1、 - 1 - 毕业设计开题报告 机械设计制造及自动化 电链锯下盖注塑模具设计 1前言部分 随着中国经济近年来的持续快速发展，中国塑料工业实现了跨越式的发展，取得了令世人瞩目的成就。塑料制品被广泛应用于家电、汽车、建筑、电子电器、信息科技及通讯、包装等各个方面。根据“十一五”规划，塑料行业将保持快速发展势头。以塑料制品业为核心的“朝阳工业”产业规模进一步扩大，塑料加工机械、塑料制品、塑料树脂已分别位居世界第 l、第 2、第 3，已具备一定的实力参与国际竞争 1。而注塑行业在塑料工业中占很大的市场份额，据统计有近一半的塑 料制品是通过注塑工艺生产出来的。因此注塑行业在塑料行业中占着至关重要的地位，
2、注塑行业在一定程度上代表着整个塑料工业的技术水平和发展程度。在注塑行业的发展历程中，各种新技术包括新型设备、新型材料以及新型工艺的采用，都对整个注塑行业起到了重要的推动作用 4。 由于注塑件种类繁多、形状复杂、大小不一，因而在模具设计过程中，很难求得统一。若要建立一个适用于各类塑件的塑料模脱模结构智能 CAD 系统，是相当困难的。但是，若要建立一类具有结构相似但尺寸不同的典型零件的塑料模脱模结构智能 CAD 系统，则是完全可能的， 并且具有重要的理论与实际意义 7。 目前国内外塑料模 CAD CAE CAM技术的研究和应用己取得相当进展，塑料模脱模结构 CAD系统也有人开始研究。国内对于塑料模
3、脱模结构 CAD的开发大多是在 AutoCAD平台上进行的，且多采用二维几何特征参数化图形库。它在提高设计效率改善制品质量、降低模具成本、减轻设计人员的劳动强度等方面都具有传统设计方法所不能比拟的优越性。但也存在这样一些缺点：其一、不能显示直观的三维图形；其二、在选择脱模方式时，仍然需要设计人员具有比较强的领域知识和设计经验，智能化程度不高；其三、交互 次数过多，设计效率不高。正是因为这些缺点，使得脱模结构 CAD软件的性能受到一定影响。此外，由于脱模结构设计的复杂性，到目前为止，完全自动设计的系统还未出现的。而且国内一些研究机构也在塑件材料选择、注塑设备优选及塑件工艺 CAPP等方面应用专家
4、系- 2 - 统做了一些有意义的尝试，通过实践证明在塑料模 CAD系统中局部应用人工智能技术是可行的且是有意义的。脱模结构是塑料模具结构的主要部件，脱模结构设计的好坏，直接影响到注塑制品的表面质量和物理性能。如果脱模结构设计不合理，即使制品或模具设计得再好，在脱模时也会出现翘曲变形和泛 白甚至顶穿等缺陷，严重影响了制品的质量。因此，塑料模具的脱模结构设计绝不能忽视，研制和开发塑料模脱模结构智能 CAD系统软件是十分必要的 4。 根据传统方法，模具产品的开发过程总是分为设计与制造两大部分。模具属单件生产，设计和制造往往是一对应，因而模具设计人员的工作相当繁重。在传统的模具设计过程中，模具设计所占
5、工时约为生产模具总工时的 20，存在生产效率低、周期长、成本高，设计和加工质量难以保证，难于实现标准化等问题。采用计算机辅助技术可以解决传统的模具设计中的问题。使用 CAD软件，采用计算机几何造型技术， 塑件制品一般不必进行原型实验，制品形状能逼真地显示在计算机屏幕上，并能借助于有限元分析软件对制品的力学性能进行预测 11。因而，模具设计师可以从繁重的绘图和计算中解脱出来，集中精力从事方案构思和结构优化等创造性的工作。借助于 CAM软件，模具型腔的几何数据能交互地转换为机床刀具的曲面运动轨迹，进而生成数控加工指令，从而缩短模具加工周期并提高模具型腔表面的加工精度。借助于 CAE软件可以预测成型
6、工艺及模具结构等有关参数的正确性。注塑模 CAE技术是根据塑料加工流变学和传热学的基本理论，建立塑料熔体在模具型腔中的流 动、传热的物理数学模型，利用数值计算理论构造其求解方法，利用计算杌图形学技术在计算机屏幕上形象、直观地模拟出实际成型中熔体的动态充填、冷却等过程，定量地给出成型过程的状态参数 (如压力、温度、速度等 )。塑料模 CAE技术的目的是实现成型过程的动态仿真分析，使对塑料成型过程的认识从宏观进入微观，从定性进入定量，从静态进入动态，为优化模具设计和控制产品成型过程以获得理想的最终产品提供科学依据和设计分析手段。注塑模 CAE技术能预测注射成型时塑料熔体在模具型腔中的流动情况及塑料
