注射模具CAD装配优化方案

注射模具是由单独制造的成型零部件和相关联的机构与系统结构装配而成。塑料制件直接决定型腔的几何形状和尺寸。因此，型腔的成型零部件是单件制造的。但是注射模具中输送和分配熔融塑料的浇注系统、注塑件的冷却系统、脱模机构和合模导向机构等，其结构设计和几何形状通常是相似的。尽管尺寸会随着塑料制件变更，但它们的结构和几何形状不随注塑件改变。CAD交互式和半自动的设计方法，将使任务变得简单。这些方法也可以应用到三维设计系统，进行CAD的装配设计。

1.注射模具的CAD开发设计过程

图14-13显示了典型的注射模具的闭合状态和打开状态。在模具中有侧滑块和斜顶杆时，在开模和脱模阶段必须确定所有零件和组件都没有互相干涉。过去设计的三维模具，最后的装配和检查十分耗时，且依赖经验。现在，模具行业的大部分设计人员都已经用三维的设计方法。计算机辅助的方法，使模具的装配工作易行，并有利提高注射模具设计的质量。

图14-13 三维的注射模具装配体

a）模具闭合 b）模具打开

一副注射模具的传统设计步骤如图14-1所示。现今，新注射模具CAD开发设计过程可以分为五个主要阶段，如图14-14所示。

在第一阶段，一个新塑料制品生产方案被市场和工程经办人商议推出。讨论的焦点是分析市场机遇并制定与之适应的策略。在第二阶段，考虑与设计过程有关的制造信息，得到注塑件的几何造型或计算机造型设计注塑件。设计概念被转化为可制造的几何形体。在第三阶段，设置开模方向和分型面的位置，并用来检验注射成型的可行性。在这个过程中，注塑件形状和尺寸也会加以修正。在第四阶段，由注塑件形体确定型芯和型腔，并用来设计成型零件。在这时，必须考虑到塑料注射成型收缩量。在注射成型的冷却温度下，得到尺寸和形状精度的注塑件。浇口、流道、排气槽也将加上。在这个阶段，几何数据和成型信息之间的协调将是决定性的。在第五阶段，详细的模具设计，包括注射机和模具的连接结构，将冷却系统和脱模机构集装到模架上。

图14-14 注射模具CAD设计过程

一个被整合的CAD/CAE/CAM系统首先将塑料制品图交互式地转换成模具型腔图，依照需要，系统可以模拟塑料熔体流动过程，并分析流道的平衡浇注；然后，通过使用注射模具设计专用的功能模块支持注射模具设计，工具模块处理CAD实体，而且允许将添加的信息（诸如加工工艺信息等）编入，使用者可以创建或者修改标准件设计，并通过关联数据库把它们联系在一起；最后，为模具零件金属切削，确定数控加工轨迹。整合的CAD/CAE/CAM系统称为知识库类型的注射模具设计系统，这个模块结合在Unigraphics软件和Pro/E系统中。它们包含了模架和标准零配件的设计数据库。

当模具装配或者运行功能系统时，机械装配系统包含了大量的零件。当设计机械装配系统的时候，首先应选择构成系统的零部件，并且描述它们之间的装配关系，然后进行各零部件的详细设计。因此，设计一个机械装配系统通常可以分为概念设计和详细设计两个阶段。在概念设计期间，重点是选择收集组件，并将它们之间的关系描述清楚，以便在它们装配时，能够提供所需要的功能。完美无缺的几何特征描述，是详细设计阶段的焦点。此时设计师的目标是通过受制约的概念设计，得到期望的性能。大量的过程分析、零件的装配和制造可行性分析等方法，能使设计最优化。常用的CAD系统，主要关注详细几何数据的产生和利用。因此，使用这些系统，进行详细设计是很方便的。然而它们不能支持抽象的机构运动学和零件的强刚度设计。普通CAD系统需要增强支持概念设计的功能，还需要对机构零部件和模具的装配与分解等提供更多的支持。

