溫控器墊塊的注塑模具設計【點澆口一模一腔注射模優(yōu)秀課程畢業(yè)設計含UG三維10張CAD圖紙帶任務書+開題報告+外文翻譯】-zsmj30

溫控器墊塊的注塑模具設計【點澆口一模一腔注射模優(yōu)秀課程畢業(yè)設計含UG三維10張CAD圖紙帶任務書+開題報告+外文翻譯】-zsmj30

溫控器墊塊的注塑模具設計【點澆口一模一腔注射?！?/p>

摘  要

近幾年好多國家都在發(fā)展機械行業(yè)，與機械相關的各個行業(yè)都越來越重視CAD/CAM技術，如今CAD/CAM技術已發(fā)展成為一項比較成熟的共性技術，我國家電工業(yè)的高速發(fā)展對模具工業(yè)，尤其是塑料模具提出了越來越高的要求,國內塑料模具市場以注塑模具需求量最大，其中發(fā)展重點為工程塑料模具。同時還因為塑料制品及模具的3D設計與成型過程中3D分析正在塑料模具工業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。 

在本次畢業(yè)設計中，通過運用三維實體造型高端軟件UG NX對“溫控器墊塊”外形進行3D造型，同時也設計了其塑料注塑模的3D模型。在正確分析塑件工藝特點和ABS的性能的基礎上，介紹了對凸模，凹模，澆注系統(tǒng)，脫模機構，頂也機構的設計，選擇標準零件，設計非標件的設計過程。由于模具生產的塑料制品具有高精度、高復雜程度、高一致性、高生產率和低消耗等特點，涉及模具結構、強度、壽命計算及熔融塑料在模具中流動預測等復雜的工程運算問題；CAD、UG NX等不同的軟件可分別用于模具的設計、制造和產品質量進行分析。塑料注射成型所用的模具稱為注射模成型模具，該模具特點是模具先由注射機合模機構閉和緊密，然后由注射機注射裝置將高溫高壓的塑料熔體注入模腔內，經冷卻或固化成型后，在側向分型的作用下開模取出塑件。還根據所設計的模具尺寸選擇安裝了相應的模架，最終生成了直觀的結構設計圖；此外還利用CAD繪制了模具裝配圖以及各種成型零件圖。

關鍵詞：溫控器；注塑模；CAD/CAM；ABS塑料；3D

Abstract

A lot of countries in the development of machinery industry in recent years, every industry pay more and more attention to related to mechanical CAD/CAM technology, CAD/CAM technology has now developed into a relatively mature technology, with the rapid development of our country home a ABS liance industry of mold industry, puts forward higher and higher requirements, especially plastic mould, in 2004, as a proportion of the plastic mold in the mold industry has risen to 30%, according to experts predict that in the next few years, China plastic mould industry will continue to maintain an annual growth rate of more than 10% of the high speed of development. Domestic demand in injection mold plastic mold market is the largest, the key for engineering plastic mold development. Also because of the plastic products and mould Three-Dimensional design and molding process of Three-Dimensional analysis is the plastic mold industry plays a more and more important role. 

In this graduation design, the high-end software UG NX three-dimensional entity model is used to shape of "t type mounting bracket" Three-Dimensional modeling, and design the Three-Dimensional model of the plastic injection mold.On the basis of the correct analysis of the characteristics and ABS plastic parts process performance, the introduction of the punch,die,casting system, stripping agencies,top agency also design, selection of standard parts,the design of non-standard parts of the design process.Due to mold plastic products with high precision,high complexity,high consistency,high productivity and low consumption, etc,involve mold structure, strength,life span,and the molten plastic in the mold flow projections and other complex engineering computing problems; CAD,different software may be designed such UG NX molds are used,the manufacturing and product quality analysis.Plastic injection molding mold used for injection molding is called a mold injection machine is characterized first by a mold clamping mechanism and tightly closed, and then the injection machine injection device of the high temperature and pressure of the plastic melt into the mold cavity, cooling or after curing,in the role of the lateral parting remove mold plastic parts.Also according to the design of the mould size choose to install the corresponding mold frame, the resulting intuitive structure design; In addition to use CAD draw the mold assembly drawing as well as a variety of molding part drawing.

