鋼鋒:注射模具發展的三個階段

        塑(su)料模(mo)CAD/CAE/CAM技術(shu)的(de)(de)重要(yao)性(xing)正逐漸被模(mo)具界所認識，其(qi)中塑(su)料注射(she)模(mo)應用軟(ruan)件的(de)(de)發(fa)(fa)展十分(fen)引(yin)人注目，在工業界形成(cheng)了一(yi)花(hua)獨(du)放的(de)(de)局面。注射(she)模(mo)軟(ruan)件的(de)(de)發(fa)(fa)展可(ke)劃(hua)分(fen)為三個階(jie)(jie)(jie)段(duan)，第(di)1階(jie)(jie)(jie)段(duan)為開(kai)發(fa)(fa)獨(du)立運(yun)行的(de)(de)注射(she)過程模(mo)擬軟(ruan)件，第(di)2階(jie)(jie)(jie)段(duan)為二維(wei)模(mo)具設計軟(ruan)件與模(mo)擬軟(ruan)件的(de)(de)集成(cheng)，第(di)3階(jie)(jie)(jie)段(duan)為三維(wei)模(mo)具設計與制造軟(ruan)件及模(mo)擬軟(ruan)件的(de)(de)集成(cheng)。本文重點(dian)論述各個發(fa)(fa)展階(jie)(jie)(jie)段(duan)的(de)(de)工作內容、特點(dian)、存在的(de)(de)問題及發(fa)(fa)展趨向。

　　獨立運行的注射過程模(mo)擬軟(ruan)件

　　澳(ao)大(da)利(li)亞(ya)Moldflow公(gong)司在(zai)(zai)(zai)1978年(nian)(nian)推出(chu)的(de)基于有(you)限差分(fen)(fen)(fen)方(fang)(fang)法的(de)一(yi)(yi)(yi)維(wei)(wei)(wei)商品(pin)化流(liu)(liu)動分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)軟(ruan)(ruan)件(jian)MF1.0，以及美國(guo)(guo)(guo)AC_Tech公(gong)司在(zai)(zai)(zai)1986年(nian)(nian)推出(chu)的(de)基于有(you)限元方(fang)(fang)法的(de)二(er)維(wei)(wei)(wei)商品(pin)化流(liu)(liu)動分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)軟(ruan)(ruan)件(jian)C_Flow1.0是這一(yi)(yi)(yi)階段注(zhu)(zhu)(zhu)射模(mo)(mo)軟(ruan)(ruan)件(jian)發展的(de)兩(liang)個里程(cheng)碑。在(zai)(zai)(zai)隨(sui)后的(de)10年(nian)(nian)里，MF和(he)(he)(he)(he)C_Flow軟(ruan)(ruan)件(jian)不斷(duan)地得以改進和(he)(he)(he)(he)完(wan)善，現已形成包括流(liu)(liu)動模(mo)(mo)擬(ni)、保壓分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)、冷卻(que)分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)、內(nei)(nei)應(ying)力分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)、分(fen)(fen)(fen)子定向(xiang)和(he)(he)(he)(he)翹曲(qu)變形預測等系(xi)列分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)軟(ruan)(ruan)件(jian)，在(zai)(zai)(zai)國(guo)(guo)(guo)內(nei)(nei)外(wai)模(mo)(mo)具界享有(you)盛譽。華中(zhong)理工(gong)大(da)學模(mo)(mo)具技(ji)術國(guo)(guo)(guo)家重點(dian)實驗室目前推出(chu)的(de)注(zhu)(zhu)(zhu)射過程(cheng)模(mo)(mo)擬(ni)軟(ruan)(ruan)件(jian)HS_CAE97具有(you)自(zi)主版權，圖1所示為(wei)HS_CAE97系(xi)統(tong)的(de)組(zu)織結(jie)構(gou)。該系(xi)統(tong)在(zai)(zai)(zai)Windeow95/NT環境下(xia)運行(xing)，在(zai)(zai)(zai)OpeGL/GUI軟(ruan)(ruan)件(jian)的(de)支持下(xia)，采用(yong)了面向(xiang)對象的(de)程(cheng)序設計方(fang)(fang)法和(he)(he)(he)(he)曲(qu)面造型方(fang)(fang)法。該系(xi)統(tong)在(zai)(zai)(zai)軟(ruan)(ruan)件(jian)結(jie)構(gou)設計上，制訂(ding)了一(yi)(yi)(yi)個能在(zai)(zai)(zai)多個軟(ruan)(ruan)、硬件(jian)平(ping)臺(tai)上運行(xing)的(de)通用(yong)用(yong)戶管(guan)理系(xi)統(tong)UIMS，能將應(ying)用(yong)軟(ruan)(ruan)件(jian)和(he)(he)(he)(he)系(xi)統(tong)開發資源完(wan)全屏蔽，保證了良好(hao)的(de)可移(yi)植性和(he)(he)(he)(he)可維(wei)(wei)(wei)護(hu)性。HS_CAE97的(de)主要功能與特點(dian)為(wei):(1)先(xian)進的(de)三維(wei)(wei)(wei)曲(qu)面造型系(xi)統(tong)。(2)三角(jiao)形網格的(de)自(zi)動劃分(fen)(fen)(fen)和(he)(he)(he)(he)優化。(3)統(tong)一(yi)(yi)(yi)的(de)窗口界面風格。(4)注(zhu)(zhu)(zhu)射流(liu)(liu)動、保壓和(he)(he)(he)(he)冷卻(que)過程(cheng)分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)軟(ruan)(ruan)件(jian)的(de)集成。(5)計算(suan)結(jie)果與實驗實測相吻合。圖1HS_CAE97系(xi)統(tong)的(de)組(zu)織結(jie)構(gou)這一(yi)(yi)(yi)階段開發的(de)軟(ruan)(ruan)件(jian)由于數學模(mo)(mo)型和(he)(he)(he)(he)算(suan)法的(de)局限性，無(wu)論是國(guo)(guo)(guo)外(wai)的(de)MF和(he)(he)(he)(he)C_Flow，還是國(guo)(guo)(guo)內(nei)(nei)的(de)HS_CAE97都存在(zai)(zai)(zai)著(zhu)以下(xia)缺點(dian)和(he)(he)(he)(he)問(wen)題：

