第2课 1课时 SolidWorks模具设计流程
1.2.1 CAD技术
行业知识链接：塑料模具用于压塑、挤塑、注塑、吹塑和低发泡成型，它主要包括由凹模组合基板、凹模组件和凹模组合卡板组成的具有可变型腔的凹模，由凸模组合基板、凸模组件、凸模组合卡板、型腔截断组件和侧截组合板组成的具有可变型芯的凸模。模具凹、凸模及辅助成型系统的协调变化，可加工不同形状、不同尺寸的系列塑件。如图1-5所示是塑料模具的下半部分。
图1-5 塑料模具的下半部分
1．CAD的概念
运用CAD技术，MoldWizard可以帮助广大模具设计人员由注射制品的零件图迅速设计出该制品的全套模具图，使模具设计师从烦琐、冗长的手工绘图和人工计算中解放出来，将精力集中于方案构思、结构优化等创造性工作。
利用MoldWizard软件，用户可以选择软件提供的标准模架灵活方便地建立适合自己的标准模架库。在选好模架的基础上，从系统提供的诸如整体式、嵌入式、镶拼式等多种形式的动、定模结构中，依据自身需要灵活地选择并设计出动、定模部件装配图。采用参数化的方式设计浇口套、拉料杆、斜滑块等通用件，然后设计推出机构和冷却系统，完成模具的总装图。最后利用MoldWizard系统提供的编辑功能，方便地完成各零件图的尺寸标注及明细表。
2．CAE的概念
CAE技术借助于有限元法、有限差分法和边界元法等数值计算方法，分析型腔中塑料的流动、保压和冷却过程，计算制品和模具的应力分布，预测制品的翘曲变形，并由此分析工艺条件、材料参数及模具结构对制品质量的影响，达到优化制品和模具结构、优选成型工艺参数的目的。
塑料注射成型CAE软件主要包括流动保压模拟、流道平衡分析、冷却模拟、模具刚度强度分析和应力计算、翘曲预测等功能。其中，流动保压模拟软件能提供不同时刻型腔内塑料熔体的温度、压力、切应力分布，其预测结果能直接指导工艺参数的选定及流道系统的设计；流道平衡分析软件能帮助用户对一模多腔模具的流道系统进行平衡设计，计算各个流道和浇口的尺寸，以保证塑料熔体能同时充满各个型腔；冷却模拟软件能计算冷却时间、制品及型腔的温度分布，其分析结果可以用来优化冷却系统的设计；刚度强度分析软件能对模具结构进行力学分析，帮助用户对型腔壁厚和模板厚度进行刚度和强度校核；应力计算和翘曲预测软件则能计算出制品的收缩情况和内应力的分布，预测制品出模后的变形。
3．CAM的概念
运用CAM技术能将模具型腔的几何数据转换为各种数控机床所需的加工指令代码，取代手工编程。例如，自动计算钼丝的中心轨迹，将其转化为线切割机床所需的指令（如3B指令、G指令等）。对于数控铣床，则可以计算轮廓加工时铣刀的运动轨迹，并输出相应的指令代码。采用CAM技术能显著提高模具加工的精度及生产管理的效率。MoldWizard系统能够帮助节省设计的时间，并提供完整的3D模型给CAM系统。
4．模具CAD的发展
近20年来，以计算机技术为代表的信息技术的突飞猛进为注射成型采用高新技术提供了强有力的条件，注射成型计算机辅助软件的发展十分引人注目。CAD方面，主要是在通用的机械CAD平台上开发注射模设计模块。随着通用机械CAD的发展经历了从二维到三维、从简单的线框造型系统到复杂的曲面实体混合造型的转变，模具CAD也有了较大的发展。目前国际上占主流地位的注射模CAD软件主要有UG NX/Mold Wizard、Pro/E（Mold Design）、SolidWorks/IMold、CATIA/Mold Tooling Design和TopSolid/Mold等。
1.2.2 模具CAD技术
行业知识链接：塑料模具在塑料加工工业中和塑料成型机配套，赋予塑料制品以完整构型和精确尺寸的工具。由于塑料品种和加工方法繁多，塑料成型机和塑料制品的结构又繁简不一，所以，塑料模具的种类和结构也是多种多样的。如图1-6所示是塑料扇叶的注塑模具。
图1-6 塑料扇叶的注塑模具
1．注射模CAD系统的主要功能
