1、1 毕业设计开题报告 机械设计制造及自动化 打印机上盖的注塑模设计 1 前言部分 注塑成型是通过中央电脑系统控制、利用液压传动和机械传动原理，使塑料在熔胶筒内通过电热圈加热到熔融状态后，以高速度、高压力注入模具腔内，并经冷却、开模、顶出系列工序制得塑料制品的加工方法。在注射成型过程中，塑料熔体在模具型腔内的流动、传热是非常复杂的物理过程 19。打印机外壳由许多复杂的自由曲面构成，这就使得打印机外壳注塑模具的注射成型过程更加复杂。按照传统的模具设计方法，只能凭借经验设计模具，制造出模具后还要进行试模，不合理的地方 需反复进行调整。这一过程缺乏科学的理论指导，造成模具设计周期长、成本高而且质量还难
2、以保证。随着计算机仿真技术的发展，出现了一批注塑模具仿真分析软件，典型的有 MoldFlow软件，利用软件可在模具制造之前，对模具设计方案进行分析和模拟来代替实际的试模，预测设计中潜在的缺陷并及时修改 1。通过仿真模拟分析，最大限度地预测并修正产品设计、模具设计及制品成型过程中可能出现的不足，取代传统的反复试模、修模等过程，从而能够降低产品制造成本，缩短产品开发周期，提高产品质量 11。 2主题部分 塑料工业近 几 年来 得到了 十 分迅速 的 发展，早在 九 年前按体积计算 的话 塑料的年产量已经超过钢铁和有色金属年产量的总和 3。并且 在汽车、机电、仪表、航天航空等国家支柱产业及与人民日常
3、生活相关的各个领域中 都 广泛的 使用了塑料制品。塑料制品成形的方法虽然很多，但最主要的方法是注塑成形，世界塑料成形模具产量中约半数以上是注塑模具 4。 虽然在过去的几十年里中国了的模具工业发展十分迅速，但是与国外一些工业发达的国家相比还是有十分在的差距，主要体现在高精密模具设备的比重和一些高智能化的先进技术的应用上，如 CAD/CAE/CAM按术的普及率不高，许多 先进2 的模具技术应用还不够广泛等 3。明显的差距主要体现在大型精密、复杂和长寿命模具技术上。这些类型模具的生产能力也不能满足国内需求。因而需要大量从国外进口。但最根本的差距是观念，即质量观念 ,第一是质量第二还是质量。质量是企业
4、生存的基石。特别要注意的是：低成本不意味着低质量。低成本、低质量永远换不来大市场。质量就是最大的效益、就是最大的效率 2。 国外注塑成型技术在向多工位、商效率、自动化、连续化、低成本方向发展。因此。模其向高精度复杂、多功能的方向发展。例如：组合模、即钣金和注塑一体注塑铰链一体注塑、活 动周转箱一体注塑；多色注塑等；向高效率、高自动化和节约能源降低成本的方向发展。例如：叠模的大量制造和应用 ,水路设计的复杂化、装夹的自动化、取件全部自动化。 6 21世纪模具制造行业的基本特征是高度集成化、智能化、柔性化和网络化。追求的目标是提高产品质量及生产效率。缩短设计周期及制造周期。降低生产成本。最大限度地
5、提高模具制造业的应变能力满足用户需求。 高集成的设计发展。设计的 3D化，全三维设计可以使产品模型设计、模具结构设计、加工编程及工艺设计都以 3D数据为基础 7。实现数据共享。不仅能快速提高设计效率。 而且能保证质量，降低成本，实现人机对话，并有效地支持制造的零件化加工，为全球化市场开发。国际化的战略规划奠定了基础。 设计的智能化，智能化是模具企业发展的一个重要趋势，在利用 CAD软件进行模具设计时，必须依赖于模具专家的干预，为了减少对模具专家的依赖性，胶原蛋白开发企业内部专用 的设计智能化软件，把以往的模具设计总结、制造经验应用到模具设计中去，形成计算机知识库和智能库，生成专家系统，海量的经