Key words:Thermostat;plastics mold;CAD/CAM;ABS plastic;Three-Dimensional

目  錄

引言 1

1  注塑模設計的相關理論概述 3

1.1 注塑成型的相關概念 3

1.1.1 注塑成型的基本概念 3

1.1.2 注塑成型的特點 3

1.1.3 注塑成型的工藝過程 3

1.2 注塑模的定義 4

1.3 注塑模的分類 4

1.4 注塑模設計流程及關鍵環(huán)節(jié) 6

1.5 注塑模設計軟件——UG簡介 7

1.6 注塑模主要加工方法簡介 9

2  溫控器墊塊注塑模設計 10

2.1 溫控器墊塊相關參數計算 10

2.2 溫控器墊塊成型工藝要求 10

2.2.1 塑件工藝性分析 10

2.2.2 塑件材料的基本特性 11

2.2.3 ABS的性能指標 11

2.2.4 塑件材料成型性能 11

2.2.5 尺寸精度分析 11

2.2.6 表面質量分析 11

2.2.7 模塑設備的選擇 12

2.3 注射模的結構設計 13

2.3.1 分型面的選擇 13

2.3.2 確定型腔的排列方式 13

2.3.3 澆注系統(tǒng)的設計 14

2.3.4 澆注系統(tǒng)的平衡 16

2.3.5 推件機構的設計 16

2.4 模架的選擇 17

2.5 型腔工作尺寸的計算 17

2.6 型芯工作尺寸的計算 19

2.7 模具的其他相關計算 20

2.8 冷卻裝置的設計 20

2.8.1 冷卻時間的計算 21

2.8.2 冷卻水管直徑 21

2.8.3 冷卻水道的結構 21

2.9 開模行程的校核 22

2.10 注射機的校核 22 

2.11 模具外形尺寸校核 22

2.12 注射模的安裝與調試 23

3  溫控器墊塊注塑模的仿真實現(xiàn) 24

3.1 模具開發(fā)流程 24

3.2 產品建模 24

3.3 溫控器注塑模裝配仿真 25

4  溫控器墊塊注塑模型腔加工工藝及流程 28

5  機械加工工藝卡 30

6  結論 31

致  謝 32

參考文獻 33

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024.stp

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型芯.dwg

型芯固定板.dwg

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溫控器墊塊點澆口注射模的設計任務書.doc

溫控器墊塊點澆口注射模的設計開題報告.doc

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模具發(fā)展 歷程 威爾克斯 摘要 功能性零部件都需要設計驗證測試，車間試驗，客戶評價，以及生產計劃。在小批量生產零件的時候，通過消除多重步驟，建立了有快速成型形成的注塑模具，這種方法可以保證縮短時間和節(jié)約成本。這種潛在的一體化由快速成型形成注塑模具的方法已經被多次證明是可行的。無論是模具設計還是注塑成型的過程中，缺少的是對如何修改這個模具材料和快速成型制造過程的影響有最根本的認識。此外，數字模擬技術現(xiàn)在已經成為模具設計工程師和工藝工程師開注塑模具的有用的工具。但目前所有的做常規(guī)注塑模具的模擬包已經不 再適合這種新型的注塑模具，這主要是因為模具材料的成本變化很大。在本文中，以完成特定的數字模擬注塑液塑造成快速成型模具的綜合方法已經發(fā)明出來了，而且還建立了相應的模擬系統(tǒng)。通過實驗結果表明，目前這個方法非常適合處理快速成型模具中的問題。 關鍵詞 ： 注塑成型 ； 數字模擬 ； 快速成型 。 引言 在注塑成型中，聚合物熔體在高溫和高壓下進入模具中。因此，模具的材料需要有足夠的熱性能和機械性能來經受高溫和高壓的塑造循環(huán)。許多研究的焦點都是直接有快速成型形成注塑模具的過程。在生產小批量零件的時候，通過消除多重步驟，直接由 快速成型形成的注塑模具可以保證縮短時間和節(jié)約成本。這種潛在的有快速成型形成注塑模具的方法已經被證明成功了?？焖俪尚湍＞咴谛阅苌鲜怯袆e與傳統(tǒng)的金屬模具。主要差異是導熱性能和彈性模量（剛性）。舉例來說，在立體光照成型模具中的聚合物的導熱率小于鋁制的工具的千分之一。在用快速成型技術來制造鑄模時，整個模具設計和注塑成型工藝參數都需要修改和優(yōu)化，傳統(tǒng)的方法是改變徹底的刀具材料．不過，目前還沒有對如何修改這個模具材料的方法有根本的了解．在當前的模具中，僅僅改變一些材料的性能是不能得到一個合理的結果的。同樣，使用傳統(tǒng)方法 的時候，實際生產的零件也會有出先次品。因此，研究出一個快速成型過程，材料和注塑模具之間的互動關系是非?；鸺钡?。這樣就可以確定模具設計標準和快速模具的注塑的技術。 此外，計算機模擬是一種預測模塑件的質量的有效的方法。目前，商用仿真軟件包已經成為模具設計師和工藝工程師在注塑過程中例行性的工具。不幸的是，目前常規(guī)注塑成型的模擬程序已經不再適用于這個快速成型模具，因為它極大的需要不同的刀具材料。例如，利用現(xiàn)在的仿真軟件在鋁和立體光照模具之間做個實驗比較一下，雖然鋁模具模擬植的部分失真是合理的，但是結果是不可以接 受的，因為誤差超過了百分之五十。在注塑成型中，失真主要是由于塑料零件的收縮和翹曲，模具也是一樣的。對于通常模具，失真的主要因素是塑料件的收縮和翹曲，這個在目前的模擬中能測試準確。但是對于快速成型模具，潛在的失真會更多，在當前的測試中，其中就會有些失真會被忽視。