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摘要:介绍了在塑料注塑工艺中计算机技术的应用方面和遇到的问题，结合计算机在注塑模具中的应用领域，对未来计算机技术在注塑模具中的进一步发展提出了展望。
关键词:塑料;注塑;计算机辅助;展望
在塑料的加工工艺中，注塑成型工艺已经成为普遍采用的成型方法之一。经过上百年的发展注塑工艺以其成本低、工艺成熟等特点成为了大部分塑料制品成型的主要方法。在注塑工艺中模具的设计和开发是至关重要的环节，早期的注塑模具的设计主要依靠经验，随着计算机技术的发展，计算机辅助模具设计技术被广泛使用，使得模具设计更加精密可靠，效率也得到了大幅度的提高。
1注塑成型方法及模具的特点
在塑料的注塑成型工艺中，主要针对热塑性树脂的成型方法。在注塑过程中，通过高温将树脂熔融后，在螺杆压力的作用下将熔融树脂注入到模具中冷却成型得到最终的制品。注塑成型工艺适用于大批量制品的生产，而且具有自动化水平高和效率高的特点，受到了广泛的关注和应用。因此注塑成型具有巨大的应用潜力和市场前景，而模具作为注塑工艺中的重要组成部分，提高其设计水平和工艺精度是保证注塑工艺稳定的关键［1］。为了获得更高质量的产品，就需要提高模具的设计精度，在模具设计中要从四个方面考虑［2］:精度、外形要求、尺寸、收缩量。在上述四个方面中，收缩量是由于制品在模具中的尺寸和开模后得到的最终制品尺寸之间会存在微小的差异，这主要是由于热塑性树脂材料表面温度降低时产生的收缩现象导致的。在注塑过程中要充分考虑材料的种类和外界环境的影响，针对不同材料采用相应的注塑工艺和条件。注塑模具主要由两部分组成:定模和动模。其中定模固定在模板上不可以移动，而动模可以在一定范围内移动。在注塑过程中，动模通过移动与定模结合重合形成密闭的模腔，热塑性树脂通过螺杆压力注入到模腔内形成制品。
2塑料模具的设计
注塑工艺以其尺寸精确、效率高等特点在热塑性塑料的加工中被广泛应用。塑料模具在设计中需要在总体方案的指导下完成，在模具设计中需要考虑多方面的因素包括性能、产品质量、效率等。同时模具的价格也需要考虑在内，通常制品质量和模具价格成正比。此外，由于模具在成型过程中，需要考虑注塑压力、温度和时间等因素。所以，在模具设计中需要考虑锁模力、顶出力和注射力，塑料流道的各流动参数的比例，模具温控效果。模具设计人员在模具设计过程中，需要对具体的塑料材料的特性、制品的尺寸大小、注塑机参数设定等方面进行细致的考虑。例如，在模具的浇注系统的设计中，主流道通常设计为圆锥形，便于流道凝料的去除。但是在锥角的设计中需要考虑多种因素。如果锥角过大会导致涡流或者湍流的产生，卷入空气导致制品内存在气泡等缺陷，反之会造成凝料的脱膜困难。在分流道的设计中，需要考虑塑料制品的形状，大小，壁厚等因素来对其尺寸进行最终的确定。浇口作为分流道和模腔的连接处，在设计中需要考虑以下几个方面［3］:1)尽量选在分型面上;2)距离最短原则;3)方便排气;4)避免造成溶剂痕;5)保证制品的外观。
3计算机在注塑模具设计中的应用
目前随着计算机技术的迅速发展，计算机技术在模具的设计和制造中得到了广泛的应用。将计算机技术引入到模具的生产设计可以显著提高生产效率和质量水品，而且还可以降低人力成本，减少劳动强度。在注塑模具的设计中主要涉及到了计算机辅助设计(CAD)技术、计算机辅助工程(CAE)技术和计算机辅助制造(CAM)技术，其中CAD技术主要是在设计过程中对模具进行建模和绘图，CAE技术主要用于计算机仿真分析，通过对注塑过程的模拟，对注塑过程进行优化，CAM技术主要是通过编程技术，对机床实现数字化控制［4］。实现CAD/CAM/CAE一体化技术，可以显著提升模具的设计水平，提高注塑行业的精度以及标准化程度，最终可以缩短制品的生产周期，提高制品的质量和客户满意度。
