用于三維模具設(shè)計(jì)制造的CAD軟件

1、用于三維模具設(shè)計(jì)制造的CAD軟件專用于注塑模具設(shè)計(jì)的三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件包已經(jīng)推出了至少10年了。這種軟件通過將一些操作頻繁或重復(fù)性高的任務(wù)實(shí)現(xiàn)自動設(shè)置，或輸入預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)部件，并“記住”用戶專用的模具設(shè)計(jì)“準(zhǔn)則”，不僅可避免誤差的產(chǎn)生，還能夠有效減少生成模具內(nèi)、外部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所需要的時間。 “使常規(guī)操作實(shí)現(xiàn)自動化，意味著軟件能夠更快地執(zhí)行對于模具尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，同時保證了更小的犯錯幾率和更短的設(shè)計(jì)時間?！庇A(chǔ)軟件供應(yīng)商Delcam公司的市場經(jīng)理Peter Dickin如是說。 “開發(fā)模具設(shè)計(jì)軟件的目的是通過自動化或簡化更多的常規(guī)任務(wù)，讓用戶更專注于模具設(shè)計(jì)中更復(fù)雜的方面，從而有效縮短

2、模具設(shè)計(jì)的時間，提高模具的整體質(zhì)量和工作效率，并最終降低生產(chǎn)成本?！盋lear Cut Solutions公司的總裁Bill Genc先生補(bǔ)充道。該公司是法國Mssler Software公司的TopSolid CAD軟件在美國的經(jīng)銷商。 圖1 用于模具設(shè)計(jì)的三維輔助工具可幫助制造商提高對模具模型最至關(guān)重要的方面的界定和分析能力，如型芯和型腔的幾何形狀和分模線的確定以及分型面等（照片來源：Delcam公司）現(xiàn)在較為典型的模具設(shè)計(jì)CAD軟件通過編寫程序或設(shè)定模塊，可構(gòu)建出模具的全景圖像，而這一建模過程看似容易，實(shí)際上則相當(dāng)復(fù)雜，它包括利用零部件的模型來生成模具的型芯和型腔結(jié)構(gòu)，確定分型線的位置、

3、優(yōu)化分型面、選擇合適的模基結(jié)構(gòu)，以及對諸如閥門、冷卻線、流道系統(tǒng)、澆口、滑塊、頂桿、出模器、立柱、墊片、導(dǎo)向器、噴嘴、螺桿和銷釘?shù)雀郊游锏脑O(shè)計(jì)考慮。 模具設(shè)計(jì)軟件還含有多數(shù)企業(yè)（如D-M-E公司、Hasco公司、Futaba公司和Progressive Components公司等）的模具標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫，或具有直接在線連接這些數(shù)據(jù)庫的功能。這樣，在設(shè)計(jì)這些零部件時，相關(guān)數(shù)據(jù)可直接導(dǎo)入3D立體構(gòu)型或2D程序中。 圖2 標(biāo)準(zhǔn)部件的在線數(shù)據(jù)庫可直接導(dǎo)出的銷釘、螺桿和其他常用部件的幾何構(gòu)型，大大簡化了模具設(shè)計(jì)的工作（圖片來源：VX Corp公司）CAD軟件供應(yīng)商不僅改進(jìn)了軟件的許多模具設(shè)計(jì)功能，而且還引進(jìn)

4、了大量的附加功能和增強(qiáng)功能，如更加形象化的圖解工具、用于模具初步設(shè)計(jì)的“快速引用”功能、基于EDM電極的某種特定功能而專門開發(fā)的快速建模功能，以及能夠創(chuàng)建和精確控制型孔、腔體、型腔和側(cè)抽芯（side actions）等部件。 CAD工具包中新增的功能還有模具“可行性分析”工具以及流動和冷卻模擬技術(shù)。其中，模具分析工具能預(yù)估模具設(shè)計(jì)的整體質(zhì)量和模壓加工性，而新的模擬技術(shù)則是一種檢測材料的流動性、循環(huán)時間、靜電應(yīng)力（potential stresses）和翹曲變形等的應(yīng)用技術(shù)。目前，CAD工具包還添加了一些處理加工數(shù)據(jù)的新方法，如通過對某些參數(shù)，如拔模角度（draft angle）和最小鋼厚度等規(guī)