例如，用一個簡單的三步驟模擬分析模具變形的時候，就會出現(xiàn)很多偏差。 在本文中，基于以上分析，一個新的快速成型模具的仿真系統(tǒng)已經開發(fā)出來了。擬議制度著重于預測部分失真，主要是用與預測快速成型模具的缺陷。先進的仿真系統(tǒng)可以用于預測快速成型模具設計和工藝 是否最合理。我們的仿真系統(tǒng)已經被我們的實驗證明是沒有錯誤的。 雖然有很多材料可以用于快速成型技術，但是我們還是專注于利用立體光照模具的技術來制造聚合物模具．立體光照成型的過程是利用激光能量一層一層建立零件的部分。使用立體光照則可以體現(xiàn)出雙方在快速成型工業(yè)的商業(yè)優(yōu)勢，而且在以后也可以生產出準確的，高品質的零部件。直到最近，立體光照主要是用于建立物理模型，為了檢查視覺效果，僅僅只利用了它的一點點功能。不過，新一代的立體光照的光改善了立體化，機械性能，熱學性能，所以它可以更好的應用于實際的模具中。 1 模具 在工業(yè)生產中的地位 模具是大批量生產同形產品的工具，是工業(yè)生產的主要工藝裝備。 采用模具生產零部件，具有生產效率高、質量好、成本低、節(jié)約能源和原材料等一系列優(yōu)點， 用模具生產制件所具備的高精度、高復雜程度、高一致性、高生產率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比擬的。 已成為當代工業(yè)生產的重要手段和工藝發(fā)展方向?，F(xiàn)代經濟的基礎工業(yè)。現(xiàn)代工業(yè)品的發(fā)展和技術水平的提高，很大程度上取決于模具工業(yè)的發(fā)展水平，因此模具工業(yè)對國民經濟和社會發(fā)展將起越來越大的作用。 1989年 3 月國務院頒布的《關于當前產業(yè)政策要點的決定》中，把 模具列為機械工業(yè)技術改造序列的第一位、生產和基本建設序列的第二位 (僅次于大型發(fā)電設備及相應的輸變電設備 )，確立模具工業(yè)在國民經濟中的重要地位。 1997 年以來，又相繼把模具及其加工技術和設備列入了《當前國家重點鼓勵發(fā)展的產業(yè)、產品和技術目錄》和《鼓勵外商投資產業(yè)目錄》。經國務院批準，從 1997 年到 2000 年，對 80 多家國有專業(yè)模具廠實行增值稅返還 70%的優(yōu)惠政策，以扶植模具工業(yè)的發(fā)展。所有這些，都充分體現(xiàn)了國務院和國家有關部門對發(fā)展模具工業(yè)的重視和支持。目前全世界模具年產值約為 600 億美元，日、美等工業(yè)發(fā)達國 家的模具工業(yè)產值已超過機床工業(yè)，從 1997 年開始，我國模具工業(yè)產值也超過了機床工業(yè)產值。 據統(tǒng)計，在家電、玩具等輕工行業(yè)，近 90％的零件是綜筷具生產的；在飛機、汽車、農機和無線電行業(yè)，這個比例也超過 60％。例如飛機制造業(yè)，某型戰(zhàn)斗機模具使用量超過三萬套，其中主機八千套、發(fā)動機二千套、輔機二萬套。從產值看， 80 年代以來，美、日等工業(yè)發(fā)達國家模具行業(yè)的產值已超過機床行業(yè)，并又有繼續(xù)增長的趨勢。據國際生產技術協(xié)會預測，到 2000 年，產品盡件粗加工的 75%、精加工的 50％將由模具完成；金屬、塑料、陶瓷、橡膠、建材等 工業(yè)制品大部分將由模具完成， 50％以上的金屬板材、80％以上的塑料都特通過模具轉化成制品。 2 模具的歷史發(fā)展 模具的出現(xiàn)可以追溯到幾千年前的陶器和青銅器鑄造，但其大規(guī)模使用卻是隨著現(xiàn)代工業(yè)的掘起而發(fā)展起來的。 19 世紀，隨著軍火工業(yè) (槍炮的彈殼 )、鐘表工業(yè)、無線電工業(yè)的發(fā)展，沖模得到廣泛使用。二次大戰(zhàn)后，隨著世界經濟的飛速發(fā)展，它又成了大量生產家用電器、汽車、電子儀器、照相機、鐘表等零件的最佳方式。從世界范圍看，當時美國的沖壓技術走在前列 ——許多模具先進技術，如簡易模具、高效率模具、高壽命模具和沖壓自動 化技術，大多起源于美國；而瑞士的精沖、德國的冷擠壓技術，蘇聯(lián)對塑性加工的研究也處于世界先進行列。 50 年代，模具行業(yè)工作重點是根據訂戶的要求，制作能滿足產品要求的模具。模具設計多憑經驗，參考已有圖紙和感性認識，對所設計模具零件的機能缺乏真切了解。從 1955 年到 1965 年，是壓力加工的探索和開發(fā)時代 ——對模具主要零部件的機能和受力狀態(tài)進行了數學分橋，并把這些知識不斷應用于現(xiàn)場實際，使得沖壓技術在各方面有飛躍的發(fā)展。其結果是歸納出模具設計原則，并使得壓力機械、沖壓材料、加工方法、梅具結構、模具材料、模具制造方法、 自動化裝置等領域面貌一新，并向實用化的方向推進，從而使沖壓加工從儀能生產優(yōu)良產品的第一階段。 進入 70 年代向高速化、啟動化、精密化、安全化發(fā)展的第二階段。在這個過程中不斷涌現(xiàn)各種高效率、商壽命、高精度助多功能自動校具。其代表是多達別多個工位的級進模和十幾個工位的多工位傳遞模。在此基礎上又發(fā)展出既有連續(xù)沖壓工位又有多滑塊成形工位的壓力機 —彎曲機。在此期間，日本站到了世界最前列 ——其模具加工精度進入了微米級，模具壽命，合金工具鋼制造的模具達到了幾千萬次，硬質合金鋼制造的模具達到了幾億次 p 每分鐘沖壓次數，小型壓力 機通常為 200 至 300 次，最高為 1200次至 1500 次。在此期間，為了適應產品更新快、用期短 (如汽車改型、玩具翻新等 )的需要，各種經濟型模具，如鋅落合金模具、聚氨酯橡膠模具、鋼皮沖模等也得到了很大發(fā)展。 