1、 毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 小电机外壳造型和注射模具设计及 CAE 分析 一、电机的现状及其发展 电机是大多数机械的动力源泉，在各种机构传动中起着举足轻重的作用。电机行业又是机械工业的重要组成部分，在国民经济中有着重要的意义。随着产业分工精细化、机械加工精密化及生产效率化，电机逐渐将向低噪、节能、变频调速、智能、专用性方向发展。（ l）低噪声体现环保理念 低噪声电机的出现是为了减小对环境噪音污染。上世纪 80 年代我国开始把电机空载噪音列入测量项目，（ 2） 高效节能势在必行电机效率每提高 2，一年就可以 节电近 300 亿千瓦时。为了提高电机效率，实现节能的目的，自从有了逆变
2、器之后，电源的变频变压变得更加容易，从而可以调节异步电机在最佳工作点上运行，保证在出力不变的情况下，可用最大效率和高功率因数代替额定效率和额定功率因数，既减小了电机尺寸又减轻了重量，还降低了成本。 (3) 变频调速提高性能由于变频调速电机显著的节能性能，自从国家发改委提出将电机系统节能作为十大节能工程之一，变频调速电机就引起了业界的普遍重视。（ 4）进入智能化阶段随着科学技术的发展，高新技术对电机产品注入了新的活力，计算机辅助设计的运用、国家政 策的鼓励、各企业对科技的重视使新产品开发的周期逐渐缩短，机电一体化、智能化电机应运而生。电机可根据所需要输出的功率调节旋转速度，从而达到“智能”控制而
3、节约能源消耗。一个简单的例子是，由于使用“智能电机，技术，机场扶梯在无人乘用时低速运行，而有人乘用时则自动提速正常运转。（ 5）专用性电机将受青睐目标还有较大差距。适用于具体行业的电机产品的优势是明显的，实用性强、使用方便、可靠性高、寿命长、噪声低、重量轻、外形美观，而且各行各业也希望根据行业特点制造适合行业使用的个性化的电机。电机正向专用性、特殊性、个性化方 向发展。 世界电动机制造业的发展已经历了多年我国电动机 生产起始于年至今已有年的历史。我国中小型电机 已经形成了一套比较完整的产业体系产品有多个系列、 个品种，产品的品种、规格、性能和产量都已基本满足 我国国民经济发展的需要。 4中小型
4、电机生产在我国电动机制造 业中占据主要地位，我国中小型电机产量约占电动机总产量的 。在中小型交流电机的生产中小型交流电机约占。 可见，小型电机在我国电动机产业中占据重要地位。 目前，中国中小型电机生产企业在家左右，行 业骨 干企业有多家，从业人数在万人以上。世纪年 代我国中小型交流电动机的产量一直在万左右。近 年来随着国民经济快速发展，我国中小型交流电机的产 量也在快速增加。年我国中小型交流电机产量约为 万，年中小型交流电机产量约为万。进入 世纪，我国中小型交流电机产量飞速增长年产量约 为万年产量达到万。到年 我国中小型交流电机产量突破亿，达到亿 年产量继续保 持稳定的增长达到亿。 综合分析我
5、国中小型电机下游行业发展的趋势和出 口 形势，可以看出：各个下游行业对中小型电机的需求仍将保持稳 定增长，但与前几年旺盛的需求相比，增速有所回落，加之电 机行业近些年的超高速增长使得中小型电机市场已经接近饱 和，供需基本平衡；海外市场是我国中小型电机行业今后需要 重点开拓的市场，尤其是欧盟市场的开发对我国中小型电机企 业今后的发展有着重要意义，海外市场今后将成为我国中小型 电机行业一个重要的增长点。因此，我们认为今后我国中小型 电机行业仍将保持增长态势但是增速将有 所放缓预计今后 几年我国中小型电机的产量至少将以每年万左右的增幅增长。 二、注射模具的现状及其发展 我国的模具工业的发展，日益受到
6、人们的重视和关注，在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通信等产品中， 60% 80% 的零部件都要依靠模具成形（型）。用模具生产制件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和代消耗，是其它加工制造方法所不能比拟的。近几年，我国模具工业一直以每年 15%左右的增长速度发展。随着计算机软件的发展和进步，CAD/CAE/CAM 技术也日臻成熟，其现代模具中的应 用将越来越广泛。可以预料不久的将来，模具制造业将从机械制造业中分离出来，而独立成为国民经济中不可缺少的支柱产业，与此同时，也进一步促进了模具制造技术向集成化、智能化、益人化、高效化方向发展。 现代模具的设计：将客户提供的图纸或计