7、制品在模具型腔内的冷却、固化过程，在模具制 造之前就能发现设计中存在的问题，改变了主要依靠经验和直觉，通过反复试模、修模来修正设计方案的传统设计方法，它可使设计人员避免设计中的盲目性，使工程技术人员在模具加工前完成试模工作，也可使生产操作人员预测工艺参数对制品外观和性能的影响，降- 3 - 低了模具的生产周期和成本，提高了模具质量。总之，设计人员和生产人员可利用塑料模 CAE技术有目的的修正设计方案和工艺条件，克服因经验少、工作疏漏而造成的不良后果，多快好省地进行新产品、新工艺的研究，以适应日益激烈的竞争环境。因此，近年来模具及塑料加工领域发展最快的是 CAE技术， 通过对成型加工过程进行数值
8、模拟，研究加工条件的变化规律，预测制品的结构和性能，选择制品、模具设计及工艺条件的最佳方案，实现浇注、冷却系统的自动优化设计 3。 2 主题部分 在塑料模设计领域，国外专家系统也被引入并取得了一定的成果。如：美国EDS 公司的 UGII，该系统具有强大的曲面造型、实体造型功能，是一个通用的CAD CAM 系统。系统集成了专用的塑料模设计模块 MoldWizard，在用户界面上融合了工业界的具体实践经验，能够引导用户按步骤完成塑料模设计。美国PTC 公司的 Pro Engineer 系统 ，也是一个通用的 CAD CAM 系统，具有很强的参数化特征造型功能。此外 Pro E 也包含一个专用的模具
9、设计模块，该模块封装了塑料模设计领域一定的专家经验，从而使模具设计更为直观方便。在国内，华中理工大学和上海交通大学等高校对注射模 CAD 进行了多方面的研究。在国内首次将人工智能技术引入注射模 CAD 系统中，并取得了一定的研究成果。如上海交通大学于 1988年开发出集成化注射模智能 CAD 系统。该系统采用软件工程学和结构化的设计思想，建立了一个塑料模 CAD CAM 系统，并应用基于 CBR的专家系统来辅助实现系统的决策过程 。合肥工业大学建立了一个基于规则和模糊推理的注射模总体结构设计专家系统 IMDES，该系统采用框架和产生式规则相结合的推理方法，并引入模糊知识表示方法和模糊推理技术来
10、处理系统涉及到的具有模糊性和不确定性的领域知识。但总体而言，目前国内实用化的塑料模智能CAD 系统还不多见。由于塑料模设计领域知识不仅十分丰富、而且相当复杂，导致在这一最能反映人类智慧创造性本质的领域中，人工智能技术一直没有得到很好地运用和体现，成功的智能 CAD 系统为数甚少。目前存在的大多数模具设计专家系统在应用上都有严格的限制，且智能手段比较单一 ，普遍存在诸如产品信息模型简单、知识表示方式单一、图形处理能力不强、无法与数值仿真有机结合等诸多问题。对国外软件而言，则存在价格昂贵，系统复杂，界面不够友好等缺- 4 - 陷。而且由于各国在注塑领域的国家标准难以做到统一导致引进的国外软件脱离国
11、内生产的实际 (如材料性能标准、模架标准不一等 )，软件的二次开发能力又差，使得这些软件难以充分发挥应有的作用 6。 三十多年来，国外注射模 CAD 技术发展相当迅速。 70 年代己开始应用计算机对熔融塑料在圆盘形、管形和长方形型腔内的流动情况进行分析。 80年代初，人们成功地采用有限元法分 析三维型腔内塑料熔体的流动过程，使设计人员可以依据理论分折并结合自身的经验，在模具制造前对设计方案进行评价和修改，以减少试模时间，提高模具质量。近十多年来，注射模 CAD 技术在不断进行理论和实验研究的同时，十分注意向实用化阶段发展，一些高水平的商品软件逐步推出，并在推广和实际使用中不断改进、提高和完善
