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现代模具设计方法 —— 基于Pro/E的 注塑模 CAD

现代模具设计方法 —— 基于Pro/E的 注塑模 CAD. 目录. 绪言 ……………………………………………2. 第一部分 CAX简介 ……………………………2. 第二部分 Pro/E基本操作 …………………10/8. 第三部分 Pro/E注射模具设计 …………10/6. 绪言. 教学目标：了解CAX的基本概念及CAE模具设计软件基本操作方法； 教学安排：理论讲授与上机实践相结合； 预修课程：塑料成型工艺及模具设计 学习要求：理论课时/课后练习=1/2； CAE软件：Proe Wildfire 3.0/4.0； 考试方法：考查。. 第一部分 CAX简介.

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现代模具设计方法 —— 基于Pro/E的 注塑模 CAD

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  1. 现代模具设计方法——基于Pro/E的注塑模CAD

  2. 目录 绪言……………………………………………2 第一部分 CAX简介……………………………2 第二部分 Pro/E基本操作…………………10/8 第三部分 Pro/E注射模具设计…………10/6

  3. 绪言 • 教学目标：了解CAX的基本概念及CAE模具设计软件基本操作方法； • 教学安排：理论讲授与上机实践相结合； • 预修课程：塑料成型工艺及模具设计 • 学习要求：理论课时/课后练习=1/2； • CAE软件：Proe Wildfire 3.0/4.0； • 考试方法：考查。

  4. 第一部分 CAX简介 1、CAX概念 2、CAX的必要性 3、CAX在注塑模中的应用 4、注射模CAD系统

  5. 1、CAX概念 1.1、CAD概念： 计算机辅助设计CAD(Computer Aided Design) 是利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作 。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。

  6. 1、CAX概念 1.2、CAE概念： 工程设计中的计算机辅助工程CAE(Computer Aided Engineering)，指用计算机辅助分析求解复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等。而CAE软件可作静态结构分析，动态分析；研究线性、非线性问题；分析结构（固体）、流体、电磁等。

  7. 1、CAX概念 1.3、CAM概念： CAM (computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)的核心是计算机数值控制(简称数控)，是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。1952年美国麻省理工学院首先研制成数控铣床。数控的特征是由编码在穿孔纸带上的程序指令来控制机床。此后发展了一系列的数控机床，包括称为“加工中心”的多功能机床，能从刀库中自动换刀和自动转换工作位置，能连续完成锐、钻、饺、攻丝等多道工序，这些都是通过程序指令控制运作的，只要改变程序指令就可改变加工过程，数控的这种加工灵活性称之为“柔性”。

  8. 2、CAX必要性 2.1、传统的塑料注射成型开发方法主要是尝试法，依据设计者有限的经验和比较简单的计算公式进行产品和工艺开发。但是在实际注射成型生产中，塑料熔体的流动性能千差万别，制品和模具的结构千变万化，工艺条件各不相同，仅凭有限的经验和简单的公式难以对这些因素作全面的考虑和处理，设计者经验的积累和公式的总结无法跟上塑料材料的发展和制品复杂程度及精度要求的提高，因此开发过程中要反复试模和修模，导致生产周期长、费用高，产品质量难以得到保证，对于成型大型制品和精密制品，问题更加突出。

  9. 2、CAX必要性 2.2、二十一世纪世界制造加工业的竞争更加激烈，对注塑产品与模具的设计制造提出了新的挑战，产品需求的多样性要求塑件设计的多品种、复杂化，市场的快速变化要求发展产品及模具的快速设计制造技术，全球性的经济竞争要求尽可能地降低产品成本、提高产品质量，创新、精密、复杂、高附加值已成为注塑产品的发展方向，必须寻求高效、可靠、敏捷、柔性的注塑产品与模具设计制造系统。

