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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合金和更短的设计时间。”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，而新的模拟技术因此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。<手机IC/p>

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。”Pro/Engineer软件只适用于全实体环境，而OneSpace软件则可同时应用于曲面和实体环境。

更多新消息

Cornerstone Technology公司的Expert Mold Designer独立软件（XMD）是Kubotek公司KeyCreator部件设计软件的独立插件，它拥有全新的模具可行性分析模块，可通过检测拔模和壁厚等因素预估零部件的可塑性。Cornerstone公司的总裁Paul Coleman介绍说，该软件可指出所需模具的复杂程度以及可能出现的成型问题，而且还可对可塑零件的生产提出可能必要的修改建议。

目前，该公司正致力于开发一种新型的软件，以期帮助用户创建可变动的参数规则。“用户能为模具设计的各个方面创建相应的参数规则，而那些带有约束性限制的参数规则将不与特定的模具设计相联系。这样，设计者可以将这些规则和相关联的零部件的几何构型整合在一起，制成通用模板。”Coleman说，“目前，绝大多数的CAD软件包都不允许修改参数规则或是为用户提供定制化的模具设计任务，而这种软件的推出可显著提高资源和技术的重复利用率。” 用户还可以直接通过定制化的“规则导向”按钮，让软件直接自动重复用户想要的参数规则。Cornerstone公司已经对这一Virtual Moldmaker软件的相关技术申请了专利，并正致力于研发具有更多应用功能的设计软件。目前，该公司正在对该软件与弹性加载功能模具之间的职能联系进行测试。若测试成功，该软件就能够根据设计者所选择的相关参数，为给定的模具设计工作提出合理的建议。此外，该软件还可以帮助供应商确定模具的报价。

图6 现在，已有数种模具设计模块都包含能够自动生成EDM电极设计的程序（图片来源：VX公司）

R&B Mold and Die Design Solutions公司已经升级了其计算机辅助模具设计软件（CAMD），该软件是诸如SolidWorks和CoCreate等CAD软件的插件包。据R&B公司的市场运营副总裁George Berold介绍，公司还在该软件中添加了冷却线的生成程序，这样用户可以直接在模具的3D和2D模型中自动生成完整的冷却设计。在预览阶段，设计者还能随时增加和修改柱塞、接头和隔板等部件。该软件还添加了一个可自动生成EDM电极的全新模块，Berold补充道。

R&B公司还开发了一种新型的MoldXpress程序。该程序可预先生成模具设计的初步形式，为用户在模具设计开发过程中提供报价根据。该软件有望在今年第3季度实现商业化生产。

先进的集成系统

Missler Software公司推出了其最新的TopSolid Mold参数模型软件。该软件加入了新的分析工具，可使用户更容易地完成对复杂的分模线的分割工作。新的Parting Line Verification工具能够帮助设计者分析和确定分模线的具体位置和几何结构。该软件可将模具单元分成两个相互联系的壳状曲面，并显示出分模线的整体分割情况，如影响表面分模的因素等。Invalid Parting Line分析工具能够检测出未对齐的或是精密度不够的分型面，并帮助设计者弥补这些缺陷。还有一种新型的Predefined Mold Sub-Assemblies工具，该软件允许设计者在其软件工具中创建和有机装配螺栓、螺杆、推顶杆、标准件和机械零件等硬件设备。

Missler公司还计划将Moldflow公司的流动模拟软件整合进其软件设计中，使人们通过点击图表按钮，即可轻松实现相应的功能。

更多功能的CAD软件

还有一些CAD软件供应商，他们将模具设计功能整合进了其部件设计软件包中。Kubotek公司已经在其KeyCreator 7.0版软件中添加了剪切和粘贴功能，使模具设计人员能够更容易地增加和移除某些功能部件，如槽游戏机包腔（pockets）和侧抽芯等。该软件还改进了其配合3维建模软件模具分离指令，从而能够快速地生成分模线。Kubotek公司还在该版本中新增了一个确认程序，可通过对比不同版本的模具设计工作，找出哪怕最微小的改动。对于不同的设计版本，相互重合的部分都是透明的，而改动的部分则用醒目的红色标识。该公司的产品市场经理John McCullogh说，公司正在开发更新一代的软件版本——KeyCreator 7.5，它将拥有更高效的直接模拟（无历史约束）工具。