6、验库，使 CAD软件能胜任设计专家的工作形成自己的设计智能化体系。 设计的网络化。随着网络时代的来到，跨国企业已经逐步 覆盖全球，可以说世界已经成为了一个全球化的生产制造的大车间，利用网络可以实现异地的设计、当地生产、全球性销售。 12最大限度地满足客户设计质量的要求。实现最大的利润空间。国际化的网络设计正在被跨国企业所关注：质量上在欧洲、澳洲等发达国家联盟当地的设计公司，实现高端产品的设计，国内组织低成本的加工，最终保证终端客户的高质量模具是我们实现设计全球化的初衷。交贷期上可以利用地域性的时差来确保设计定单的 24小时运转。目前国内模具和一些国外大公司3 进行合作 ,成立了联合设计室，在上
7、海，澳大利亚等拥有自己的办事处 10。最大限度地满足客户需要。柔性制造的快速发展实现零件化加工不需要传统的钳工、技师组织生产。而由工艺部门根据 3D设计做出工艺指示和路径，实现各工序的加工。交到钳工手中的已是一个完全合格的零件。 切削加工精度高、精度广通过先进的机床和先进的加工方法，如精确的定位、刀具的寿命、精度管理和通过程序的补偿等实现高精度的加工，尤其是数控加工。并形成闭环机上检测系统 ,达到零件精度的完全可控。目前，日本的先进模具企业已实现 3um精度基本上实现装配钳工的无打磨装配 ,也为后序的抛光创造了良好的基础。 17 加工的五轴化。装备 制造业是不可或缺的战略性产业：它已巨大的改变
8、了模具的传统工艺。五轴加工中心的实施必将带来模具制造业的再一次工艺升级。它的高效率、高精度的特点以及实现一次装夹可实现多面加工。尤其是高速五轴更是在一次装夹的条件下完成零件的 80以上的加工量甚至更高。基本上可以替代传统的电加工。 16目前五轴机床在模具加工业上的应用无论对机床商还是模具供应商都是不可忽视的发展趋势。装夹的自动化，从成本控制角度来说，装夹效率是一个生产链效应：人工工时上升，加工周期延长。加工成本上升。模具产生的多式序化，也对工序间的多次装夹精度提 出了较高的要求。 多功能先进机床的采用。模其生产出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗。是其他加工制造方法所不能比拟的
9、。近年随着模具设计的不断深入。模具的尺寸规格不断加大。斜孔的加工、孔的附加工如螺纹等的一次性加工到位。是提高模具制作效率的一个重要的环节。目前国外一些先进的模具厂已经大量采用多功能的能钻铣中，可实现一次装夹，高精度 (3um以内 )完成所有孔（包括空间多角度孔 )。 4以国内模具为德国一家公司制造的奥迪 C6仪表板为例 ,该公司要求生产周期为 55S/件 ,水路设计非常复杂，我公司完成该套 模具的水路加工 ,使用了一台深孔钻、一台卧式加工中心 ,制造了大量的辅助工装 ,用时 25天 ,后来我们去德国考察德国的工厂只需 3天 ,效率是我们的近 10倍。 15由于是一次装夹，精度也非常的大，此类机
10、床的应用 ,也是今后的趋势。 实现本地和异地的协同加工，即并行加工，它基本上是基于 3D设计的网络技术。从而支持模具的快速交货期和大规模制造。企业管理的信息化模具为单件制4 造，企业的流程管理非常复杂与困难。一般的工厂 5000万人民币的销售收入是一个发展的瓶颈。 18在这个规模，如不实施信息化。那么就无法进行有效的计划管理和 精确的预算，其结果不是超期，甚至连工件在哪里都找不到。有些工厂动用大量的人力跟踪，造成巨大的浪费，效率低下，有些工厂只好划小单元再交给钳工承包等等，所以在企业不断壮大。寻求强大竞争力的时候，现代化的管理模式就成为企业发展瓶颈的突破口。只有实施基于 lT技术的信息化管理才
11、能从根本上控制好企业从订单到制造再到交付环节的整个流程。 8模具行业是一个非常个性化的行业，由于其个性化的产品制造。因而在市场上可供于模具企业的 ERP系统并不多，尤其是制造系统的信息化解决方案。国外模具厂在信息化方面基本上是企业自行研制。国内 模具公司在不断地搜集模具 ERP管理模式的同时 ,也不断地与世界先进的模具制造企业进行技术沟通，形成了适用于模具开发特点的满足个性化生产、单件组织生产的信息化管理软件。 18 随着塑料制品复杂程度和精度要求的提高以及生产周期的缩短，主要依靠经验的传统模具设计方法已不能适应市场的要求，在大型复杂和小型精密注射模具方面我国还需要从国外进口模具。 17 传统
