摘要：本文针对《塑料模具设计》课程的教学难点，在调研的基础上，在教学中引入CAD/CAE/CAM技术，使用大量的动画、图片、实例分析案例进行教学，有效地对模具结构和注塑工艺的难点进行讲解，激发了同学学习兴趣，收到了良好的教学效果。
关键字：塑料模具 教学 CAD/CAE/CAM
Abstract：This paper introduce the CAD/CAE/CAM technology in teaching of course ‘Plastic Mould Design ’on the basis of surveying. Using large amount of animated files, photograph and analyse case to carrying out teaching difficult point of mould structure and injection processing. The students’ study interest have been aroused and fine teaching effect have been received.
Keywords: plastic mould, teaching, CAD/CAE/CAM
1 引言
塑料工业近20年来发展十分迅速，早在1995年塑料的年产量按体积计算已经超过钢铁和有色金属年产量的总和，塑料制品在汽车、机电、仪表、航天航空等国家支柱产业及与人民日常生活相关的各个领域中得到了广泛的应用。目前塑料制品成形的多种方法中最主要的是注塑成形，塑料成形模具产量中约半数以上是注塑模具。
适应实际需求，国内许多高校的机械类专业中都开设了《塑料模具设计》课程，该课程教学以注射模具结构课堂讲解为主，并辅之以典型模具结构的实物演示。但由于该课程涉及的内容多、模具结构复杂，单纯以工程图、理论讲解学生听起来吃力，理解不深入。作者经过模具企业的实际调研，在本课程的教学中将CAD/CAE/CAM技术引入到教学中来，以实例模型、注射仿真分析，以丰富的三维实例、动画、图片相结合的方式，激发了学习兴趣，改善了课程教学效果，提高了学生知识综合运用分析能力。
2 CAD/CAE/CAM技术在模具课程教学中的应用研究与实践
2.1 实际调研
塑料模具属型腔模具，一般形状复杂。宁波地区塑料模具企业比较集中，通过对主要的近20家注塑模具企业的CAD/CAE/CAM集成制造技术应用情况调研，绝大多数模具企业在设计过程中已普遍采用三维CAD/CAM软件，如UG、Pro/E、Catia、Solidworks、Cimatron等进行注塑模具设计制造，个别优势企业在企业标准中要求设计人员在图纸上除了二维视图，还必须有轴测图；少部分企业已采用MoldFlow、HSCAE 3D等注塑模拟仿真技术进行模具结构、成形工艺优化。针对实际调研结果，我们认为在塑料模具设计课程教学中必须进行改革，融入CAD/CAE/CAM技术才能满足实际需要，激发学生的学习兴趣，培养高质量的应用型人才。
2.2 CAD/CAE/CAM技术的应用
根据注塑模具企业的情况调研，作者在课程教学中，根据内容采用了CAD/CAE软件辅助形式。通过丰富的实例动画演示，对注塑机、模具的动作原理、注塑工艺讲解起到了事半功倍的效果。如图1为用华塑CAE软件生成的注塑机、模具的动作过程动画的一个画面。
图1 注塑机、模具的动作原理
在塑料制品阶段，演示三维塑料制品，从成型工艺的角度对模型进行评价。
塑料模具结构复杂，单纯借助教材上的工程图，即使制图基础比较好的同学对模具装配图也感到摸不找头脑，教师也很难讲解清楚模具的结构。借助于Pro/E、UG、SolidWorks等三维软件，展示模具中每个零件的安装位置、三维结构、作用，再对应模具装配图讲解。对图2所示产品图，其模具三维模型如图3所示，动态演示模具结构，直观、清晰，便于同学理解和掌握，收到了良好的教学效果。
图3 模具整体结构
对模具的抽芯机构、顶出机构的动作原理，单纯借助模具装配图难以表达清楚，采用仿真动画演示闭模、开模、顶出的动作过程，可以起到事半功倍的效果。图4所示为摆钩式二次推出机构动画演示过程中的三个画面。
1）2）借助成形工艺CAE分析，通过分析实例讲解注塑工艺
塑料注射成型过程中，塑料原料要在有限时间内完成固体输送、熔融、熔体流动、压实、固化等非等温、非平衡过程，并伴随相变发生、分子取向、纤维取向及可能的结晶等复杂的物理、化学现象。成型过程中会产生熔接痕、充填不足、飞边、气泡、缩孔、翘曲变形等众多缺陷。这诸多因素之间是相互关联、多交叉的关系。仅以熔接痕为为例，熔融的塑料在模腔中流动时两股塑料会合形成的痕迹。熔接痕不但有碍于塑件的美观，同时在熔接痕处塑料性能明显下降，对于纤维增强塑料影响更为明显。在模具设计中要尽量减少熔接痕的数量,控制熔接痕的位置。解决熔接痕缺陷的措施有： ①优化成型工艺条件(如提高塑料熔融温度、模具温度、增大注射压力和注射速度等) ，以提高塑料的流动性；②改变浇口位置和浇口数量，以改变熔接痕的位置及数量；③在熔接痕处增加排气槽,降低塑料流动阻力；④在熔接痕处增加冷料井，将塑料料头冷料储存于此，成型后再将冷料井切除；⑤增加流道和浇口尺寸，提高注射速度。如何在较短的时间里讲解清楚这些内容，是一个难点。
注塑CAE技术可以为优化注塑工艺提供有力利的保证，CAE技术在注塑模具开发各阶段的作用如图5所示。
为清晰地讲解这诸多因素之间的影响，通过借助华塑HSCAE软件对双桶洗衣机桶体、空调盖板等实际零件不同注塑方案进行分析，以动画演示结果进行讲解，较好地讲解了注塑成形工艺内容的难点。图6为针对洗衣机桶体进行分析的结果演示，图7为空调盖板流动前沿、熔接痕分析，图8为冷却水道布置对塑件制品质量的影响。直观的充模过程、直观的画面给同学展示了塑料成形的整个过程，为深刻掌握注塑成形工艺及分析各因素对塑料制品的影响提供了保证，实践表明教学效果良好。
2.2 应用效果
实践表明，将CAD/CAE/CAM技术引入塑料模具设计课程教学，收到了良好的教学效果，表现在：
1）对模具的结构、模具设计方法、注射成形工艺的合理性有了深刻的理解；
2）引导同学对CAD/CAE/CAM集成技术有了全貌的认识和了解，增加了知识的系统性；
3）激发了同学的学习兴趣，开拓了同学的视野。
同时，同学认真听讲、积极提问对教师也起到了激励作用，会更加注意将科研工组中的实例融入到教学中。
3 结束语
模具CAD/CAE/CAM技术迅速发展，企业对掌握和了解相关知识的模具技术人才需求迫切，教师如何在当前专业课学识不断压缩的前提下，充实教学内容，促进创新人才的培养，者是一个重要研究课题。本文多种应用CAD/CAE/CAM软件制作分析实例，引入塑料模具设计教学当中，给同学比较直观实例演示，加深了同学对一些概念、成形工艺方法、CAD/CAE/CAM技术应用的理解。希望本文起到抛砖引玉的作用。
参考文献：
1 李德群,周华民. 塑料注射成形过程仿真软件的开发和应用[J]. 中国机械工程. 2002,13(22), p1894-1896.
2 齐晓杰. 塑料成形工艺与模具设计[M]. 机械工业出版社. 2006，1
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