1.2 注塑模具CAD

SolidWorks/IMOLD本质上是一种计算机辅助模具设计工具，本节主要介绍注塑模具CAD的基本概念。

1.2.1 CAD/CAE/CAM技术介绍

1.模具CAD技术

运用CAD技术，IMOLD帮助广大模具设计人员由注塑制品的零件图迅速设计出该制品的全套模具图，使模具设计师从烦琐、冗长的手工绘图和人工计算中解放出来，将精力集中于方案构思、结构优化等创造性工作。利用IMOLD软件，用户可以选择软件提供的标准模架或灵活方便地建立适合自己的标准模架库，在选好模架的基础上，从系统提供的诸如整体式、嵌入式、镶拼式等多种形式的动、定模结构中，灵活地选择并设计出动、定模部件装配图，采用参数化的方式设计浇口套、拉料杆、斜滑块等通用件，然后设计推出机构和冷却系统，完成模具的总装图。最后利用IMOLD系统提供的编辑功能，方便地完成各零件图的尺寸标注及明细表。

2.模具CAE技术

CAE技术借助于有限元法、有限差分法和边界元法等数值计算方法，分析型腔中塑料的流动、保压和冷却过程，计算制品和模具的应力分布，预测制品的翘曲变形，并由此分析工艺条件、材料参数及模具结构对制品质量的影响，达到优化制品和模具结构、优选成型工艺参数的目的。塑料注射成型CAE软件主要包括流动保压模拟、流道平衡分析、冷却模拟、模具刚度强度分析和应力计算、翘曲预测等功能。其中流动保压模拟软件能提供不同时刻型腔内塑料熔体的温度、压力、剪切应力分布，其预测结果能直接指导工艺参数的选定及流道系统的设计。流道平衡分析软件能帮助用户对一模多腔模具的流道系统进行平衡设计，计算各个流道和浇口的尺寸，以保证塑料熔体能同时充满各个型腔。冷却模拟软件能计算冷却时间、制品及型腔的温度分布，其分析结果可以用来优化冷却系统的设计。刚度强度分析软件能对模具结构进行力学分析，帮助用户对型腔壁厚和模板厚度进行刚度和强度校核。应力计算和翘曲预测软件则能计算出制品的收缩情况和内应力的分布，预测出制品出模后的变形量。

3.CAM概念

运用CAM技术能将模具型腔的几何数据转换为各种数控机床所需的加工指令代码，取代手工编程。例如，自动计算钼丝的中心轨迹，将其转化为线切割机床所需的指令如3B指令、G指令等。对于数控铣床，则可以计算轮廓加工时铣刀的运动轨迹，并输出相应的指令代码。采用CAM技术能显著提高模具加工的精度及生产管理的效率。IMOLD系统能够帮助节省设计的时间，并提供完整的3D模型给CAM系统。

4.模具CAD技术的发展

近20年来以计算机技术为代表的信息技术的突飞猛进为注塑成型采用高新技术提供了强有力的条件，注塑成型计算机辅助软件的发展十分引人注目。CAD方面，主要是在通用的机械CAD平台上开发注塑模设计模块。通用机械CAD的发展经历了从二维到三维、从简单的线框造型系统到复杂的曲面实体混合造型的转变，模具CAD也有了较大的发展。目前国际上占主流地位的注塑模CAD软件主要有SolidWorks/IMOLD、UG NX/Mold Wizard、Pro/E（Mold Design）、CATIA/Mold Tooling Design和TopSolid/Mold等。在国内，华中科技大学是较早（1985年）自主开发注塑模CAD系统的单位，并于1988年开发成功国内第一个CAD/CAE/CAM系统HSC1.0，合肥工业大学、中国科技大学、浙江大学、上海交通大学、北京航空航天大学等单位也开展了注塑模CAD的研究并开发了相应的软件，目前在国内较有影响的注塑模CAD系统有北航的CAXA模具设计工具等。

1.2.2 模具CAD系统

1.注塑模具CAD系统的主要功能

一个完善的注塑模CAD/CAE/CAM系统应包括注塑制品构造、模具概念设计、CAE分析、模具评价、模具结构设计和CAM。

1）注塑制品构造

将注塑制品的几何信息，以及非几何信息输入计算机，在计算机内部建立制品的信息模型，为后续设计提供信息。

2）模具概念设计

根据注塑制品的信息模型采用基于知识和基于实例的推理方法，得到模具的基本结构形式和初步的注塑工艺条件，为随后的详细设计、CAE分析、制造性评价奠定基础。

3）CAE分析

运用有限元的方法，模拟塑料在模具型腔中流动、保压和冷却的过程，并进行翘曲分析，以得到合适的注射工艺参数和合理的浇注系统与冷却系统结构。

4）模具评价

模具评价包括可制造性评价和可装配性评价两部分。注塑件可制造性评价在概念设计过程中完成，根据概念设计得到的方案进行模具费用估计。模具费用估计可分为模具成本的估计和制造难易估计两种模式。成本估计是直接得到模具的具体费用，而制造难易估计是运用人工神经网络的方法得到注塑件的可制造度，以此判断模具的可制造性。可装配性评价是在模具详细设计完成后，对模具进行开启、闭合、勾料、抽芯、工件推出等动态模拟，在模拟过程中自动检查零件之间是否干涉，以此来评价模具的可装配性。

5）模具详细结构设计

根据制品的信息模型、概念设计和CAE分析结果进行模具详细设计。包括成型零部件设计和非成型零部件设计，成型零件包括型芯、型腔、成型杆和浇注系统，非成型零部件包括脱模机构、导向机构、侧抽芯机构，以及其他典型结构的设计。同时提供三维模型向二维工程图转换的功能。

6）CAM系统

主要是利用支撑系统下挂的CAM软件完成成型零件的虚拟加工过程，并自动编制数控加工的NC代码，最后完成成型零件的加工。

2.应用注射模CAD系统进行模具设计的通用流程

注射模CAD系统具有类似的设计流程，如图1-4所示。

（1）制品的造型可直接采用通用的三维造型软件。

（2）根据注塑制品采用专家系统进行模具的概念设计，专家系统包括模具结构设计、模具制造工艺规划、模具价格估计等模块，在专家系统的推理过程中，采用基于知识与基于实例相结合的推理方法，推理的结果是注射工艺和模具的初步方案。方案设计包括型腔数目与布置、浇口类型、模架类型、脱模方式和抽芯方式等。模具结构详细设计的过程如图1-5所示。

（3）在模具初步方案确定后，用CAE软件进行流动、保压、冷却和翘曲分析，以确定合适的浇注系统、冷却系统等。如果分析结果不能满足生产要求，那么可根据用户的要求修改注塑制品的结构或修改模具的设计方案。