第四节
模具CAD与UG

要知道，模具的设计与制造以及材料成型过程分析是一个繁重的任务，仅靠设计人员的经验和模具工的手艺是很难保证模具及制品高精度要求的。因此，计算机辅助设计CAD和计算机辅助工程CAE技术的出现，彻底改变了模具传统的设计与制造方法。

一、模具CAD技术的发展

模具CAD技术是随着机械CAD技术的发展而发展的，最初的研究主要集中于熔融料在型腔中的流动、保压和冷却的分析模拟，即通常所说的CAE，同时模具CAD的各个单项功能的研究成果也十分突出，研究的范围从成型机选择、材料品种选择、模具各个部件的设计到模具价格评估无所不包，为以后的CAD软件商业化打下了坚实的基础。

1．国外发展状况

国外一些著名的商品化三维软件都带有独立的模具设计模块，如UG、Pro/E等；也有在通用CAD软件包上独立开发注塑模、冲压模等设计系统，如以色列的Cimatron公司在AutoCAD软件包上开发了注塑模设计系统。这些软件功能的主要特点如下。

◆ 强大的造型功能，尤其是曲面造型功能，可以方便地设计出具有复杂自由曲面的塑料制品。

◆ 提供方便的模具分型面定义工具，成型零件自动生成。

◆ 标准模架库品种齐全，调用简单。

◆ 典型结构、标准零件库添加方便。

◆ 非标准零件造型和装配简单实用。

2．国内发展状况

国内对塑模CAD技术的研究与应用相对国外较晚，经过近 20 年的努力，已取得了很大的发展，主要研究成果如下。

◆ 华中科技大学于 1997 年推出了升级的CAD/CAE/CAM集成系统HSC2.0 版。

◆ 合肥工业大学开发了注塑模二维系统IPM-CAD和三维系统IPMCAD v3.0，随后又推出了IPMCAD v4.0。

◆ 此外，还有上海交大开发的集成化智能注塑模CAD系统、浙江大学开发的精密注塑CAD/CAM系统等。

二、UG在模具设计中的应用

随着计算机辅助设计技术在机械行业中的日益广泛应用，模具的设计方法也从传统的手工绘图发展到利用通用的三维参数CAD软件进行产品造型与模具设计。以UG软件为代表的CAD系统在模具设计中占据着重要的位置。

下面我们以电器产品外壳的注塑模具为例，来简要介绍UG注塑模具设计的一般设计过程与方法。

1．建立制品的三维模型

模具设计之初，客户提供的通常是制品的三维模型，或者二维图。根据要求由二维图建立三维模型，并根据注塑工艺和模具设计的有关原则进行适当的产品修改，使之适合于注塑成型。而且不同的CAD系统之间也很容易进行文件转换，因此将客户提供的制品三维模型导入到UG系统中，形成将要设计模具的制品模型，如图 1-15 所示。

2．定义模具坐标系

UG采用工作坐标系统WCS。为了后续模具结构设计的方便，通常将坐标原点定义在模架动、定模板接触面的中心，坐标主平面（XY平面）定义在分型面上，Z的正方向指向定模侧，即模具开模方向。模具开模方向如图 1-16所示。

3．制品收缩率

从模具中取出的成型制品，其温度高于常温，需经过数小时甚至几十小时才能冷却至常温，制品的尺寸会随着冷却而收缩，因此模具尺寸都需要加上收缩率的尺寸，才能使成型制品达到所要求的尺寸，收缩率的大小会因材料的性质或者填充料等的配合而改变。

制品的放大可通过“缩放体”命令来实现，如图1-17 所示。

4．定义成型工件

成型工件（Work Piece）就是模具中的成型部分，是一个包括型芯和型腔的材料块。在这里成型工件并不需要很精确的定义，只是为了下一步分型的方便。

精确的工件结构与尺寸可在模架与典型结构设计完成后再设计。具体操作是首先定义一个长方体实体，然后通过平移等变换操作将制品模型定位在工件实体中的适当位置，本例定义好的成型工件如图 1-18 所示。

5．成型零件的设计过程

模具成型零部件是注塑模具设计中最关键、最复杂的一步。在定义好成型镶件的基础上，首先通过布尔运算挖出镶件内的型腔（用成型镶件减去制品模型）。为使成型后的制品能从模具空腔中取出，模具必须要分模，模具分成动模侧和定模侧两部分，此分界面称为分模面，如图 1-19 所示。

有了分模面后，就可以使用零件实体分割的功能对成型镶件进行分割，生成型芯与型腔，如图1-20 所示。

6．型腔布局

型腔布局就是确定模具中型腔的数目及排列情况。

通过UG中的【移动对象】对话框【变换】选项区【运动】下拉列表中的“角度”、“距离”等选项对成型镶件进行操作就可以实现型腔的布局。本例为一模一腔布局形式。

如图 1-21 所示为【移动对象】对话框。

7．模架设计

在所有的零件模型均建立好以后，需要进行装配设计。装配设计利用CAD系统的配合、对齐、角度、插入等命令来实现。如果装配较复杂，可以先进行部分零件的装配，完成后再进行部件间的装配，这样就可以减少装配的难度。

现在很多企业都在CAD系统上开发适用于自己公司的标准模架库，可以直接调用。本例是从UG系统Mold Wizard模架库中调用的标准模架，如图 1-22 所示。

8．典型零件与结构设计

在注塑模中，典型零件与结构设计包括定位圈、主流道衬套、浇口、顶杆、斜抽芯机构和冷却水道等。

与模架中各零件的设计类似，首先要通过查阅手册选择合理的零件类型和参数系列，然后根据所选的系列数据为零件造型，造型好的零件通过装配设计来与模架配合，修剪长度，创建装配所需要的孔等。通过上述步骤，最终形成的模具装配体如图 1-23 所示。