　　(1)盡(jin)管所有軟件都采(cai)用了三(san)維可(ke)視化技術，但這些軟件所基于的數學模(mo)型在實質(zhi)上都是二維模(mo)型。由于數學模(mo)型過于簡化，導致分析(xi)(xi)結(jie)果不精確，在許多情況下所獲得的分析(xi)(xi)結(jie)果只(zhi)能(neng)定性，不能(neng)定量，翹曲分析(xi)(xi)軟件便(bian)成為無源之水。

　　(2)由(you)(you)于(yu)算法的(de)局限性，流動、保壓及冷卻軟件均需采用(yong)中(zhong)性面(mian)來(lai)分析。所(suo)謂中(zhong)性面(mian)是(shi)假(jia)想(xiang)的(de)位于(yu)模具型(xing)腔和(he)型(xing)芯(xin)中(zhong)間的(de)層(ceng)面(mian)，用(yong)戶直(zhi)接由(you)(you)塑料(liao)制品來(lai)構造中(zhong)性面(mian)已深(shen)感困難(nan)，若依據型(xing)腔和(he)型(xing)芯(xin)圖(tu)形(xing)來(lai)生成(cheng)中(zhong)性面(mian)則更(geng)是(shi)難(nan)上(shang)加難(nan)。長期以(yi)來(lai)，中(zhong)性面(mian)的(de)生成(cheng)一直(zhi)是(shi)運行注(zhu)射過程分析軟件的(de)攔路虎(hu)。

