CAD_CAE_CAM技術在塑料模具設計課程教學中的應用研究與實踐.pdf

模具制造 2 0 0 8 年第 6 期 耐斯合模機飛模好幫手 電話： 0 7 6 9 - 2 2 7 0 7 0 2 9 / 7傳真： 0 7 6 9 - 2 2 7 0 8 2 4 0 H t t p ： / / w w w . n i c e ma c h i n e . n e tE - ma i l ： n i c e n i c e ma c h i n e . n e t C A D / C A E / C A M技術在塑料模具設計 課程教學中的應用研究與實踐 浙江大學寧波理工學院（ 浙江寧波3 1 5 1 0 0 ）賈志欣 寧波大學工學院李紅林 【 摘要】 隨著塑料制品的廣泛應用， 眾多的院校開設 塑料模具設計 課程。 本文針對該課程的 教學難點， 在調研的基礎上， 在教學中引入C A D / C A E / C A M 技術， 使用大量的動畫、 圖片、 實例 分析案例進行教學， 有效地對模具結構和注塑工藝的難點進行講解， 激發(fā)了學生學習興趣， 收到了良好的教學效果。 關鍵字： 塑料模具； 課程教學； C A D / C A E / C A M A p p l i c a t i o nS t u d ya n dP r a c t i c e o f C A D / C A E / C A M T e c h n o l o g y i nt h e I n j e c t i o nMo l dD e s i g nT e a c h i n gC o u r s e 【 A b s t r a c t 】 Wi t ht h e e x t e n s i v e a p p l i c a t i o no f p l a s t i c p r o d u c t s , t h e c o u r s e o f i n j e c t i o nm o l dd e s i g n w a ss e tu pi nm a n yc o l l e g e s .O nt h eb a s i so fi n v e s t i g a t i o n ,t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt e a c h i n g m e t h o d sb ya d o p t i n gC A D / C A E / C A M t e c h n o l o g y . Al o t o f a n i m a t i o nf i l e s , p h o t og r a p h i c sa n d a n a l y s i se x a m p l e sw e r eu s e dt og i v ea ne f f e c t i v ec o m p r e h e n s i o n st ot h em o l ds t r u c t u r ea n d i n j e c t i o np r o c e s s i n g . T h es t u d e n t s i n t e r e s t i nl e a r n i n gw e r ea r o u s e d ， a n dg o o dt e a c h i n gr e s u l t s w e r e g o t t e n . K e yw o r d s : p l a s t i c m o l d ；c o u r s e t e a c h i n g ；C A D / C A E / C A M 寧波市教育科學規(guī)劃課題 “ 面向機械類創(chuàng)新人才培 養(yǎng)的實踐教學研究” 項目資助。 1 引言 塑料工業(yè)近2 0 年來發(fā)展十分迅速， 早在1 9 9 5 年塑 料的年產量按體積計算已經超過鋼鐵和有色金屬年 產量的總和， 塑料制品在汽車、 機電、 儀表、 航天航空 等國家支柱產業(yè)及與人民日常生活相關的各個領域 中得到了廣泛的應用。 塑料模具占到國內模具總量的 4 0 %， 目前塑料制品成型的多種方法中最主要的是注 塑成型， 塑料成型模具產量中約半數(shù)以上是注射模。 