骨架注塑模具設計【缺口型】【一模兩腔】【一模四腔】【線圈花骨架】
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嘉興學院南湖學院外文文獻翻譯譯文
題 目： 拉鉤的冷沖模設計
系 別： 機電工程系 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班 級： 機械N061 學 號： 2006456790601
學生姓名： 潘曉慧
二、翻譯文章
注塑模的參數(shù)控制型腔布局設計系統(tǒng)
M. L. H. Low and K. S. Lee
機械工程系，新加坡大學，新加坡
如今，塑料產(chǎn)品的上市時間變的越來越短，因此，制造注塑模的可用交貨時間也變的少了。在模具的設計階段有個省時的潛在方法，因為由于每個模具設計可以是標準化的，所以一個設計程序可以被重復使用。本文提出了一種通過使用標準模版來控制幾何參數(shù)的方法來設計注塑模的型腔布局。標準模版的型腔布局設計包括可能布局的配置。每個布局設計的配置都有其特有的由所有幾何參數(shù)構成的布局設計表格。這個標準模版是預定義在合型設計的布局設計的級別時的。這樣就能夠確保要求的配置能夠被快速地輸入到模具裝配設計中，而不需要重新設計布局。這使得它在模具制造前產(chǎn)品設計師和模具設計師之間的技術討論上更有用。在討論時直接改變3D型腔的布局設計，這樣可以節(jié)省時間和避免錯誤傳達。型腔設計的標準模版便于各個模具制造公司依照顧客具體要求而制造他們各自的規(guī)格。
關鍵詞：型腔布局設計；幾何參數(shù)；合型；注塑模設計；標準模板
1．簡介
注塑法是在一個較好的公差范圍內(nèi)生產(chǎn)大量塑料零件的最簡單的方法。在注塑法中有兩個主要的要求。那就是注塑設備和注塑模。注塑制模機上有安裝好的模具并且提供有將熔融的塑料從機器中轉(zhuǎn)移到模具中的機械設，利用壓力應用程序來加緊模具來噴出成型的塑料部件。注塑模是將熔融的塑料轉(zhuǎn)變成最終具有詳細尺寸形狀的塑料部件的工具。如今，隨著塑料部件的上市時間變得越來越短，在一個更短的時間里生產(chǎn)注塑模變得更加必要。
注塑模具的設計及其相關的領域有很多工作都是依靠電腦技術來完成的。知識庫系統(tǒng)例如IMOLD[1.2]，IKMOULD[3]，ESMOLD[4]，臺灣[5]的國家程康大學[6]的知識庫系統(tǒng)，德雷塞爾大學的知識庫系統(tǒng)等都是注塑模具設計較發(fā)達的。如HyperQ/Plastic[7]，CIMP[8]，F(xiàn)IT[9]系統(tǒng)等,通過使用知識庫系統(tǒng)在挑選塑性材料方面有了發(fā)展。在注塑法[10-12]的分離設計技術上也同樣有所提高。
據(jù)觀察盡管模具制造公司仍在使用3D CAD軟件來進行模具設計，大量的時間都浪費在了仔細檢查每個項目的同一設計程序。在模具設計階段如果重復的設計程序能夠標準化進而避免了常規(guī)任務就能夠更好的節(jié)省時間。在合型方面一個有條理的樹形分層設計也同樣是個重要因素[13,14]。然而，在型腔的布局設計中有極少的工作是控制參數(shù)，這樣，這片領域?qū)⑹俏覀冎饕慕裹c。盡管在設計型腔的布局時有很多的方法[15,16]，模具設計師們更傾向于使用最常見的設計方法，這樣就有必要在型腔布局設計層面上制定標準。
本文介紹了基于標準模板通過控制參數(shù)來設計注塑模的型腔布局設計的方法。首先，必須確定一個有條理的樹形合型分層設計。其次，對標準配置和不標準配置之間不同型腔配置進行分類。在配置數(shù)據(jù)庫中將標準配置列表，并且每個配置有其自己的布局設計表來控制它自身的幾何參數(shù)。這個標準模板在模具合型設計的布局設計階段進行先驗。
圖1.前嵌入（型腔）和后嵌入（型芯）
2．注塑模的型腔布局設計
注塑模是將熔融的塑料轉(zhuǎn)變成最終具有詳細尺寸形狀的塑料部件的工具。這樣，一個模具的最后部分要包含有推出機構。大多數(shù)的模具由兩部分構成：動模板和定模板。在有些模具制造公司，動模板也被稱為凹模，定模板也被稱為凸模。 表一所示為動模板（凹模）和定模板（凸模）。熔融的塑性材料被注射進型腔中。熔融的塑性材料固化后就形成了部件。表二所示為一個簡單的兩板式注塑模。
圖2 單型腔合型
2.1單型腔和多型腔的區(qū)別