（1）注射制品构造。将注射制品的几何信息以及非几何信息输入计算机，在计算机内部建立制品的信息模型，为后续设计提供信息。
（2）模具概念设计。根据注射制品的信息模型采用基于知识和基于实例的推理方法，得到模具的基本结构形式和初步的注射工艺条件，为随后的详细设计、CAE分析、制造性评价奠定了基础。
（3）CAE分析。运用有限元的方法，模拟塑料在模具型腔中流动、保压和冷却的过程，并进行翘曲分析，以得到合适的注射工艺参数和合理的浇注系统与冷却系统结构。
（4）模具评价。包括可制造性评价和可装配性评价两部分。注射件可制造性评价在概念设计过程中完成，根据概念设计得到的方案进行模具费用估计来实现。模具费用估计可分为模具成本的估计和制造难易估计两种模式。成本估计是直接得到模具的具体费用，而制造难易估计是运用人工神经网络的方法得到注射件的可制造度，以此判断模具的制造性。可装配性评价是在模具详细设计完成后，对模具进行开启、闭合、钩料、抽芯、工件推出动态模拟，在模拟过程中自动检查零件之间是否干涉，以此来评价模具的可装配性。
（5）模具详细结构设计。根据制品的信息模型、概念设计和CAE分析结果进行模具详细设计。包括成型零部件设计和非成型零部件设计。成型零部件包括型芯、型腔、成型杆和浇注系统；非成型零部件包括脱模机构、导向机构、侧抽芯机构以及其他典型结构的设计。同时提供三维模型向二维工程图转换的功能。
（6）CAM。主要是利用支撑系统下挂的CAM软件完成成型零部件的虚拟加工过程，并自动编制数控加工的NC代码。
2．应用注射模CAD系统进行模具设计的通用流程
注射模CAD系统具有类似的设计流程，如图1-7所示。
图1-7 设计流程图
（1）制品的造型。可直接采用通用的三维造型软件。
（2）根据注射制品采用专家系统进行模具概念的设计。专家系统包括模具结构设计、模具制造工艺规划、模具价格估计等模块。在专家系统的推理过程中，采用基于知识与实例相结合的推理方法，推理的结果是注射工艺和模具的初步方案。方案设计包括型腔数目与布置、浇口类型、模架类型、脱模方式和抽芯方式等。其过程如图1-8所示的模具结构详细设计流程图。
图1-8 模具结构详细设计流程图
（3）在模具初步方案确定后，用CAE软件进行流动、保压、冷却和翘曲分析，以确定合适的浇注系统、冷却系统等。如果分析结果不能满足生产要求，那么可根据用户的要求修改注射制品的结构或修改模具的设计方案。
课后练习——电池盒
案例文件：ywj\01\01\01.SLDPRT等模具文件
视频文件：光盘\视频课堂\第1教学日\1.2
练习案例分析及步骤如下。
本课后练习是电池盒的设计过程及其模型初始化，即创建模具项目，如图1-9所示是创建完成的电池盒模型，可以使用注塑方式进行制造。
图1-9 电池盒模型
本课后练习主要练习SolidWorks的零件创建知识以及模具的项目创建。首先创建电池盒基体，保存零件后，进行模具数据准备，再建立新的模具项目。设计电池盒模具的思路和步骤如图1-10所示。
图1-10 电池盒模具创建步骤
练习案例操作步骤如下。
step 01 开始创建电池盒基体。选择【上视基准面】作为草图绘制平面，单击【草图】工具栏中的【中心矩形】按钮
，绘制长为100、宽为80的矩形，如图1-11所示。
图1-11 绘制100×80的矩形
step 02 单击【特征】工具栏中的【拉伸凸台/基体】按钮
，弹出【凸台-拉伸】属性管理器，设置拉伸深度为20，拉伸矩形成实体，如图1-12所示。
图1-12 拉伸矩形成实体
step 03 单击【特征】工具栏中的【抽壳】按钮
，弹出【抽壳1】属性管理器，设置厚度为2，选择要移除的面，完成长方体抽壳，如图1-13所示。
图1-13 对长方体进行抽壳
step 04 选择如图1-14选中的平面作为草图绘制平面。
图1-14 选择草图绘制平面
step 05 单击【草图】工具栏中的【边角矩形】按钮