7、算机文件资料输入电脑，使用 CAD/CAE 进行设计并做模拟实验，得出所需要的计算机文件，在此设计过程中，系统可进行图纸编辑。设计完成的模具零部件可使用电脑系统的实体成型功能将其显示出来，以便观察设计的正确性及可能需要进行优化处理 ,之后还可以借助系统功能进行强度、模温、塑料流动状态等模拟 测试。如果发现设计有误可重新修改设计。模具 CAD/CAE/CAM 技术是改造传统模具生产方式的关键技术，能显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本，提高产品质量。它使技术人员能借助于计算机对产品、模具结构、成形（型）工艺、数控加工及成本等进行设计和优化。目前，世界上大型的 CAD/CAE/CAM软件系统有
8、英国 Delcam 公司的系列化软件；以色列 Cimatron 公司的 Cimatron 系统；澳大利亚Modflow 公司的软件 MPA、 MPX、 MPI；美国 PTC 公司 CAD/CAE/CAM 集成软件系统 Pro/E；美国 EDS 公司的 UG；美国 Solidworks 公司的 Solidworks 软件； C-mold 公司的注塑模 CAE 软件 C-mold；近年来，我国自主开发的有上海交大的冲裁模 CAD/CAM 系统；北京北航海尔软件有限公司的 CAXA 系列软件；吉林金网格模具工程研究中心的冲压 CAD/CAE/CAM 系统；华中科技大学研制的软件HSC3D4.5F；郑
9、州工业大学 Z-mold 软件等。随着计算机软件的发展和进步， CAD/CAE/CAM 技术也日臻成熟，其现代模具中的应用将越来越广泛。可以预料不久的将来，模具制造业将从机械制造业中分 离出来，而独立成为国民经济中不可缺少的支柱产业，与此同时，也进一步促进了模具制造技术向集成化、智能化、益人化、高效化方向发展。 现代模具的制造： 1.CAD/CAE/CAM 计算机辅助设计、模拟、制造一体化 CAD/CAE/CAM 一体化集成技术是现代模具制造中最先进最合理的生产方式。使用计算机辅助设计、辅助工程与制造系统，按设计好的模具零件分别编制该零件的数控加工程序是从设计到制造的一个必然过程，该过程都是从
10、 CAD/CAE/CAM 系统内进行的，其加工程序直接由联机电缆输入加工机台，在编制程序时可利用系统中的 加工模拟功能，将零件刀具、刀柄、夹具，平台及刀具移动速度、路径等显示出来，以检查程序编制的正确性。总之在 CAD/CAE/CAM 系统内编制和模拟加工程序可以充分了解发现的问题，从而在加工之前，将整套加工程序作好完善修改工作，这对于高效、准确的加工模具零件有着相当重要的意义。 2.先进设备在现代模具制造中的作用现代模具制造的必然趋势 ,就是机械加工尽可能地取代人工加工，尤其现在数控车床、多轴联动机床、数控模具雕刻机、电火花加工机床、数控精密磨床、三坐标测量机、扫描仪等现代设备在工厂中的广泛
11、使用，而且这些设备大部分 所用的程序基本上都是应用 CAD/CAE/CAM 系统产生的，操作人员工作按照规定的程序装夹工件 ,配备刀具和操作，机台就能自动地完成加工任务 ,并将理想的模具零件制造出来或为下一加工工序完成规定的部分。 3.模具材料及表面处理技术因选材和用材不当，致使模具过早失效，大约占失效模具的 45% 以上。在整个模具价格构成中，材料所占比重不大 ,一般在 20% 30%,因此，选用优质钢材和应用表面处理技术来提高模具的寿命就显得十分必要。对于模具钢来说 ,要采用电渣重熔工艺，如采用粉末冶金工艺制造的粉末高速钢等。模具钢品种规格多样 化、产品精细化、制品化，尽量缩短供货时间亦是