5、則進(jìn)行重新設(shè)定或約束限制，用戶能夠在原來的模板上更快捷地構(gòu)建新模板。 模具設(shè)計(jì)者也可以在其他CAD軟件中完成相關(guān)部件模型的創(chuàng)建工作，但不好的是，在導(dǎo)入相關(guān)數(shù)據(jù)和生成模具模型時，往往會導(dǎo)致模具在尺寸和公差方面出現(xiàn)問題，從而導(dǎo)致兩個部件或模具表面之間產(chǎn)生間隙。然而，這并不是什么大問題，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、修復(fù)程序或采用更具兼容性的模具設(shè)計(jì)模塊等手段，就能輕松解決這種問題。 圖3 模具設(shè)計(jì)軟件中的分析程序能預(yù)估側(cè)抽芯、頂桿和型芯抽芯的位置（圖片來源：Vero Software公司）由于模具的幾何結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，模具制造商希望能夠使制件的脫模變得更簡單有效，從而有效控制模具的整體加工成本?；谏鲜隹紤]，軟件供

6、應(yīng)商認(rèn)為，建立模具模型最關(guān)鍵的方面之一就是對型芯和型腔的構(gòu)建和對分型線的確定。Delcam公司的Dickin介紹說，早期的軟件都需要模具設(shè)計(jì)者手動劃分半模的表面，將它們分成幾個不同的曲面，再在這些曲面上創(chuàng)建型芯和型腔的幾何構(gòu)型。對于分型面的創(chuàng)建，則是從模具的邊緣逐步向里過渡的過程中分割出幾組曲面，然后通過填補(bǔ)所有的縫隙，并修平所有的重疊部分，最終生成一個完整的分割曲面。毫無疑問，這是一個非常耗時的工作，而且用戶還必須另外設(shè)計(jì)銷釘、滑塊以及型芯或型腔表面上的其他部件。相比之下，現(xiàn)在的軟件能夠?yàn)槟＞咴O(shè)計(jì)者提供更多的幫助：快速地生成更高質(zhì)量的分模線，同時植入了“智能功能”，能向設(shè)計(jì)者提供模具的幾何結(jié)

7、構(gòu)和分型面的位置等方面的建議。新型CAD軟件的使用帶來了生產(chǎn)力的顯著提高，這對今天的模具制造商來說至關(guān)重要?！坝捎诓考g的相互組合，注塑零部件的設(shè)計(jì)要求相應(yīng)地也變得越來越復(fù)雜。然而，與此同時，模具制造者和用戶對模具的加工速度提出了更高的要求，這就要求模具能夠被更快地創(chuàng)建和建模出來。模具軟件供應(yīng)商已經(jīng)開始在其模具設(shè)計(jì)軟件中整合進(jìn)更多的功能，所設(shè)計(jì)出的部件也具有更復(fù)雜的形狀和更舒服的觸感?！?Dickin如是說。 獨(dú)立軟件包和集成軟件包 市場上出現(xiàn)的CAD軟件非常多元化，其中一種是獨(dú)立軟件包，如Cornerstone Technologies公司和R&B Mold and Die Desi

8、gn Solutions公司的相關(guān)產(chǎn)品。事實(shí)上，這種獨(dú)立軟件包并不是獨(dú)自運(yùn)行的，而是作為其他公司的CAD軟件包的插件出現(xiàn)的。 還有這樣一種模具設(shè)計(jì)集成模塊，它可以是一個主要用于零部件設(shè)計(jì)的CAD軟件包（如Kubotek公司的產(chǎn)品）的一部分，同時還是專注于設(shè)備設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)輔助管理（CAM）軟件包的一部分，如Cimatron公司、Delcam公司和Sescoi公司等的軟件產(chǎn)品。很多CAD/CAM集成軟件包供應(yīng)商，如TopSolid公司、Vero Software公司和 VX公司等也都有相應(yīng)的模具設(shè)計(jì)模塊產(chǎn)品。目前， Dassault Systems公司、Parametric Technolog

