国家标准。我国模具国家标准包括: 注塑模具国家标准、冷冲模国家标准和压铸模具国家标准等。其中,注塑模具国家标准有: 注塑模模架标准GB /T12555—2006,注塑模标准件标准GB /T 4169—2006和GB /T 4170—2006 等; 冷冲模国家标准有: 冲模模架标准GB /T 2851 ~ 2861—2008,冲模零件标准GB /T 2862 ~ 2875—1981 等;压铸模具国家标准有: GB/T 4678—2003,GB /T 4679—2003 等。另外,还有一些新的模具国家标准正在制定中。
        ( 2) 参数化设计。参数化设计[5]又称尺寸驱动,是指对零件上各种特征施加各种约束形式,各个特征的几何形状与尺寸大小用参数变量的方式来表示,如果定义某个特征的参数变量发生了改变,则零件的这个特征的几何形状或尺寸大小将随着参数的改变而改变,随之刷新该特征及其相关联的各个特征,而无需再重新画图。
        ( 3) 模块化设计。模块化设计[6-7]就是利用产品零部件在结构及功能上的相似性,实现产品的标准化与组合化。大量实践表明,模块化设计能有效减少产品设计时间并提高设计质量。与其他种类的机械产品相比,模具的模块化设计特点是: 模具零件的空间交错问题; 凸凹模及某些零部件外形无法预见; 模具类型与结构变化多等。
        ( 4) 智能化设计。智能化设计是人工智能技术与CAD 技术的结合,目前主要是指专家系统在CAD中的应用,包括成型材料选择,模具总体方案设计,成型工艺参数选择和模具费用评估等方面。
1. 3 模具设计软件
        模具设计软件主要有计算机辅助设计( CAD)软件和计算机辅助工程( CAE) 软件。CAD 是指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作,根据绘图环境的不同分为二维CAD 和三维CAD,其中,二维CAD 主要进行二维图形的设计,三维CAD主要是进行三维实体造型设计。CAE 是指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能,以及优化结构性能等。
1. 3. 1 二维CAD 软件
        模具设计中常用的二维CAD 软件有: AutoCAD、PICAD、中望CAD、CAXA CAD 和三维软件附带的二维CAD 等。
        ( 1) AutoCAD。AutoCAD 是美国Autodesk 公司开发的CAD 软件,主要用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计,其中最擅长于二维绘图领域。AutoCAD 软件具有通用性、易用性,适用于各类用户,现已经成为国际上广为流行的绘图工具。目前,其最新版是AutoCAD2016。
        ( 2) PICAD。PICAD 是北京凯思软件公司开发的参数化、集成化的二维CAD 设计系统,具有智能化、参数化、本地化、开放性、适用性等特点。目前,其最新版本是PICAD3000 和PICAD 旗舰版。
        ( 3) 中望CAD。中望CAD 是广州中望龙腾软件股份有限公司自主研发的CAD 平台软件,搭载建筑、机械、模具、水暖电等专业模块。其主要功能特色有: 智能符号标注,提升设计效率与精准度专业BOM 功能,实现数据无缝对接丰富的专业标准件库。目前,其最新版是中望CAD 2015。
        (4) CAXA CAD 电子版图。CAXA CAD 电子版图是北京数码大方科技股份有限公司开发的一款二维CAD 软件,广泛应用于机械、模具等企业,如格力电器、北汽福田、东风汽车等。目前,其最新版是CAXA CAD 电子图板2016。
        ( 5) 常用的三维CAD 软件自带的二维CAD 模块。Pro /E、UG、SolidWorks 等三维软件都自带二维CAD 模块,即工程图模块,能很方便地将设计好的三维实体转化为二维工程图。然而,为了最终能生产出实物,往往需要非常详细的二维工程图,而用这些三维软件来完成这样的二维工程图往往没有在Auto-CAD 等专用二维CAD 软件中完成来得方便和简捷。
        目前,大部分企业在进行模具设计时,一般都是先利用三维CAD 软件进行三维造型设计,再运用其工程制图模块导出二维工程图,然后将导出的工程图导入专用的二维CAD 软件中去进行二维设计,也即进行修改、尺寸标注等后期工作,最后生成最终的二维图纸[8]。
1. 3. 2 三维CAD 软件
        模具设计中,常用的三维CAD 软件有UG NX、Pro /E、SolidWorks、CATIA、Delcam PowerSHAPE、中望3D 等。利用三维CAD 软件进行模具设计主要是利用它们的三维造型功能及模具设计模块。
        ( 1) UG NX。UG NX 软件是西门子公司开发的三维CAD 软件,可进行工业设计、产品设计、仿真与优化和NC 加工,其最新版本是UG NX12. 0。UGNX 软件的模具设计模块是MoldWizard,该模块提供了整个模具设计流程,包括产品装载、排位布局、分型、模架加载、浇注系统、冷却系统以及工程制图等。
        MoldWizard 模块具有设计简单直观、操作方便、自动化程度高、快速分型、拥有完整的标准模架库和标准件库等优点,缺点是对较为复杂的零件自动分模功能不强; 可视化不够[9]。UG MoldWizard 模具设计实例如图1a 所示。
        ( 2) Pro /E。Pro /E 软件由美国参数化技术公司开发,具有参数化设计、模块化、基于特征建模、单一数据库等特点,其最新版本是Creo4. 0。Pro /E 软件的模具设计模块是MoldDesign,该模块提供了注塑模具设计常用的功能及仿真模具设计过程所需的工具,可以辅助设计人员完成整副模具的设计。
MoldDesign 模块用于设计模具部件和模板组装,具有铸模模拟开模功能,可以便于观察设计结果,基于完全参数化和模块化的设计思路,操作及修改方便。缺点是操作繁琐且可视化不够; 对于较为复杂的零件,往往不能简单通过分型线自动查找和延展来创建分型面; 标准零件库还需进一步的开发与完善[10-11]。Pro /E MoldDesign 模具设计实例如图1b所示.