  10. 2、CAX必要性 2.3、应用CAD/CAE/CAM技术从根本上改变了传统的产品开发和模具生产方式，大大提高了产品质量，缩短了产品开发周期，降低了生产成本，强有力地推动了模具行业的发展。据文献统计，国外采用模具CAD/CAE/CAM技术可使设计时间缩短50%，制造时间缩短30%，成本下降10%，塑料原料节省7%，一次试模成功率提高45%～50%。由于经济效益显著，在日本、英国、德国、瑞士、美国等先进工业国家中，大多数专业塑料注射模厂采用了CAD/CAE/CAM技术。在国际模具市场上，日本模具无论是在交货时间、开发成本，还是在精度方面，都处于领先地位，其原因就是日本模具行业较早地引入了模具CAD/CAE/CAM技术。

  11. 3、CAX在注射模中的应用 塑料产品从设计到成型生产是一个十分复杂的过程，它包括塑料制品设计、模具结构设计、模具加工制造和模塑生产等几个主要方面，它需要产品设计师、模具设计师、模具加工工艺师及熟练操作工人协同努力来完成，它是一个设计、修改、再设计的反复迭代，不断优化的过程。传统的手工设计已越来越难以满足市场激烈竞争的需要。计算机技术的运用，正在各方面取代传统的手工设计方式，并取得了显著的经济效益。计算机技术在注塑模中的应用主要表现在以下几方面。

  12. 3、CAX在注射模中的应用 3.1、塑料制品的设计 基于特征的三维造型软件为设计师提供了方便的设计平台，其强大的编辑修改功能和曲面造型功能以及逼真的显示效果使设计者可以运用自如地表现自己的设计意图，真正做到所想即所得，而且制品的质量、体积等各种物理参数一并计算保存，为后续的模具设计和分析打下良好的基础。强大的工程数据库包括了各种塑料的材料特性，且添加方便。采用基于知识（Knowledge-Based Reasoning, KBR）和基于实例（Case-Based Reasoning ,CBR）推理的专家系统的运用，使塑料材料选择简单、准确。

  13. 3、CAX在注射模中的应用 3.2、模具结构设计 注塑模具结构要根据塑料制品的形状、精度、大小、工艺要求和生产批量来决定，它包括型腔数目及排列方式、浇注系统、成型部件、冷却系统、脱模机构、侧抽芯机构等几大部分，同时要尽量采用标准模架，计算机技术在注塑模具中的应用主要体现在注塑模具结构设计中。

  14. 3、CAX在注射模中的应用 3.3、模具开合模运动仿真 注塑模具结构复杂，要求各部件运动自如，互不干涉，且对模具零件的顺序动作以及行程有严格的控制，运用CAD技术可对模具开模、合模以及制品被推出的全过程进行仿真，从而检查出模具结构设计的不合理处，并及时更正，以减少修模时间。

  15. 3、CAX在注射模中的应用 3.4、注塑过程数值分析 模拟塑料熔体在模腔中的流动与保压过程，其结果包括熔体在浇注系统和型腔中流动过程的动态图，提供不同时刻熔体及制品在型腔各处的温度、压力、剪切速率、切应力以及所需的最大锁模力等，其预测结果对改进模具浇注系统及调整注塑工艺参数有着重要的指导意义；计算模具在注塑过程中最大的变形和应力，以此来检验模具的强刚度能否保证模具正常工作；对制品可能发生的翘曲进行预测可在模具制造之前及时采取补救措施；分析模壁的冷却过程，其预测结果有助于缩短模具冷却时间、改善制品在冷却过程中的温度分布不均匀性。

  16. 3、CAX在注射模中的应用 3.5、数控加工 复杂制品的模具成型零件多采用数控加工的方法制造，利用数控编程软件可模拟刀具在三维曲面上的实时加工过程并显示有关曲面的形状数据，以保证加工过程的可靠性，同时还可自动生成数控线切割指令、曲面的三轴、五轴数控铣削刀具轨迹等。

  17. 4、注射模CAD系统 一个完善的注塑模CAD/CAE/CAM系统应包括注塑制品构造、模具概念设计、CAE分析、模具评价、模具结构设计和CAM。 4.1、注塑制品构造 将注塑制品的几何信息以及非几何信息输入计算机，在计算机内部建立制品的信息模型，为后续设计提供信息。