9、y公司和Siemens PLM公司 (其前身是UGS公司) 都有能力提供這種模塊。 將模具設(shè)計(jì)軟件綁定到上游廠商的部件建模系統(tǒng)或者下游廠商的CAM軟件中，可有助于減少用戶在理解設(shè)計(jì)和制造意圖方面產(chǎn)生的偏差，從而避免在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程中出現(xiàn)問題，美國Sescoi公司的市場和商務(wù)經(jīng)理Jeff Jajae如是說。Sescoi公司是一家供應(yīng)具有模具設(shè)計(jì)功能的CAM軟件的供應(yīng)商。 圖4 在“Wizards”和其他“smart”模具設(shè)計(jì)軟件的最新版本中，加入了能夠探測和修復(fù)設(shè)計(jì)缺陷的功能，如發(fā)現(xiàn)并去除無效的分型面（圖片來源：Clear Cut Solutions 公司）“將模具設(shè)計(jì)的不同方面整合起來并不容易

10、，這主要是因?yàn)槟＞咧圃焐掏ǔ２⒉粡氖铝悴考脑O(shè)計(jì)工作，”Cimatron公司的副工程師Hari Sridharan先生說，“如果零部件設(shè)計(jì)者和模具設(shè)計(jì)者都能夠同時使用同一種軟件，就能創(chuàng)造出一個更加統(tǒng)一的數(shù)據(jù)環(huán)境。因?yàn)楫?dāng)對產(chǎn)品做出改動時，也同時會改變模具的設(shè)計(jì)。若兩者沒有統(tǒng)一起來，將會在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和程序改編上浪費(fèi)大量的時間。因此，有一個綜合的解決方案，并在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下展開工作是非常重要的?！盋imatron公司是一家專為塑料模具提供CAM軟件的供應(yīng)商。 參數(shù)式模式還是無歷史約束式模式？ 模具設(shè)計(jì)者可以通過使用3D實(shí)體模擬或曲面模擬軟件，直接生成他們所需的工具模塊，也可以通過調(diào)用可提供相同功能的

11、程序來完成。實(shí)體模擬軟件可模擬具有一定厚度的部件的外觀特征，而曲面造型工具則可生成殼狀的幾何結(jié)構(gòu)。這兩種系統(tǒng)都能設(shè)計(jì)模具表面的外部結(jié)構(gòu)，如型芯、型腔和分模線等，以及內(nèi)部部件，如流道系統(tǒng)等。當(dāng)然，這兩種模式在進(jìn)行模擬造型時使用了不同的方法，造型設(shè)計(jì)的難易程度也不盡相同。 從實(shí)體或曲面環(huán)境中獲得的數(shù)據(jù)可以通過兩種方法進(jìn)行處理。一種是參數(shù)模型，它能夠保存模型設(shè)計(jì)的歷史進(jìn)程信息，并可“智能”地在不同的模型或功能之間建立相應(yīng)的關(guān)聯(lián)。例如，如果設(shè)計(jì)者選擇了一種特定尺寸的?；@意味著同時也就確定了?；系你@孔數(shù)量、孔與孔之間的間距以及孔的直徑和深度等相關(guān)參數(shù)。 參數(shù)模型的優(yōu)勢在于，當(dāng)一項(xiàng)參數(shù)改變了，該模型

12、就會自動更新與之相關(guān)的其他參數(shù)的數(shù)據(jù)信息。另外，它還允許設(shè)計(jì)者在其他模具設(shè)計(jì)中保存和重復(fù)利用先前的設(shè)定，從而極大地節(jié)省了時間。當(dāng)然，這種參數(shù)模型軟件也存在缺點(diǎn)，那就是設(shè)計(jì)者無法在不影響所有其他相關(guān)數(shù)據(jù)的情況下，對其中一項(xiàng)參數(shù)做微小的變動。因此，若要在?；显龃笠粋€孔的直徑，可能會導(dǎo)致?；纤锌椎闹睆蕉家l(fā)生變化，但有時這并不是人們想要的結(jié)果。 還有一種是“無歷史約束”模型（也稱為動態(tài)建?；蛑苯咏＃２煌趨?shù)模型，這種模型所構(gòu)建的模型不會和其他的模型和功能建立相關(guān)連接，也不會生成“歷史樹”，因此，關(guān)聯(lián)部件之間沒有任何聯(lián)系，用戶可直接對單個部件進(jìn)行獨(dú)立更改，從而設(shè)計(jì)出與眾不同的部件結(jié)構(gòu)或式樣