2.注射模具装配的概念设计

有两种方法可以实现模具装配的概念设计，如图14-15、图14-16所示。

自上而下的设计是一种装配概念的设计方法，是指主要零部件抽象构思并得到预期的关系。在这种方法里，设计者是从抽象的概念开始，并在设计零件时归结到合理的可装配构件。图14-15所示自上而下的装配设计过程，首先是从装配概念上设计侧滑块机构，然后在约束条件下，分解部件和进行零件的详细的几何尺寸等方面的设计。过去传统设计注射模具时，自然应是自上而下的设计方法，概念设计这种方法能较为自然适用。

由下而上的设计方法，是在设计模具装配体之前，完成所有的构成零件和部件的详细设计，然后将它组合成合理模具装配体，直到零件满足要求的为止，如图14-16所示。

然而，有的注射模CAD系统只支持装配构件展开的自下而上的设计方法。在设计和布局之前，所需要的结构零件和部件已经有了。大型的CAD系统应该支持自上而下的装配设计方法，并以注射模CAD设计模块，兼容自下而上的设计方法。

图14-15 自上而下的装配设计过程

a）装配设计 b）拆解成零件和部件 c）进一步拆解成零件

图14-16 自下而上的装配设计过程

a）零件和部件设计 b）装配设计

关于计算机辅助装配设计的调查显示，实行概念设计时，大多数会采用自上而下的设计方法。因此，用于装配设计的CAD系统，应该支持自上而下的方法。在概念设计的初级阶段，焦点在主要零部件的规格和被要求的关系上。这些规格可能由数字参数和公式描述。但是，非数值性质上的描述也是不可缺的。设计的初级阶段之后，从抽象的概念变为有形的实体设计，用几何关系表述所要求的配合。最初的几何模型可能是无尺寸的，专注于主要零部件的几何配置和它们相互的几何关系。因此，支持自上而下的设计过程，CAD系统需要具备下列各项功能。

1）拥有设计对象进行建模的工具，例如建立模具实体结构，相互配合关系等。

2）拥有支持创建抽象几何体的功能，设计师可以根据任务要求选择细节。

除此之外，支持自上而下的设计方法，用于装配模型的CAD系统，也应该提供判断模具装配体中结构零件的工具。在概念设计期间，零部件之间的空间关系被指定为装配状态。为了得到零件的正确方向和位置，CAD系统需要考虑该零件在全球坐标系统WCS中的数字矩阵。

3.自上而下的模具装配设计(www.xing528.com)

对于不同的注射模具，有不同的成型零部件，但它们的脱模机构却是相似的，通常都含有顶出板、顶出固定板、许多顶杆等。这种情况对定位导向机构、冷却系统、浇注系统来说也是类似的。这是因为这些系统或机构，虽然尺寸会随着各种要求而变更，但基本的几何形状不随注塑件改变。因此，浇注系统、冷却系统、定位导向机构的装配叫做制品-独立的装配。下面概述独立于注射制品的装配部件和其组成零件的三点重要特征。

1）独立于注射制品的装配结构是可预知的。

2）独立于注射制品的零部件的几何形状是可预知的。

3）独立于注射制品的零部件的尺寸可以在清单中被预先定义。

以DME模架为例能够证明上述特性。DME模架分为A、B、X、AX和T五种类型。X型更进一步分为5板系列、6板系列和7板系列。对A型模架而言，它包含有定模固定板、A板、B板、垫板、顶杆固定板、推板、顶杆、导柱、导套和螺栓。A型模架预先定义了尺寸（mm）系列，如125×125，125×156，156×156，196×246，246×296等。因此，设计一个模架时，只需选择模架的型号和它的尺寸系列。

图14-17 自上而下的模架装配体的设计实例

AP（A plate）—定模板 TCP（top clamp plate）—定模固定板 BP（B plate）—动模板

由独立于注射制品的零部件的特性能建立适合它们的模型，例如模架、侧滑块和斜顶杆机构等，并能描述它们几何形状的各种特征，也能表述它们之间组合的关联性能。三维模型的注射模具的装配建模，自上而下的工作浏览界面已开发运行。独立于制品的机构装配体设计，通过自上而下的工作界面，首先是选择装配体类型和品种，再选择确定的装配体的主要结构，然后对这个主要结构，进一步添加更优化的零件和变更一些参数。程序自动地从数据库构建了合适的零件，并将装配体显示在屏幕上。至此，独立于制品的装配体的概念设计完成。图14-17所示为自上而下的模架装配体的设计实例。