  18. 4、注射模CAD系统 4.2、模具概念设计 根据注塑制品的信息模型采用基于知识和基于实例的推理方法，得到模具的基本结构形式和初步的注塑工艺条件，为随后的详细设计、CAE分析、制造性评价奠定基础。 4.3、CAE分析 运用有限元的方法，模拟塑料在模具型腔中流动、保压和冷却过程，并进行翘曲分析，以得到合适的注射工艺参数和合理的浇注系统与冷却系统结构。

  19. 4、注射模CAD系统 4.4、模具评价 模具评价包括可制造性评价和可装配性评价两部分。注塑件可制造性评价在概念设计过程中完成，根据概念设计得到的方案进行模具费用估计来实现。模具费用估计可分为模具成本的估计和制造难易估计两种模式。成本估计是直接得到模具的具体费用，而制造难易估计是运用人工神经网络的方法得到注塑件的可制造度，以此判断模具的制造性。可装配性评价是在模具详细设计完成后，对模具进行开启、闭合、勾料、抽芯、工件推出动态模拟，在模拟过程中自动检查零件之间是否干涉，以此来评价模具的可装配性。

  20. 4、注射模CAD系统 4.5、模具详细结构设计 根据制品的信息模型、概念设计和CAE分析结果进行模具详细设计。包括成型零件设计和非成型零部件设计，成型零件包括型芯、型腔、成型杆和浇注系统，非成型零部件包括脱模机构、导向机构、侧抽芯机构以及其它典型结构的设计。同时提供三维模型向二维工程图转换的功能。 4.6、CAM 主要是利用支撑系统下挂的CAM软件完成成型零件的虚拟加工过程，并自动编制数控加工的NC代码。

  21. 第二部分 Pro/E应用基础 2 Pro/E草图绘制 1 Pro/E简介 6 Pro/E图层设计与操作 7 Pro/E工程图设计 3 Pro/E实体造型命令 8 Pro/E的数据交换 9 Pro/E的文件管理 4 Pro/E曲面设计与操作 10 实例与操作 5 Pro/E组件设计

  22. 1 、Pro/E简介 Pro/Engineer是由美国PTC公司开发的3D实体模型设计系统。属于高端CAD/CAE/CAM软件，支持复杂产品的研发和制造的多方面需求。 1.1、Pro/E核心技术特点： 1.1.1、实体造型：曲面造型只能描述形体的表面信息，而实体造型能精确表达零件的全部属性。 1.1.2、基于特征：将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，并将其所有尺寸存为可变参数，进而形成实体，以此为基础来进行复杂几何形体的构造。 1.1.3、全尺寸约束：将形状和尺寸结合起来考虑，通过尺寸约束实现对几何形状的控制，造型必须以完整的尺寸参数为出发点，不能漏标尺寸（欠约束），也不能多标尺寸（过约束）。 1.1.4、尺寸驱动设计修改：通过修改尺寸数值来改变几何形状。 1.1.5、全数据相关：工程中的数据全部来自同一个数据库，整个设计过程的任一处参数改动，可以反应至整个设计过程的相关环节。

  23. 1、Pro/E简介 1.2、Pro/E界面组成

  24. 1、Pro/E简介 1.3、Pro/E基本模块： 草图模块； 实体造型模块； 曲面模块； 装配模块； 工程图模块； 模具模块； 制造模块。

  25. 2 草图绘制 2.1 草图的作用：规则的实体特征、曲线、点等。 2.2 草图模块：草绘步骤/草绘环境 2.3 基本图线的绘制:直线/园/园弧/矩形/倒园角/现有边. 2.4 约束设置：水平/竖直/垂直/相切/对称/相等/平行. 2.5 草图标注:尺寸标注与修改. 2.6 草图的编辑:修剪/复制.