13、，而不用擔(dān)心會對其他標(biāo)準(zhǔn)部件產(chǎn)生任何影響。當(dāng)只需要對少數(shù)部件做調(diào)整時，用戶就能通過應(yīng)用該模型快速地更新模具設(shè)計(jì)。 圖5 模具向?qū)軒椭O(shè)計(jì)人員創(chuàng)建冷卻線，這樣用戶能夠自主創(chuàng)建可應(yīng)用于更多模型的模板（上圖來源：Delcam公司，下圖來源：VX公司）在更改一個元件的特定參數(shù)或部件的某個特性時，如孔、柱或銷等，若使用“無歷史約束”模型軟件，用戶必須逐個對其進(jìn)行更改。此外，設(shè)計(jì)者還必須變更所有與之相關(guān)的參數(shù)，例如，改變了一個銷釘?shù)某叽绾螅€需要更改孔的大小。相比之下，參數(shù)模型通過對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行自動更新，可有效減少工作中可能出現(xiàn)的失誤，同時也節(jié)省了時間。 現(xiàn)在，一些CAD軟件包已經(jīng)具有了可允許用戶在同一

14、個模型中對不同部分進(jìn)行不同參數(shù)設(shè)定的功能。一些供應(yīng)參數(shù)模型軟件的商家也開始為其軟件增加無歷史約束的直接建模指令，而這種功能也正變得越來越普遍?！斑@些供應(yīng)商開始將直接建模功能整合進(jìn)來，為其軟件增加快速選擇特定部件的功能，而不再是通過歷史樹將整個模型相互關(guān)聯(lián)在一起?！?Kubotek公司的執(zhí)行副總裁Robert Bean如是說。 Parametric Technology公司（PTC）是一家專業(yè)生產(chǎn)Pro/Engineer參數(shù)式CAD軟件的供應(yīng)商。該公司在去年收購了德國CoCreate公司，從而擁有了CoCreate公司的OneSpace表面直接模擬軟件及其相關(guān)技術(shù)。該公司的市場主管Sandy J

15、oung介紹說，PTC公司不打算合并或兼容兩套系統(tǒng)，而是希望為模具設(shè)計(jì)者提供更多的選擇。“對于一家擁有平臺驅(qū)動產(chǎn)品戰(zhàn)略的公司，他們在制造產(chǎn)品及其衍生物的同時，還希望能夠繼續(xù)重復(fù)利用這些模型，因此，他們就需要參數(shù)式解決方案來幫助他們實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的意圖和想法。如果一家公司從事的是一次性設(shè)計(jì)，這在消費(fèi)電子領(lǐng)域極為典型，例如設(shè)計(jì)手機(jī)或打印機(jī)，它們的壽命周期很短，而且數(shù)據(jù)的再利用率很低，那么無歷史約束模型可能是最恰當(dāng)?shù)倪x擇。在這里，這兩種制造商應(yīng)用的是兩種完全不同的方法?！盤ro/Engineer軟件只適用于全實(shí)體環(huán)境，而OneSpace軟件則可同時應(yīng)用于曲面和實(shí)體環(huán)境。 更多新消息 Cornerstone

16、 Technology公司的Expert Mold Designer獨(dú)立軟件（XMD）是Kubotek公司KeyCreator部件設(shè)計(jì)軟件的獨(dú)立插件，它擁有全新的模具可行性分析模塊，可通過檢測拔模和壁厚等因素預(yù)估零部件的可塑性。Cornerstone公司的總裁Paul Coleman介紹說，該軟件可指出所需模具的復(fù)雜程度以及可能出現(xiàn)的成型問題，而且還可對可塑零件的生產(chǎn)提出可能必要的修改建議。 目前，該公司正致力于開發(fā)一種新型的軟件，以期幫助用戶創(chuàng)建可變動的參數(shù)規(guī)則?！坝脩裟転槟＞咴O(shè)計(jì)的各個方面創(chuàng)建相應(yīng)的參數(shù)規(guī)則，而那些帶有約束性限制的參數(shù)規(guī)則將不與特定的模具設(shè)計(jì)相聯(lián)系。這樣，設(shè)計(jì)者可以將這些規(guī)