12、的注塑成 型 仿真软件基于制品的中心层模型。用户首先要将薄壁塑料制品抽象成近似的平面和曲面，这些面被称为中心层。在这些中心层上生成二维平面三角网格，利用这些二维平 面三角网格进行有限元计算，并将最终的分析结果在中面上显示。 9而注塑产品模型多采用三维实体模型，由于两者模型的不一致，二次建模不可避免。但由于注塑产品的形状复杂多样、千变万化，从三维实体中抽象出中心层面是一件十分困难的工作，提取过程非常繁琐费时，因此设计人员对仿真软件有 为 难情绪，这已成为注塑成形仿真软件推广应用的瓶颈。 HSCAE3D主要是接受三维实体 /表面模型的 STL文件格式。现在主流的 CAD/CAM系统，如 UG、Pr
13、o/ENGINEER、 CATIA和 SolidWorks等 13，均可输出质量较高的 STL格式文件。这就是说，用户可借助任何商品化的 CAD/CAE系统生成所需制品的三维几何模型的STL格式文件， HSCAE3D可以自动将该 STL文件转化为有限元网格模型，通过表面配对和引入新的边界条件保证对应表面的协调流动，实现基于三维实体模型的分析，并显示三维分析结果，免去了中心层模拟技术中先抽象出中心层，再生成网格这一复杂步骤，突破了仿真系统推广应用的瓶颈，大大减轻了用户建模的负担，5 降低了对用户的技术要求，对用户的培训时间也由过去的数周缩短为几小时。 注塑制品都是薄壁制品，制品厚度方向的尺寸远小
14、于其他两个方向 的尺寸，温度等物理量在厚度方向的变化又非常大，若采用单纯的有限元或有限差分方法势必造成分析时间过长，无法满足模具设计与制造的实际需要。我们在流动平面采用有限元法，厚度方向采用有限差分法，分别建立与流动平面和厚度方向尺寸相适应的网格并进行耦合求解，在保证计算精度的前提下使得计算速度满足工程的需要，并采用控制体积法解决了成形中的移动边界问题。对于内外对应表面存在差异的制品，可划分为两部分体积，并各自形成控制方程，通过在交接处进行插值对比保证这两部分的协调。 优选注塑成形工艺参数一直是广大模具设计人员关注的问题， 传统的 CAE软件虽然可以在计算机上仿真出指定工艺条件下的注塑成形情况
15、，但无法自动对工艺参数进行优化。 CAE软件使用人员必须设置不同的工艺条件进行多次 CAE分析，并结合实际经验在各方案之间进行比较，才能得出较满意的工艺方案。同时，在对零件进行 CAE分析后，系统会产生有关该方案的大量信息 (制品、工艺条件、分析结果等 )，其中分析结果往往以各种数据场的形式出现，要求用户必须具备分析和理解 CAE分析结果的能力，所以传统的 CAE软件是一种被动式的计算工具，无法提供给用户直观、有效的工程化结论，对软件使用者的要求过高，影 响了 CAE系统在更大范围内的应用和普及 5。针对以上不足， HSCAE3D软件在原有 CAE系统准确的计算功能基础上，把知识工程技术引入系
16、统的开发中，利用人工智能所具有的思维和推理能力，代替用户完成大量信息的分析和处理工作，直接提供具有指导意义的工艺结论和建议，有效解决了 CAE系统的复杂性与用户使用要求的简单性之间的矛盾，缩短了 CAE系统与用户之间的距离，将仿真软件由传统的 “ 被动式 ” 计算工具提升为 “ 主动式 ” 优化系统 8。 HSCAE3D系统主要将人工智能技术应用于初始工艺方案设计、 CAE分析结果的解释和评价、 分析方案的改进与优化 3个方面。 16 3 总结部分 我国塑料机械工业总产值虽不大，但是与关联产业的发展结合紧密。因此，把塑料机械作为“新材料”产业链中重要的一环。强化“产业链系统”观念，将6 塑料机