從 70 年代中期至今可以說是計算機輔助設計、輔助制造技術不斷發(fā)展的時代。隨著模具加工精度與復雜性不斷提高，生產周期不斷加快，模具業(yè)對設備和人員素質的要求也不斷提高。依靠普通加工設備，憑經驗和手藝越來越不能滿足模具生產的需要。 90年代以來，機械技術和電子技術緊密結合，發(fā)展了 床，如數控線切割機床、數控電火花 機床、數控銑床、數控坐標磨床等。而采用電子計算機自動編程、控制的 年來又發(fā)展出由一臺計算機以分時的方式直接管理和控制一群數控機床的 統(tǒng)。 隨著計算機技術的發(fā)展，計算機也逐步進入模具生產的各個領域，包括設計、制造、管理等。國際生產研究協(xié)會預測，到 2000 年，作為設計和制造之間聯(lián)系手段的圖紙將失去其主要作用。模具自動設計的最根本點是必須確立模具零件標準及設計標準。要擺脫過去以人的思考判斷和實際經驗為中心所組成的設計方法，就必須把過去的經驗和思考方法，進行系列化、數 值化、數式化，作為設計準則儲存到計算機中。因為模具構成元件也干差萬別，要搞出一個能適應各種零件的設計軟件幾乎不可能。但是有些產品的零件形狀變化不大，模具結構有一定的規(guī)律，放可總結歸納，為自動設計提供軟件。如日本某公司的 統(tǒng)用于級進模設計與制造，其中包括零件圖形輸入、毛坯展開、條料排樣、確定模板尺寸和標準、繪制裝配圖和零件圖、輸出 序 (為數控加工中心和線切割編程 )等，所用時間由手工的 20%、工時減少到 35 小時；從 80 年代初日本就將三維的 統(tǒng)用于汽車覆蓋件模具。目前，在實體件的掃描輸入， 圖線和數據輸入，幾何造形、顯示、繪圖、標注以及對數據的自動編程，產生效控機床控制系統(tǒng)的后置處理文件等方面已達到較高水平；計算機仿真 (術也取得了一定成果。在高層次上， 成的，即數據是統(tǒng)一的，可以互相直接傳輸信息．實現(xiàn)網絡化。目前．國外僅有少數廠家能夠做到。 3 我國模具工業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 由于歷史原因形成的封閉式、 ―大而全 ‖的企業(yè)特征，我國大部分企業(yè)均設有模具車間，處于本廠的配套地位，自 70 年代末才有了模具工業(yè)化和生產專業(yè)化這個概念。生產效率不高，經濟效益較差。模具行業(yè)的生產小 而散亂，跨行業(yè)、投資密集，專業(yè)化、商品化和技術管理水平都比較低。 據不完全統(tǒng)計，全國現(xiàn)有模具專業(yè)生產廠、產品廠配套的模具車間（分廠）近 17000家，約 60 萬從業(yè)人員，年模具總產值達 200 億元人民幣。但是，我國模具工業(yè)現(xiàn)有能力只能滿足需求量的 60％左右，還不能適應國民經濟發(fā)展的需要。目前，國內需要的大型、精密、復雜和長壽命的模具還主要依靠進口。據海關統(tǒng)計， 1997 美元，這還不包括隨設備一起進口的模具； 1997 年出口模具僅為 7800 萬美元。目前我國模具工業(yè)的技術水平和制造能力，是我國國民經 濟建設中的薄弱環(huán)節(jié)和制約經濟持續(xù)發(fā)展的瓶頸。 具工業(yè)產品結構的現(xiàn)狀 按照中國模具工業(yè)協(xié)會的劃分，我國模具基本分為 10 大類，其中，沖壓模和塑料成型模兩大類占主要部分。按產值計算，目前我國沖壓模占 50％左右，塑料成形模約占20％，拉絲模（工具）約占 10％，而世界上發(fā)達工業(yè)國家和地區(qū)的塑料成形模比例一般占全部模具產值的 40％以上。 我國沖壓模大多為簡單模、單工序模和符合模等，精沖模，精密多工位級進模還為數不多，模具平均壽命不足 100 萬次，模具最高壽命達到 1 億次以上，精度達到 3～ 5 50 個以上的級進 工位，與國際上最高模具壽命 6 億次，平均模具壽命 5000 萬次相比，處于 80 年代中期國際先進水平。 我國的塑料成形模具設計，制作技術起步較晚，整體水平還較低。目前單型腔，簡單型腔的模具達 70％以上，仍占主導地位。一模多腔精密復雜的塑料注射模，多色塑料注射模已經能初步設計和制造。模具平均壽命約為 80 萬次左右，主要差距是模具零件變形大、溢邊毛刺大、表面質量差、模具型腔沖蝕和腐蝕嚴重、模具排氣不暢和型腔易損等，注射模精度已達到 5高壽命已突破 2000 萬次，型腔數量已超過 100腔，達到了 80 年代中期至 90 年代 初期的國際先進水平。 具工業(yè)技術結構現(xiàn)狀 我國模具工業(yè)目前技術水平參差不齊，懸殊較大。從總體上來講，與發(fā)達工業(yè)國家及港臺地區(qū)先進水平相比，還有較大的差距。 在采用 技術設計與制造模具方面，無論是應用的廣泛性，還是技術水平上都存在很大的差距。在應用 術設計模具方面，僅有約 10%的模具在設計中采用了 拋開繪圖板還有漫長的一段路要走；在應用 行模具方案設計和分析計算方面，也才剛剛起步，大多還處于試用和動畫游戲階段；在應用術制造模具方面，一 是缺乏先進適用的制造裝備，二是現(xiàn)有的工藝設備（包括近 10 多年來引進的先進設備）或因計算機制式（ 機及其兼容機、 作站等）不同，或因字節(jié)差異、運算速度差異、抗電磁干擾能力差異等，聯(lián)網率較低，只有 5%左右的模具制造設備近年來才開展這項工作；在應用 術進行工藝規(guī)劃方面，基本上處于空白狀態(tài)，需要進行大量的標準化基礎工作；在模具共性工藝技術，如模具快速成型技術、拋光技術、電鑄成型技術、表面處理技術等方面的 術應用在我國才剛起步。計算機輔助技術的軟件開發(fā)，尚處于較低水平，需要知識和經驗的 積累。