  26. 2 草图绘制 2.6 草绘实例:

  27. 3 Pro/E实体造型命令 1、Pro/E实体造型基本方法： 1.1、草绘特征建模： 1.1.1 拉伸(Extrude)特征 1.1.2 旋转(Revolve)特征 1.1.3 扫描(Sweep)特征 1.1.4 混合(Blend)特征 1.2、放置特征建模： 1.2.1 孔(Hole)特征 1.2.2 倒园角(Round)特征 1.2.3 倒角(Chamfer)特征 1.2.4 抽壳(Shell)特征 1.2.5 拔模斜度(Draft)特征 1.2.6 筋(Rib)特征 1.3、基准特征： 1.3.1 基准平面（Datum Plane） 1.3.2 基准轴（Datum AXIS） 1.3.3 基准曲线（Datum Curve） 1.3.4 基准点（Datum Point） 1.3.5 坐标系（Coordinate Systems） 1.3.6 GRAPH曲线 1.4、其它复杂特征 如偏移特征、扫描混合、变截面扫描等。

  28. 3 Pro/E实体造型命令 2、特征操作： 2.1、特征重定义(Redefine)： 2.2、特征排序(Reorder) ： 2.3、插入特征(Insert Feat) ： 2.4、特征的隐含与恢复(Suppress & Resume) ： 2.5、特征父子关系的改变(Parents & Children) ： 2. 6、特征复制(Copy) ： 2.7、特征镜像(Mirror Geom) ： 2.8、特征阵列(Pattern) ： 2.9、用户自定义特征(UDF) ： 2.10、特征群组(Local Group) ：

  29. 4 Pro/E曲面设计与操作 1、基本曲面的创建： 基本曲面也称规则曲面，其创建方法同实体基本特征，包括拉伸(Extrude)、旋转(Revolve)、扫描(Sweep)、混合(Blend)、填充（Flat）等。 2、自由曲面的创建：先建立自由点，由点拟合成曲线，然后由曲线拟合成自由曲面。

  30. 4 Pro/E曲面设计与操作 3、 Pro/E曲面编辑方法 3.1、复制曲面： 3.1.1 复制粘贴曲面： 3.1.2 复制选择性粘贴曲面： 3.1.3 在实体表面复制曲面： 3.2、镜像曲面： 3.3、偏移曲面： 3.4、拼接（Merge）： 3.5、修剪（Trim）： 3.6、延伸（Extend）

  31. 5 Pro/E组件设计 1、装配约束类型： 1.1 对齐/匹配：两平面或两基准面平行，法线方向相同/相反，分为重合、偏距、定向三种类型。也可用于基准轴、线、点的对齐。 1.2 插入：两旋转曲面中心轴重合。 1.3 坐标系：两坐标系重合。 1.4 相切：两曲面相切接触，类似匹配。 1.5 自动：由系统猜测意图自动设置适当的约束。 1.6 其它：线上点、曲面上的点、曲面上的边等。

  32. 5 Pro/E组件设计 2、组件中的元件显示及着色： 2.1 元件着色： 2.2 元件显示方式设置： 3、组件分解视图及简化模式设置： 3.1 简化视图： 3.2 分解视图： 4、组件模式下创建和和修改零件： 4.1 组件模式下创建零件： 4.2 组件模式下修改零件：

  33. 6 Pro/E图层设计与操作 1、图层的创建与删除： 2、向图层中添加内容： 3、图层隐藏与保存：

  34. 7 Pro/E工程图设计 1、工程图配置文件(*dtl)的创建与修改： 工程图模板文件(*frm)的创建与修改： 2、工程视图的创建： 2.1 一般视图 2.2 投影视图 3、尺寸标注及注释 4、Pro/E工程图转换为AUTOCAD图：

  35. 8 Pro/E的数据交换 1、不同三维软件的数所据交换格式： IGES（Initial Graphics exchange Standard,初始化图形交换标准）是目前使用最广泛、最有影响的图形交换格式之一。它支持曲线、曲面及一些实体的表达，是目前三维CAD软件必备的图形交换接口。(step) 2、Pro/E不同版本的数据交换格式： 完成文件创建后，保存副本：选择类型为"中性（*neu）"。即可在其它任意版本的Pro/E中打开。