3.1CAD技术
在模具行业中CAD技术被广泛采用，CAD技术可以提高注塑模具的生产效率，提高制品的品质、降低成本和降低劳动强度。在注塑模具的设计中，模具的整体结果比较复杂，CAD技术具有功能丰富、交互性强的特点，适用于模具的设计和开发。注塑模具CAD技术的广泛应用对于传统的模具制造具有自身的优越性［5］:1)提高模具质量。在CAD技术中可以充分发挥设计人员和计算机的双重特点，通过这种交互作用使得模具的设计更加准确和快速。此外，CAD技术还可以迅速生成模具零件的加工刀具轨迹，使得制品的尺寸精度更高，表面更加光滑。在优化模具的设计方案中，CAD技术可以帮助设计人员选择合适的模具结构，优化整体的设计。2)缩短模具的制作周期。在CAD系统中可以存储大量的技术参数和模具的设计标准，在模具的设计中可以更快地选择合适的模具设计标准，加之计算机自动绘图的功能，使得模具的设计更加快速，提高了模具的制作效率。3)降低成本。CAD技术中可以借助计算机进行大量的运算工作，降低了人力成本，而且计算机模拟注塑过程可以进一步节省成本。4)发挥设计人员的创造性。CAD可以避免设计人员参与计算和绘图工作，因此设计人员可以更多时间思考模具的内部设计和优化模具的性能，在提高模具质量和发挥人的主观能动性方面有巨大的促进作用。随着CAD技术在模具设计行业越来越重要的作用，与之相应的软件主要有MOLDFLOW、AutoCAD和UGNX。MOLDFLOW是最早应用于模具设计的CAD软件，由澳大利亚MOLDFLOW软件公司在1976年首次推出，经过几十年的发展，该软件已经可以实现对模具的精确设计和模拟。AutoCAD主要用于二维绘图，其具有的多文档设计环境可以满足不同专业人员的使用。UGNX软件可以为客户的产品设计和加工提供强有力的数字化造型和验证手段，其强大的建模体系可以生产三维数字虚拟产品。因此UGNX可以在AutoCAD二维图形的基础上，实现模具的3D化，具有强大的设计的可操作性和完整性［6］。
3.2CAE技术
CAE技术主要是基于高分子流变理论以及传热理论，借助于计算机技术建立塑料熔融状态下的流动和传导模型。通过计算机的运算，可以对熔体的流动状态、填充过程、冷却过程进行仿真模拟，模拟的结果可以直观展现出来，进而确定成型过程的具体参数。通过CAE技术可以生动地模拟出注塑过程中的各个环节，并且可以预测在注塑过程中可能出现的缺陷，并给出解决方案。该方法可以避免传统工艺中的反复试模的复杂过程，降低了人力成本，缩短了模具的设计周期，提高了模具的精确度和合格率。其在模具设计中主要用于以下几个方面:
1)制品优化设计
通过CAE技术可以对制品的结构进行明确，然后对产品的可行性进行分析实现设计的优化。
2)辅助模具设计
对于传统的模具设计会经过一系列的试模、修模的过程，最后才可以使模具获得一定的精度。而CAE技术可以直接对制品的型腔尺寸、浇口位置和冷却设备进行优化完善，通过计算机辅助完成试模和修模的过程。CAE技术可以对模具的冷却时间和产品形状的确定起到极大的辅助作用，更好地模拟注塑过程，确定模具的最佳设计方案。
3)优化注塑工艺参数