通常，熔融塑性材料所注入的空間被稱為型腔。型腔的排列被稱為型腔的布置。當模具包含有超過一個的型腔時被稱為多型腔模具。圖3（a）和圖2（b）所示為一個單型腔模具和一個多型腔模具。
單型腔模具通常用來制造大的直方的部件例如打印機的外殼和電視機的外殼。對于較小的部件如手機外殼和齒輪，一般更經(jīng)濟的用多型腔模具來生產(chǎn)，這樣每個模具周期能夠生產(chǎn)更多的部件。顧客通常決定型腔的數(shù)目，所以他們不得不平衡機器設備的費用和部件的費用。
2.2多型腔的布局
同時能生產(chǎn)不同產(chǎn)品的多型腔模具稱為一個系列模具。然而，它并不經(jīng)常用來設計有不同型腔的模具，因為型腔不一定能同時在同一個溫度下被熔融的塑性材料填充滿。
另一方面，一個多型腔模具在整個的模具周期中生產(chǎn)相同的產(chǎn)品會用到平衡布局和不平衡布局。平衡布局是指型腔能夠在相同的熔融條件下同時全部被填充滿[15,16]。當使用不平衡布局時可能會產(chǎn)生成型不完全的模具，但是可以通過修改分型面的澆流道（熔融塑性材料從澆口流到型腔的通道）的長度來克服。然而這不是一個高效的方法，在可能的情況下避免使用。圖4所示為由于使用不平衡布局而導致了成型不完全的情況。
平衡布局能更進一步的分為兩類：線形和環(huán)形。平衡線形布局適用于2、4、8、16、32等型腔，也就是說它遵循系列。平衡環(huán)形布局可以有3、4、5、6或者更多的型腔，但是由于空間限制在平衡環(huán)形布局的型腔布置上有數(shù)量的限制。圖5所示是討論過的多型腔布局。
3.設計方法
本章概況地介紹注塑模的高級參數(shù)控制型腔布局設計系統(tǒng)的設計方法。模具設計的有效工作方法包括將大量的組件和部件安排到設計樹的最合適的層次上。圖6所示為第一級的組件和部件在設計樹的合型層。設計樹的第二層向前直到第N層的合型層上的組件和部件將被組合。在這個系統(tǒng)中，重點是“型腔的布局設計”。
圖3（a）單型腔模具。（b）多型腔模具
圖4 不平衡布局而導致了成型不完全
3.1標準化程序
在模具設計過程中為節(jié)約時間，有必要鑒別通常使用的設計方法的特點。每個模具設計中重復使用的設計步驟可以被標準化。從圖7中可以看出在型腔布局設計的標準化程序中有兩個部分是互相影響的：零部件裝配的標準化和型腔布局配置的標準化。
圖5 多型腔布局
圖6 合型分層設計樹
圖7 在標準化程序中的相互關系
3.1.1零件裝配標準化
在型腔布局配置標準化前，有必要識別在型腔布局中在大量型腔中重復使用的零部件。表8所示為一個詳細的型腔布局設計的樹形層次設計結構圖。在樹形層次設計結構圖的第二層中主要的嵌入部件有大量在層次設計樹中第三層以前的被直接裝配的零部件。它們可以被看做是主要成分和次要成分。主要成分存在于每個模具設計中。次要成分取決于所生產(chǎn)的塑料部件，所以它們可能出現(xiàn)也可能不出現(xiàn)在模具設計中。
圖8詳細型腔布局設計的樹形層次設計結構圖
結果，將這些零部件直接放到主要嵌入部件下，確保每個重復使用的主要嵌入（型腔）將延續(xù)層次設計樹第三層以前的相同零部件的使用。這樣，就沒有必要重復設計在型腔布局中的每個型腔中的相同零部件了。
3.1.2型腔布局的結構標準化
有必要學習和將型腔布局標準化分類為標準化和非標準化。圖9所示為型腔布局結構的標準化程序。
圖9型腔布局結構的標準化程序。
一個型腔布局設計，可以被理解為或者是多腔布局或者是單腔布局，但是通常是顧客來決定這個。單型腔布局總是被認為有一個標準的配置。多型腔模具可以同時生產(chǎn)不同產(chǎn)品或者同時生產(chǎn)相同產(chǎn)品。一個模具同時生產(chǎn)不同產(chǎn)品被認為是同系列的模具，這是不常見的設計。這樣，一個多型腔系列模具就有一個非標準配置。
多型腔模具生產(chǎn)相同產(chǎn)品可以包含要么平衡布局設計要么非平衡布局設計。非平衡布局設計很少使用，結果它被認為是有一個非標準配置。然而，一個平衡布局設計也可以包含有一個線性布局設計或者是一個環(huán)形布局設計。這個取決于顧客要求的型腔的數(shù)目。這個必須注意，然而，布局設計也有其他非標準型腔數(shù)目也被分類在非標準配置中。
將這些布局設計分為標準化后，他們的詳細信息就可以列入標準模板中。在合型設計和支持所有的標準配置的型腔布局設計階段標準模板要進行先驗。這樣就能確保要求的配置能夠很快的載入到合型設計中而不用再次設計布局。
3.2標準化模板
