張 森， 黃鐵平， 高國(guó)利

（深圳市銀寶山新科技股份有限公司， 廣東 深圳 518108）

0 引 言

模具行業(yè)作為制造業(yè)的基石，已成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)制造水平的標(biāo)志之一，隨著高科技、新材料的不斷出現(xiàn)，其應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。近年來(lái)受疫情的影響，模具市場(chǎng)有所萎縮，價(jià)格戰(zhàn)、惡性競(jìng)爭(zhēng)使模具制造利潤(rùn)越來(lái)越低，大部分模具制造企業(yè)步履艱難。為此在保證模具質(zhì)量的前提下，如何用更低的成本和更高的效率制造模具，是模具制造企業(yè)不斷追求的目標(biāo)，模具制造也正逐步向高端化轉(zhuǎn)型。

模具設(shè)計(jì)作為整個(gè)模具制造過程的向?qū)?，從模坯模料配件的訂?gòu)，再到制造車間各個(gè)工序的生產(chǎn)環(huán)節(jié)的依據(jù)，全部源于模具設(shè)計(jì)圖。模具設(shè)計(jì)是專業(yè)性較強(qiáng)的工作，需要大量的工作經(jīng)驗(yàn)積累，不僅包括模具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，還包括對(duì)模具所要生成的產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)和對(duì)模具生產(chǎn)設(shè)備的了解，較大程度上模具設(shè)計(jì)能力決定了1副模具的設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)質(zhì)量，并影響最終的模具制造成本和使用壽命。在模具市場(chǎng)向高端化轉(zhuǎn)型過程中，技術(shù)人才緊缺、培養(yǎng)周期長(zhǎng)在較大程度上約束了模具行業(yè)的發(fā)展步伐，加上其它行業(yè)的興起以及臨時(shí)工就業(yè)的靈活性，年輕人不愿意加入模具行業(yè)，技術(shù)工種崗位缺乏后繼力量，一般只能通過內(nèi)部培養(yǎng)和外部招聘填補(bǔ)人才空缺，如何快速提升模具設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)能力已成為模具企業(yè)當(dāng)下急需解決的難題。

1 注射模結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)

注射模是用注射成型工藝生產(chǎn)塑料制品的金屬模型工具，也是賦予塑料制品完整結(jié)構(gòu)和精確尺寸的工具。注射工藝是通過高壓將熔融材料注入型腔中，冷卻固化后得到塑料制品，根據(jù)其成型特性，分為熱固性塑料模具和熱塑性塑料模具。注射模的結(jié)構(gòu)雖然因塑料品種和性能、塑料制品的形狀和結(jié)構(gòu)以及注塑機(jī)的類型等不同而千變?nèi)f化，但是基本結(jié)構(gòu)一致。1副完整的注射模按結(jié)構(gòu)零部件、組件功能區(qū)分，主要由模坯系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)、推出系統(tǒng)、脫模系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、起吊系統(tǒng)和其它系統(tǒng)等組成。各系統(tǒng)之間相輔相成，只有當(dāng)各系統(tǒng)達(dá)到最佳組合，才能保證模具的正常使用和成型制品的精度。

模坯系統(tǒng)是指模具中起固定、支承、安裝、導(dǎo)向等作用的模架及其輔助零件；澆注系統(tǒng)是指包含塑料熔體從噴嘴進(jìn)入型腔前的流道部分（包括主流道、冷料穴、分流道和澆口）及其相關(guān)的零部件、標(biāo)準(zhǔn)件等；推出系統(tǒng)是指注射成型后將制品推出，使其脫離模具的裝置及與制品推出相關(guān)的所有零部件或組件；脫模系統(tǒng)是指使制品倒扣處在模具開合或推出動(dòng)作時(shí)保證順利脫模的機(jī)構(gòu)；冷卻系統(tǒng)是指模具中控制模具溫度的系統(tǒng)，保證塑料熔體的順利充填和制品的固化定型，如集水塊組件、水嘴、水管等；液壓系統(tǒng)是指模具中所有與控制模具動(dòng)作用的油路相關(guān)的系統(tǒng)，如液壓抽芯的油路組件等；電氣系統(tǒng)是指所有與控制模具動(dòng)作用的電氣裝置或組件的系統(tǒng)，如行程安全開關(guān)系統(tǒng)等；排氣系統(tǒng)是指注射成型時(shí)，使模具中的廢氣順利排出的通道或部件、裝置等；起吊系統(tǒng)是指對(duì)模具起起吊作用的組件或零部件，如吊模塊組件等；其它系統(tǒng)是指耐磨塊、支承板、扶手等不在前述系統(tǒng)內(nèi)的其它裝置或零部件。

