CAD_CAE_CAM技术在塑料模具设计课程教学中的应用研究与实践.pdf

模 具 制 造 2 0 0 8 年 第 6 期 耐 斯 合 模 机 飞 模 好 帮 手电 话 ： 0 7 6 9 - 2 2 7 0 7 0 2 9 / 7 传 真 ： 0 7 6 9 - 2 2 7 0 8 2 4 0H t t p ： / / w w w . n i c e m a c h i n e . n e t E - m a i l ： n i c e n i c e m a c h i n e . n e D / C A E / C A M 技 术 在 塑 料 模 具 设 计课 程 教 学 中 的 应 用 研 究 与 实 践浙 江 大 学 宁 波 理 工 学 院 （ 浙 江 宁 波 3 1 5 1 0 0 ） 贾 志 欣宁 波 大 学 工 学 院 李 红 林【 摘 要 】 随 着 塑 料 制 品 的 广 泛 应 用 ， 众 多 的 院 校 开 设 塑 料 模 具 设 计 课 程 。 本 文 针 对 该 课 程 的教 学 难 点 ， 在 调 研 的 基 础 上 ， 在 教 学 中 引 入 C A D / C A E / C A M 技 术 ， 使 用 大 量 的 动 画 、 图 片 、 实 例分 析 案 例 进 行 教 学 ， 有 效 地 对 模 具 结 构 和 注 塑 工 艺 的 难 点 进 行 讲 解 ， 激 发 了 学 生 学 习 兴 趣 ，收 到 了 良 好 的 教 学 效 果 。关 键 字 ： 塑 料 模 具 ； 课 程 教 学 ； C A D / C A E / C A MA p p l i c a t i o n S t u d y a n d P 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 yi n t h e I n j e c t i o n M o l d D e s i g n T e a c h i n g C o u r s e【 A b s t r a c t 】 W i t h t h e e x t e n s i v e a p p l i c a t i o n o 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 n m o l d d e s i g nw a s s e t u p i n m a n y c o l l e g e s . O n t h e b a s i s o f i n v e s t i g a t i o n , t h i s p a p e r i n t r o d u c e d t e a c h i n gm e t h o d s b y a d o p t i n g C A D / C A E / C A M t e c h n o l o g y . A l o t o f a n i m a t i o n f i l e s , p h o t o g r a p h i c s a n da n a l y s i s e x a m p l e s w e r e u s e d t o g i v e a n e f f e c t i v e c o m p r e h e n s i o n s t o t h e m o l d s t r u c t u r e a n di n j e c t i o n p r o c e s s i n g . T h e s t u d e n t s i n t e r e s t i n l e a r n i n g w e r e a r o u s e d ， a n d g o o d t e a c h i n g r e s u l t sw e r e g o t t e n .K e y w 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 市 教 育 科 学 规 划 课 题 “ 面 向 机 械 类 创 新 人 才 培养 的 实 践 教 学 研 究 ” 项 目 资 助 。