我國大部分模具廠、車間的模具加工設備陳舊，在役期長、精度差、效率低，至今仍在使用普通的鍛、車、銑、刨、鉆、磨設備加工模具，熱處理加工仍在使用鹽浴、箱式爐，操作憑工人的經驗，設備簡陋，能耗高。設備更新速度緩慢，技術改造，技術進步力度不大。雖然近年來也引進了不少先進的模具加工設備，但過于分散，或不配套，利用率一般僅有 25%左右，設備的一些先進功能也未能得到充分發(fā)揮。 缺乏技術素質較高的模具設計、制造工藝技術人員和技術工人，尤其缺乏知識面寬、知識結構層次高的復合型人才。中國模具行業(yè)中的技術人員，只占從業(yè)人員 的 8%~12%左右，且技術人員和技術工人的總體技術水平也較低。 1980 年以前從業(yè)的技術人員和技術工人知識老化，知識結構不能適應現(xiàn)在的需要；而 80 年代以后從業(yè)的人員，專業(yè)知識、經驗匱乏，動手能力差，不安心，不愿學技術。近年來人才外流不僅造成人才數量與素質水平下降，而且人才結構也出現(xiàn)了新的斷層，青黃不接，使得模具設計、制造的技術水平難以提高。 具工業(yè)配套材料，標準件結構現(xiàn)狀 近 10 多年來，特別是 ―八五 ‖以來，國家有關部委已多次組織有關材料研究所、大專院校和鋼鐵企業(yè)，研究和開發(fā)模具專用系列鋼種、模具專用 硬質合金及其他模具加工的專用工具、輔助材料等，并有所推廣。但因材料的質量不夠穩(wěn)定，缺乏必要的試驗條件和試驗數據，規(guī)格品種較少，大型模具和特種模具所需的鋼材及規(guī)格還有缺口。在鋼材供應上，解決用戶的零星用量與鋼廠的批量生產的供需矛盾，尚未得到有效的解決。另外，國外模具鋼材近年來相繼在國內建立了銷售網點，但因渠道不暢、技術服務支撐薄弱及價格偏高、外匯結算制度等因素的影響，目前推廣應用不多。 模具加工的輔助材料和專用技術近年來雖有所推廣應用，但未形成成熟的生產技術，大多仍還處于試驗摸索階段，如模具表面涂層技術、模具 表面熱處理技術、模具導向副潤滑技術、模具型腔傳感技術及潤滑技術、模具去應力技術、模具抗疲勞及防腐技術等尚未完全形成生產力，走向商品化。一些關鍵、重要的技術也還缺少知識產權的保護。 我國的模具標準件生產， 80 年代初才形成小規(guī)模生產，模具標準化程度及標準件的使用覆蓋面約占 20%，從市場上能配到的也只有約 30 個品種，且僅限于中小規(guī)格。標準凸凹模、熱流道元件等剛剛開始供應，模架及零件生產供應渠道不暢，精度和質量也較差。 具工業(yè)產業(yè)組織結構現(xiàn)狀 我國的模具工業(yè)相對較落后，至今仍不能稱其為一個獨立的行業(yè)。我國 目前的模具生產企業(yè)可劃分為四大類：專業(yè)模具廠，專業(yè)生產外供模具；產品廠的模具分廠或車間，以供給本產品廠所需的模具為主要任務；三資企業(yè)的模具分廠，其組織模式與專業(yè)模具廠相類似，以小而專為主；鄉(xiāng)鎮(zhèn)模具企業(yè)，與專業(yè)模具廠相類似。其中以第一類數量最多，模具產量約占總產量的 70%以上。我國的模具行業(yè)管理體制分散。目前有 19 個大行業(yè)部門制造和使用模具，沒有統(tǒng)一管理的部門。僅靠中國模具工業(yè)協(xié)會統(tǒng)籌規(guī)劃，集中攻關，跨行業(yè)，跨部門管理困難很多。 模具適宜于中小型企業(yè)組織生產，而我國技術改造投資向大中型企業(yè)傾斜時，中小型模具企 業(yè)的投資得不到保證。包括產品廠的模具車間、分廠在內，技術改造后不能很快收回其投資，甚至負債累累，影響發(fā)展。 雖然大多數產品廠的模具車間、分廠技術力量強，設備條件較好，生產的模具水平也較高，但設備利用率低。 我國模具價格長期以來同其價值不協(xié)調，造成模具行業(yè) ―自身經濟效益小，社會效益大 ‖的現(xiàn)象。 ―干模具的不如干模具標準件的，干標準件的不如干模具帶件生產的。干帶件生產的不如用模具加工產品的 ‖之類不正常現(xiàn)象存在。 4 模具的發(fā)展趨勢 具 向集成化、三維化、智能化和網絡化方向發(fā)展 （ 1）模具軟件功能集成化 模具軟件功能的集成化要求軟件的功能模塊比較齊全，同時各功能模塊采用同一數據模型，以實現(xiàn)信息的綜合管理與共享，從而支持模具設計、制造、裝配、檢驗、測試及生產管理的全過程，達到實現(xiàn)最佳效益的目的。如英國 實體幾何造型、復雜形體工程制圖、工業(yè)設計高級渲染、塑料模設計專家系統(tǒng)、復雜形體 術造型及雕刻自動編程系統(tǒng)、逆向工程系統(tǒng)及復雜形體在線測量系統(tǒng)等。集成化程度較高的軟件還包括： 。國內有上海交通大學金屬塑 性成型有限元分析系統(tǒng)和沖裁模 統(tǒng)；北京北航海爾軟件有限公司的 林金網格模具工程研究中心的沖壓模 （ 2）模具設計、分析及制造的三維化 傳統(tǒng)的二維模具結構設計已越來越不適應現(xiàn)代化生產和集成化技術要求。模具設計、分析、制造的三維化、無紙化要求新一代模具軟件以立體的、直觀的感覺來設計模具，所采用的三維數字化模型能方便地用于產品結構的 析、模具可制造性評價和數控加工、成形過程模擬及信息的管理與共享。如 軟件具 備參數化、基于特征、全相關等特點，從而使模具并行工程成為可能。另外，司的 司的 日立造船的 是3D 專業(yè)注塑模設計軟件，可進行交互式 3D 型腔、型芯設計、模架配置及典型結構設計。澳大利亞 司的三維真實感流動模擬軟件 經受到用戶廣泛的好評和應用。國內有華中理工大學研制的同類軟件 鄭州工業(yè)大學的件。面向制造、基于知識的智能化功能是衡量模具軟件先進性 和實用性的重要標志之一。