模具數(shù)字化設(shè)計與快速制造

王宏松，汪程，修輝平

（九江職業(yè)技術(shù)學院，九江 332007）

隨著科技的發(fā)展和社會的進步，產(chǎn)品的小批量、多樣化、高精度、復雜化將是未來發(fā)展的趨勢，這就迫使制造企業(yè)在產(chǎn)品不斷更新、質(zhì)量要求不斷提升的前提下，最大限度地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本，以滿足用戶的最新要求。制造業(yè)的發(fā)展離不開模具工業(yè)，模具的開發(fā)和制造是制約新產(chǎn)品開發(fā)的瓶頸，傳統(tǒng)模具設(shè)計和制造方法已經(jīng)不能滿足市場需要，因此模具的數(shù)字化設(shè)計和快速模具制造技術(shù)為產(chǎn)品快速響應市場奠定了基礎(chǔ)。

1 模具的數(shù)字化設(shè)計和快速制造系統(tǒng)的組成

模具數(shù)字化設(shè)計與快速制造技術(shù)集成，可以減少中間建模的時間和誤差，借助計算機對模具性能、模具結(jié)構(gòu)、數(shù)控加工及精度等進行反復修改和優(yōu)化，將問題發(fā)現(xiàn)于正式生產(chǎn)之前，可以快速完成產(chǎn)品設(shè)計，并有效地確保所設(shè)計的產(chǎn)品具有最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和可行的工藝性，顯著縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低相關(guān)成本［1］。

模具數(shù)字化設(shè)計，是以先進設(shè)計理論和方法為基礎(chǔ)，以數(shù)字技術(shù)為工具，實現(xiàn)模具設(shè)計全過程中對象的數(shù)字化表達、處理、儲存、傳遞及控制［2］。其特征表現(xiàn)為數(shù)字化設(shè)計、加工、分析以及數(shù)字化制造［3］。傳統(tǒng)的模具是由模具鋼經(jīng)過“去除材料”，如車、銑、刨、磨等加工而成，制造周期長，成本高，工藝復雜?？焖倌＞咧圃旒夹g(shù)是由快速成形與快速制造（Rapid prototyping＆Manufacturing）作為支撐的一項基礎(chǔ)創(chuàng)新制造方法［4］，即從根本上拋棄了舊工藝方法，采用新的工藝方法，是一種新的“增加”材料制造模具的方法。

模具的數(shù)字化設(shè)計和快速制造集成系統(tǒng)如圖1所示。具體可以分為兩大過程:模具的數(shù)字化設(shè)計和模具的快速制造（RT）。

圖1 數(shù)字化設(shè)計和快速制造集成系統(tǒng)Fig.1 Integrated system of digital design and rapid manufacturing

1.1 模具的數(shù)字化設(shè)計

1.1.1 三維造型

實現(xiàn)產(chǎn)品和模具的三維CAD設(shè)計，是實現(xiàn)模具數(shù)字化制造的前提。數(shù)字化設(shè)計的方法有正向設(shè)計和逆向設(shè)計［5］。逆向設(shè)計是利用采集到的點云數(shù)據(jù)，導入到三維CAD后對產(chǎn)品和模具進行設(shè)計。同時，模具設(shè)計是一個典型的弱理論領(lǐng)域，具有很強的經(jīng)驗知識，所以可以建立起專家?guī)?，用于保存和重用已有?jīng)驗和知識，來指導模型的設(shè)計［6—7］。

1.1.2 結(jié)構(gòu)分析

產(chǎn)品的設(shè)計不僅要滿足客戶的外觀要求，更重要的是要滿足使用性能和加工制造要求，因此要對產(chǎn)品進行結(jié)構(gòu)分析。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析的主要內(nèi)容有強度和剛度結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)分析的結(jié)果，對原始設(shè)計進行修改，使產(chǎn)品滿足客戶要求。

1.1.3 虛擬設(shè)計

虛擬技術(shù)是一種基于仿真的設(shè)計，虛擬設(shè)計是基于CAD模型，用精確逼真的數(shù)字模型表示物理模具的各個部分、各個部件以及整個原型模具及裝配。虛擬模具裝配系統(tǒng)在模具的設(shè)計階段，就對模具的機構(gòu)設(shè)計、零件的安裝、裝配進行虛擬操作，將已完成設(shè)計的模具裝配到一起，用以檢查多個零部件裝配到一起的協(xié)調(diào)性，分析裝配和運動的干涉等。

1.1.4 成形工藝仿真與優(yōu)化

注塑成形過程的機理比較復雜，注塑模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計（如分型面、澆口、流道、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計），直接影響注塑件的外觀質(zhì)量，如翹曲變形、熔接痕等。傳統(tǒng)的模具設(shè)計多是基于經(jīng)驗的多反復性過程。通過反復的試模-修模-試模的方式來進行新模的開發(fā)，從而導致了模具的開發(fā)周期長，開發(fā)成本高。注塑工藝的仿真與優(yōu)化可以評判結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞，及時反饋給CAD的設(shè)計;同時還能確定合理的注塑成形工藝參數(shù)，為設(shè)計提供有力的依據(jù)。