  36. 9 Pro/E的文件管理 1、先设置Pro/E工作目录，然后再进行其它工作设计。 2、同一设计的所有文件存于同一文件夹内。

  37. 10 实例与操作 实例1：应用旋转、混合、抽壳、扫描、拉伸等命令创建图示水杯零件。

  38. 10 实例与操作 实例2：创建图示实体三维模型并生成工程图。

  39. 10 实例与操作 实例3：创建图示实体三维模型并生成工程图。

  40. 10 实例与操作 实例4：创建图示实体三维模型并生成工程图。

  41. 10 实例与操作 实例3：组装冲压模架并在模柄与上模座连接处创建止转销。 创建图层隐藏所有零件的基准。

  42. 10 实例与操作 实例4：组装注塑模架，并在A、B板上开设模仁安装孔；创建图层，隐藏所有基准；创建图层工程图。

  43. 第三部分 注射模具设计 • 注塑模结构 • 基于Pro/E的注塑模设计流程 • Pro/E模具设计环境及术语 • 塑件流动性分析 • 参照模型及工件 • 分型面设计模具体积块和模具元件 • EMX及标准模架选用浇注系统设计 • 顶出系统设计 • 冷却系统设计 • 模具具设计实例

  44. 3.1、塑料注射模结构 1、塑料注射成型概述： 利用注塑机将固体塑料加热至熔融状态，并以一定的速度和压力注入低温模腔中，充满模腔的熔料在受压的情况下，经冷却固化后即可获得模具型腔的形状，然后开模顶出即可获得所需的成型塑件。 注塑机要能够完成塑料的加料、加热、熔化、注射、加压（保压）等功能，并要提供开合模所需动作和力能。 注塑模具除了要付于制件必要的形状尺寸外，同时还必需能开模取件，并要尽可能缩短生产周期、提高产品质量、降低生产成本。 注塑机和注塑模必须要匹配，才能保证生产过程的顺利进行，所以要模具设计和设备选择中，要对注塑机进行校核，其主要内空包括两个方面：注塑机的工作能力，如注射量、锁模力、塑化能力、注射压力等；模具安装有关尺寸，如拉杆间距、定位圈直径、最大最小模具厚度、开模行程、推出行程、喷嘴直径和球半径等。

  45. 3.1、塑料注射模结构 2、注射模具分类： 2.1 按成型材料分：热塑性和热固性塑料注射模具。 2.2 按注射机类型分：卧式、立式和角式注射机用模具。 2.3 按流道型式分：冷流道和热流道。 2.4 按结构特征分：单分型面、双分型面、侧向分型与抽芯、带活动镶件、定模推出、自动卸螺纹塑料注射模等。

  46. 3.1、塑料注射模结构 3、注塑模具的基本组成： 根据模具各零件的功用，一般注射模具由以下几个部分组成。 3.1 成型零件： 组成模具型腔的有关零件，又称模仁或内模，如凸模、凹模、型芯、镶件等。 3.2 合模导向机构： 保证开合模动作准确、可靠。常用导柱和导套，有时还采用锥面定位机构。 3.3 浇注系统： 熔融塑料经注射机喷嘴进入模具型腔的通道。主要包括主流道、分流道、浇口、冷料穴等。 3.4 推出机构： 又称脱模机构，是将开模后留在模具中（动模或定模）的塑件推出，以实现取出塑件。推出机构由推杆、推杆固定板、推板、主流道拉料杆及复位杆等组成。有时为了保证运动平稳，还在推出机构中设有导向装置。

  47. 3.1、塑料注射模结构 3、注塑模具的基本组成： 3.6 加热和冷却系统： 其作用是为了满足注射成型工艺对模具温度的要求，以保证塑料熔体的顺利充填和固化定型。冷却系统一般是在模具上开设冷却水道，加热系统则在模具，内部或四周安装加热元件。 3.7 排气系统： 将型腔和塑料中的气体排出模外，以保证充填质量。小型塑件可直接利用分型面排气。 3.8 支承零部件： 用来安装固定成型零件及上述各机构的零部件。支承零部件组装在一起构成了模具的基本骨架。

  48. 3.1、塑料注射模结构 模具在注塑机上的安装

  49. 3.1、塑料注射模结构 定距拉板式三板模

  50. 3.1、塑料注射模结构 定距拉板式三板模

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