2 模具設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)

由于模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、標(biāo)準(zhǔn)零部件占零件總數(shù)較少、模具制造與制品生產(chǎn)過程要求多，為了降低設(shè)計(jì)工作對(duì)設(shè)計(jì)師個(gè)人能力與經(jīng)驗(yàn)的限制，實(shí)現(xiàn)模具快速設(shè)計(jì)的前提就是將模具設(shè)計(jì)資料數(shù)據(jù)化，以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中。

模具設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)包括3個(gè)部分：標(biāo)準(zhǔn)零部件庫(kù)、零部件參數(shù)庫(kù)和文檔附件庫(kù)。3個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模型，用外鍵方式相關(guān)聯(lián)以作為實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)參考的基礎(chǔ)。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)零部件庫(kù)

基于上述常見模具的結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)，按功能目的將模具系統(tǒng)劃分模坯、澆注、推出、脫模、冷卻、液壓、電氣、排氣、起吊和其它等子系統(tǒng)，再將子系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)和零件類型分為若干模塊，以此為基礎(chǔ)建立多標(biāo)準(zhǔn)體系零部件庫(kù)，標(biāo)準(zhǔn)零部件庫(kù)子模塊內(nèi)容如圖1所示。

圖 1 標(biāo)準(zhǔn)零部件庫(kù)子模塊內(nèi)容

模具按成型工藝不同，可分為塑料模、擠壓模、壓鑄模、橡膠模、沖模等，各種類型的模具有獨(dú)立的結(jié)構(gòu)及工藝特點(diǎn)，按照注射模模塊化開發(fā)原理，可以根據(jù)各類型模具結(jié)構(gòu)、工藝特點(diǎn)及相應(yīng)生產(chǎn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求、設(shè)計(jì)制造的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)開發(fā)相應(yīng)的模塊即可。

2.2 零部件參數(shù)庫(kù)

零部件屬性如表1所示，在表1中定義零部件在模具生命周期中所需要的數(shù)據(jù)，表1中數(shù)據(jù)將會(huì)以通配符替換的形式與零部件的具體參數(shù)值相結(jié)合，再被軟件寫入3D模型中。

表1 零部件屬性

零部件的尺寸參數(shù)如表2所示，用于向3D模型中的表達(dá)式賦值，每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件都對(duì)應(yīng)一個(gè)單獨(dú)的尺寸參數(shù)表，表的字段是表達(dá)式名稱。

表2的內(nèi)容為表達(dá)式值可選范圍，軟件中呈現(xiàn)的是可選的下拉列表或受限制的輸入框，設(shè)計(jì)師根 據(jù)需要的尺寸參數(shù)表調(diào)整參數(shù)。

表2 零部件尺寸參數(shù) mm

由于模具的零部件復(fù)雜裝配層級(jí)較多，為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件最大程度的復(fù)用，還設(shè)計(jì)了關(guān)聯(lián)參數(shù)表，用來(lái)定義同一個(gè)部件內(nèi)，不同層級(jí)和裝配關(guān)系的子零件之間的尺寸參數(shù)關(guān)系。每個(gè)零部件都有關(guān)聯(lián)參數(shù)表，主鍵為關(guān)聯(lián)零部件的ID，其余字段是受影響的表達(dá)式。

2.3 文檔附件庫(kù)

文檔附件庫(kù)采用文件系統(tǒng)的形式儲(chǔ)存零部件相關(guān)的說(shuō)明文檔、示例圖片等，在零部件參數(shù)庫(kù)中定義文檔路徑表，用來(lái)關(guān)聯(lián)零部件與對(duì)應(yīng)的文件，其主鍵是零部件ID，第2個(gè)字段是文檔路徑。