　　(3)運(yun)行流動和冷卻(que)分(fen)析軟(ruan)件時，必(bi)須事先知道模具澆注(zhu)系統和冷卻(que)系統的布置方(fang)案和注(zhu)射工藝(yi)(yi)條件，在缺少這(zhe)些初始數據的情況(kuang)下，分(fen)析軟(ruan)件的使(shi)用價值(zhi)和效率便大打折扣，單純(chun)依靠嘗試法即使(shi)是反(fan)復(fu)運(yun)行這(zhe)些分(fen)析軟(ruan)件也不一定(ding)能獲得(de)合(he)適的技(ji)術方(fang)案和工藝(yi)(yi)條件。

　　(4)這些獨立(li)開發的(de)分(fen)析軟(ruan)件的(de)曲面(mian)造型(xing)和(he)編輯(ji)功能具有相當(dang)的(de)局限性，其(qi)造型(xing)的(de)方(fang)便(bian)程度和(he)應用的(de)覆(fu)蓋面(mian)遠(yuan)不(bu)能和(he)著名(ming)的(de)商品(pin)化CAD/CAM系統(如(ru)Pro_E、CADDS5、UGⅡ)相比(bi)。

　　(5)由商品化(hua)CAD/CAM軟(ruan)件(jian)生成的塑料制品幾何模型(xing)或型(xing)腔(qiang)與型(xing)芯(xin)的幾何模型(xing)一般都不能自動生成中性面(mian)，二次輸入(ru)不可避免，為此常要耗費用(yong)戶大(da)量的精(jing)力和時間。

　　二維模具(ju)設計軟(ruan)件與(yu)分(fen)析軟(ruan)件的(de)集成

　　近10年來，計(ji)(ji)算機(ji)(ji)繪圖(tu)(tu)和(he)(he)自動編程技術(shu)在(zai)模具(ju)(ju)(ju)界(jie)的(de)(de)(de)(de)普及程度(du)越來越高，在(zai)CAD/CAM技術(shu)日新月(yue)異的(de)(de)(de)(de)90年代，人(ren)們(men)已不滿足僅將(jiang)計(ji)(ji)算機(ji)(ji)作為繪圖(tu)(tu)和(he)(he)編程的(de)(de)(de)(de)工(gong)具(ju)(ju)(ju)，而迫切(qie)希(xi)望在(zai)同一軟(ruan)件(jian)環(huan)境下，既要有(you)繪圖(tu)(tu)功(gong)能(neng)，又要有(you)設計(ji)(ji)、計(ji)(ji)算、分析(xi)和(he)(he)加工(gong)的(de)(de)(de)(de)功(gong)能(neng)，模具(ju)(ju)(ju)CAD/CAM/CAE的(de)(de)(de)(de)集成系統(tong)(tong)便應運而生。華中理工(gong)大學(xue)模具(ju)(ju)(ju)技術(shu)國(guo)家重點實驗室在(zai)成功(gong)開(kai)發注(zhu)(zhu)射過程分析(xi)模擬(ni)(ni)軟(ruan)件(jian)的(de)(de)(de)(de)基(ji)礎上(shang)，采用(yong)在(zai)塑料(liao)模具(ju)(ju)(ju)界(jie)應用(yong)最為廣(guang)泛的(de)(de)(de)(de)商(shang)品(pin)化(hua)二維軟(ruan)件(jian)AutoCAD，實現了二維模具(ju)(ju)(ju)設計(ji)(ji)軟(ruan)件(jian)與模擬(ni)(ni)軟(ruan)件(jian)的(de)(de)(de)(de)集成。HSCAD 2.0的(de)(de)(de)(de)全部程序(xu)均是在(zai)AutoCAD提供(gong)的(de)(de)(de)(de)ADS開(kai)發平臺上(shang)采用(yong)C語言編寫的(de)(de)(de)(de)，為用(yong)戶提供(gong)了統(tong)(tong)一的(de)(de)(de)(de)人(ren)機(ji)(ji)界(jie)面，除了AutoCAD本身的(de)(de)(de)(de)功(gong)能(neng)外， HSCAD 2.0包括了模具(ju)(ju)(ju)結(jie)構設計(ji)(ji)子(zi)(zi)系統(tong)(tong)、結(jie)構及工(gong)藝(yi)參數(shu)計(ji)(ji)算校核子(zi)(zi)系統(tong)(tong)、塑料(liao)注(zhu)(zhu)射流(liu)動、保壓與冷卻模擬(ni)(ni)子(zi)(zi)系統(tong)(tong)、數(shu)控線切(qie)割編程子(zi)(zi)系統(tong)(tong)、建庫(ku)工(gong)具(ju)(ju)(ju)和(he)(he)設計(ji)(ji)進程管理等模塊，所(suo)以程序(xu)均能(neng)在(zai)AutoCAD的(de)(de)(de)(de)環(huan)境下集成運行。圖(tu)(tu)2所(suo)示為HSCAD 2.0的(de)(de)(de)(de)結(jie)構框圖(tu)(tu)。

