基于多標準體系的注射模模塊化設計方法研究

張 森， 黃鐵平， 高國利

（深圳市銀寶山新科技股份有限公司， 廣東 深圳 518108）

0 引 言

模具行業作為制造業的基石，已成為衡量一個國家工業制造水平的標志之一，隨著高科技、新材料的不斷出現，其應用會越來越廣泛。近年來受疫情的影響，模具市場有所萎縮，價格戰、惡性競爭使模具制造利潤越來越低，大部分模具制造企業步履艱難。為此在保證模具質量的前提下，如何用更低的成本和更高的效率制造模具，是模具制造企業不斷追求的目標，模具制造也正逐步向高端化轉型。

模具設計作為整個模具制造過程的向導，從模坯模料配件的訂購，再到制造車間各個工序的生產環節的依據，全部源于模具設計圖。模具設計是專業性較強的工作，需要大量的工作經驗積累，不僅包括模具設計經驗，還包括對模具所要生成的產品經驗和對模具生產設備的了解，較大程度上模具設計能力決定了1副模具的設計周期和設計質量，并影響最終的模具制造成本和使用壽命。在模具市場向高端化轉型過程中，技術人才緊缺、培養周期長在較大程度上約束了模具行業的發展步伐，加上其它行業的興起以及臨時工就業的靈活性，年輕人不愿意加入模具行業，技術工種崗位缺乏后繼力量，一般只能通過內部培養和外部招聘填補人才空缺，如何快速提升模具設計師的設計能力已成為模具企業當下急需解決的難題。

1 注射模結構和工藝特點

注射模是用注射成型工藝生產塑料制品的金屬模型工具，也是賦予塑料制品完整結構和精確尺寸的工具。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。注射模的結構雖然因塑料品種和性能、塑料制品的形狀和結構以及注塑機的類型等不同而千變萬化，但是基本結構一致。1副完整的注射模按結構零部件、組件功能區分，主要由模坯系統、澆注系統、推出系統、脫模系統、冷卻系統、液壓系統、電氣系統、排氣系統、起吊系統和其它系統等組成。各系統之間相輔相成，只有當各系統達到最佳組合，才能保證模具的正常使用和成型制品的精度。

模坯系統是指模具中起固定、支承、安裝、導向等作用的模架及其輔助零件；澆注系統是指包含塑料熔體從噴嘴進入型腔前的流道部分（包括主流道、冷料穴、分流道和澆口）及其相關的零部件、標準件等；推出系統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的所有零部件或組件；脫模系統是指使制品倒扣處在模具開合或推出動作時保證順利脫模的機構；冷卻系統是指模具中控制模具溫度的系統，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；液壓系統是指模具中所有與控制模具動作用的油路相關的系統，如液壓抽芯的油路組件等；電氣系統是指所有與控制模具動作用的電氣裝置或組件的系統，如行程安全開關系統等；排氣系統是指注射成型時，使模具中的廢氣順利排出的通道或部件、裝置等；起吊系統是指對模具起起吊作用的組件或零部件，如吊模塊組件等；其它系統是指耐磨塊、支承板、扶手等不在前述系統內的其它裝置或零部件。

2 模具設計數據庫

由于模具結構復雜、標準零部件占零件總數較少、模具制造與制品生產過程要求多，為了降低設計工作對設計師個人能力與經驗的限制，實現模具快速設計的前提就是將模具設計資料數據化，以數據庫的形式儲存在計算機中。

模具設計數據庫包括3個部分：標準零部件庫、零部件參數庫和文檔附件庫。3個數據庫采用關系數據庫模型，用外鍵方式相關聯以作為實現快速設計和經驗參考的基礎。

2.1 標準零部件庫

基于上述常見模具的結構和工藝特點，按功能目的將模具系統劃分模坯、澆注、推出、脫模、冷卻、液壓、電氣、排氣、起吊和其它等子系統，再將子系統按結構和零件類型分為若干模塊，以此為基礎建立多標準體系零部件庫，標準零部件庫子模塊內容如圖1所示。