適應實際需求， 國內許多高校的機械類專業(yè)都開 設了 塑料模具設計 課程， 該課程傳統(tǒng)的講課方法是 采用模型和掛圖進行教學，這種方法有一定的局限 性： 一是模型和掛圖模具種類有限， 不能滿足各種模 具結構的需要； 二是這種方式仍然是靜態(tài)的， 學生仍 難于理解模具各零部件之間的動態(tài)關系。 例如模具分 型面的理解是弄懂模具結構的基礎， 分型面選擇對制 品質量、 操作難易、 模具結構及制造影響很大。 但是單 從結構圖上學生卻難于判斷出分型面， 特別是具有雙 分型面和三分型面的復雜模具， 影響了對模具主要動 作順序 ( 合模一注射一保壓- 冷卻一開模一頂出一合 模) 的理解。作者經過模具企業(yè)的實際調研， 在本課程 的教學中將 C A D / C A E / C A M技術引入到教學中， 以實 例模型、 注射仿真分析， 以豐富的三維實例、 動畫、 圖 片相結合的方式， 激發(fā)了學習興趣， 改善了課程教學 效果， 提高了學生知識綜合運用分析能力。 2 C A D / C A E / C A M技術在模具課程教學中的 應用研究與實踐 2 . 1 實際調研 塑料模具屬型腔模具， 一般形狀較復雜。寧波地 區(qū)塑料模具企業(yè)比較集中， 享有“ 中國模具之都” 的美 譽，通過對 2 0 家主要注射模企業(yè) C A D / C A E / C A M技 術應用情況的調研發(fā)現(xiàn)， 絕大多數(shù)模具企業(yè)在設計過 程中已普遍采用三維 C A D / C A M軟件，如 U G 、 P r o / E 、 C a t i a 、 S o l i d w o r k s 、 C i m a t r o n 等，進行注射模設計制造， 高校模具專業(yè)教學與實踐 8 2 模具制造 2 0 0 8 年第 6 期 耐斯合模機飛模好幫手 電話： 0 7 6 9 - 2 2 7 0 7 0 2 9 / 7傳真： 0 7 6 9 - 2 2 7 0 8 2 4 0 H t t p ： / / w w w . n i c e ma c h i n e . n e tE - ma i l ： n i c e n i c e ma c h i n e . n e t 部分企業(yè)已采用 M o l d F l o w 、 H S C A E3 D等注射成型分 析軟件進行模具結構、 注塑工藝的優(yōu)化， 目前單純的 課堂教學已落后于當前模具實際設計狀況。 針對實際 調研結果， 作者認為在塑料模具設計課程教學中必須 進行改革， 融入 C A D / C A E / C A M技術才能滿足實際需 要， 激發(fā)學生的學習興趣， 培養(yǎng)高質量的應用型人才。 2 . 2 C A D / C A E / C A M技術的應用 根據(jù)塑料模具企業(yè)的情況調研，作者在課程教學 中， 根據(jù)內容采用了C A D / C A E 軟件輔助形式。 通過豐富 的實例動畫演示， 對注塑機、 模具的動作過程、 注射工 藝講解起到了事半功倍的效果 1 。如圖1 為用華塑C A E 軟件生成的注塑機、 模具的動作過程動畫的一個畫面。 圖 1 注塑機、 模具的動作過程 （ 1 ） 通過 C A D / C A M軟件， 進行具體實例建模、 裝 配和動畫， 實例講解塑件的設計要求、 模具結構及動 作原理。 在塑料制品階段， 演示三維塑料制品， 從成型工 藝的角度對模型進行評價。 塑料模具結構復雜，單純借助教材上的工程圖， 即使制圖基礎比較好的同學對模具裝配圖也感到摸 不找頭腦， 教師也很難講解清楚模具的結構。借助于 P r o / E 、 U G 、 S o l i d Wo r k s 等三維軟件， 展示模具中每個零 件的安裝位置、 三維結構、 作用， 再對應模具裝配圖講 解。 對鼠標外殼塑件， 其模具三維模型如圖 2 所示， 動 態(tài)演示模具結構， 直觀、 清晰， 便于同學理解和掌握， 收到了良好的教學效果。 圖 2 模具整體結構 對模具的抽芯機構、 頂出機構的動作原理， 單純 借助模具裝配圖很難表達清楚， 采用仿真動畫演示閉 模、 開模、 頂出的動作過程， 可以起到事半功倍的效 果。圖 3 所示為擺鉤式二次推出機構動畫演示過程中 的 3 個畫面。 （ a ）（ b ）（ c ） 圖 3 擺鉤式二次推出示例 a 閉模狀態(tài)b 一次頂出c 二次頂出 （ 2 ） 借助成形工藝 C A E分析， 通過分析實例講解 注射工藝。 