　　HSCAD 2.0主要功能表(biao)現在以下5個方面：

　　(1) 方便實用的(de)圖形(xing)輸(shu)入(ru)方式。系統提(ti)供了一種基(ji)于圖形(xing)尺寸的(de)輸(shu)入(ru)法，借助(zhu)尺寸疊加，可實現制品至型腔圖或型芯圖的(de)自(zi)動轉換。

　　(2)靈活多樣(yang)的參數(shu)化設計過程。在HSCAD 2.0中參數(shu)化方法貫穿于模具(ju)結構設計的始(shi)終。

　　(3)構(gou)思新穎(ying)的(de)建(jian)庫工具。用戶能(neng)方便地(di)建(jian)立和修改符合(he)本廠特點的(de)材料庫、模架(jia)庫和圖庫，新穎(ying)性的(de)兩大標志是模架(jia)結(jie)構(gou)的(de)參數(shu)化(hua)和模架(jia)零(ling)件的(de)關聯性。

　　(4)理(li)論與實(shi)(shi)踐(jian)相結(jie)合的計算校核(he)功能(neng)。HSCAD 2.0在采用有關理(li)論計算公式(shi)的同時，又充分考慮到實(shi)(shi)踐(jian)中被證明(ming)為行(xing)之有效的經(jing)驗公式(shi)和實(shi)(shi)踐(jian)原則(ze)，開(kai)發出別(bie)具(ju)一(yi)格的模具(ju)剛度校核(he)、模具(ju)成本(ben)計算、推出系(xi)統計算、注(zhu)射機校核(he)、型腔數目(mu)計算、冷卻系(xi)統和澆(jiao)注(zhu)系(xi)統計算等(deng)軟(ruan)件，供(gong)用戶在設計過程中隨時調用。

　　(5)與模具結構CAD集成的塑(su)料(liao)注射成型過程模擬。

　　第二階段的HSCAE 2.0軟件在以(yi)下方面(mian)獨樹一(yi)幟:

　　(1)運行HSCAE 2.0能獲得(de)澆注(zhu)系統(tong)、冷卻系統(tong)、模具結構方案(an)、注(zhu)射(she)工藝條(tiao)件等初始數據，為(wei)成功(gong)地(di)實施注(zhu)射(she)過程模擬創造了(le)良好的條(tiao)件。

　　(2)根(gen)據HSCAE 2.0生成(cheng)的(de)型腔圖和型芯圖，可方便地產(chan)生運行模(mo)擬軟件所(suo)需的(de)三角(jiao)形網格，避(bi)免了(le)幾何模(mo)型的(de)二次輸入(ru)。

　　(3)擴(kuo)大了軟件功能，由(you)單純的過程模(mo)擬發展(zhan)到(dao)模(mo)具(ju)結構設計(ji)、線(xian)切割加工和注(zhu)射過程模(mo)擬的集(ji)成。

　　但是(shi)，第二階段(duan)開發的(de)HSCAE 2.0軟件仍有以下不足:

　　(1)采用(yong)型腔面和(he)(he)型芯(xin)面來進行網格(ge)劃(hua)分，雖然(ran)避免了構造中性(xing)面的難題，但(dan)是影響了分析精度，采用(yong)這種簡化方(fang)法來確立模具的澆注系統和(he)(he)冷卻系統是合適的，但(dan)不(bu)能用(yong)來進行翹(qiao)曲分析。

　　(2)流動過程(cheng)模(mo)擬數(shu)學模(mo)型(xing)依然是(shi)二維模(mo)型(xing)。

　　(3)由(you)于AutoCAD曲面(mian)造型的能(neng)力較弱，限制了HSCAE 2.0的應用(yong)范(fan)圍。

　　(4)三維(wei)建模(mo)、二(er)維(wei)設計的(de)模(mo)式無法適應(ying)新一代注射模(mo)擬軟(ruan)件發展的(de)需要。

　    三維(wei)模具設計和制(zhi)造軟(ruan)(ruan)件(jian)與模擬(ni)軟(ruan)(ruan)件(jian)的集成

　　所謂(wei)新一代注射(she)(she)模(mo)軟(ruan)件，是(shi)(shi)利用(yong)計(ji)(ji)算(suan)機(ji)集(ji)(ji)(ji)成(cheng)制造(zao)(zao)技術(CIM)建(jian)(jian)立的(de)注射(she)(she)模(mo)集(ji)(ji)(ji)成(cheng)制造(zao)(zao)系(xi)統(tong)(tong)(tong)(CIMS)，這(zhe)種高度集(ji)(ji)(ji)成(cheng)的(de)系(xi)統(tong)(tong)(tong)應(ying)(ying)能(neng)支持模(mo)具設(she)計(ji)(ji)與(yu)制造(zao)(zao)的(de)全(quan)過(guo)(guo)(guo)程，因此三維幾(ji)何建(jian)(jian)模(mo)和三維模(mo)具設(she)計(ji)(ji)與(yu)制造(zao)(zao)的(de)應(ying)(ying)用(yong)至關重要。在(zai)(zai)90年代，西方先進工(gong)業國(guo)已將商品化CAD/CAM系(xi)統(tong)(tong)(tong)與(yu)注射(she)(she)過(guo)(guo)(guo)程模(mo)擬(ni)(ni)軟(ruan)件進行了(le)(le)(le)初步集(ji)(ji)(ji)成(cheng)，并(bing)取得了(le)(le)(le)顯著成(cheng)效。但(dan)是(shi)(shi)，無論是(shi)(shi)CADDS5、UGⅡ，還是(shi)(shi)Pro_E，在(zai)(zai)開(kai)發(fa)之(zhi)初都(dou)是(shi)(shi)作為(wei)通用(yong)機(ji)械(xie)設(she)計(ji)(ji)與(yu)制造(zao)(zao)工(gong)具來構(gou)思的(de)，并(bing)不針(zhen)對(dui)塑(su)料(liao)模(mo)具，因此在(zai)(zai)使用(yong)這(zhe)些通用(yong)CAD軟(ruan)件設(she)計(ji)(ji)塑(su)料(liao)模(mo)具時會感到(dao)效率低(di)下、操作繁瑣(suo)、功能(neng)短(duan)缺。為(wei)此，近年來發(fa)展的(de)趨勢是(shi)(shi)開(kai)發(fa)新一代的(de)注射(she)(she)模(mo)CAD/CAM專用(yong)系(xi)統(tong)(tong)(tong)，或者(zhe)是(shi)(shi)在(zai)(zai)CAD/CAM通用(yong)系(xi)統(tong)(tong)(tong)的(de)基礎上(shang)進行有針(zhen)對(dui)性(xing)的(de)二(er)次開(kai)發(fa)。例(li)如Technocal公(gong)司開(kai)發(fa)的(de)專用(yong)系(xi)統(tong)(tong)(tong)CAMold軟(ruan)件，能(neng)使注射(she)(she)模(mo)設(she)計(ji)(ji)的(de)許多常規工(gong)作自動化， CAMold軟(ruan)件建(jian)(jian)立了(le)(le)(le)注射(she)(she)模(mo)各部(bu)件之(zhi)間的(de)關系(xi)模(mo)型，能(neng)自動裝配和修(xiu)改注射(she)(she)模(mo)的(de)結構(gou)和尺寸(cun)。再如ParametricTech公(gong)司在(zai)(zai)Pro_E軟(ruan)件的(de)基礎上(shang)開(kai)發(fa)了(le)(le)(le)用(yong)于注射(she)(she)模(mo)設(she)計(ji)(ji)的(de)專用(yong)軟(ruan)件Pro/Moldesign，初步實(shi)現了(le)(le)(le)模(mo)具結構(gou)設(she)計(ji)(ji)、注射(she)(she)流動過(guo)(guo)(guo)程模(mo)擬(ni)(ni)和注射(she)(she)模(mo)開(kai)合動作仿真的(de)集(ji)(ji)(ji)成(cheng)。鑒于我國(guo)的(de)國(guo)情和我校在(zai)(zai)機(ji)械(xie)CAD方面的(de)雄厚實(shi)力(li)，在(zai)(zai)注射(she)(she)模(mo)軟(ruan)件開(kai)發(fa)的(de)第三階(jie)段，選擇了(le)(le)(le)在(zai)(zai)我校自主開(kai)發(fa)的(de)三維參數化特征造(zao)(zao)型CAD/CAM系(xi)統(tong)(tong)(tong)InteSolid 1.0上(shang)研制新一代注射(she)(she)模(mo)集(ji)(ji)(ji)成(cheng)化制造(zao)(zao)系(xi)統(tong)(tong)(tong)。