1.2 模具的快速制造

1.2.1 快速成形

快速成形（Rapid Prototyping）是一種由CAD模型直接驅(qū)動，快速生成任意復雜形狀的三維實體的制造技術(shù)，它是一種“增加”材料制造的方法［8］。RP技術(shù)根據(jù)CAD模型，對實體進行切片，得到各個層的二維輪廓信息，按照這些輪廓一層一層加工堆砌形成三維的實體。目前商業(yè)化的快速成形方法主要有5種，其成形方法特點和應用場合見表1［9］。

1.2.2 模具快速制造方法

快速模具制造技術(shù)（RT）是快速成形技術(shù)（RP）的自然延伸?？焖俪尚巫畛醯哪康氖球炞C產(chǎn)品的設(shè)計，由于在材質(zhì)上與真實的產(chǎn)品不一致，另外很難實現(xiàn)產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)，因此迫切需要一種采用多種工藝、多種工具的新技術(shù)，它就是RT［10］?；赗P技術(shù)的模具快速制造工藝可以分為2種，一種是直接制造，另一種是間接制造，如圖2所示。

1.2.3 快速模具制造工藝

基于RP的模具快速制造工藝路線見表2。

表1 常用快速成形方法、原材料、特點和應用場合Table 1 Rapid prototyping methods，materials，characteristics and applications

表2 基于RP的模具快速制造工藝路線Table 2 Rapid mold manufacturing process

圖2 模具快速制造方法Fig.2 Rapid mold manufacturing methods

2 模具的數(shù)字化設(shè)計和快速制造的實現(xiàn)

根據(jù)客戶對快速成形制造工程中心的要求，試制2件玩具車齒輪。以客戶玩具車齒輪的原型為制造實例，采用FDM快速成形方式，通過間接制模方法，制造該產(chǎn)品的軟模，從而實現(xiàn)該產(chǎn)品的試制。通過樣品的試制，來驗證基于RP的快速模具制造系統(tǒng)的可行性。齒輪的數(shù)字化設(shè)計和快速模具制造流程如下。

2.1 模型的建立與分析

通過UG軟件建立模型，如圖3所示，然后進行塑模部件驗證，得到產(chǎn)品的綜合信息、拔模角等。分析顯示，齒輪厚度為25 mm，拔模角為0°，不利于分模，修改后的拔模角為1°。

圖3 玩具車齒輪Fig.3 Toy car gear

2.2 對產(chǎn)品進行分模和虛擬模具設(shè)計

運用UG進行產(chǎn)品的分模，確定型芯和型腔的長寬高，查看設(shè)計是否合理，并為后續(xù)的模具制造提供數(shù)據(jù)參考。擬采用軟模制造小批量產(chǎn)品，故不需要調(diào)用標準模架，但使用間接法來制造過渡模或批量模，可以調(diào)用標準模架，來觀察產(chǎn)品的布局是否合理。

圖4 型芯芯腔Fig.4 Core＆cavity

2.3 成形工藝分析

運用Moldflow對產(chǎn)品進行成形工藝的分析，考察在給定的成形工藝下，產(chǎn)品的收縮率、翹曲等，來確定產(chǎn)品和模具的設(shè)計是否合理。擬采用硅橡膠軟模來制造小批量的產(chǎn)品，硅橡膠軟模采用自然冷卻方式，無需要冷卻回路，因此可以省略成形工藝分析。

2.4 快速成形

與其他RP系統(tǒng)相比，F(xiàn)DM系統(tǒng)不用激光器件，使用維護簡單，成本較低，對于該塑料玩具制品，形狀不太復雜，要求的精度也不是很高，因此選用FDM成形工藝，采用北京殷華激光快速成形與模具技術(shù)有限公司的MEM-300-E型號的熔融快速成形機，配套開發(fā)的軟件為Auroral，成形層厚為0.2 mm，噴嘴溫度為260℃，工作室溫度為60℃，其他參數(shù)默認。成形后的零件如圖5所示。

圖5 快速成形系統(tǒng)與快速成形零件Fig.5 Rapid prototyping systems＆part

2.5 快速模具制造

軟模是一種試制用模具，它制造周期短、成本低、彈性好，工件易于脫模，再現(xiàn)性好?？蛻粢笤囍圃?件樣品，根據(jù)產(chǎn)品的材料和結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合制造成本和開發(fā)周期，優(yōu)先選擇間接法制造硅橡膠軟模具。其工藝過程如下［11］。

1）在快速成形的母模上，沿著選定的分模面，貼一層膠帶，并用膠帶覆蓋住齒輪輪輻上的孔和軸孔。然后用強力膠將流道芯模粘結(jié)于母模上。

2）制作木頭澆注框，用油泥密封縫隙，懸掛母模和流道芯模與澆注框之中。

3）向澆注框中注入硅橡膠，同時加入少量的液態(tài)硅橡膠和固化劑。

4）烘干固化后，描畫分模線，用刀沿著分模線向粘貼的膠帶紙方向，切開澆注件。取出母模和澆注芯模具，最終得到玩具齒輪的上下模具。

3 結(jié)語

模具的數(shù)字化設(shè)計，可以快速完成產(chǎn)品設(shè)計，并有效地確保所設(shè)計的產(chǎn)品具有最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和可行的工藝性;注塑模具的快速制造，可以針對不同的客戶需求和產(chǎn)品的質(zhì)量要求，選擇不同的RP技術(shù)和RT技術(shù)。RP和RT技術(shù)的有機結(jié)合，能顯著縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、制造周期，大大降低開發(fā)模具的成本。

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