4.注射模具的装配模型

注射模具是包含有大量零件的机械装配体。设计注射模具装配体的任务包括选择组件，并确定它们之间的装配关系。另外，对几何建模功能而言，计算机辅助注射模具设计系统，也应该提供有利的设计环境装配注射模具。这里将讨论注射模具的自上而下的设计装配模型，然后再介绍自动装配注射模具的方法。

装配模型已经成为许多领域的研究课题，例如运动学、人工智能学和几何建模等，常利用图表结构模拟装配布局。在这图解方案中，组件以节点的形式表示，变换矩阵附有弧线。一个支持分级装配数据结构的系统，含有较多的基础装配信息，例如组件间的“特征匹配”等。变换矩阵会自动导出有效的连接，但这仅描迹分层拓扑模型“部分”的关系。

在自上而下的装配零件设计过程中，制品数据结构在一些层中是依据设计阶段来处理的。几何细节特征分为几个层次，用适宜约束机制来描述和更新几何关系。

前已提及，任何注射模具的装配体，都由独立于和取决于注塑件的两类零部件所组成。取决于塑料制品的成型零部件，需精确地按制品的几何尺寸设计。确定成型零部件的方向和位置时，通常要认定在模板上的方向。设计独立于制品的机构零部件，尽管它们的位置有时是直接由设计者指定，但也常按数据库目录选择结构，建立几何学的模型，然后添加到注射模具的装配体中。这个设计过程是耗时和易出差错的。在自动或半自动的装配系统中，根据装配形式和实体的定义，用数据库建起所有的独立制品的零部件。这个数据库不仅包括成型零部件的几何形状和尺寸，还包括了它们之间的空间约束关系。一些常见的功能，例如干涉检查和空间范围也包含在数据库里。因此，模具设计师从界面选择成型零部件的类型，系统将会自动地计算取向和位置矩阵，并把它们添加到装配体中间去。

如图14-18所示，独立于注射制品的零部件，可进一步分为模架和机构系统的零部件。模架是一组模板、销、导套、导柱等零件的组合装配体。除成型制品之外，模具必须实现一些辅助功能，例如：两半模的闭合、两瓣模的分开和闭合、冷却、脱模等。大部分的模具都具有相同的辅助功能，结果就造成了相似的结构。一些模具结构适合标准化。模架就是标准化的结果。

5.装配设计技术

装配信息建模的核心是表达和存储装配体中各组成零部件之间的关系。它包括零部件之间的相互位置关系、配合与联接关系等。

变量装配设计是通过概念设计把用户对模具产品的功能要求、设计意图，转化为各设计阶段都能理解和操作的设计变量和设计变量约束。装配设计和零件设计都在它们的控制和引导下完成。

变量装配设计遵循以下四项原理。

1）映射原理。用设计变量和设计变量约束把产品功能和形状联系起来，通过概念设计实现产品功能向形状映射。

2）功能约束原理。用设计变量和设计变量约束控制产品设计。控制零部件的各个设计变量及约束，形成一个设计变量约束网络。该约束网络控制设计过程，满足零部件的功能要求和设计意图。

3）三维几何约束定位原理。通过三维几何约束，自动确定装配体中零部件的位置。三维几何约束表达了零部件之间的配合关系。因此，满足三维几何约束就能得到零部件的正确位置。

4）动态设计原理。在设计变量、设计变量约束和三维几何约束驱动下的产品设计是可变的动态设计。通过修改某些设计变量、设计变量约束和三维几何约束，装配设计将在所有约束的驱动下自动更新和维护，得到与原设计没有概念变化的相似设计。

例如标准模架装配体，它不仅可拾取各个板和杆类零件，还包含模具各零部件的装配关系。当某个零件被修改时，其他相关的零件将会被自动修改更新。如果增加一根脱模顶杆，它经过的所有模板都会自动生成通孔，并有所需的配合间隙。这就是设计变量、设计变量约束和三维几何约束的动态装配设计。

图14-18 注射模具的装配结构

AP（A plate）—定模板 TCP（top clamp plate）—定模固定板 BCP（bottom clamp plate）—模具底板 BP（B plate）—动模板 ES（ejector support plate）—顶出板 ER（ejector retainer plate）—顶出固定板 SP（spacer bock）—方垫块