，绘制长为60、宽为70的矩形，如图1-15所示。
图1-15 绘制60×70的矩形
step 06 单击【特征】工具栏中的【拉伸凸台/基体】按钮，弹出【凸台-拉伸】属性管理器，设置拉伸深度为100，拉伸矩形成实体，如图1-16所示。
图1-16 拉伸矩形成实体
step 07 选择如图1-17选中的平面作为草图绘制平面。
图1-17 选择草图绘制平面
step 08 单击【草图】工具栏中的【边角矩形】按钮，绘制长为60、宽为97的矩形，如图1-18所示。
图1-18 绘制60×97的矩形
step 09 单击【特征】工具栏中的【拉伸切除】按钮
，弹出【切除-拉伸】属性管理器，设置拉伸深度为55，拉伸矩形切除实体，如图1-19所示。
图1-19 拉伸矩形切除实体
step 10 选择如图1-20选中的平面作为草图绘制平面。
图1-20 选择草图绘制平面
step 11 单击【草图】工具栏中的【边角矩形】按钮，绘制长为60、宽为70的矩形，如图1-21所示。
图1-21 绘制60×70的矩形
step 12 单击【特征】工具栏中的【拉伸切除】按钮，弹出【切除-拉伸】属性管理器，设置拉伸深度为13，拉伸矩形切除实体，如图1-22所示。
图1-22 拉伸矩形切除实体
step 13 选择如图1-23选中的平面作为草图绘制平面。
图1-23 选择草图绘制平面
step 14 单击【草图】工具栏中的【边角矩形】按钮，绘制长为60、宽为30的矩形，如图1-24所示。
图1-24 绘制60×30的矩形
step 15 单击【特征】工具栏中的【拉伸切除】按钮，弹出【切除-拉伸】属性管理器，设置拉伸深度为23，拉伸矩形切除实体，如图1-25所示。
图1-25 拉伸矩形切除实体
step 16 选择如图1-26选中的平面作为草图绘制平面。
图1-26 选择草图绘制平面
step 17 单击【草图】工具栏中的【中心线】按钮
，绘制一条中心线，如图1-27所示。
图1-27 绘制一条中心线
step 18 单击【草图】工具栏中的【边角矩形】按钮，绘制长为20、宽为10的矩形，如图1-28所示。
图1-28 绘制20×10的矩形
step 19 单击【草图】工具栏中的【镜向实体】按钮
，选择要镜向的矩形与镜向点的中心线，完成镜向，如图1-29所示。
图1-29 镜向矩形
说明：为了与图一致，本书中采用“镜向”而不用“镜像”。
step 20 单击【特征】工具栏中的【拉伸切除】按钮，弹出【切除-拉伸】属性管理器，设置终止条件为【完全贯穿】，拉伸矩形切除实体，如图1-30所示。
图1-30 拉伸矩形切除实体
step 21 选择如图1-31选中的平面作为草图绘制平面。
图1-31 选择草图绘制平面
step 22 单击【草图】工具栏中的【中心线】按钮
，绘制一条中心线，如图1-32所示。
图1-32 绘制一条中心线
step 23 单击【草图】工具栏中的【直槽口】按钮
，绘制圆弧直径为14、两圆心点距离为28的直槽口，如图1-33所示。
图1-33 绘制直槽口
step 24 单击【草图】工具栏中的【直线】按钮
，绘制一条长为14的直线，如图1-34所示。
图1-34 绘制长为14的直线
step 25 单击【草图】工具栏中的【剪裁实体】按钮
，对草图进行剪裁，结果如图1-35所示。
图1-35 剪裁草图
step 26 单击【特征】工具栏中的【拉伸凸台/基体】按钮，弹出【凸台-拉伸】属性管理器，设置拉伸深度为10，拉伸草图成实体，如图1-36所示。
图1-36 拉伸草图成实体
step 27 选择如图1-37选中的平面作为草图绘制平面。
图1-37 选择草图绘制平面
step 28 单击【草图】工具栏中的【圆】按钮
，绘制两个直径分别为10和4的同心圆，如图1-38所示。
图1-38 绘制两个同心圆
step 29 单击【特征】工具栏中的【拉伸凸台/基体】按钮，弹出【凸台-拉伸】属性管理器，设置拉伸深度为10，拉伸草图成实体，如图1-39所示。