塑料注射成型過程中， 塑料原料要在有限時間內 完成固體輸送、 熔融、 熔體流動、 壓實、 固化等非等溫、 非平衡過程， 并伴隨相變發(fā)生、 分子取向、 纖維取向及 可能的結晶等復雜的物理、 化學現(xiàn)象 2 。 成型過程中會 產生熔接痕、 充填不足、 飛邊、 氣泡、 縮孔、 翹曲變形等 眾多缺陷。這諸多因素之間是相互關聯(lián)、 多交叉的關 系。僅以熔接痕為為例， 熔融的塑料在模腔中流動時 兩股塑料會合形成的痕跡。 熔接痕不但有礙于塑件的 美觀， 同時在熔接痕處塑料性能明顯下降， 對于纖維 增強塑料影響更為明顯。 在模具設計中要盡量減少熔 接痕的數(shù)量, 控制熔接痕的位置。 解決熔接痕缺陷的措 施有：優(yōu)化成型工藝條件( 如提高塑料熔融溫度、 模 具溫度、 增大注射壓力和注射速度等) ， 以提高塑料的 流動性； 改變澆口位置和澆口數(shù)量， 以改變熔接痕 的位置及數(shù)量； 在熔接痕處增加排氣槽, 降低塑料流 動阻力； 在熔接痕處增加冷料井， 將塑料料頭冷料 儲存于此， 成型后再將冷料井切除； 增加流道和澆 口尺寸， 提高注射速度。 注塑C A E 技術可以為優(yōu)化注射工藝提供有力的保 證。C A E 技術在注射模開發(fā)各階段的作用如圖4 所示。 為清晰地講解這諸多因素之間的影響， 通過借助 華塑 H S C A E軟件 3 對雙桶洗衣機桶體、 空調蓋板等實 際零件不同注射方案進行分析， 以動畫演示結果進行 講解。圖 5 為針對洗衣機桶體進行分析的結果演示， 對同學理解流動前沿、 熔接痕的形成、 澆口對充填的 影響、 溫度場的分布以及塑件的成型質量分析起到了 高校模具專業(yè)教學與實踐 8 3 模具制造 2 0 0 8 年第 6 期 耐斯合模機飛模好幫手 電話： 0 7 6 9 - 2 2 7 0 7 0 2 9 / 7傳真： 0 7 6 9 - 2 2 7 0 8 2 4 0 H t t p ： / / w w w . n i c e ma c h i n e . n e tE - ma i l ： n i c e n i c e ma c h i n e . n e t 有力的輔助作用。圖 6 為空調蓋板流動前沿、 熔接痕 分析， 圖 7 為冷卻水道布置對塑件質量的影響， 直觀 的充模過程、 直觀的畫面給同學展示了塑料成型的整 個過程， 為深刻掌握注射成型工藝及分析各因素對塑 料制品的影響提供了保證， 實踐表明教學效果良好。 圖 4 C A E技術應用 圖5 雙缸洗衣機桶體的分析案例 a 流動前沿b 熔接紋c 充填澆口 d 表面定向e 穩(wěn)態(tài)溫度場f 型芯型腔表面溫差 圖6 空調蓋板流動前沿、 熔接痕分析 圖 7 冷卻水道的布置 2 . 3 應用效果 實踐表明， 將 C A D / C A E / C A M技術引入塑料模具 設計課程教學， 收到了良好的教學效果， 表現(xiàn)在： （ 1 ） 對模具的結構、 模具設計方法、 注射成型工藝 的合理性有了生動、 深刻的理解。 （ 2 ） 引導同學對 C A D / C A E / C A M集成技術有了全 貌的認識和了解， 增加了知識的系統(tǒng)性。 （ 3 ） 激發(fā)了同學的學習興趣， 開拓了同學的視野。 生動的教學使得同學認真聽講、 積極提問， 反過 來對教師也起到了激勵作用， 會努力將科研工作中的 實例融入到教學中。 3 結束語 模具 C A D / C A E / C A M技術迅速發(fā)展， 企業(yè)對掌握 和了解相關知識的模具技術人才需求迫切， 教師如何 在當前專業(yè)課學時不斷壓縮的前提下，充實教學內 容， 促進創(chuàng)新人才的培養(yǎng)， 是高校教師面臨的一個重 要研究課題。寧波被譽為“ 中國模具之都” ， 切合地方 經濟需求， 培養(yǎng)應用型、 創(chuàng)新性模具技術人才是地方 院校的重要任務。本文將模具 C A D / C A E / C A M技術應 用于模具課程教學，采用多種媒體形式對模具結構、 成形工藝等難點、 重點內容講解， 取得了良好的效果。 希望本文起到拋磚引玉的作用。 4 參考文獻 1 李德群， 周華民. 塑料注射成形過程仿真軟件的開發(fā)和應用 J . 中國機械工程. 2 0 0 2 ， （ 2 2 ） 2 齊曉杰. 塑料成形工藝與模具設計 M . 機械工業(yè)出版社， 2 0 0 6 . 3 李德群. 模具的 C A D / C A E / C A M技術 J . 電加工與模具 2 0 0 6 年增刊. （ a ）（ b ）（ c