        ( 3) SolidWorks。SolidWorks 软件是法国达索系统公司旗下的子公司SolidWorks 公司开发的三维CAD 软件,具有零件建模、曲面建模、钣金设计等模块,其最新版本是SolidWorks2016。SolidWork 软件的模具设计模块是IMOLD 插件,该插件完全集成于SolidWorks 的界面中,模具设计师通过它可进行包括设计方案管理、模具设计过程、加工和模具装配的整个处理过程。
利用IMOLD 模块进行模具设计具有快捷方便、出图速度快、与CAD 通用性好、模架库丰富、自动分型等优点。缺点有: 曲面造型功能不够强大; 分型功能自动化程度不够高,对结构及形状复杂的制品分型困难; 标准零件库需进一步完善等[12]。Solidworks模具设计实例如图1c 所示。

                               
        ( 4) CATIA。CATIA 软件是法国达索系统公司开发的三维CAD 软件,具有创成式和自由风格造型、汽车A 级曲面、自由风格草图绘制、数字曲面编辑器、快速曲面重构、汽车车身紧固等模块,其最新版本是CATIA v6。CATIA 软件的模具设计模块是Mold Tooling Design,该模块具有模架组件、脱模组件、固定组件、导向组件、浇注组件、定位组件等功能组件,支持包括动定模固定板定义、组件实例化、注射和冷却特征定义等模具设计的所有工作[13]。其主要优势是曲面造型功能强大与设计流程直观、简单,不足是标准件库不够完善, 自动化程度不够高。Mold ToolingDesign 模具设计实例如图1d 所示。
        ( 5) Delcam PowerSHAPE。Delcam PowerSHAPE软件是由Delcam 公司开发的三维造型设计系统,具有专业化的塑料模具、冲压模具设计模块和自动电极设计模块,最新版本是DelcamPowerSHAPE 2016。
        Delcam PowerSHAPE 软件的模具设计模块是DelcamToolmaker,该模块主要包括自动模具镶嵌块向导、自动模架向导、滑块向导、冷却向导和零部件向导五个模块,具有自动绘图、自动分型、自动型芯、滑块和冷却水道设计的功能。在模具设计上的主要优势是操作方便和自动化程度高,缺点是: 与UG 等软件的模具设计模块相比,自动化程度不够高; 模具设计流程不够简单; 模架及标准件库还需进行进一步的开发与完善。Delcam Toolmaker 模具设计实例如图1e
所示。
        ( 6) 中望3D。中望3D 软件是广州中望龙腾软件股份有限公司开发的三维CAD 软件,具有曲面造型、实体建模、模具设计、钣金等功能模块,其最新版本是中望3D 2016。与其他软件的模具设计模块相比,中望3D 模具设计模块的优势是灵活实现自定义型芯型腔区域分割; 可快速创建分型面; 具有完整的模架及标准件库; 可直接调用塑胶模具常用机构; 配备参数化的流道、浇口设计。缺点是自动化程度不够高,设计流程不够简单。中望3D 模具设计实例如图1f 所示。
1. 3. 3 CAE 软件
        正确的模具设计,是CAD 设计与CAE 模拟仿真交替进行,即先进行初步的CAD 设计,然后进行CAE 优化设计,不断重复上述过程,直至确定最优的设计方案。用于模具设计的CAE 软件根据模具的类型有:
        ( 1) 注塑模具设计CAE 软件
        Moldflow 软件是美国Autodesk 公司旗下的一款注塑成型CAE 仿真软件,其主要功能有: 结构优化、浇口位置和流道优化、流动分析、冷却模拟、翘曲分析、纤维取向分析、注塑参数优化、气辅工艺模拟、热固性材料注塑模拟等,最新版本是Moldflow 2015。运用Moldflow 软件,能够验证和优化塑料制品、注塑模具结构和注塑成型工艺流程。基于Moldflow 软件的注塑成型模流分析如图2a 所示。
        Moldex3D 软件是台湾科盛科技股份有限公司开发的一款注塑模流分析软件,广泛应用于塑胶成型制品的模流分析,其最新版本是Moldex3D R14。通过模拟仿真结果来展示壁厚、浇口位置、材料、几何形状变化等因素如何影响可制造性,从而优化塑料制品及其注塑模具设计。