12、10。比较有代表性的软件系统有： 美国 Cornell大学 K K Wang教授领导的注射成型研究计划 (ClMP)，在注塑模 CAD 方面开展了卓有成效的研究开发工作。先后进行了一维流道流动的实验研究和数值模 拟，塑料性能的实验研究和数据库的建立，注塑成型过程的三维流动、冷却分析，并开发了用于注塑模 CAD 的三维造型系统。 澳大利亚 Moldflow PTY 公司的 Moldflow系统是较早开发出的注塑模流动模拟软件。系统主要包括绘制型腔图形的线框造型软件 SNOD，有限元网格生成软件 FMESH，流动分析软件 FLOW，冷却分析软件 COO LING，流动、冷却和模具应力场分布的可视化
13、显示软件 FRES等五个部分。 美国 SDRC 公司的 Polycool 系统是目前较完善的注塑模冷却分析软件。利用该系统，仅需输入塑件 初始条件、边界条件、回路循环及开模时间，即可决定出注塑循环时间，塑件、模具和冷却介质的瞬态温度与热流分布，并准确地预测出塑件的翘曲变形、残余应力及表面质量。 美国 CRATEK 公司的注射模 CAD， CAM CAE 系统：该系统包括三维几何形状描述软件 OPTIMOLD，二维注射流动分析软件 SIMUFLOW，三维有限元流动分析软件 SIMUFLOW 3D，冷却分析软件 SIMUCOOL，标准模架 (美国 DME标准 )选择等。 我国在注射模 CAD技术开
14、发、应用及研究方面起步较晚。从 80年代中期开始，国内部分大中 型企业先后引进了一些国外知名度较高的注塑模 CAD系统。同时，- 5 - 某些高校和科研院所也开始了注塑模 CAD系统的研制与开发工作。国家对注射模设计制造技术及其 CAD的开发应用十分重视。“八五”期间，安排了“大型薄壁深腔注射模具制造技术”、多型腔小模数齿轮精密模具制造技术”和“实用 CAD CAM技术在精密注射模制造中的应用”等国家攻关项目，还安排了国家“八五”重点科技攻关项目“塑料注射模 CAD， CAM CAE集成系统研究”。不少省市也在这方面安排了攻关项目或重点科研课题。这些项目的成果对促进我国注射模 CAD技术的迅速
15、发 展起到了重要作用，使我国注射模 CAD技术的发展和应用水平得到很快提高 2。 上海交通大学模具工程技术研究中心是国内最早进行注塑工艺和模具 CAD CAE技术研究和应用的单位之一。从 1983年开始，对注射模 CAD进行了多方面的研究。在国内首次将人工智能技术引人注射模 CAD系统中，于 1988年开发出集成化注射模智能 CAD系统，目前在注塑模具的智能设计和并行设计等方面的研究取得了大量的成果。 华中科技大学是国内较早自行开发研究注射模 CAD CAE， CAM系统的单位，自 80年代中期开始，就在注塑模流 动分析模拟和冷却分析模拟的研制方面进行了多年的研究与开发工作。推出了塑料注射模
16、CAD CAE系统 HSC一 2 O，该系统具有塑料制品三维形状输入、流动模拟、冷却分析、型腔强度与刚度校核及模具图设计与绘制等功能，在一些企业单位应用，取得较好效果，现己实现商品化。 浙江大学基于工作站的 UGII系统开发出精密注射模 CAD， CAM系统。该系统采用特征造型技术构造产品模型，使形状特征表达与工艺信息描述统一并利用特征反转映射实现了型腔模型的快速生成。 北京航空航天大学华正模具研究所和美国 AC TECH公司 合作研制的注射模具及注塑工艺设计和分析系统具有较高的技术水平和实用价值 1。 近年来，国内外不仅在塑料膜作了大量的工作，而且也涉及到建筑、工程设计、机械产品设计等领域。
17、但对设计型专家系统而言，比较有影响的有：国外有用于冶金领域的合金设计专家系统 ALADIN；用于建筑领域的土工阻挡结构设计专家系统 RETWALL；用于生产制造领域的生产车间加工单元设计专家系统 CELL：用于切削工序加工的零件加工工序设计专家系统 GARI。国内则有建筑领域的土建工程设计专家系统 GMCADES；船舶货物分舱设计专家系统；浙江大学的 花布- 6 - 立体感图案设计和花布印染专家系统；以及用于模具 CAD 领域的压延模 CAD 专家系统 ADDE8等 6。 3 总结部分 为了对各种成型加工过程进行更精确的模拟，目前各国学者都在研究新模型、新算法及新的成型模拟系统，并将模拟软件与