如 司的注塑模專家軟件能根據脫模方向自動產生分型線和分型面，生成與制品相對應的型芯和型腔，實現(xiàn)模架零件的全相關，自動產生材料明細表和供 工的鉆孔表格，并能進行智能化加工參數設定、加工結果校驗等。 （ 3）模具軟件應用的網絡化趨勢 隨著模具在企業(yè)競爭、合作、生產和管理等方面的全球化、國際化，以及計算機軟硬件技術的迅速發(fā)展，網絡使得在模具行業(yè)應用虛擬設計、敏捷制造技術既有必要，也有可能。美國在其《 21 世紀制造企業(yè)戰(zhàn)略》中指出，到 2006 年要實現(xiàn)汽車工業(yè)敏捷生產 /虛擬工程 方案，使汽車開發(fā)周期從 40 個月縮短到 4 個月。 具檢測、加工設備向精密、高效和多功能方向發(fā)展 （ 1）模具檢測設備的日益精密、高效 精密、復雜、大型模具的發(fā)展，對檢測設備的要求越來越高?，F(xiàn)在精密模具的精度已達 2～ 3μm，目前國內廠家使用較多的有意大利、美國、日本等國的高精度三坐標測量機，并具有數字化掃描功能。如東風汽車模具廠不僅擁有意大利產 3250250擁有數碼攝影光學掃描儀，率先在國內采用數碼攝影、光學掃描作為空間三維信息的獲得手段，從而實現(xiàn)了從測量實物 → 建立數學模型 → 輸 出工程圖紙 → 模具制造全過程，成功實現(xiàn)了逆向工程技術的開發(fā)和應用。這方面的設備還包括：英國雷尼紹公司第二代高速掃描儀 (實現(xiàn)激光測頭和接觸式測頭優(yōu)勢互補，激光掃描精度為 觸式測頭掃描精度達 外德國 司的攜式掃描儀，日本羅蘭公司的 式掃描儀和英國泰勒 ·霍普森公司 傳感三維掃描儀分別具有高速化、廉價化和功能復合化等特點。 （ 2）數控電火花加工機床 日本沙迪克公司采用直線電機伺服驅動的 有驅動反應快、傳動及定位精度高、熱變形小等優(yōu)點。瑞士夏米爾公司的 有 適應控制、 量控制及自動編程專家系統(tǒng)。另外有些 采用了混粉加工工藝、微精加工脈沖電源及模糊控制 (技術。 （ 3）高速銑削機床 (銑削加工是型腔模具加工的重要手段。而高速銑削具有工件溫升低、切削力小、加工平穩(wěn)、加工質量好、加工效率高 (為普通銑削加工的 5～ 10 倍 )及可加工硬材料 (<60諸多優(yōu)點。因而在模具加工中日益受到重視。瑞士克朗公司 五軸聯(lián)動加 工中心，其機床定位精度可達 8μm，自制的具有矢量閉環(huán)控制電主軸，最大轉速為42000r/大利 司的高速銑床，其加工范圍達2500000800速達 20500r/削進給速度達 20m/般主要用于大、中型模具加工，如汽車覆蓋件模具、壓鑄模、大型塑料等曲面加工，其曲面加工精度可達 速經濟制模技術 縮短產品開發(fā)周期是贏得市場競爭的有效手段之一。與傳統(tǒng)模具加工技術相比，快速經濟制模技術具有制模周期短、成本較低的特點，精度和 壽命又能滿足生產需求，是綜合經濟效益比較顯著的模具制造技術，具體主要有以下一些技術。 (1)快速原型制造技術 (它包括激光立體光刻技術 (；疊層輪廓制造技術(；激光粉末選區(qū)燒結成形技術 (；熔融沉積成形技術 (和三維印刷成形技術 (3。 (2)表面成形制模技術。它是指利用噴涂、電鑄和化學腐蝕等新的工藝方法形成型腔表面及精細花紋的一種工藝技術。 (3)澆鑄成形制模技術。主要有鉍錫合金制模技術、鋅基合金制模技術、樹脂復合成形模具技術及硅橡膠制模技術等。 (4)冷擠壓及超塑成形制 模技術。 (5)無模多點成形技術。 (6)帶沖裁落料制模技術。 (7)模具毛坯快速制造技術。主要有干砂實型鑄造、負壓實型鑄造、樹脂砂實型鑄造及失蠟精鑄等技術。 (8)其他方面技術。如采用氮氣彈簧壓邊、卸料、快速換模技術、沖壓單元組合技術、刃口堆焊技術及實型鑄造沖模刃口鑲塊技術等。 具材料及表面處理技術發(fā)展迅速 模具工業(yè)要上水平，材料應用是關鍵。因選材和用材不當，致使模具過早失效，大約占失效模具的 45%以上。在模具材料方面，常用冷作模具鋼有 6焰 淬火鋼 (如日本的 ；常用新型熱作模具鋼有美國 典 ；常用塑料模具用鋼有預硬鋼 (如美國 時效硬化型鋼 (如美國 本 )、熱處理硬化型鋼 (如美國 本 典一勝白 136 等 )、粉末模具鋼 (如日本 ；覆蓋件拉延模常用 鐵等，大型模架用 工位精密沖模常采用鋼結硬質合金及硬質合金 。在模具 表面處理方面，其主要趨勢是：由滲入單一元素向多元素共滲、復合滲 (如 )發(fā)展；由一般擴散向 子滲入、離子注入等方向發(fā)展；可采用的鍍膜有： ，同時熱處理手段由大氣熱處理向真空熱處理發(fā)展。另外，目前對激光強化、輝光離子氮化技術及電鍍 (刷鍍 )防腐強化等技術也日益受到重視。 具工業(yè)新工藝、新理念和新模式逐步得到了認同 在成形工藝方面，主要有沖壓模具功能復合化、超塑性成形、塑性精密成形技術、塑料模氣體輔助注射技術及熱 流道技術、高壓注射成形技術等。另一方面，隨著先進制造技術的不斷發(fā)展和模具行業(yè)整體水平的提高，在模具行業(yè)出現(xiàn)了一些新的設計、生產、管理理念與模式。具體主要有：適應模具單件生產特點的柔性制造技術；創(chuàng)造最佳管理和效益的團隊精神，精益生產；提高快速應變能力的并行工程、虛擬制造及全球敏捷制造、網絡制造等新的生產哲理；廣泛采用標準件通用件的分工協(xié)作生產模式；適應可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保要求的綠色設計與制造等。 5 綜合仿真的成型過程 法 為了在注塑成型過程中模擬立體光照模具的功能，反復的試驗中得到了一個方法。不同的軟件組已經開發(fā)出來了，而且也已經做到了這一點。