        HSCAE 软件是华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室推出的注塑成型CAE 软件,可进行冷却模拟分析、应力分析、翘曲分析、气辅分析等模拟分析,用来模拟分析、优化和验证塑料制品及其注塑模具设计,其最新版本是HSCAE 3D 7. 5。
        ( 2) 钣金冲压模具CAE 软件
        Dynaform 软件是美国ETA 公司和LSTC 公司联合开发的、用于板料成型数值模拟与模具设计的专用软件,其最新版本是Dynaform 5. 9。Dynaform 软件几乎涵盖冲压模模面设计的所有要素,包括: 确定最佳冲压方向、坯料的设计、工艺补充面的设计、拉延筋的设计、凸凹模圆角设计、冲压速度的设置、压边力的设计、摩擦因数、切边线的求解、压力机吨位等。基于Dynaform 软件的钣金成型模拟分析如图2b 所示。
        AutoForm 软件是德国AutoForm 公司开发的应用于薄板冲压成型仿真领域( 尤其是汽车工业) 的CAE 软件,其最新版本是AutoForm R6。AutoForm 是专门针对汽车工业和金属成形工业中的板料成形而开发和优化的,用于优化工艺方案和进行复杂型面模具设计的有限元分析软件,具有工件设计、模面设计、坯料设计、排样设计、修边设计、工艺优化、管胀模具设计、快速分析、精密分析等模块。

                                
        ( 3) 压铸模具CAE 软件
        ProCAST 软件是美国UES 公司开发的铸造过程的模拟软件,可以预测缩孔、裂纹与变形、裹气、冷隔及浇不足、压铸模具寿命等,进而模拟整个压铸过程对压铸成型产品的影响,优化模具设计,其最新版本是ProCAST 2015。基于ProCAST 软件的压铸成型模流分析如图2c 所示。
        德国MAGMA 公司研究开发的MAGMASOFT 软件能分析压铸过程的传热和流体的物理行为,凝固过程中的应力及应变,微观组织的形成,可以准确地预测铸件缺陷,其最新版本是MAGMASOFT 5. 2。
        Flow-3D 软件是由美国Flow Science 公司研发的三维计算流体动力学和传热分析软件,广泛应用于水力学、金属铸造业、镀膜、航空航天工业、船舶行业、消费产品、微喷墨头、微机电系统等领域,其最新版本是Flow-3D V11. 1。
        ( 4) 挤出、吹塑模具CAE 软件
        POLYFLOW 和FLUENT 软件主要用于优化挤出、吹塑等成型模具的设计。由于POLYFLOW 公司被FLUENT 公司收购,而FLUENT 公司又被ANSYS 公司收购, POLYFLOW 和FLUENT 软件都成为了ANSYS 公司的产品,均集成在ANSYS 软件中。
        POLYFLOW 软件具有多种多样的黏性模型、内容丰富的黏弹性材料库,专用于黏弹性材料的流动模拟,适用于高分子材料的挤出成型、吹塑成型、层流混合及传热和化学反应问题,可优化挤出、吹塑等成型模具的设计。FLUENT 软件在模具设计方面的应用跟POLYFLOW 软件差不多。基于POLYFLOW 软件的挤出流动分析如图2d 所示。
        ( 5) 模具结构有限元分析软件
        ANSYS 软件是美国ANSYS 公司研制的大型通用有限元分析( FEA) 软件,是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件,最新版本为ANSYS16. 0。
        ANSYS 软件的分析类型包括: 结构静力与动力学分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析等。ANSYS 在模具设计方面的应用主要是产品及模具的结构应力分析、热分析、成型过程的流体分析等。基于ANSYS 软件的模具热分析如图2e 所示。
1. 4 模具设计与机械设计的区别