3 模塊化快速設(shè)計(jì)軟件

在模具設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上構(gòu)建3D/2D設(shè)計(jì)功能軟件，并建立信息系統(tǒng)輸出接口。整個(gè)快速設(shè)計(jì)軟件架構(gòu)如同積木，可以通過排列組合選擇不同的客戶數(shù)據(jù)庫(kù)與設(shè)計(jì)功能軟件，面向不同的需求針對(duì)性的搭建定制化的模具快速設(shè)計(jì)軟件。

模塊化快速設(shè)計(jì)軟件以零部件數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，在三維設(shè)計(jì)軟件的3D建模環(huán)境和2D制圖環(huán)境下使用，如圖2所示。設(shè)計(jì)師確定所要采用的標(biāo)準(zhǔn)體系后，在設(shè)計(jì)零部件時(shí)運(yùn)行快速設(shè)計(jì)軟件查看標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明和客戶要求，在標(biāo)準(zhǔn)體系的約束下選擇零部件型號(hào)和關(guān)鍵指標(biāo)，由快速設(shè)計(jì)軟件自動(dòng)完成零部件建模和數(shù)據(jù)注入，軟件主界面如圖3所示。

圖2 模塊化設(shè)計(jì)

圖3 模塊化設(shè)計(jì)軟件主界面

圖3所示左上側(cè)為子系統(tǒng)目錄，即該系統(tǒng)下所有模塊和零部件的目錄樹，點(diǎn)擊目錄樹可切換不同的零部件；右上側(cè)是參數(shù)選擇區(qū)域，根據(jù)零部件參數(shù)庫(kù)構(gòu)建，包括參數(shù)名稱、參數(shù)選擇范圍、參數(shù)說(shuō)明3列；下方是零部件說(shuō)明圖，由文檔附件庫(kù)加載，提供設(shè)計(jì)相關(guān)的圖片說(shuō)明，同時(shí)在3D建模環(huán)境中根據(jù)設(shè)計(jì)師的選擇結(jié)果呈現(xiàn)預(yù)覽線框圖。

標(biāo)準(zhǔn)零部件庫(kù)中3D模型的零件特征與表達(dá)式數(shù)據(jù)和零部件參數(shù)庫(kù)中的相關(guān)約束數(shù)據(jù)為2D制圖提供了可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源，快速設(shè)計(jì)軟件中的2D模塊可以識(shí)別85%以上的圖紙?zhí)卣鞑⑦M(jìn)行標(biāo)注。由于客戶需求和設(shè)計(jì)信息已經(jīng)在3D設(shè)計(jì)階段獲得，2D制圖時(shí)只需進(jìn)行少量用戶操作即可輸出圖紙，輸出效果示例如圖4所示。

圖 4 自動(dòng)生成零件2D圖

同樣的原理，模具生產(chǎn)制造和企業(yè)管理中至關(guān)重要的物料清單的數(shù)據(jù)來(lái)源也在3D設(shè)計(jì)階段就導(dǎo)入模具的3D模型中，用戶可以根據(jù)需要直接導(dǎo)出物料清單，如圖5所示。

圖5 模具物料清單自動(dòng)生成功能界面

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)基于多標(biāo)準(zhǔn)體系的模具模塊化設(shè)計(jì)方法開發(fā)了模具快速設(shè)計(jì)軟件，并確定了模具設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的組織結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)規(guī)則，軟件有效地將企業(yè)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、工作規(guī)范和客戶標(biāo)準(zhǔn)固化到設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中并加以應(yīng)用。

軟件在企業(yè)應(yīng)用后縮短了員工培養(yǎng)周期，員工在2D工程師崗位的時(shí)間要求從1年縮短到0.5年，在助理設(shè)計(jì)師崗位時(shí)間要求從1.5年縮短到1年以下。同時(shí)由于軟件的應(yīng)用省略了客戶標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)和錄入信息系統(tǒng)2道設(shè)計(jì)工序，同類型模具整體設(shè)計(jì)效率提升30%以上，設(shè)計(jì)異常減少70%以上。

基于多標(biāo)準(zhǔn)體系的注射模模塊化設(shè)計(jì)方法不僅在注射模設(shè)計(jì)中取得了明顯效果，而且面向其它類型模具時(shí)，可以按模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及相應(yīng)生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，適當(dāng)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)零部件庫(kù)的模具結(jié)構(gòu)劃分，并完善相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)即可實(shí)現(xiàn)其它類型模具的模塊化快速設(shè)計(jì)。