用于三维模具设计制造的CAD软件

用于三维模具设计制造的CAD软件专用于注塑模具设计的三维计算机辅助设计软件包已经推出了至少10年了。

这种软件通过将一些操作频繁或重复性高的任务实现自动设置，或输入预先设定的标准部件，并“记住”用户专用的模具设计“准则”，不仅可避免误差的产生，还能够有效减少生成模具内、外部基础结构所需要的时间。

“使常规操作实现自动化，意味着软件能够更快地执行对于模具尺寸的标准化计算，同时保证了更小的犯错几率和更短的设计时间。

”英国基础软件供应商Delcam 公司的市场经理Peter Dickin如是说。

“开发模具设计软件的目的是通过自动化或简化更多的常规任务，让用户更专注于模具设计中更复杂的方面，从而有效缩短模具设计的时间，提高模具的整体质量和工作效率，并最终降低生产成本。

”Clear Cut Solutions公司的总裁Bill Genc先生补充道。

该公司是法国Mssler Software公司的TopSolid CAD软件在美国的经销商。

图1 用于模具设计的三维辅助工具可帮助制造商提高对模具模型最至关重要的方面的界定和分析能力，如型芯和型腔的几何形状和分模线的确定以及分型面等（照片来源：Delcam公司）现在较为典型的模具设计CAD软件通过编写程序或设定模块，可构建出模具的全景图像，而这一建模过程看似容易，实际上则相当复杂，它包括利用零部件的模型来生成模具的型芯和型腔结构，确定分型线的位置、优化分型面、选择合适的模基结构，以及对诸如阀门、冷却线、流道系统、浇口、滑块、顶杆、出模器、立柱、垫片、导向器、喷嘴、螺杆和销钉等附加物的设计考虑。

模具设计软件还含有多数企业（如D-M-E公司、Hasco公司、Futaba公司和Progressive Components公司等）的模具标准件数据库，或具有直接在线连接这些数据库的功能。

这样，在设计这些零部件时，相关数据可直接导入3D立体构型或2D程序中。

图2 标准部件的在线数据库可直接导出的销钉、螺杆和其他常用部件的几何构型，大大简化了模具设计的工作（图片来源：VX Corp公司）CAD软件供应商不仅改进了软件的许多模具设计功能，而且还引进了大量的附加功能和增强功能，如更加形象化的图解工具、用于模具初步设计的“快速引用”功能、基于EDM电极的某种特定功能而专门开发的快速建模功能，以及能够创建和精确控制型孔、腔体、型腔和侧抽芯（side actions）等部件。

CAD工具包中新增的功能还有模具“可行性分析”工具以及流动和冷却模拟技术。

其中，模具分析工具能预估模具设计的整体质量和模压加工性，而新的模拟技术则是一种检测材料的流动性、循环时间、静电应力（potential stresses）和翘曲变形等的应用技术。

目前，CAD工具包还添加了一些处理加工数据的新方法，如通过对某些参数，如拔模角度（draft angle）和最小钢厚度等规则进行重新设定或约束限制，用户能够在原来的模板上更快捷地构建新模板。

模具设计者也可以在其他CAD软件中完成相关部件模型的创建工作，但不好的是，在导入相关数据和生成模具模型时，往往会导致模具在尺寸和公差方面出现问题，从而导致两个部件或模具表面之间产生间隙。

然而，这并不是什么大问题，通过数据转换、修复程序或采用更具兼容性的模具设计模块等手段，就能轻松解决这种问题。

图3 模具设计软件中的分析程序能预估侧抽芯、顶杆和型芯抽芯的位置（图片来源：Vero Software公司）由于模具的几何结构非常复杂，模具制造商希望能够使制件的脱模变得更简单有效，从而有效控制模具的整体加工成本。

基于上述考虑，软件供应商认为，建立模具模型最关键的方面之一就是对型芯和型腔的构建和对分型线的确定。

Delcam公司的Dickin介绍说，早期的软件都需要模具设计者手动划分半模的表面，将它们分成几个不同的曲面，再在这些曲面上创建型芯和型腔的几何构型。

对于分型面的创建，则是从模具的边缘逐步向里过渡的过程中分割出几组曲面，然后通过填补所有的缝隙，并修平所有的重叠部分，最终生成一个完整的分割曲面。

毫无疑问，这是一个非常耗时的工作，而且用户还必须另外设计销钉、滑块以及型芯或型腔表面上的其他部件。

相比之下，现在的软件能够为模具设计者提供更多的帮助：快速地生成更高质量的分模线，同时植入了“智能功能”，能向设计者提供模具的几何结构和分型面的位置等方面的建议。

新型CAD软件的使用带来了生产力的显著提高，这对今天的模具制造商来说至关重要。

“由于部件间的相互组合，注塑零部件的设计要求相应地也变得越来越复杂。

然而，与此同时，模具制造者和用户对模具的加工速度提出了更高的要求，这就要求模具能够被更快地创建和建模出来。

模具软件供应商已经开始在其模具设计软件中整合进更多的功能，所设计出的部件也具有更复杂的形状和更舒服的触感。

” Dickin如是说。

独立软件包和集成软件包市场上出现的CAD软件非常多元化，其中一种是独立软件包，如Cornerstone Technologies 公司和R&B Mold and Die Design Solutions公司的相关产品。