17、則和相關(guān)聯(lián)的零部件的幾何構(gòu)型整合在一起，制成通用模板。”Coleman說，“目前，絕大多數(shù)的CAD軟件包都不允許修改參數(shù)規(guī)則或是為用戶提供定制化的模具設(shè)計(jì)任務(wù)，而這種軟件的推出可顯著提高資源和技術(shù)的重復(fù)利用率?！?用戶還可以直接通過定制化的“規(guī)則導(dǎo)向”按鈕，讓軟件直接自動重復(fù)用戶想要的參數(shù)規(guī)則。Cornerstone公司已經(jīng)對這一Virtual Moldmaker軟件的相關(guān)技術(shù)申請了專利，并正致力于研發(fā)具有更多應(yīng)用功能的設(shè)計(jì)軟件。目前，該公司正在對該軟件與彈性加載功能模具之間的職能聯(lián)系進(jìn)行測試。若測試成功，該軟件就能夠根據(jù)設(shè)計(jì)者所選擇的相關(guān)參數(shù)，為給定的模具設(shè)計(jì)工作提出合理的建議。此外，該軟件

18、還可以幫助供應(yīng)商確定模具的報(bào)價。 圖6 現(xiàn)在，已有數(shù)種模具設(shè)計(jì)模塊都包含能夠自動生成EDM電極設(shè)計(jì)的程序（圖片來源：VX公司）R&B Mold and Die Design Solutions公司已經(jīng)升級了其計(jì)算機(jī)輔助模具設(shè)計(jì)軟件（CAMD），該軟件是諸如SolidWorks和CoCreate等CAD軟件的插件包。據(jù)R&B公司的市場運(yùn)營副總裁George Berold介紹，公司還在該軟件中添加了冷卻線的生成程序，這樣用戶可以直接在模具的3D和2D模型中自動生成完整的冷卻設(shè)計(jì)。在預(yù)覽階段，設(shè)計(jì)者還能隨時增加和修改柱塞、接頭和隔板等部件。該軟件還添加了一個可自動生成EDM電極的全新

19、模塊，Berold補(bǔ)充道。 R&B公司還開發(fā)了一種新型的MoldXpress程序。該程序可預(yù)先生成模具設(shè)計(jì)的初步形式，為用戶在模具設(shè)計(jì)開發(fā)過程中提供報(bào)價根據(jù)。該軟件有望在今年第3季度實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。 先進(jìn)的集成系統(tǒng) Missler Software公司推出了其最新的TopSolid Mold參數(shù)模型軟件。該軟件加入了新的分析工具，可使用戶更容易地完成對復(fù)雜的分模線的分割工作。新的Parting Line Verification工具能夠幫助設(shè)計(jì)者分析和確定分模線的具體位置和幾何結(jié)構(gòu)。該軟件可將模具單元分成兩個相互聯(lián)系的殼狀曲面，并顯示出分模線的整體分割情況，如影響表面分模的因素等。In

20、valid Parting Line分析工具能夠檢測出未對齊的或是精密度不夠的分型面，并幫助設(shè)計(jì)者彌補(bǔ)這些缺陷。還有一種新型的Predefined Mold Sub-Assemblies工具，該軟件允許設(shè)計(jì)者在其軟件工具中創(chuàng)建和有機(jī)裝配螺栓、螺桿、推頂桿、標(biāo)準(zhǔn)件和機(jī)械零件等硬件設(shè)備。 Missler公司還計(jì)劃將Moldflow公司的流動模擬軟件整合進(jìn)其軟件設(shè)計(jì)中，使人們通過點(diǎn)擊圖表按鈕，即可輕松實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。 更多功能的CAD軟件 還有一些CAD軟件供應(yīng)商，他們將模具設(shè)計(jì)功能整合進(jìn)了其部件設(shè)計(jì)軟件包中。Kubotek公司已經(jīng)在其KeyCreator 7.0版軟件中添加了剪切和粘貼功能，使模具