在工艺参数的确定中，CAE技术可以对注塑全过程进行模拟，对于制品的缺陷进行预测。CAE技术可以对熔体在模腔内的流动状态进行分析，帮助设计师完成最佳参数的设定，包括注塑压力、注塑时间、冷却时间、熔体温度、模具温度和保压时间等。在注塑模具的设计之前，设计人员通过CAE分析软件，借助于计算机可以对制品进行仿真模拟，基于模拟的结果设计人员可以了解到材料的填充、压缩和冷却等情况，通过分析结果对模具的设计进行指导，更好地优化和改进模具的设计参数。在模拟过程中同样需要借助于软件的帮助，在CAE系统的软件主要包括了MoldFlow和Moldex3D。MoldFlow软件是出现较早的CAE软件，通过该软件可以对塑料制品和模具结构进行优化。此外还可以对型腔、浇口、流道和冷却系统等关键部位尺寸进行优化，在系统中进行试模、修模、大大提高模具生产质量，减少未来修模次数。Moldex3D具有立体三维模拟的功能，能够更好地解决在模具设计上的问题，有效缩短模具的制作周期，提高企业的竞争力。通过CAE软件可以对熔体的流动性进行分析，主要针对流道和浇口填充型腔过程进行预测，设计人员可以根据模拟的结果更加合理地设计流道和浇口位置，优化产品的设计和产品质量。通过对材料的纹理性质、流变性质、成型参数等数据进行分析，得到模具的精确设计参数包括合模压力、注塑压力和气穴位置等重要参数［8］。
3.3CAM技术
目前CAM系统主要由一个计算机分级结构体系和具有两级以上的计算机系统组成。在系统组成方面可分为软件部分和硬件部分，硬件系统主要包括了数控机床、传动装置、制造部分等，软件部分主要包括了数据库资料和操作软件［9］。CAM技术可以对模具的型腔和型芯进行数控加工，采用最优的加工工具和路径，借助于仿真模拟的功能，使得模具的制作更加精确高效。而且在制品的质量评估方面，CAM技术可以模拟不同位置的切割分析，通过对不同位置的切面分析提高了尺寸精确度。CAM技术中，涉及到的软件主要有Mastercam和HyperMILL两款软件，Mastercam软件包含了二维制图、三维造型、数控编程、刀具路径摸拟等种功能，具有直观方便的几何造型工具。CAM技术在模具的设计中并不是孤立存在，最常见的是结合CAD和CAE技术并行使用［10］。
3.4CAD/CAE/CAM一体化技术
注塑模具的CAD/CAE/CAM一体化技术属于模具设计和制造中的一项先进技术，可以对注塑产品的综合性能进行大幅度的提高。在集成化系统中，CAD主要负责产品的建模和总体设计方案的确定;CAE主要对模具的结构力学和流动性能进行模拟分析;CAM主要负责数控仿真和数控程序的建立。集成化系统中通常存储塑料和模具的性能参数数据库、注塑机规范数据库、标准模架等数据库系统，主要是实现模具的标准化和系统化。集成化系统的优越性主要体现在以下几个方面:1)提高模具质量。通过发挥三者的不同作用，可以使模具的设计更加精确、快速，提高模具设计的合理性和零件的尺寸精度。2)缩短模具的制作周期。借助于CAD系统中的参数库和其本身的自动画图功能，可以大大缩短模具的设计时间，CAM还可以减少修模的时间，CAM提高了数控机床的加工效率。3)降低成本。借助于计算机的高速运算性能，可以大大节约人力的消耗，降低的生产成本。缩短了模具的生产周期，提高了市场竞争力。
4结论与展望
随着制造业的不断发展，对于模具的要求也逐步提高，传统的模具制造方式已经无法满足现代制造业的要求，因此将计算机辅助技术应用于注塑模具的设计是必然选择，通过计算机辅助技术使得模具的设计精度得到了大幅度的提高，同时模具的设计周期大大缩减，节省人力物力的同时降低了设计成本。实现CAD/CAE/CAM技术的集成化应用，可以将零件设计、模具设计和制造以及注塑过程三者结合起来，发挥三者的技术优势。未来CAD/CAE/CAM技术在注塑模具中将会发挥出更加重要的作用，进而实现模具设计的自动化、精确化、高效化、智能化和低成本化。
作者:严粤锋 罗金群 单位:广东理工职业学院数码设计与制作系