        模具设计属于机械设计的范畴,模具的整体构造设计方法与通用机械设计基本相同。但是,模具是一种专用成型工具,其设计是随制品的形状、尺寸与尺寸精度、表而质量要求以及成型工艺条件的变化而变化的。因此,模具设计又不同于传统的机械设计,它有专业化的特殊要求,具体体现在: 1) 模具是用于批量生产的基础设备,主要用于型体复杂制品的成型加工; 2) 模具的几何设计必须能够完成制品的所有细节结构的描述; 3) 模具的型腔结构,必须有拔模斜度及必要的圆弧过渡,以满足生产工艺的要求;4) 模具工艺的产品设计专业化程度很高; 5) 模具需要专门设计,单件或几件生产,精度要求较高;6) 模具的使用性能直接由所成型产品性能决定,若良品率不高,则模具不合格。
2 模具设计技术的发展趋势
        现代模具产品制造是典型的单件小批量、离散型生产。提高产品质量和生产效率,缩短模具设计制造周期,最大限度地降低生产成本及满足用户需求,提高模具设计技术在社会进步中的应变能力,是模具工业不断追求的目标,因此,模具设计的发展趋势应该如下[14-15]:
        ( 1) 多集成趋势。现代模具设计应该打破传统的单一发展模式,应该把技术使用、人力资源和管理技术的引用都囊括在内,往多集成趋势发展。多集成概念还表现在学科综合方面,模具设计不仅仅要用到最基础的机械科学与模具设计理论,而且还会用到热学、电磁学、光学以及控制理论等学科。
        ( 2) 智能化趋势。从产品设计到模具设计,再到中间的模具制造,最后到产品的成型,每个环节都将走向智能化。另外,模具设计者以及实际操作者,也将会在科学理论的指导下,实现人与工具系统的有机密切配合。
        ( 3) 网络化趋势。模具设计常用的软件都是需要通过网络上的一些软件技术或者硬件技术实现的。自动化、网络化趋势越来越明显,跨国合作设计模具的成功例子己经是屡见不鲜了,而且这种趋势越来越明显。
        (4) 不断更新趋势。模具设计人员应该用发展的眼光看待同行业的竞争情况,瞄准时代发展的最前沿,不断更新,保持在同行业的竞争力,稳稳立足于机械制造业,生产革命化的重要措施之一就是采用CAD/CAE /CAM 技术,这也是模具设计技术发展的一个显著特点。
        ( 5) 模具软件功能集成化。模具软件功能集成化要求软件的功能模块比较齐全,同时各功能模块采用同一数据模型或同一数据库,以实现信息的综合管理与共享,从而支持模具设计、制造、装配、检验、测试及生产管理的全过程,达到实现最佳效益的目的。
        ( 6) 模具设计、分析及制造三维化。传统的二维模具结构设计已越来越不适应现代化生产和集成化技术要求。模具设计、分析、制造的三维化、无纸化要求新一代模具软件以立体的、直观的感觉来设计模具,所采用的三维数字化模型能方便地用于产品结构的CAE 分析、模具可制造性评价和数控加工、成型过程模拟及信息的管理与共享。
        ( 7) 产品数据管理( PDM) 。PDM 是一门用来管理所有与产品相关信息( 包括零件信息、配置、
文档、CAD 文件、结构、权限信息等) 和所有与产品相关过程( 包括过程定义和管理) 的技术。通过实施PDM,可以提高生产效率,有利于对产品的全生命周期进行管理,加强对于文档,图纸,数据的高效利用,使工作流程规范化。
        ( 8) 产品生命周期管理( PLM) 。PLM 是指从人们对产品的需求开始,到产品淘汰报废的全部生命历程。PLM 是一种先进的企业信息化思想,它让人们思考在激烈的市场竞争中,如何用最有效的方式和手段来为企业增加收入和降低成本。
3 总结
        本文主要介绍了模具设计技术,即模具设计的内容、方法和工具,分析了模具设计与机械设计的区别,具体包括: 1) 模具设计的内容分为制品工艺分析与设计、模具成型零件设计、模具整体结构设计和模具二维加工图纸设计四个方面; 2) 模具设计方法有标准化设计、模块化设计、参数化设计和智能化设计; 3) 模具设计的工具主要是指与模具设计相关的软件,包括二维CAD 软件、三维CAD 软件和CAE软件等。CAE 软件主要是用于模具的优化设计; 4)模具设计应往多集成、智能化、网络化、不断更新、模具软件功能集成化和三维化等趋势发展。

 
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