　　新系統的主要功能(neng)和特點(dian)如下：

　　(1)三維實體(ti)造(zao)型能(neng)力。在二維草圖設計基礎上，可(ke)交互生(sheng)成三維實體(ti)并能(neng)方便地提取實體(ti)的表面信息，以便網(wang)格(ge)的自動剖分。

　　(2)三(san)維(wei)參(can)數化功能。三(san)維(wei)實體與二(er)維(wei)視(shi)圖互相關聯，在(zai)設計(ji)過程中可隨意更改三(san)維(wei)實體或任一(yi)視(shi)圖的尺(chi)(chi)寸(cun)，該(gai)尺(chi)(chi)寸(cun)的更改會導致三(san)維(wei)實體和(he)所有(you)視(shi)圖的自動變(bian)化。

　　(3)可(ke)視化功能(neng)。可(ke)隨(sui)時(shi)對三維圖(tu)形進(jin)(jin)行著色(se)和渲染，并能(neng)進(jin)(jin)行消隱處理和零部件(jian)的(de)干涉(she)檢(jian)查。

　　(4)采用特征(zheng)造型(xing)的(de)方(fang)法。可隨時定義實(shi)體(ti)的(de)特征(zheng)，為進一(yi)步實(shi)現智能化的(de)集成系統創造良好的(de)條件。

　　(5)三維(wei)(wei)真(zhen)實感流動模(mo)擬(ni)。無需用戶定義中性面，直接在(zai)三維(wei)(wei)實體模(mo)型上(shang)進行流動過程仿(fang)真(zhen)。

　　(6)三維參數(shu)化(hua)模具結構設(she)(she)計與(yu)仿(fang)真。新的(de)設(she)(she)計方法將從根本上改變二(er)維視圖的(de)手工設(she)(she)計傳統(tong)，使模具設(she)(she)計過程更直觀、方便(bian)，已(yi)裝配(pei)的(de)模具零件隨時可進行(xing)開合、抽芯、頂推動作的(de)動態仿(fang)真。

　　(7)3～5軸銑削加(jia)工指令生成及(ji)銑削過程仿真。