事实上，这种独立软件包并不是独自运行的，而是作为其他公司的CAD软件包的插件出现的。

还有这样一种模具设计集成模块，它可以是一个主要用于零部件设计的CAD软件包（如Kubotek公司的产品）的一部分，同时还是专注于设备设计制造的计算机辅助管理（CAM）软件包的一部分，如Cimatron公司、Delcam公司和Sescoi公司等的软件产品。

很多CAD/CAM集成软件包供应商，如TopSolid公司、Vero Software公司和VX公司等也都有相应的模具设计模块产品。

目前，Dassault Systems公司、Parametric Technology公司和Siemens PLM公司(其前身是UGS公司) 都有能力提供这种模块。

将模具设计软件绑定到上游厂商的部件建模系统或者下游厂商的CAM软件中，可有助于减少用户在理解设计和制造意图方面产生的偏差，从而避免在数据转换的过程中出现问题，美国Sescoi公司的市场和商务经理Jeff Jajae如是说。

Sescoi公司是一家供应具有模具设计功能的CAM软件的供应商。

图4 在“Wizards”和其他“smart”模具设计软件的最新版本中，加入了能够探测和修复设计缺陷的功能，如发现并去除无效的分型面（图片来源：Clear Cut Solutions 公司）“将模具设计的不同方面整合起来并不容易，这主要是因为模具制造商通常并不从事零部件的设计工作，”Cimatron公司的副工程师Hari Sridharan先生说，“如果零部件设计者和模具设计者都能够同时使用同一种软件，就能创造出一个更加统一的数据环境。

因为当对产品做出改动时，也同时会改变模具的设计。

若两者没有统一起来，将会在数据转换和程序改编上浪费大量的时间。

因此，有一个综合的解决方案，并在统一的数据结构下展开工作是非常重要的。

”Cimatron公司是一家专为塑料模具提供CAM软件的供应商。

参数式模式还是无历史约束式模式？模具设计者可以通过使用3D实体模拟或曲面模拟软件，直接生成他们所需的工具模块，也可以通过调用可提供相同功能的程序来完成。

实体模拟软件可模拟具有一定厚度的部件的外观特征，而曲面造型工具则可生成壳状的几何结构。

这两种系统都能设计模具表面的外部结构，如型芯、型腔和分模线等，以及内部部件，如流道系统等。

当然，这两种模式在进行模拟造型时使用了不同的方法，造型设计的难易程度也不尽相同。

从实体或曲面环境中获得的数据可以通过两种方法进行处理。

一种是参数模型，它能够保存模型设计的历史进程信息，并可“智能”地在不同的模型或功能之间建立相应的关联。

例如，如果设计者选择了一种特定尺寸的模基，这意味着同时也就确定了模基上的钻孔数量、孔与孔之间的间距以及孔的直径和深度等相关参数。

参数模型的优势在于，当一项参数改变了，该模型就会自动更新与之相关的其他参数的数据信息。

另外，它还允许设计者在其他模具设计中保存和重复利用先前的设定，从而极大地节省了时间。

当然，这种参数模型软件也存在缺点，那就是设计者无法在不影响所有其他相关数据的情况下，对其中一项参数做微小的变动。

因此，若要在模基上增大一个孔的直径，可能会导致模基上所有孔的直径都要发生变化，但有时这并不是人们想要的结果。

还有一种是“无历史约束”模型（也称为动态建模或直接建模）。

不同于参数模型，这种模型所构建的模型不会和其他的模型和功能建立相关连接，也不会生成“历史树”，因此，关联部件之间没有任何联系，用户可直接对单个部件进行独立更改，从而设计出与众不同的部件结构或式样，而不用担心会对其他标准部件产生任何影响。

当只需要对少数部件做调整时，用户就能通过应用该模型快速地更新模具设计。

图5 模具向导能帮助设计人员创建冷却线，这样用户能够自主创建可应用于更多模型的模板（上图来源：Delcam公司，下图来源：VX公司）在更改一个元件的特定参数或部件的某个特性时，如孔、柱或销等，若使用“无历史约束”模型软件，用户必须逐个对其进行更改。

此外，设计者还必须变更所有与之相关的参数，例如，改变了一个销钉的尺寸后，还需要更改孔的大小。

相比之下，参数模型通过对相关参数进行自动更新，可有效减少工作中可能出现的失误，同时也节省了时间。

现在，一些CAD软件包已经具有了可允许用户在同一个模型中对不同部分进行不同参数设定的功能。

一些供应参数模型软件的商家也开始为其软件增加无历史约束的直接建模指令，而这种功能也正变得越来越普遍。

“这些供应商开始将直接建模功能整合进来，为其软件增加快速选择特定部件的功能，而不再是通过历史树将整个模型相互关联在一起。

”Kubotek公司的执行副总裁Robert Bean如是说。

Parametric Technology公司（PTC）是一家专业生产Pro/Engineer参数式CAD软件的供应商。

该公司在去年收购了德国CoCreate公司，从而拥有了CoCreate公司的OneSpace 表面直接模拟软件及其相关技术。

该公司的市场主管Sandy Joung介绍说，PTC公司不打算合并或兼容两套系统，而是希望为模具设计者提供更多的选择。

“对于一家拥有平台驱动产品战略的公司，他们在制造产品及其衍生物的同时，还希望能够继续重复利用这些模型，因此，他们就需要参数式解决方案来帮助他们实现相应的意图和想法。

如果一家公司从事的是一次性设计，这在消费电子领域极为典型，例如设计手机或打印机，它们的寿命周期很短，而且数据的再利用率很低，那么无历史约束模型可能是最恰当的选择。

在这里，这两种制造商应用的是两种完全不同的方法。