18、制品设计、模具设计与制造紧密结合，开发一体化的集成技术，与 CAD、 CAM、 CAPP、 PDM、 ERP技术与软件的渗透、协调能力的加强，使计算机模拟技术呈现智能化、集成化的趋势 12。可以预见，塑料 CAD CAE， CAM 集成技术将被广泛采用，成为解决塑料成型加工和模具设计中各类问 题的标准工具和手段。随着科学技术的迅速发展、互联网技术的普及，塑料模 CAE 技术功能进一步扩充，性能也进一步提高，呈现出如下的发展趋势 2： 1 数学模型、数值算法逐步完善 2 优化理论及算法，使 CAE技术“主动”地优化 3 CAX技术的集成化与网络化发展 4 最优化 21世纪模具制造行业的基本特征是
19、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，最大限度地提高模具制造业的应变能力，满足用户需求。具体总结出以下几个特征。 1)标准化 CAD CAM系统可建立标准零 件数据库，非标准零件数据库和模具参数数据库。 2)集成化技术现代模具设计制造系统不仅应强调信息的集成，更应该强调技术、人和管理的集成。 3)智能化技术应用人工智能技术实现产品生命周期 (包括产品设计、制造、使用 )各个环节的智能化，实现生产过程 (包括组织、管理、计划、调度、控制等 )各个环节的智能化，以及模具设备的智能化，也要实现人与系统的融合及人在其中智能的充分发
20、挥。 4)网络技术的应用网络技术包括硬件与软件的集成实现，各种通讯协议及制造自动化协议，信息通讯接口，系统操作控制策略等，是实现各种制造系统自动化- 7 - 的基 础 5)多学科多功能综合产品设计技术未来产品的开发设计不仅用到机械科学的理论与知识，而且还用到电磁学、光学、控制理论等知识。 6)逆向工程技术的应用在许多情况下，一些产品并非来自设计概念，而是起源于另外一些产品或实物，要在只有产品原型或实物模型，而没有产品图样的条件下进行模具的设计和制造以便制造出产品 ,快速成形技术快速成形制造技术 8。 4 参考文献 1 张学良注塑模脱模机构智能化设计系统的关键技术研究与实现 J 浙 江大学学报，
21、 2004， 32（ 1）： 51-53. 2 王红伟基于 MPI的注 塑模具计算机辅助分析及 CAX集成技术研究 M 昆明：昆明理工大学 2004. 3 高涛 .章煜君 .潘立 .新型材料在注塑行业中的应用 J浙江：浙江工业大学 学报 2009.4 4 张建伟快速成型注射模具的研究与制备 D北京：北京工商大学， 2007 5 申长雨注塑成型过程数值模拟技术、橡塑模具优化设计和制品性能拎 制 P中国高等学校自然科学学报研究会 .2008. 6 陈良 . 快速热循环注塑技术及其工艺过程传热分析研究 M.山东大学 2009.4.8 7 赵阳 . 塑料模脱模结构设计系统的研究与实现 N陕西科技大学
22、2007. 5.1 8 王春香 . 基于实例的注塑模具 CAD/CAE关键技术应用研究 J合肥工 业大学学报 2008.11.1 9 唐仁奎 .许艳英 . 注塑模具技术现状与发展趋势 D. 重庆科创职业技术院 2010.6 10 董祥忠 .莫健华 .刘洁 . 基于快速制造新型注塑模具设计的探讨 N 四川大 学高分子科学与工程学院 2004.4 11 柳鹏 . CAD/CAE技术在大型注塑模具设计中的应用研究 D 青 岛科技大学 2009.4.20 12 F.schmidti,M.mongeau2.optimization of 3D colling channels in injection moldi- - 8 - ngusing drbem and model reduction polymer processi-ng xx,265-273,2005 13 F.J. Shiou and C.M. Cheng Surface Finish of the Injection Molding Tool Steel PX4 Using Ball Burnishing,Nickel-Plating, and Ball polishing Processes Precision Engineering. 29:253-256