主要的假設是，溫度和負載邊界條件造成立體光照模具的扭曲，仿真步驟如下： １部分幾何模型則作為一個實體模型，這將通過流量分析軟件包被翻譯到一個文件中。 ２模擬光聚合物模具中熔融體填充的過程，然后輸出溫度和壓力的資料。 ３在前一步獲得了熱負荷和邊界條件，然后對光模具進行結構分析，其中失真的計算是在該注塑過程中進行的。 ４如果模具的扭曲收斂了，那么直接進行下一步．否則，扭曲的型腔（改動扭曲后的型腔的尺寸）返回第二個步驟，以熔體形式模擬注入扭曲的模具中 。 ５然后注射成型零件的收縮和翹曲模擬就開始應用了，算出該成型零件最終的扭曲部分． 上述的模擬流動中，基本上是三個仿真模塊。 型模擬的熔體 字建模 計算機仿真技術已經能成功的預測到在極其復雜的幾何形狀下的填充情況 。 然而，目前大多數字模擬是基于一種混合有限元和有限差的中性平面上的 。 模擬軟件包的應用過程基于這一模型說明圖１ 。 然而，不同與ＣＡＤ系統(tǒng)中模具設計中的表面／實體模型，這里所謂的中性平面（如圖所示，圖１Ｂ）是一個假想的在中間型腔中有距離和方向的一個平面，這個平面可能會在 應用的過程中帶來很大的不便 。 舉例來說，模具表面常用于目前的快速成型系統(tǒng)中（通常是ＳＴＬ格式），所以當用模擬軟件包的時候，第二次建模是不可避免的 。 那是因為模型在快速成型系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)中是不一樣的 。 考慮到這些缺點，在模擬系統(tǒng)中，型腔的表面將以基準面來引入 ， 而不是中性平面 。 根據以往的調查，流量和溫度場的方程式可以寫為： X,Y 是中性平面坐標系中的兩個平面，Ｚ是高度坐標，Ｕ，Ｖ，Ｗ是Ｘ，Ｙ，Ｚ方向上的速度．Ｕ，Ｖ是整體的平均厚度，η , ρ ,T), K(T)分別表示聚合物的粘性，密度，周期熱，熱導率 。 圖１ Ａ－Ｄ是中性平面的模擬程序．Ａ是３維表面模型，Ｂ是中性平面模型，Ｃ是網狀的平面模型，Ｄ是最后的模擬結果 此外，在高度方向上的邊界條件的誤差可以表示為： 正如圖２中的Ａ中表示， 恒壁溫度 和方程５－６，表明了 u, v, T, P 在Ｚ坐標上面應該是對稱的，因此在上半個高度中的平均 u, v 應該和整個高度中的平均 u, v 是一樣的。根據這個特點，我們可以把整個型腔在上下高度上分為兩個部分，正如圖２Ｂ中的第一部分和第二部分。同時，型腔（如圖２ Ｂ ）表面產生的三角有限元將替代了中性 平面（如圖２Ａ）。因此，在高度方向上的有限元誤差僅僅限于型腔表面，正如圖２Ｂ所示，高度上的誤差將從０到Ｂ。這是中性平面上的單一性。此外，從圖２Ａ到圖２Ｂ，坐標也隨之改變了。為了配合上述調整，方程仍是用方程１－４。然而，原來的邊界條件高度方向則改寫為： 與此同時，為了保持在同一坐標（７）上的兩部分能夠流動，那么更多的邊界條件必須滿足Ｚ＝Ｂ 。 下標 I 和 分別代表第一部分和第二部分的參數． 表示在填充階段中分開的兩個表面上的自由移動的熔融線 。 應該指出的是，方程９與１０和方程７ 與８不同，９和１０在數字模擬過程中將變的更難，主要原因是以下幾點： １ )同一個斷層的表面都已經都已經有著特殊的網格，這將導致同一層上的獨特的格局．因此，在比較兩個熔接口的時候，應該計算出各自的 u, v, T, P。 ２ )因為兩個部分都有各自的流道通向節(jié)點Ａ和節(jié)點Ｃ（如圖２Ｂ所示）．在同一段中，有可能兩個都充滿，也有可能一個滿，一個空．這兩個情況應該分開處理，應該平均流動，使后者也分配到流動 。 ３ )這意味著在前線熔合處出現(xiàn)一點點小的誤差是可以允許的．通過控制時間和選擇更好的位置來控制前線熔合節(jié)點 。 ４ )每個流 場的邊界都擴張到熔線前線，所以核查方程１０是否準確是相當重要的 。 ５ )鑒于上述分析，在同一個節(jié)點處的物理參數應該加以比較和調整 。 所以在進行模擬之前，描述同一節(jié)點有限元的信息應該準備好，也就是說匹配的原理應該先預備好 。 圖２ Ａ－Ｂ表明表面模型中的中性平面Ｂ的高度方向Ａ上的邊界條件 字模擬 壓力場．在建模中，粘度 η是由于熔提的剪切速率，溫度和壓力引起的性能．剪切變稀后，這就代表一個跨越式的模式，例如： 其中對應于冪律指數， τ的特點是在在牛頓和冪律漸近極限之間的剪應力過渡區(qū)。無論在溫度還 是壓力指數上， η0(T, P)都可以有合理的表示，詳情如下： 方程 11和 12構成了一個五個常數，可以代表粘度，而且通過粘度的剪切速率的計算可以得到： 根據上述情況，通過方程 1— 4，我們可以推斷出一下充氣壓力方程： 其中 算出來的。運用伽遼金方法，對壓力的有限元方程推導為： 其中 括節(jié)點 N，而且其中 i和 節(jié)點的數目 ，的計算方法如下： 其中 代表三角有限元 ，而 代表有限元中的壓力。 溫度場中，為了確定高度方向上的誤差，應該在模具表面上分為一層一層的 三角有限元的網格。左邊的能量方程 4可以表示為： 其中 代表每一層 傳導的計算方法是： 其中 括節(jié)點 N，而且 i和 節(jié)點個數。 對流項的計算方法是： 當是粘性熱時，計算方法是： 把方程 17— 20帶入方程 4，溫度方程變?yōu)椋? 具結構分析 結構分析的目的是預測在填充過程中，模具由于熱和機械壓力而產生的變形。這個模型是基于一個三維熱邊界元法。邊界元法是比較適合這個應用的，因為只有變形的模具表面才有這樣的信息。此外，邊界元法有一個優(yōu)點，那就是在計 算變形的模具的時候，它的計算是不會白費的。 模具在所受載荷超過彈性范圍的時候會產生應力。因此，在決定模具變形的時候，模具材料是一個基準。模具的熱性能和力學性能是各向同性的，而且溫度也是獨立的。 盡管這個過程是循環(huán)的，但是相同時間的溫度和熱流都是可以用于計算模具變形的．通常情況下，在模具里面每個瞬間溫度都局限于型腔的表面和噴嘴的頂端 。 