12、重要发展趋势。模具热处理的主要趋势是：由渗入单一元素向多元素共渗、复合渗（如 TD 法）发展；由一般扩散向 CVD、 PVD、 PCVD、离子渗入、离子注入等方向发展；另外，目前对激光强化、辉光离子氮化技术及电镀（刷镀）防腐强化等技术也日益受到重视。 注射成形关键问题之一是有关成形的各项设计，其中包括产品设计、模具设计。尽管目前生产的产品可从 0.003g 到 17g，而且在改进精度方面已取得了重要进步，然而大多数设计特别是模具设计是凭经验，缺少可靠的设计知识， CAD 系统难以很好 地应用于 MIM。现已运用塑料模具的原理逐步将 MIM 的模具标准化，随着经验的积累，模具设计和制作的时间将会
13、大大减少，尽可能多地使用多模腔模具以提高注射效率。 MIM 目前无需使用特殊的注射机，只将普通的注射机稍加以改进即可。对于许多产品的注射成形现已实现自动化，但是目前超小型零件的注射成形仍然存在问题。注射成形的目的是获得所需形状的无缺陷成形坯，注射缺陷在后续工艺中不可消除，因此这个步骤要严格控制。注射产生缺陷的原因已查明，采用超声检测技术可检测出注射成形坯的内部缺陷。注射阶段的缺陷控制目前主要还是凭经验操作。随 着科学技术的进步，采用计算机模拟喂料的注射充模过程，并将其和喂料性能等相联系，优化注射条件参数，消除注射缺陷是目前先进的实验手段，也是未来的发展趋势。 三、 Pro Engineer 及
14、 CAE 的作用及现状 Pro Engineer 以其强大的单一数据库体系结构、基于特征的实体建模、独特的相关性，以及比较完善的功能等特点而著称。它改变了设计工程师的工作方法，提高了企业的工作效率，使企业能够把精力集中在产品的创新和竞争上，因此受到很多用户的欢迎。经过多年的不断改进， Pro Engineer 已成为三维设计领域优秀的 CAD CAE CAM 软件之一。在模具设计与制造领域， Pro Engineer 较早地在广东及沿海地区得到广泛的应用。它的应用，大大缩短了模具设计与制造周期，提高了模具质量，降低了生产成本，为企业带来了更大的经济效益。 Pro/E 第一个提出了 参数化设计
15、的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。 Pro/E 的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。 Pro/E 采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。 1参数化设计 相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。 2基于 特征建模 P
16、ro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 3单一数据库（全相关） Pro/Engineer 是建立在统一基层上的数据库上，不 像 一些传统的 CAD/CAM 系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件 产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变， NC（数控）工具路径也会
17、自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的 数据结构 与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜 。 CAE（ Computer Aided Engineering）是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。其基本思想是将一个形状复杂的连续体的求解 , 即将一个连续体区域分解为有限的形式简单的子区域 ; 通过将连续体简化为由有限个单元组合的等效组合体离
18、散化 , 把求解连续体的场变量 ( 应力、位移、压力和温度 ) 问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值。此时等求解的基本方程将是一个代数 方程组 , 而不是原来描述真实连续体场变量的微分方程组 , 得到的是近似的数值 , 求解的近似程度取决于所采用的单元类型、数量以及解对单元的插值函数。 CAE 分析可在诸多方面辅助设计者得到良好的模具设计 : ( 1)良好的充填形式 ; (2 )最佳浇口位置与浇口数量 ; ( 3)流道系统的优化设计 ; ( 4)冷却系统的优化设 ; ( 5)减小返修成本。 CAE 软件可以分为两类：针对特定类型的工程或产品所开发的用于产品性能分析、预测和优化的软件，称之为