图1-39 拉伸草图成实体
step 30 选择如图1-40所示选中的平面作为草图绘制平面。
图1-40 选择草图绘制平面
step 31 单击【草图】工具栏中的【圆】按钮，绘制一个直径为10的圆，如图1-41所示。
图1-41 绘制直径为10的圆
step 32 单击【特征】工具栏中的【拉伸切除】按钮，弹出【切除-拉伸】属性管理器，设置拉伸深度为2，拉伸圆切除实体，如图1-42所示。
图1-42 拉伸圆切除实体
step 33 选择如图1-43所示选中的平面作为草图绘制平面。
图1-43 选择草图绘制平面
step 34 单击【草图】工具栏中的【边角矩形】按钮，绘制一个长为12、宽为8的矩形，如图1-44所示。
图1-44 绘制12×8的矩形
step 35 单击【特征】工具栏中的【拉伸切除】按钮，弹出【切除-拉伸】属性管理器，设置拉伸深度为8，拉伸矩形切除实体，完成创建电池盒基体的操作，如图1-45所示。
图1-45 拉伸矩形切除实体
step 36 继续创建凹槽特征。选择如图1-46所示选中的平面作为草图绘制平面。
图1-46 选择草图绘制平面
step 37 单击【草图】工具栏中的【直槽口】按钮
，绘制圆弧直径为23、两圆心点距离为50的直槽口，如图1-47所示。
图1-47 绘制一个直槽口
step 38 单击【草图】工具栏中的【等距实体】按钮
，设置等距距离为3，启用【反向】和【选择链】复选框，选择直槽口，完成等距实体的绘制，如图1-48所示。
图1-48 绘制等距实体
step 39 单击【草图】工具栏中的【直线】按钮，绘制一条长为23的直线，如图1-49所示。
图1-49 绘制长为23的直线
step 40 单击【草图】工具栏中的【剪裁实体】按钮，对草图进行剪裁，如图1-50所示。
图1-50 剪裁草图
step 41 单击【特征】工具栏中的【拉伸凸台/基体】按钮，弹出【凸台-拉伸】属性管理器，设置拉伸深度为98，拉伸草图为实体，如图1-51所示。
图1-51 拉伸草图为实体
step 42 单击【特征】工具栏中的【镜向】按钮
，弹出【镜向】属性管理器，设置【镜向面/基准面】为【右视基准面】，选择要镜向的实体，完成创建凹槽特征的操作，如图1-52所示。
图1-52 镜向实体
step 43 继续创建孔等特征，选择如图1-53所示选中的平面作为草图绘制平面。
图1-53 选择草图绘制平面
step 44 单击【草图】工具栏中的【边角矩形】按钮，绘制长为74，宽为30的矩形，如图1-54所示。
图1-54 绘制74×30的矩形
step 45 单击【特征】工具栏中的【拉伸切除】按钮，弹出【切除-拉伸】属性管理器，设置拉伸深度为23，拉伸矩形切除实体，如图1-55所示。
图1-55 拉伸矩形切除实体
step 46 选择如图1-56所示选中的平面作为草图绘制平面。
图1-56 选择草图绘制平面
step 47 单击【草图】工具栏中的【边角矩形】按钮，绘制长为3、宽为70的矩形，如图1-57所示。
图1-57 绘制3×70的矩形
step 48 单击【特征】工具栏中的【拉伸切除】按钮，弹出【切除-拉伸】属性管理器，设置拉伸深度为10，拉伸矩形切除实体，如图1-58所示。
图1-58 拉伸矩形切除实体
step 49 选择如图1-59所示选中的平面作为草图绘制平面。
图1-59 选择草图绘制平面
step 50 单击【草图】工具栏中的【边角矩形】按钮，绘制长为3、宽为70的矩形，如图1-60所示。
图1-60 绘制3×70的矩形
step 51 单击【特征】工具栏中的【拉伸切除】按钮，弹出【切除-拉伸】属性管理器，设置拉伸深度为10，拉伸矩形切除实体，如图1-61所示。
图1-61 拉伸矩形切除实体
step 52 选择如图1-62所示选中的平面作为草图绘制平面。