1 引 言塑 料 工 业 近 2 0 年 来 发 展 十 分 迅 速 ， 早 在 1 9 9 5 年 塑料 的 年 产 量 按 体 积 计 算 已 经 超 过 钢 铁 和 有 色 金 属 年产 量 的 总 和 ， 塑 料 制 品 在 汽 车 、 机 电 、 仪 表 、 航 天 航 空等 国 家 支 柱 产 业 及 与 人 民 日 常 生 活 相 关 的 各 个 领 域中 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 塑 料 模 具 占 到 国 内 模 具 总 量 的4 0 % ， 目 前 塑 料 制 品 成 型 的 多 种 方 法 中 最 主 要 的 是 注塑 成 型 ， 塑 料 成 型 模 具 产 量 中 约 半 数 以 上 是 注 射 模 。适 应 实 际 需 求 ， 国 内 许 多 高 校 的 机 械 类 专 业 都 开设 了 塑 料 模 具 设 计 课 程 ， 该 课 程 传 统 的 讲 课 方 法 是采 用 模 型 和 挂 图 进 行 教 学 ， 这 种 方 法 有 一 定 的 局 限性 ： 一 是 模 型 和 挂 图 模 具 种 类 有 限 ， 不 能 满 足 各 种 模具 结 构 的 需 要 ； 二 是 这 种 方 式 仍 然 是 静 态 的 ， 学 生 仍难 于 理 解 模 具 各 零 部 件 之 间 的 动 态 关 系 。 例 如 模 具 分型 面 的 理 解 是 弄 懂 模 具 结 构 的 基 础 ， 分 型 面 选 择 对 制品 质 量 、 操 作 难 易 、 模 具 结 构 及 制 造 影 响 很 大 。 但 是 单从 结 构 图 上 学 生 却 难 于 判 断 出 分 型 面 ， 特 别 是 具 有 双分 型 面 和 三 分 型 面 的 复 杂 模 具 ， 影 响 了 对 模 具 主 要 动作 顺 序 ( 合 模 一 注 射 一 保 压 - 冷 却 一 开 模 一 顶 出 一 合模 ) 的 理 解 。 作 者 经 过 模 具 企 业 的 实 际 调 研 ， 在 本 课 程的 教 学 中 将 C A D / C A E / C A M 技 术 引 入 到 教 学 中 ， 以 实例 模 型 、 注 射 仿 真 分 析 ， 以 丰 富 的 三 维 实 例 、 动 画 、 图片 相 结 合 的 方 式 ， 激 发 了 学 习 兴 趣 ， 改 善 了 课 程 教 学效 果 ， 提 高 了 学 生 知 识 综 合 运 用 分 析 能 力 。2 C A D / C A E / C A M 技 术 在 模 具 课 程 教 学 中 的应 用 研 究 与 实 践2 . 1 实 际 调 研塑 料 模 具 属 型 腔 模 具 ， 一 般 形 状 较 复 杂 。 宁 波 地区 塑 料 模 具 企 业 比 较 集 中 ， 享 有 “ 中 国 模 具 之 都 ” 的 美誉 ， 通 过 对 2 0 家 主 要 注 射 模 企 业 C A D / C A E / C A M 技术 应 用 情 况 的 调 研 发 现 ， 绝 大 多 数 模 具 企 业 在 设 计 过程 中 已 普 遍 采 用 三 维 C A D / C A M 软 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 ， 进 行 注 射 模 设 计 制 造 ， 高 校 模 具 专 业 教 学 与 实 践 8 2 模 具 制 造 2 0 0 8 年 第 6 期耐 斯 合 模 机 飞 模 好 帮 手电 话 ： 0 7 6 9 - 2 2 7 0 7 0 2 9 / 7 传 真 ： 0 7 6 9 - 2 2 7 0 8 2 4 0H t t p ： / / w w w . n i c e m a c h i n e . n e t E - m a i l ： n i c e n i c e m a c h i n e . n e 企 业 已 采 用 M o l d F l o w 、 H S C A E 3 D 等 注 射 成 型 分析 软 件 进 行 模 具 结 构 、 注 塑 工 艺 的 优 化 ， 目 前 单 纯 的课 堂 教 学 已 落 后 于 当 前 模 具 实 际 设 计 状 况 。 针 对 实 际调 研 结 果 ， 作 者 认 为 在 塑 料 模 具 设 计 课 程 教 学 中 必 须进 行 改 革 ， 融 入 C A D / C A E / C A M 技 术 才 能 满 足 实 际 需要 ， 激 发 学 生 的 学 习 兴 趣 ， 培 养 高 质 量 的 应 用 型 人 才 。