高职模具专业学生塑料模CAD辅助设计能力的培养

林章辉，周春华

(长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124)

随着塑料工业的兴起，塑料产品已经成为人类生产和生活中不可缺少的重要组成部分。当前全球范围的以塑料代替金属的趋势又进一步加速了塑料产品制造业的发展速度。塑料模具是塑料产品模塑成型中重要的生产工艺装备，在国民经济中起着越来越重要的作用。［1］很多高职院校模具专业也把《塑料模设计》作为专业主干课程，并通过改革课程体系、教学内容和教学方法，取得了很大成效。但是，很多毕业生走上塑料模设计工作岗位之后，却不能马上独立工作，还必须通过用人单位花大量精力与时间进行技术培训，更有的学生还得参加社会上的模具培训班的专门学习，才能完成一副塑料模具的设计。分析其原因:传统的设计与制造方式已满足不了生产发展的需要，计算机辅助设计与制造技术的发展正适应了这种客观实际的要求，而大部分毕业学生在这方面的能力都很欠缺。职业教育的目的是以人为本、以职业技能为核心，促进学生全面发展。所以高职院模具专业应把塑料模CAD辅助设计能力作为学生的重要能力目标之一，重视其培养和训练，使学生毕业后能够“零距离”上岗。

1 塑料模CAD辅助设计的优势

传统模具设计是运用较低级的设计软件乃至传统手工制图工具进行设计的，技术含量相当低，设计是在二维环境下进行，其设计路线呈现典型的串行路线，设计流程中各步骤的相互制约性非常大，因而设计周期长、设计质量不高，模具加工周期亦长。塑料模CAD辅助设计是以计算机为手段进行模具设计，相对于传统设计方法，主要有以下优点:

1)CAD是设计人员和计算机的有机结合、发挥各自特长的新型设计方法。设计人员充分发挥其创造思维能力，评判设计结果，控制设计过程，使模具设计趋于合理化。而计算机则发挥其计算分析和储存信息的能力。两者结合，发挥各自的优势，有利于获得最优的设计成果，提高设计质量，减少试模修模时间，较大幅度地降低成本。

2)设计计算和图样绘制的自动化大大缩短了设计时间，并且可以使设计者从繁冗的计算和绘图工作中解放出来，大大节省了劳动力，使其可以从事更多的创造性劳动。

3)与CAM技术集成化发展，可显著提高制造效率和质量。塑料模具的计算机辅助制造(CAM)技术主要应用于复杂模具的型腔、型芯及电极的铣削加工、线切割加工、电火花加工等方面。在高级CAD/CAM一体化系统中，CAD利用了参数化特征造型设计和同一数据库技术获得三维产品模型数据，使得产品模型数据、模具的型腔和型芯模型数据、刀具轨迹数据有着内在的联系，产品模型的修改刀具轨迹亦自动修改。因此，CAD/CAM集成化不仅可以加工传统方法难以加工的复杂模具型面，也使技术人员从繁冗NC编程工作中得到解脱，亦可减少模具的加工和调试工时，显著缩短从设计到制造的周期，使模具制造成本降低。

4)与CAE技术集成化发展。CAD/CAE集成技术使得模具在进行真的生产(包括样品生产)之前就已经通过了计算机应用软件进行了精确的结构设计、结构分析以及成形仿真过程，能够预测未来产品可能出现的缺陷，对存在的问题在设计阶段予以解决，对设计方案做出判断，直至提出最优的设计参数，保证了成型后制品的准确性，使一次试模成为可能，从而可以加快产品的开发进程，也降低了试模成本。

5)便于在企业中建立联系各个部门的信息处理系统。

2 高职塑料模CAD辅助设计培养存在的主要缺陷

塑料模CAD辅助设计是以计算机为手段进行模具设计，具体包括:零件几何造型设计、型腔型芯形状生成、型腔布置、模架设计、注射模具冷却系统等设计、装配图生成、计算校核、模具零件图生成。为了做好塑料模CAD辅助设计，应开设的理论课程有《机械制图》、《模具材料与热处理》、《塑料成型工艺及模具设计》《机械制造技术》、《模具制造工艺》等;而应用软件方面，目前我国模具行业应用的模具CAD软件可以分为两大类:一是机械行业内通用的的CAD，如:AutoCAD、CAXA、Unigraphics(UG)、SolidEdge、SolidWorks 、Pro/Engineer、CATIA等;二是专门针对模具行业开发的模具CAD/CAM系统，如:上海交大模具CAD国家工程中心开发的冷冲模CAD系统等。除“联合办学”对所用软件有特殊要求之外，高职的职业技能培养应以通用软件为主。在培养的过程中主要存在以下缺陷:

1)全部使用二维软件，如:AutoCAD、CAXA。［2］这样仅仅是将传统的手工绘图改为计算机绘图，但是对于复杂型面的产品，产品与模具都难以表达清楚，用CNC加工模具时，也不能自动编程生成刀具轨迹。