21、設(shè)計(jì)人員能夠更容易地增加和移除某些功能部件，如槽腔（pockets）和側(cè)抽芯等。該軟件還改進(jìn)了其模具分離指令，從而能夠快速地生成分模線。Kubotek公司還在該版本中新增了一個確認(rèn)程序，可通過對比不同版本的模具設(shè)計(jì)工作，找出哪怕最微小的改動。對于不同的設(shè)計(jì)版本，相互重合的部分都是透明的，而改動的部分則用醒目的紅色標(biāo)識。該公司的產(chǎn)品市場經(jīng)理John McCullogh說，公司正在開發(fā)更新一代的軟件版本KeyCreator 7.5，它將擁有更高效的直接模擬（無歷史約束）工具。 與此同時，Vero Software公司也推出了其新版的Visi Mold 15軟件。該軟件不僅集成了曲面和實(shí)體造型功能，

22、還在其Visi Mold hybrid軟件的基礎(chǔ)上新增了超過60種標(biāo)準(zhǔn)部件的參數(shù)數(shù)據(jù)庫，為模具設(shè)計(jì)提供了更大的選擇空間，包括移動部件，如推頂桿等。Visi Mold軟件還新增了8種自動運(yùn)行功能，可自動完成型芯和型腔的分離以及引出口的幾何構(gòu)型。用戶還能夠通過無約束限制的動態(tài)曲面分割方法確定分模線的位置，或通過“曲面分割功能”將模具分成若干表面，最終生成分模線。Vero公司還在其最新的Visi Flow模具仿真軟件包中整合進(jìn)了更多組件。目前，該軟件包已經(jīng)能夠模擬和設(shè)計(jì)冷卻線了。 VX公司的模具設(shè)計(jì)工具新添了一個模具參數(shù)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫里包含了所有常用零部件的相關(guān)信息，同時還改進(jìn)了用戶界面，使其圖像顯

23、示更加直觀。該軟件還增加了可自動放大和帶網(wǎng)格支持功能的分模線工具，并能夠幫助用戶發(fā)現(xiàn)和修復(fù)在模具分離過程中產(chǎn)生的分模線間隙。該軟件還支持跳過修復(fù)過程而直接進(jìn)入下一道工序，這樣就極大地節(jié)約了用戶的時間。 VX公司還推出了一種增強(qiáng)型工具包，可在復(fù)雜的曲面上生成分模線，修復(fù)幾何構(gòu)型的錯誤，并為用戶提供合理的拔模角度。最近發(fā)布的CAD/CAM suite13版本還可直接對拔模進(jìn)行實(shí)時分析，使模具設(shè)計(jì)人員可以在分析模式下直接修改拔模角度。 VX公司的模具建模軟件整合了Mold Expert軟件的許多功能。Mold Expert是一套“智能”數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可仿真出成型過程中的充填、保壓、冷卻以及脫模塑件的翹

24、曲變形過程，并可在實(shí)際開模前準(zhǔn)確預(yù)測塑料熔膠的流動狀況、溫度、壓力、剪切應(yīng)力和體積收縮量等變量在各程序結(jié)束瞬間的分布情形，以及模穴壓力和鎖模力等變量隨時間變化的曲線和可能發(fā)生縫合線及包封 (Air Trap) 的位置。該軟件也可用來評估冷卻系統(tǒng)的好壞，并預(yù)估成型件的收縮翹曲行為。在用戶選擇相應(yīng)的部件后，該軟件可計(jì)算出成型部件的長度、模板間歇和加工方法。 更新了的CAM軟件 Cimatron公司在其Cimatron E-Mold CAM 8版本中增加了幾種新工具，以加快分模線的確定工作。該軟件還新添了一個Quick Electrode模塊，可將電極的設(shè)計(jì)速度提高近80%。該模塊可以迅速地選擇放電加工區(qū)域，自動生成電極的設(shè)計(jì)、管理等工藝參數(shù)表以及電極定位圖紙