2 . 2 C A D / C A E / C A M 技 术 的 应 用根 据 塑 料 模 具 企 业 的 情 况 调 研 ， 作 者 在 课 程 教 学中 ， 根 据 内 容 采 用 了 C A D / C A E 软 件 辅 助 形 式 。 通 过 丰 富的 实 例 动 画 演 示 ， 对 注 塑 机 、 模 具 的 动 作 过 程 、 注 射 工艺 讲 解 起 到 了 事 半 功 倍 的 效 果 1 。 如 图 1 为 用 华 塑 C A 生 成 的 注 塑 机 、 模 具 的 动 作 过 程 动 画 的 一 个 画 面 。图 1 注 塑 机 、 模 具 的 动 作 过 程（ 1 ） 通 过 C A D / C A M 软 件 ， 进 行 具 体 实 例 建 模 、 装配 和 动 画 ， 实 例 讲 解 塑 件 的 设 计 要 求 、 模 具 结 构 及 动作 原 理 。在 塑 料 制 品 阶 段 ， 演 示 三 维 塑 料 制 品 ， 从 成 型 工艺 的 角 度 对 模 型 进 行 评 价 。塑 料 模 具 结 构 复 杂 ， 单 纯 借 助 教 材 上 的 工 程 图 ，即 使 制 图 基 础 比 较 好 的 同 学 对 模 具 装 配 图 也 感 到 摸不 找 头 脑 ， 教 师 也 很 难 讲 解 清 楚 模 具 的 结 构 。 借 助 于P r o / E 、 U G 、 S o l i d W o r k s 等 三 维 软 件 ， 展 示 模 具 中 每 个 零件 的 安 装 位 置 、 三 维 结 构 、 作 用 ， 再 对 应 模 具 装 配 图 讲解 。 对 鼠 标 外 壳 塑 件 ， 其 模 具 三 维 模 型 如 图 2 所 示 ， 动态 演 示 模 具 结 构 ， 直 观 、 清 晰 ， 便 于 同 学 理 解 和 掌 握 ，收 到 了 良 好 的 教 学 效 果 。图 2 模 具 整 体 结 构对 模 具 的 抽 芯 机 构 、 顶 出 机 构 的 动 作 原 理 ， 单 纯借 助 模 具 装 配 图 很 难 表 达 清 楚 ， 采 用 仿 真 动 画 演 示 闭模 、 开 模 、 顶 出 的 动 作 过 程 ， 可 以 起 到 事 半 功 倍 的 效果 。 图 3 所 示 为 摆 钩 式 二 次 推 出 机 构 动 画 演 示 过 程 中的 3 个 画 面 。（ a ） （ b ） （ c ）图 3 摆 钩 式 二 次 推 出 示 例a 闭 模 状 态 b 一 次 顶 出 c 二 次 顶 出（ 2 ） 借 助 成 形 工 艺 C A E 分 析 ， 通 过 分 析 实 例 讲 解注 射 工 艺 。塑 料 注 射 成 型 过 程 中 ， 塑 料 原 料 要 在 有 限 时 间 内完 成 固 体 输 送 、 熔 融 、 熔 体 流 动 、 压 实 、 固 化 等 非 等 温 、非 平 衡 过 程 ， 并 伴 随 相 变 发 生 、 分 子 取 向 、 纤 维 取 向 及可 能 的 结 晶 等 复 杂 的 物 理 、 化 学 现 象 2 。 成 型 过 程 中 会产 生 熔 接 痕 、 充 填 不 足 、 飞 边 、 气 泡 、 缩 孔 、 翘 曲 变 形 等众 多 缺 陷 。 这 诸 多 因 素 之 间 是 相 互 关 联 、 多 交 叉 的 关系 。 仅 以 熔 接 痕 为 为 例 ， 熔 融 的 塑 料 在 模 腔 中 流 动 时两 股 塑 料 会 合 形 成 的 痕 迹 。 熔 接 痕 不 但 有 碍 于 塑 件 的美 观 ， 同 时 在 熔 接 痕 处 塑 料 性 能 明 显 下 降 ， 对 于 纤 维增 强 塑 料 影 响 更 为 明 显 。 在 模 具 设 计 中 要 尽 量 减 少 熔接 痕 的 数 量 , 控 制 熔 接 痕 的 位 置 。 解 决 熔 接 痕 缺 陷 的 措施 有 ： 优 化 成 型 工 艺 条 件 ( 如 提 高 塑 料 熔 融 温 度 、 模具 温 度 、 增 大 注 射 压 力 和 注 射 速 度 等 ) ， 以 提 高 塑 料 的流 动 性 ； 改 变 浇 口 位 置 和 浇 口 数 量 ， 以 改 变 熔 接 痕的 位 置 及 数 量 ； 在 熔 接 痕 处 增 加 排 气 槽 , 降 低 塑 料 流动 阻 力 ； 在 熔 接 痕 处 增 加 冷 料 井 ， 将 塑 料 料 头 冷 料储 存 于 此 ， 成 型 后 再 将 冷 料 井 切 除 ； 增 加 流 道 和 浇口 尺 寸 ， 提 高 注 射 速 度 。