高職模具專業(yè)學(xué)生塑料模CAD輔助設(shè)計能力的培養(yǎng)

林章輝，周春華

(長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410124)

隨著塑料工業(yè)的興起，塑料產(chǎn)品已經(jīng)成為人類生產(chǎn)和生活中不可缺少的重要組成部分。當(dāng)前全球范圍的以塑料代替金屬的趨勢又進(jìn)一步加速了塑料產(chǎn)品制造業(yè)的發(fā)展速度。塑料模具是塑料產(chǎn)品模塑成型中重要的生產(chǎn)工藝裝備，在國民經(jīng)濟(jì)中起著越來越重要的作用。［1］很多高職院校模具專業(yè)也把《塑料模設(shè)計》作為專業(yè)主干課程，并通過改革課程體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，取得了很大成效。但是，很多畢業(yè)生走上塑料模設(shè)計工作崗位之后，卻不能馬上獨(dú)立工作，還必須通過用人單位花大量精力與時間進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，更有的學(xué)生還得參加社會上的模具培訓(xùn)班的專門學(xué)習(xí)，才能完成一副塑料模具的設(shè)計。分析其原因:傳統(tǒng)的設(shè)計與制造方式已滿足不了生產(chǎn)發(fā)展的需要，計算機(jī)輔助設(shè)計與制造技術(shù)的發(fā)展正適應(yīng)了這種客觀實(shí)際的要求，而大部分畢業(yè)學(xué)生在這方面的能力都很欠缺。職業(yè)教育的目的是以人為本、以職業(yè)技能為核心，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。所以高職院模具專業(yè)應(yīng)把塑料模CAD輔助設(shè)計能力作為學(xué)生的重要能力目標(biāo)之一，重視其培養(yǎng)和訓(xùn)練，使學(xué)生畢業(yè)后能夠“零距離”上崗。

1 塑料模CAD輔助設(shè)計的優(yōu)勢

傳統(tǒng)模具設(shè)計是運(yùn)用較低級的設(shè)計軟件乃至傳統(tǒng)手工制圖工具進(jìn)行設(shè)計的，技術(shù)含量相當(dāng)?shù)停O(shè)計是在二維環(huán)境下進(jìn)行，其設(shè)計路線呈現(xiàn)典型的串行路線，設(shè)計流程中各步驟的相互制約性非常大，因而設(shè)計周期長、設(shè)計質(zhì)量不高，模具加工周期亦長。塑料模CAD輔助設(shè)計是以計算機(jī)為手段進(jìn)行模具設(shè)計，相對于傳統(tǒng)設(shè)計方法，主要有以下優(yōu)點(diǎn):

1)CAD是設(shè)計人員和計算機(jī)的有機(jī)結(jié)合、發(fā)揮各自特長的新型設(shè)計方法。設(shè)計人員充分發(fā)揮其創(chuàng)造思維能力，評判設(shè)計結(jié)果，控制設(shè)計過程，使模具設(shè)計趨于合理化。而計算機(jī)則發(fā)揮其計算分析和儲存信息的能力。兩者結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，有利于獲得最優(yōu)的設(shè)計成果，提高設(shè)計質(zhì)量，減少試模修模時間，較大幅度地降低成本。

2)設(shè)計計算和圖樣繪制的自動化大大縮短了設(shè)計時間，并且可以使設(shè)計者從繁冗的計算和繪圖工作中解放出來，大大節(jié)省了勞動力，使其可以從事更多的創(chuàng)造性勞動。

3)與CAM技術(shù)集成化發(fā)展，可顯著提高制造效率和質(zhì)量。塑料模具的計算機(jī)輔助制造(CAM)技術(shù)主要應(yīng)用于復(fù)雜模具的型腔、型芯及電極的銑削加工、線切割加工、電火花加工等方面。在高級CAD/CAM一體化系統(tǒng)中，CAD利用了參數(shù)化特征造型設(shè)計和同一數(shù)據(jù)庫技術(shù)獲得三維產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)，使得產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)、模具的型腔和型芯模型數(shù)據(jù)、刀具軌跡數(shù)據(jù)有著內(nèi)在的聯(lián)系，產(chǎn)品模型的修改刀具軌跡亦自動修改。因此，CAD/CAM集成化不僅可以加工傳統(tǒng)方法難以加工的復(fù)雜模具型面，也使技術(shù)人員從繁冗NC編程工作中得到解脫，亦可減少模具的加工和調(diào)試工時，顯著縮短從設(shè)計到制造的周期，使模具制造成本降低。