图1-62 选择草图绘制平面
step 53 单击【草图】工具栏中的【边角矩形】按钮，绘制长为60、宽为12的矩形，如图1-63所示。
图1-63 绘制60×12的矩形
step 54 单击【特征】工具栏中的【拉伸凸台/基体】按钮，弹出【凸台-拉伸】属性管理器，设置拉伸深度为2，拉伸矩形为实体，如图1-64所示。
图1-64 拉伸矩形为实体
step 55 选择如图1-65所示选中的平面作为草图绘制平面。
图1-65 选择草图绘制平面
step 56 单击【草图】工具栏中的【边角矩形】按钮，绘制长为20、宽为6的矩形，如图1-66所示。
图1-66 绘制20×6的矩形
step 57 单击【特征】工具栏中的【拉伸凸台/基体】按钮，弹出【凸台-拉伸】属性管理器，设置拉伸深度为2，拉伸矩形成实体，如图1-67所示。
图1-67 拉伸矩形成实体
step 58 单击【特征】工具栏中的【镜向】按钮，弹出【镜向】属性管理器，设置【镜向面/基准面】为【右视基准面】，选择要镜向的实体，完成镜向，如图1-68所示。
图1-68 镜向实体
step 59 选择如图1-69所示选中的平面作为草图绘制平面。
图1-69 选择草图绘制平面
step 60 单击【草图】工具栏中的【直槽口】按钮
，绘制圆弧直径为6、两圆心点距离为8的直槽口，如图1-70所示。
图1-70 绘制一个直槽口
step 61 单击【草图】工具栏中的【直线】按钮，绘制一条长为6的直线，如图1-71所示。
图1-71 绘制长为6的直线
step 62 单击【草图】工具栏中的【剪裁实体】按钮，对草图进行剪裁，如图1-72所示。
图1-72 剪裁草图
step 63 单击【草图】工具栏中的【中心线】按钮
，绘制一条中心线，如图1-73所示。
图1-73 绘制一条中心线
step 64 单击【草图】工具栏中的【镜向实体】按钮
，选择要镜向的实体与镜向点中心线，完成镜向，如图1-74所示。
图1-74 镜向实体
step 65 单击【特征】工具栏中的【拉伸凸台/基体】按钮，弹出【凸台-拉伸】属性管理器，设置【方向1】选项组中的拉伸深度为4、【方向2】选项组中的拉伸深度为2，拉伸草图成实体，如图1-75所示。
图1-75 拉伸草图成实体
step 66 选择如图1-76所示选中的平面作为草图绘制平面。
图1-76 选择草图绘制平面
step 67 单击【草图】工具栏中的【圆】按钮，绘制两个直径为4的圆，如图1-77所示。
图1-77 绘制两个直径为4的圆
step 68 单击【特征】工具栏中的【拉伸切除】按钮
，弹出【切除-拉伸】属性管理器，设置拉伸深度为6，拉伸圆切除实体，如图1-78所示。
图1-78 拉伸圆切除实体
step 69 选择如图1-79所示选中的平面作为草图绘制平面。
图1-79 选择草图绘制平面
step 70 单击【草图】工具栏中的【边角矩形】按钮，绘制一个边长为10的正方形，如图1-80所示。
图1-80 绘制边长为10的正方形
step 71 单击【特征】工具栏中的【拉伸凸台/基体】按钮，弹出【凸台-拉伸】属性管理器，设置拉伸深度为2，拉伸正方形成实体，如图1-81所示。
图1-81 拉伸正方形成实体
step 72 选择如图1-82所示选中的平面作为草图绘制平面。
图1-82 选择草图绘制平面
step 73 单击【草图】工具栏中的【圆】按钮，绘制一个直径为8的圆，如图1-83所示。
图1-83 绘制直径为8的圆
step 74 单击【特征】工具栏中的【拉伸凸台/基体】按钮，弹出【凸台-拉伸】属性管理器，设置拉伸深度为4，拉伸圆为实体，如图1-84所示。
图1-84 拉伸圆为实体
step 75 选择如图1-85所示选中的平面作为草图绘制平面。
图1-85 选择草图绘制平面
step 76 单击【草图】工具栏中的【圆】按钮，绘制一个直径为4的同心圆，如图1-86所示。