17、械向上游石化产业、下游制晶加工业延伸。甚重与国家重大需求、装备制造业振兴紧密结合起来，从这个高度认识塑料机械工业，对其发展是有利的。 目前国内的模具产业唯一的优势就是人工成本优势，其它的成本并不占太多的优势。国外 50-60是人工成本，我国在 10-20之间 14。要做出和国外一样水平的模具，我们其实可降的成本不是 太多。 14功夫还是要用到质量上 ,质量是个系统工程 ,包括发展战略、目标、管理等综合因素。目前，国外大量订单在向中国转移 12。包括一些大型复杂的模具。我国的主要竞争对手是葡萄牙、韩国、东欧、台湾等 5。 参考文献 1 徐政坤 ,陈良辉 .厚壁平衡块的注塑成型模拟分析 J.塑料
18、， 2010(4)： 7-9. 2 程军，马世义，高梅等 .中国塑料机械的发展现状与开拓市场的几点建议J.工程塑料应用 .2004， 32(10)： 58-62. 3 蔡恒志 .浅谈高档精密注塑机发展现状及前景 J.塑料制造， 2010， 4：72-76. 4 黄获 .模具热流道技术发展 J.机械工程师， 2010(3)： 5-12. 5 张友根 .我国注塑设备科学发展的分析研究 J.上海塑料， 2010(2)： 1-10. 6 张新杰 .注塑模具分类编码系统的设计 J.青岛农业大学学报 (自然科学版 )， 2010(3)： 244-247. 7 刘子建，郝涛，彭志威 .薄壁半管注塑件熔体填充
19、分析与结构优化 J.机械工程师 ,2010(8)： 106-110. 8 黄建 ， 阎博文 ， 蒋根杰 等 .二次注塑成型尼龙 6 的界面结晶行为及其对界面强度的影响 J.塑料 ,2010(2)： 97-100. 9 曹会元 .PP 管件的注塑模具设计与制造研究 J.辽宁高职学报， 2010， 12（ 7）： 94-96. 10 顾永华，许建文 .注塑件流动平衡的数值模拟分析 J.电加工与模具，2010(4)： 56-59. 11 姜羡，赵明娟 .Moldflow 在注塑模浇口优化设计中的应用 J.塑料 ,2010(4)： 15-17. 7 12 钟汉如，毛志宽 .注塑机自动设定注射模腔参数的
20、辩识方法 J.塑料，2010(4)： 105-107 13 钱春华 ， 钱杨林 .基于 MasterCAM 和 UG 的注塑模流道数控加工技术研究J.机械工程师， 2010(8)： 94-96. 14 Ming Zhai, Y.C. Lam,*C.K. Au, and D.S. Liu。 Automated Selection of Gate Location for Plastic Injection Molding Processing 。Polymer-Plastics Technology and Engineering。 44： 229 242, 2005. 15 陈 昇 .ABS
21、塑料注塑工艺分析 J.西部探矿工程， 2010， 22（ 10）： 174-174. 16 史建国 .注塑模具排气隙截面尺寸的设计计算 J.模具技术， 2010(4)：32-33. 17 Donggang Yao1,Byung Kim.INCREASING FLOW LENGTH IN THINWALL INJECTION MOLDING USING A RAPIDLY HEATED MOLD。 POLYMER PLASTICS TECHNOLOGY AND ENGINEERING， Vol. 41, No. 5, pp. 819 832, 2002. 18 杨佳黎，柳和生，黄兴元 .Ug 注射模设计系统在模具设计与制造中的应用 J.南昌大学学报：工科版 ， 2010， 32（ 2） ： 196-200. 19 颜海平 .塑料注塑成型工艺性及控制措施 J.装备制造技术 ， 2010(5)：168-169.