4)與CAE技術(shù)集成化發(fā)展。CAD/CAE集成技術(shù)使得模具在進(jìn)行真的生產(chǎn)(包括樣品生產(chǎn))之前就已經(jīng)通過了計算機(jī)應(yīng)用軟件進(jìn)行了精確的結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析以及成形仿真過程，能夠預(yù)測未來產(chǎn)品可能出現(xiàn)的缺陷，對存在的問題在設(shè)計階段予以解決，對設(shè)計方案做出判斷，直至提出最優(yōu)的設(shè)計參數(shù)，保證了成型后制品的準(zhǔn)確性，使一次試模成為可能，從而可以加快產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程，也降低了試模成本。

5)便于在企業(yè)中建立聯(lián)系各個部門的信息處理系統(tǒng)。

2 高職塑料模CAD輔助設(shè)計培養(yǎng)存在的主要缺陷

塑料模CAD輔助設(shè)計是以計算機(jī)為手段進(jìn)行模具設(shè)計，具體包括:零件幾何造型設(shè)計、型腔型芯形狀生成、型腔布置、模架設(shè)計、注射模具冷卻系統(tǒng)等設(shè)計、裝配圖生成、計算校核、模具零件圖生成。為了做好塑料模CAD輔助設(shè)計，應(yīng)開設(shè)的理論課程有《機(jī)械制圖》、《模具材料與熱處理》、《塑料成型工藝及模具設(shè)計》《機(jī)械制造技術(shù)》、《模具制造工藝》等;而應(yīng)用軟件方面，目前我國模具行業(yè)應(yīng)用的模具CAD軟件可以分為兩大類:一是機(jī)械行業(yè)內(nèi)通用的的CAD，如:AutoCAD、CAXA、Unigraphics(UG)、SolidEdge、SolidWorks 、Pro/Engineer、CATIA等;二是專門針對模具行業(yè)開發(fā)的模具CAD/CAM系統(tǒng)，如:上海交大模具CAD國家工程中心開發(fā)的冷沖模CAD系統(tǒng)等。除“聯(lián)合辦學(xué)”對所用軟件有特殊要求之外，高職的職業(yè)技能培養(yǎng)應(yīng)以通用軟件為主。在培養(yǎng)的過程中主要存在以下缺陷:

1)全部使用二維軟件，如:AutoCAD、CAXA。［2］這樣僅僅是將傳統(tǒng)的手工繪圖改為計算機(jī)繪圖，但是對于復(fù)雜型面的產(chǎn)品，產(chǎn)品與模具都難以表達(dá)清楚，用CNC加工模具時，也不能自動編程生成刀具軌跡。

2)全部使用三維軟件，如:Pro/Engineer、Unigraphics(UG)等。［3－4］模具在裝配以及加工的過程中，都需要二維工程圖紙來表達(dá)配合關(guān)系、加工精度等技術(shù)要求。三維軟件都必須先有三維模型，然后通過三維圖形轉(zhuǎn)換為二維圖形，而對于一副模具來講有幾十甚至幾百個零件，這必須耗費(fèi)大量時間和精力。對于形狀不太復(fù)雜的零件，不需要三維模型CNC就可以加工，并且內(nèi)地很多制造廠家，CNC設(shè)備加工能力有限而只能采用傳統(tǒng)切削加工的方法，而AutoCAD、CAXA等軟件都有強(qiáng)大的二維圖形繪制功能。另外，在這些三維軟件中，采用的模架、標(biāo)準(zhǔn)件大多是國外廠家，如:FUTABA、DME、HASCO、MISUMI、DAIDO，一則不符合學(xué)校教學(xué)應(yīng)推行國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，二則難以采購、成本偏高。

3)理論課程與軟件課程難以結(jié)合。模具設(shè)計是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的技術(shù)，必須要求模具結(jié)構(gòu)設(shè)計、零件制造加工工藝、模具材料及熱處理以及軟件應(yīng)用各方面相結(jié)合，一方面有欠缺，設(shè)計的模具不可能很完善。這些對于高職的師資水平是一個嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，有的教師只會軟件而不懂模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，那么其設(shè)計的模具結(jié)構(gòu)就不一定合理;有的知道模具結(jié)構(gòu)設(shè)計而不了解加工工藝，那么其設(shè)計出的零件可能制造難度大、制造成本高;有的懂結(jié)構(gòu)設(shè)計與加工而不明白軟件應(yīng)用，那么設(shè)計方法還會停留于傳統(tǒng)的圖板加鉛筆的方式。

3 提高學(xué)生塑料模CAD輔助設(shè)計能力的措施

3.1 改革傳統(tǒng)設(shè)計理念，運(yùn)用符合生產(chǎn)實(shí)際的設(shè)計方法

高職培養(yǎng)的應(yīng)是高素質(zhì)的技能型人才，要求學(xué)生“學(xué)了能用、學(xué)了會用、學(xué)了就用，學(xué)以致用”。能力的培養(yǎng)特別不能與生產(chǎn)崗位脫節(jié)。筆者通過多年的企業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和大量的調(diào)研，探索了塑料模CAD輔助設(shè)計的方法。其流程圖如下:

圖1 CAD輔助設(shè)計流程圖

1)建模:利用3D軟件對制品建模，并轉(zhuǎn)換為2D圖。分析原材料性能、制品工藝性能、生產(chǎn)效率等，做到能初步擬定模具結(jié)構(gòu)。

2)排位:利用2D軟件，繪制模架，并且調(diào)入制品2D圖，按生產(chǎn)率等要求完成模具型腔的布排。為提高設(shè)計效率，2D軟件有許多二次開發(fā)的外掛軟件，如:燕秀工具箱、LTOOLS等。在外掛中，設(shè)計模具所需模架、導(dǎo)柱、導(dǎo)套等標(biāo)準(zhǔn)件都有標(biāo)準(zhǔn)件庫，因此可以根據(jù)設(shè)計要求直接調(diào)用，可大大提高繪圖速度。并且其中標(biāo)準(zhǔn)件多為我國模具廠(如:龍記、明利、環(huán)勝等)制造加工。如圖2即為LTOOLS的標(biāo)準(zhǔn)件庫圖。

圖2 LTOOLS的標(biāo)準(zhǔn)件庫圖

3)分模:利用3D軟件，調(diào)入制品3D圖，設(shè)計模具成型零部件3D圖，如凹模、凸模等。

4)成型零件CNC加工:將成型零部件3D模型轉(zhuǎn)換出2D工程圖，將其3D、2D圖一并交與CNC加工。［5］如果需要電火花加工的，還需出電極圖3D、2D圖，也一并交與CNC加工。

5)繪制裝配圖、零件圖:將分模后的成型零件2D圖調(diào)入2D排位圖，完成裝配圖的設(shè)計與繪制，如澆注系統(tǒng)、頂出機(jī)構(gòu)、冷卻加熱裝置、側(cè)抽芯所需的斜導(dǎo)柱、滑塊等。并且設(shè)計、繪制非標(biāo)零件的2D圖。完成后，交與加工制造工序。

6)修改:將加工、裝配好的模具試模，檢查試模后制品，如有需修改的地方，則修改前面的設(shè)計。

7)存檔:將正常生產(chǎn)后的所有設(shè)計資料歸檔并刻成光盤保管。

當(dāng)然，在設(shè)計模具的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的過程中，可以先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步確定設(shè)計方案，然后利用CAE軟件(如MOLDFLOW)進(jìn)行模流分析，確定設(shè)計最佳方案。從而優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，提高一次試模成功率。

3.2 改革課程設(shè)置與課程內(nèi)容

由于形成塑料模具CAD輔助設(shè)計能力相關(guān)的知識面很寬，但它又側(cè)重于綜合運(yùn)用的特點(diǎn)，可將《模具材料與熱處理》、《塑料成型工藝及模具設(shè)計》《機(jī)械制造技術(shù)》、《模具制造工藝》整合，以形成設(shè)計塑料模具必須具備的理論設(shè)計知識，將《機(jī)械制圖》、2D軟件、3D軟件整合，以形成設(shè)計塑料模具必須具備的圖形繪制能力。當(dāng)然，課程的整合與優(yōu)化應(yīng)以“實(shí)用、夠用”為原則，如2D軟件外掛的知識、模具行業(yè)繪圖區(qū)別于通用機(jī)械的特殊畫法等應(yīng)加以補(bǔ)充。

3.3 加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)

實(shí)踐環(huán)節(jié)可以通過“課程設(shè)計”和“畢業(yè)設(shè)計”的方式來實(shí)現(xiàn)。通過給出學(xué)生制品，要求其設(shè)計出生產(chǎn)該制品的模具，但不能采取傳統(tǒng)設(shè)計的方式，而應(yīng)參照符合實(shí)際生產(chǎn)的設(shè)計方法和步驟來進(jìn)行。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)的模具設(shè)計與制造方法已不能適應(yīng)工業(yè)產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代和提高質(zhì)量的要求，CAD輔助設(shè)計是現(xiàn)代塑料模具設(shè)計員必須具備的技能，高職模具專業(yè)應(yīng)把該能力培養(yǎng)貫穿于教學(xué)過程的始終，把知識的傳授與技能的培養(yǎng)緊密結(jié)合起來，使學(xué)生畢業(yè)后能真正成為模具設(shè)計崗位的高技能人才。

［1］翁其金.塑料模塑成型技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］管文華.Auto CAD2008中文版案例教程［M］.長沙:中南大學(xué)出版社，2009.

［3］吳斌.Pro/Engineer模具設(shè)計技術(shù)與實(shí)踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［4］彭響方，陳明，常春藤.UG NX4.0模具設(shè)計精選實(shí)例詳解教程［M］.北京:人民郵電出版社，2007.

［5］于春生.數(shù)控機(jī)床編程及應(yīng)用［M］.北京:.高等教育出版社，2004.