图1-86 绘制直径为4的同心圆
step 77 单击【特征】工具栏中的【拉伸切除】按钮，弹出【切除-拉伸】属性管理器，设置拉伸深度为6，拉伸圆切除实体，如图1-87所示。
图1-87 拉伸圆切除实体
step 78 单击【特征】工具栏中的【镜向】按钮，弹出【镜向】属性管理器，设置【镜向面/基准面】为【右视基准面】，选择要镜向的特征，完成镜向，如图1-88所示。
图1-88 镜向实体特征
step 79 选择如图1-89所示选中的平面作为草图绘制平面。
图1-89 选择草图绘制平面
step 80 单击【草图】工具栏中的【直槽口】按钮
，绘制圆弧直径为6、两圆心点距离为8的直槽口，如图1-90所示。
图1-90 绘制一个直槽口
step 81 单击【草图】工具栏中的【直线】按钮，绘制一条长为6的直线，如图1-91所示。
图1-91 绘制长为6的直线
step 82 单击【草图】工具栏中的【剪裁实体】按钮，对草图进行剪裁，如图1-92所示。
图1-92 剪裁草图
step 83 单击【特征】工具栏中的【拉伸凸台/基体】按钮，弹出【凸台-拉伸】属性管理器，设置【方向1】选项组中的拉伸深度为4、【方向2】选项组中的拉伸深度为2，拉伸草图为实体，如图1-93所示。
图1-93 拉伸草图为实体
step 84 选择如图1-94所示选中的平面作为草图绘制平面。
图1-94 选择草图绘制平面
step 85 单击【草图】工具栏中的【圆】按钮，绘制一个直径为4的圆，如图1-95所示。
图1-95 绘制直径为4的圆
step 86 单击【特征】工具栏中的【拉伸切除】按钮，弹出【切除-拉伸】属性管理器，设置拉伸深度为6，拉伸圆切除实体，如图1-96所示。
图1-96 拉伸圆切除实体
step 87 单击【特征】工具栏中的【镜向】按钮，弹出【镜向】属性管理器，设置【镜向面/基准面】为【右视基准面】，选择要镜向的特征，完成创建孔等特征的操作，如图1-97所示。
图1-97 镜向实体特征
step 88 完成创建塑料电池盒模型，如图1-98所示。
图1-98 完成的塑料电池盒外壳
step 89 保存文件。选择【文件】│【另存为】菜单命令，弹出【另存为】对话框，设置【文件名】为“01”，如图1-99所示，单击【保存】按钮。
图1-99 保存文件
step 90 继续进行模具数据准备。单击IMOLD工具栏中的【数据准备】按钮
，选择【数据准备】命令，弹出【需衍生的零件名】对话框，选择文件“01”，并单击【打开】按钮，如图1-100所示。
图1-100 数据准备
step 91 在弹出的【衍生】属性管理器中，选择零件原点，生成衍生零件，完成模具数据准备，如图1-101所示。
图1-101 衍生零件
step 92 最后创建新项目。单击IMOLD工具栏中的【项目管理】按钮
，选择【新项目】命令，弹出【项目管理】对话框，在【项目名】文本框中输入“case-1”，如图1-102所示。
图1-102 输入项目名
step 93 在【项目管理】对话框中，单击【调入产品】按钮，弹出【选择产品】对话框，选择“01衍生件”，并单击【打开】按钮，如图1-103所示。
图1-103 调入产品
step 94 在【项目管理】对话框的【代号】文本框中输入“1-”，并单击【同意】按钮，如图1-104所示，完成建立新项目的操作。
图1-104 建立新项目
step 95 完成建立新项目后的电池盒，如图1-105所示。
图1-105 完成建立新项目后的电池盒
机械设计实践：塑料注射（塑）模具主要是热塑性塑料件产品生产中应用最为普遍的一种成型模具。塑料注射模具对应的加工设备是塑料注射成型机，塑料首先在注射机底加热料筒内受热熔融，然后在注射机的螺杆或柱塞推动下，经注射机喷嘴和模具的浇注系统进入模具型腔，塑料冷却硬化成型，脱模得到制品。如图1-106所示是塑料模具的拆分状态。
图1-106 塑料模具的拆分状态