2)全部使用三维软件，如:Pro/Engineer、Unigraphics(UG)等。［3－4］模具在装配以及加工的过程中，都需要二维工程图纸来表达配合关系、加工精度等技术要求。三维软件都必须先有三维模型，然后通过三维图形转换为二维图形，而对于一副模具来讲有几十甚至几百个零件，这必须耗费大量时间和精力。对于形状不太复杂的零件，不需要三维模型CNC就可以加工，并且内地很多制造厂家，CNC设备加工能力有限而只能采用传统切削加工的方法，而AutoCAD、CAXA等软件都有强大的二维图形绘制功能。另外，在这些三维软件中，采用的模架、标准件大多是国外厂家，如:FUTABA、DME、HASCO、MISUMI、DAIDO，一则不符合学校教学应推行国家标准的要求，二则难以采购、成本偏高。

3)理论课程与软件课程难以结合。模具设计是一项综合性较强的技术，必须要求模具结构设计、零件制造加工工艺、模具材料及热处理以及软件应用各方面相结合，一方面有欠缺，设计的模具不可能很完善。这些对于高职的师资水平是一个严重的挑战，有的教师只会软件而不懂模具结构设计，那么其设计的模具结构就不一定合理;有的知道模具结构设计而不了解加工工艺，那么其设计出的零件可能制造难度大、制造成本高;有的懂结构设计与加工而不明白软件应用，那么设计方法还会停留于传统的图板加铅笔的方式。

3 提高学生塑料模CAD辅助设计能力的措施

3.1 改革传统设计理念，运用符合生产实际的设计方法

高职培养的应是高素质的技能型人才，要求学生“学了能用、学了会用、学了就用，学以致用”。能力的培养特别不能与生产岗位脱节。笔者通过多年的企业实践经验和大量的调研，探索了塑料模CAD辅助设计的方法。其流程图如下:

图1 CAD辅助设计流程图

1)建模:利用3D软件对制品建模，并转换为2D图。分析原材料性能、制品工艺性能、生产效率等，做到能初步拟定模具结构。

2)排位:利用2D软件，绘制模架，并且调入制品2D图，按生产率等要求完成模具型腔的布排。为提高设计效率，2D软件有许多二次开发的外挂软件，如:燕秀工具箱、LTOOLS等。在外挂中，设计模具所需模架、导柱、导套等标准件都有标准件库，因此可以根据设计要求直接调用，可大大提高绘图速度。并且其中标准件多为我国模具厂(如:龙记、明利、环胜等)制造加工。如图2即为LTOOLS的标准件库图。

图2 LTOOLS的标准件库图

3)分模:利用3D软件，调入制品3D图，设计模具成型零部件3D图，如凹模、凸模等。

4)成型零件CNC加工:将成型零部件3D模型转换出2D工程图，将其3D、2D图一并交与CNC加工。［5］如果需要电火花加工的，还需出电极图3D、2D图，也一并交与CNC加工。

5)绘制装配图、零件图:将分模后的成型零件2D图调入2D排位图，完成装配图的设计与绘制，如浇注系统、顶出机构、冷却加热装置、侧抽芯所需的斜导柱、滑块等。并且设计、绘制非标零件的2D图。完成后，交与加工制造工序。

6)修改:将加工、装配好的模具试模，检查试模后制品，如有需修改的地方，则修改前面的设计。

7)存档:将正常生产后的所有设计资料归档并刻成光盘保管。

当然，在设计模具的浇注系统和冷却系统的过程中，可以先根据经验初步确定设计方案，然后利用CAE软件(如MOLDFLOW)进行模流分析，确定设计最佳方案。从而优化模具结构，提高一次试模成功率。

3.2 改革课程设置与课程内容

由于形成塑料模具CAD辅助设计能力相关的知识面很宽，但它又侧重于综合运用的特点，可将《模具材料与热处理》、《塑料成型工艺及模具设计》《机械制造技术》、《模具制造工艺》整合，以形成设计塑料模具必须具备的理论设计知识，将《机械制图》、2D软件、3D软件整合，以形成设计塑料模具必须具备的图形绘制能力。当然，课程的整合与优化应以“实用、够用”为原则，如2D软件外挂的知识、模具行业绘图区别于通用机械的特殊画法等应加以补充。

3.3 加强实践环节

实践环节可以通过“课程设计”和“毕业设计”的方式来实现。通过给出学生制品，要求其设计出生产该制品的模具，但不能采取传统设计的方式，而应参照符合实际生产的设计方法和步骤来进行。

4 结束语

传统的模具设计与制造方法已不能适应工业产品迅速更新换代和提高质量的要求，CAD辅助设计是现代塑料模具设计员必须具备的技能，高职模具专业应把该能力培养贯穿于教学过程的始终，把知识的传授与技能的培养紧密结合起来，使学生毕业后能真正成为模具设计岗位的高技能人才。

［1］翁其金.塑料模塑成型技术［M］.北京:机械工业出版社，2000.

［2］管文华.Auto CAD2008中文版案例教程［M］.长沙:中南大学出版社，2009.

［3］吴斌.Pro/Engineer模具设计技术与实践［M］.北京:电子工业出版社，2007.

［4］彭响方，陈明，常春藤.UG NX4.0模具设计精选实例详解教程［M］.北京:人民邮电出版社，2007.

［5］于春生.数控机床编程及应用［M］.北京:.高等教育出版社，2004.