与此同时，Vero Software公司也推出了其新版的Visi Mold 15软件。该软件不仅集成了曲面和实体造型功能，还在其Visi Mold hybrid软件的基础上新增了超过60种标准部件的参数数据库，为模具设计提供了更大的选择空间，包括移动部件，如推顶杆等。Visi Mold软件还新增了8种自动运行功能，可自动完成型芯和型腔的分离以及引出口的几何构型。用户还能够通过无约束限制的动态曲面分割方法确定分模线的位置，或通过“曲面分割功能”将模具分成若干表面，最终生成分模线。Vero公司还在其最新的Visi Flow模具仿真软件包中整合进了更多组件。目前，该软件包已经能够模拟和设计冷却线了功能性纱。

VX公司的模具设计工具新添了一个模具参数数据库，数据库里包含了所有常用零部件的相关信息，同时还改进了用户界面，使其图像显示更加直观。该软件还增加了可自动放大和带格支持功能的分模线工具，并能够帮助用户发现和修复在模具分离过程中产生的分模线间隙。该软件还支持跳过修复过程而直接进入下一道工序，这样就极大地节约了用户的时间。

VX公司还推出了一种增强型工具包，可在复杂的曲面上生成分模线，修复几何构型的错误，并为用户提供合理的拔模角度。最近发布的CAD/CAM suite13版本还可直接对拔模进行实时分析，使模具设计人员可以在分析模式下直接修改拔模角度。

VX公司的模具建模软件整合了Mold Expert软件的许多功能。Mold Expert是一套“智能”数据库系统，可仿真出成型过程中的充填、保压、冷却以及脱模塑件的翘曲变形过程，并可在实际开模前准确预测塑料熔胶的流动状况、温度、压力、剪切应力和体积收缩量等变量在各程序结束瞬间的分布情形，以及模穴压力和锁模力等变量随时间变化的曲线和可能发生缝合线及包封 (Air Trap) 的位置。该软件也可用来评估冷却系统的好坏，并预估成型件的收缩翘曲行为。在用户选择相应的部件后，该软件可计算出成型部件的长度、模板间歇和加工方法。

更新了的CAM软件

Cimatron公司在其Cimatron E-Mold CAM 8版本中增加了几种新工具，以加快分模线的确定工作。该软件还新添了一个Quick Electrode模块，可将电极的设计速度提高近80%。该模块可以迅速地选择放电加工区域，自动生成电极的设计、管理等工艺参数表以及电极定位图纸等相关技术文档，快速地比较和分辨工程变乙烷裂解至乙烯本钱非常低更情况，既节省了人力投入，又降低这1成果将有助于开发便携式小型透析装置了出错几率。Cimatron公司还增添了一种阅读器，能够为零部件设计工程师、模具设计人员和模具制造者提供很好的交流平台，他们可以通过会议模式同时观察3D模型。

VX公司的销售和市场副总裁Bob Fischer介绍说，该公司推出了一种新型的“魔法师（wizard）” EDM电极设计软件，它能够快速简便地生产3D和2D电极设计图。

Delcam公司的Powershape CAD软件整合了Toolmaker模具设计模块，并拥有一项独特的Power Feature功能选项，允许用户对经参数式模型设计得到的实体部件进行智能曲面造型。该软件可在无历史约束限制的模型曲面上生成型芯和型腔，而剩余部分则在3D实体构型中完成。对于多组件部件，该软件特有的“形素”功能可以很方便地修改所有由参数式模型设计得到的部件以及相关的尺寸和允许的公差范围。当然，用户也可以对每个组件进行逐个修改。Dickin解释说，由于绝大多数的模具零部件都采用相对简单的棱柱型结构，实体模拟方法可以说是最适合的方法，而对于型芯、型腔和滑块等部件则需要使用曲面造型工具。

Sescoi公司的市场和业务经理Jeff Jajae介绍说，Sescoi公司在其WorkNC CAM软件中增加了一个简单的模具模拟软件包，可帮助模具制造商简化数据转换和相应的修复问题。该WorkNC-CAD软件包括了WorkNC CAM软件包，并整合了模具设计模块，可允许用户新增、扩充和修改所生成的曲面，还能自动生成分型面和创建模具的内部部件。该软件还拥有可视化工具，可用来检测拔模角度和监控冲压的具体情况。此外，模具制造商还可以在该系统内亲自设计电极。Jajae表示，Sescoi公司在其CAD软件中整合进了某些CAM的特定功能，可智能地自动识别曲面特征，并自动生成相应的加工路线。(end)