注 塑 C A E 技 术 可 以 为 优 化 注 射 工 艺 提 供 有 力 的 保证 。 C A E 技 术 在 注 射 模 开 发 各 阶 段 的 作 用 如 图 4 所 示 。为 清 晰 地 讲 解 这 诸 多 因 素 之 间 的 影 响 ， 通 过 借 助华 塑 H S C A E 软 件 3 对 双 桶 洗 衣 机 桶 体 、 空 调 盖 板 等 实际 零 件 不 同 注 射 方 案 进 行 分 析 ， 以 动 画 演 示 结 果 进 行讲 解 。 图 5 为 针 对 洗 衣 机 桶 体 进 行 分 析 的 结 果 演 示 ，对 同 学 理 解 流 动 前 沿 、 熔 接 痕 的 形 成 、 浇 口 对 充 填 的影 响 、 温 度 场 的 分 布 以 及 塑 件 的 成 型 质 量 分 析 起 到 了 高 校 模 具 专 业 教 学 与 实 践 8 3 模 具 制 造 2 0 0 8 年 第 6 期 耐 斯 合 模 机 飞 模 好 帮 手电 话 ： 0 7 6 9 - 2 2 7 0 7 0 2 9 / 7 传 真 ： 0 7 6 9 - 2 2 7 0 8 2 4 0H t t p ： / / w w w . n i c e m a c h i n e . n e t E - m a i l ： n i c e n i c e m a c h i n e . n e 的 辅 助 作 用 。 图 6 为 空 调 盖 板 流 动 前 沿 、 熔 接 痕分 析 ， 图 7 为 冷 却 水 道 布 置 对 塑 件 质 量 的 影 响 ， 直 观的 充 模 过 程 、 直 观 的 画 面 给 同 学 展 示 了 塑 料 成 型 的 整个 过 程 ， 为 深 刻 掌 握 注 射 成 型 工 艺 及 分 析 各 因 素 对 塑料 制 品 的 影 响 提 供 了 保 证 ， 实 践 表 明 教 学 效 果 良 好 。图 4 C A E 技 术 应 用图 5 双 缸 洗 衣 机 桶 体 的 分 析 案 例a 流 动 前 沿 b 熔 接 纹 c 充 填 浇 口d 表 面 定 向 e 稳 态 温 度 场 f 型 芯 型 腔 表 面 温 差图 6 空 调 盖 板 流 动 前 沿 、 熔 接 痕 分 析图 7 冷 却 水 道 的 布 置2 . 3 应 用 效 果实 践 表 明 ， 将 C A D / C A E / C A M 技 术 引 入 塑 料 模 具设 计 课 程 教 学 ， 收 到 了 良 好 的 教 学 效 果 ， 表 现 在 ：（ 1 ） 对 模 具 的 结 构 、 模 具 设 计 方 法 、 注 射 成 型 工 艺的 合 理 性 有 了 生 动 、 深 刻 的 理 解 。（ 2 ） 引 导 同 学 对 C A D / C A E / C A M 集 成 技 术 有 了 全貌 的 认 识 和 了 解 ， 增 加 了 知 识 的 系 统 性 。（ 3 ） 激 发 了 同 学 的 学 习 兴 趣 ， 开 拓 了 同 学 的 视 野 。生 动 的 教 学 使 得 同 学 认 真 听 讲 、 积 极 提 问 ， 反 过来 对 教 师 也 起 到 了 激 励 作 用 ， 会 努 力 将 科 研 工 作 中 的实 例 融 入 到 教 学 中 。3 结 束 语模 具 C A D / C A E / C A M 技 术 迅 速 发 展 ， 企 业 对 掌 握和 了 解 相 关 知 识 的 模 具 技 术 人 才 需 求 迫 切 ， 教 师 如 何在 当 前 专 业 课 学 时 不 断 压 缩 的 前 提 下 ， 充 实 教 学 内容 ， 促 进 创 新 人 才 的 培 养 ， 是 高 校 教 师 面 临 的 一 个 重要 研 究 课 题 。 宁 波 被 誉 为 “ 中 国 模 具 之 都 ” ， 切 合 地 方经 济 需 求 ， 培 养 应 用 型 、 创 新 性 模 具 技 术 人 才 是 地 方院 校 的 重 要 任 务 。 本 文 将 模 具 C A D / C A E