在觀察距離的時候，瞬間的衰減變化是很微笑的，小于２．５毫米．這說明在模具的噴嘴處的變形是很小的，因此，忽略這個影響也是合理的．穩(wěn)態(tài)溫度場滿足拉普拉斯方程 ? 2T = 0的邊界條件 。 至于機械邊界條件，型腔表面受到熔體的壓力，模具的表面會連接到工作臺上的，而其他的外部表面將會假設是自由的 是由于： 其中 引力和溫度 。 α, ν是代表材料的膨脹系數和 泊松比 。 在一個三維空間中，各向同性彈性區(qū)域中，由一個單元產生的負荷主要集中在 是以下面的形式產生的： 其中 δ 是該模具材料的剪切模量。 以表示為 ： 整個Ｎ將分散在模具的表面上，轉變?yōu)榉匠蹋玻玻? 其中 Γ 把恰當的線性函數代入方程２５，得到的線性邊界方程就是模具的方程．這個方程適用于每個離散的模具表面，從而組合成線性方程組，其中Ｎ是節(jié)點的總數。每個節(jié)點有八個相關數量，三個位移組成部分，三個牽引組成部分，還有溫度和熱流量。在穩(wěn)態(tài)熱模型中，每個節(jié)點處的溫度和磁場是已知的，余下的６個量中，三個必須是已知的。此外，在若干個節(jié)點處的位移值的方程必須消除剛體運動和剛體自轉的奇異系統(tǒng)。由此產生的系統(tǒng)方程式是一個集合起來的綜合矩陣 ，它可以為有限元方法求解。 基于方程１２的注塑假設，下面將給出元件的應力和應變： 該偏元件的應力和應變分別是： 用類似的方法可以預測在回火玻璃中的殘余應力了。以積分的形式在平面上分析粘性和彈性結構關系時，可以表示為以下公式： 其中 張的應變的情況如下： 其中Ｋ是材料體積的彈性模量， α和 θ的定義是： 如果 α(t) = α0，那么方程２７到方程２９的結果則為： 同樣的，利用方程３１到方程２８消除應變 εxx(z, t)，得到： 利用拉普拉斯變化方程３２，輔助系數 R(ξ )由下面的方程得出： 利用上述方程３３，并簡化在模具中的應力和應變的形式，那么注塑中殘余的應力在冷卻階段中，由下面的方程獲得： 方程３４可以通過梯形正交被解決。由于材料的時間在快速的變化，所以需要一個準數控程序來檢測。輔助模量是檢測數控梯形的規(guī)則。 關于翹曲分析，節(jié)點位移和曲率將以殼單元表達為： 其中 [ k ]單元剛度矩陣， [衍生算子矩陣， lf9xj1p是位移， { 負載單元，可以由下面的方程得出： 使用完整的三維有限元分析法的好處就是可以準確知道翹曲的結果。但是，當零件的形 狀很復雜的時候，它也是相當麻煩的。在本文中，在殼體理論基礎上介紹了一種二維有限元分析方法。這種方法被大量使用是因為大多數注塑模具的零件都有一些部分幾何的厚度遠遠小于其他部分。因此，那些部分則可以被作為一個集會的單元來預測翹曲。每三個節(jié)點殼單元組合成一個恒應變三角單元和一個離散克?；舴蛉窃鐖D３所示，因此翹曲可以分為平面伸展變形ＣＳＴ和板彎曲變形ＤＫＴ。并相應的以單元剛度矩陣來描述翹曲的拉伸剛度矩陣和彎曲剛度矩陣 。 圖３ 6 實驗驗證 對提出的模型進行了評定和發(fā)展，最后核查是非常重要的 。 從模型模擬中得到的扭曲數據將和文獻８中的立體光照模具數據比較 。 如圖４所示，有一個注塑尺寸 36 × 36 × 6毫米和實驗數據中是相同的 。 薄壁和加強筋的厚度都是 個注塑材料是聚丙烯 。 注塑機的型號是 的工藝參數是，熔解溫度是２５０度，模具溫度是３０度，注塑壓力是１３ 壓時間是３秒，冷卻時間是４８秒 。 立體光照模具材料使用杜邦 抵御高達 ３００度的高溫 。 如上所述，熱傳導是區(qū)分立體光照模具和傳統(tǒng)模具的一個重要因素 。 模具中的熱量轉移會產生溫度的不均勻分布，所以導致了成型零件的翹曲．立體光照成型模具的周期是可以預測的 。 以高的熱傳導率金屬為背面做的薄殼立體光照模具將會增加自身的熱傳導率 。 圖４ 模型腔 圖５ 不同的熱傳導率下，在Ｘ方向上的扭曲失真比較．實驗值，三步走和常規(guī)都是指最后的實驗結果．常規(guī)是指實驗中最好的結果．三步走步驟的模擬過程分別與傳統(tǒng)的注塑成型相似 圖６ 在不同的熱傳導率下，在Ｙ方向上的扭曲失真比較 圖７ 在不同熱 傳導率下，在Ｚ方向上扭曲失真比較 圖８ 不同熱傳導率下各個 捻度 變量的比較 對于這個部分，扭曲包括三個方向上的位移和捻度（兩個最初的平行邊的夾角的誤差）．如圖５到圖８，實驗結果表明，這些數值也包括通過傳統(tǒng)注塑模具模擬系統(tǒng)預測的扭曲值和報道［３］中的三步驟。 7 結論 本文介紹了一個綜合模擬的快速成型模具的方法，并且建立了相應的仿真系統(tǒng)。為了驗證這個系統(tǒng)，實驗還進行了快速焊接立體光照成型模具。 很明顯，立體光照模具也會出現(xiàn)傳統(tǒng)的注塑模具模擬軟件一樣的故障．假設由于注射中的溫度和負載荷引起了扭曲．那么用三 步驟完成的話，結果也會出現(xiàn)比較多的誤差。不過更先進的模型會使結果更接近與實驗。 立體光照模具改進了熱傳導率極大的增加了零件質量．由于溫度比壓力（負載）對模具的影響更大，所以改進立體光照模具的熱傳導率可以更顯著的提高零件質量。 無論零件多么復雜，快速成型技術可以使人們造型更快，更便捷，更便宜．在快速成型穩(wěn)步發(fā)展的基礎上，快速制造也將隨之而來，并且需要更多的精確工具來確定工藝過程的參數．現(xiàn)行的模擬工具不能滿足研究者研究模具相對的變化。正如本文中所述，對于一個綜合模型來說，要預測最后零件質量是相當重要的。在不久的 將來，我們期待看到通過快速成型擴展到快速模具制造的模擬程序。 參考文獻 [1] K (1980) to 4(1):75–93. 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