圖 1 標準零部件庫子模塊內容

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立的結構及工藝特點，按照注射模模塊化開發原理，可以根據各類型模具結構、工藝特點及相應生產設計標準要求、設計制造的經驗數據開發相應的模塊即可。

2.2 零部件參數庫

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據，表1中數據將會以通配符替換的形式與零部件的具體參數值相結合，再被軟件寫入3D模型中。

表1 零部件屬性

零部件的尺寸參數如表2所示，用于向3D模型中的表達式賦值，每一個標準件都對應一個單獨的尺寸參數表，表的字段是表達式名稱。

表2的內容為表達式值可選范圍，軟件中呈現的是可選的下拉列表或受限制的輸入框，設計師根 據需要的尺寸參數表調整參數。

表2 零部件尺寸參數 mm

由于模具的零部件復雜裝配層級較多，為了實現標準件最大程度的復用，還設計了關聯參數表，用來定義同一個部件內，不同層級和裝配關系的子零件之間的尺寸參數關系。每個零部件都有關聯參數表，主鍵為關聯零部件的ID，其余字段是受影響的表達式。

2.3 文檔附件庫

文檔附件庫采用文件系統的形式儲存零部件相關的說明文檔、示例圖片等，在零部件參數庫中定義文檔路徑表，用來關聯零部件與對應的文件，其主鍵是零部件ID，第2個字段是文檔路徑。

3 模塊化快速設計軟件

在模具設計數據庫基礎上構建3D/2D設計功能軟件，并建立信息系統輸出接口。整個快速設計軟件架構如同積木，可以通過排列組合選擇不同的客戶數據庫與設計功能軟件，面向不同的需求針對性的搭建定制化的模具快速設計軟件。

模塊化快速設計軟件以零部件數據庫為基礎，在三維設計軟件的3D建模環境和2D制圖環境下使用，如圖2所示。設計師確定所要采用的標準體系后，在設計零部件時運行快速設計軟件查看標準說明和客戶要求，在標準體系的約束下選擇零部件型號和關鍵指標，由快速設計軟件自動完成零部件建模和數據注入，軟件主界面如圖3所示。

圖2 模塊化設計

圖3 模塊化設計軟件主界面

圖3所示左上側為子系統目錄，即該系統下所有模塊和零部件的目錄樹，點擊目錄樹可切換不同的零部件；右上側是參數選擇區域，根據零部件參數庫構建，包括參數名稱、參數選擇范圍、參數說明3列；下方是零部件說明圖，由文檔附件庫加載，提供設計相關的圖片說明，同時在3D建模環境中根據設計師的選擇結果呈現預覽線框圖。

標準零部件庫中3D模型的零件特征與表達式數據和零部件參數庫中的相關約束數據為2D制圖提供了可靠的數據來源，快速設計軟件中的2D模塊可以識別85%以上的圖紙特征并進行標注。由于客戶需求和設計信息已經在3D設計階段獲得，2D制圖時只需進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 自動生成零件2D圖

同樣的原理，模具生產制造和企業管理中至關重要的物料清單的數據來源也在3D設計階段就導入模具的3D模型中，用戶可以根據需要直接導出物料清單，如圖5所示。

圖5 模具物料清單自動生成功能界面

4 結束語

根據基于多標準體系的模具模塊化設計方法開發了模具快速設計軟件，并確定了模具設計數據庫的組織結構與數據規則，軟件有效地將企業的設計經驗、工作規范和客戶標準固化到設計數據庫中并加以應用。

軟件在企業應用后縮短了員工培養周期，員工在2D工程師崗位的時間要求從1年縮短到0.5年，在助理設計師崗位時間要求從1.5年縮短到1年以下。同時由于軟件的應用省略了客戶標準學習和錄入信息系統2道設計工序，同類型模具整體設計效率提升30%以上，設計異常減少70%以上。

基于多標準體系的注射模模塊化設計方法不僅在注射模設計中取得了明顯效果，而且面向其它類型模具時，可以按模具結構特點及相應生產企業設計標準要求，適當調整標準零部件庫的模具結構劃分，并完善相應數據庫即可實現其它類型模具的模塊化快速設計。