19、专用 CAE 软件 ;可以对多种类型的工程和产品的物理、 力学性能 进行分析、模拟和预测、评价和优化，以实现产品技术创新的软件，称之为通用 CAE 软件。 CAE 软件的主体是 有限元分析 (FEA， Finite Element Analysis)软件。有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形 协调条件综合求解。由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。这种方法灵活性很大，只要改变单元的数目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近的解。基于有限元方法的 CAE 系统，其核心 思想是结
20、构的离散化。根据经验， CAE 各阶段所用的时间为： 40%45%用于模型的建立和数据输入， 50% 55%用于分析结果的判读和评定，而真正的分析计算时间只占 5%左右。 采用 CAD 技术来建立 CAE 的几何模型和物理模型，完成分析数据的输入，通常称此过程为 CAE 的前处理。同样， CAE 的结果也需要用 CAD 技术生成形象的图形输出，如生成位移图、应力、温度、压力分布的等值线图，表示应用、温度、压力分布的彩色明暗图，以及随机械载荷和温度载荷变化生成位移、应力、温度、压力等分布的动态显示图。我们称这一过程为： CAE 的后 处理。针对不同的应用，也可用 CAE 仿真模拟零件、部件、装置
21、 (整机 )乃至生产线、工厂的运动和运行状态。 应用 CAE 软件对工程或产品进行性能分析和模拟时，一般要经历以下三个过程： 1 前处理：对工程或产品进行建模，建立合理的有限元分析模型。 2 有限元分析：对有限元模型进行单元特性分析、有限元 单元组装 、有限元系统求解和有限元结果生成。 3 后处理 ：根据工程或产品模型与设计要求，对有限元分析结果进行用户所要求的加工、检查，并以图形方式提供给用户，辅助用户判定计算结果与设计方案的合理性。 CAE 的作用 a)增加设计功能，借助计算机分析计算，确保产品设计的合理性，减少设计成本 ; b)缩短设计和分析的循环周期 ; c)CAE 分析起到的 “ 虚
22、拟样机 ” 作用在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的 “ 物理样机验证设计 ” 过程，虚拟样机作用能预测产品在整个生命周期内的可靠性 ; d)采用优化设计，找出产品设计最佳方案，降低材料的消耗或成本 ; e)在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题 ; f)模拟各种试验方案，减少试验时间和经费 ; g)进行机械事故分析，查找事故原因。 四、研究的主要内容 （ 1）完成造型设计，使用 CAD,画出造型图。根据产品的用途，确定产品的大小、形状、材料，进而根据有关参数和国家标准，确定成型件的工艺系数： 尺寸精度 ， 壁厚 ， 脱模斜度 ， 圆角 ， 粗糙度 等。用 CAD 画出造型图，标出总长
23、、总宽、总高，计算出体积质量。 （ 2）完成模具设计，使用 CAD,画出模具图。根据造型的长 宽高，确定型腔分布；根据产品的形状，确定分型面；选择注射机并校核；设计浇注系统（浇口，主流道，冷料穴，分流道），冷却系统。 （ 3）选择模架，设计合模导向机构的选择，脱模推出机构，拉料杆，使用 CAD，画出模架总装图。 （ 4）注射成型工艺过程模拟分析。使用从 Pro Engineer 将塑件的三维模型到 MPA 中，设计并设置进料口选用合适的材料 PS 设置工艺参数，这里选择注射压力 119 MPa，模具温度 45 度，熔体温度 220 度，进行充模和流动分析。 参考文献 1 马忠臣 ,李强 ,杨秀
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