從圖10中可以看出在標準模板中有兩部分：配置數(shù)據(jù)庫和部件設計表。配置數(shù)據(jù)庫包括有所有的標準布局配置，每個布局配置都有它自己的帶有幾何參數(shù)的布局設計表。由于模具制造工業(yè)有他們自己的標準，這樣配置數(shù)據(jù)庫可以根據(jù)顧客具體要求來運用到那些預先被認為是非標準化的設計中。
圖10 標準模板
3.2.1配置數(shù)據(jù)庫
一個數(shù)據(jù)庫可以用來包含了所有的不同標準配置的列表。在這個數(shù)據(jù)庫中的配置的總數(shù)目相當于在模具設計裝配的型腔布局設計階段的可利用布局配置的數(shù)目。在數(shù)據(jù)庫所列信息就是配置數(shù)目、類型、和型腔數(shù)。表1所示是數(shù)據(jù)庫的一個例子。每個可利用的布局配置的一般類型和型腔的數(shù)目的名字是配置數(shù)目。當布局的特殊類型和型腔的數(shù)目被要求時，適當?shù)牟季峙渲脤惠d入到型腔布局設計中。
3.2.2布局設計表
配置數(shù)據(jù)庫中所列的每個標準配置都有它自己的布局設計表。布局設計表包含有布局配置的幾何參數(shù)并且每個配置都是獨立的。更多的復合布局配置將有更多的幾何參數(shù)來控制型腔布局。
圖11（a）和11（b）所示為裝配相同四個型腔布局的有一個大腔和四個小腔的模板的背面。它一般更經(jīng)濟，與用機械設備在一大塊的鋼板上制造獨立的更小的腔相比，用機械設備在制造一個大的腔更加容易。用機械制造一個大的腔的優(yōu)點有：
1. 在腔與腔之間可以節(jié)省更過的空間，這樣更小塊的鋼板就可以被使用了。
2. 與加工多個小的腔相比加工一個大的腔的加工時間要更快。
3. 加工大腔比加工小腔能獲得更高的精確度。
結果，在布局設計表中的幾何參數(shù)的默認值將導致腔于腔之間將沒有間隙。然而，為是系統(tǒng)更加靈活，幾何參數(shù)的默認值在需要的地方可以修改以此來適應每個模具設計。
圖11 模板背面
3.3幾何參數(shù)
幾何參數(shù)有三個變量：
1. 型腔之間的距離。布局設計表中所列出的型腔之間的距離可以由使用者來控制或修改。距離的默認值就是這些型腔間沒有間隙的值。
2. 個別型腔的取向角。個別型腔的取向角也被列在了布局設計表中，這些數(shù)值用戶可以修改。對于一個多型腔布局，所有的型腔都必須如布局設計表中所說有相同的取向角。如果取向角被修改，所有的型腔將會旋轉(zhuǎn)相同的取向角而不受結構配置的影響。
3. 型腔間的裝配關系。型腔間的方向與先驗每個獨特的布局配置有關并且由型腔間的裝配關系控制。
圖12所示為一個單型腔布局配置和它的它的幾何參數(shù)的例子。主要嵌入/型腔的原點是在中心。X1和Y1的默認值是0所以型腔的布局時在中心的（雙方起源重疊）。使用者可改變X1和Y1的值，所以型腔可以適當?shù)钠啤?
圖13所示是一個八型腔布局配置和它的幾何參數(shù)的例子。X和Y值是主要嵌入/型腔的大小。默認X1、X2的值等于X，Y1的值等于Y，這樣型腔間就沒有間隙?？紤]到設計中的型腔間的間隙X1、X2和Y1的值可以增加。這些數(shù)值在布局設計表中都有列出。
如果一個型腔的方向不得不調(diào)整90°，剩下的型腔也要旋轉(zhuǎn)相同的角度，但是布局設計的殘余也是同樣。使用者可以通過改變布局設計表的參數(shù)來旋轉(zhuǎn)型腔。最終的布局如圖14所示。一個復雜的型腔布局配置有更多的幾何參數(shù)，必須確保參數(shù)方程的聯(lián)系。
圖12 單型腔布局配置和幾何參數(shù)
圖13沒有型腔旋轉(zhuǎn)的八型腔布局配置
和幾何參數(shù)圖 圖14 型腔旋轉(zhuǎn)的八型腔布局配置和幾何參數(shù)
4.系統(tǒng)實現(xiàn)
注塑模的標準參數(shù)控制型腔布局設計系統(tǒng)通過奔騰III PC兼容機作為計算機硬件來執(zhí)行。這個原型系統(tǒng)使用商業(yè)CAD系統(tǒng)（SolidWorks2001）和商業(yè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（Microsoft Excel）作為軟件。成熟的原型系統(tǒng)在Windows NT環(huán)境下使用Microsoft Visual C++ V6.0編程語言和SolidWorks API（應用程序設計接口）。
SolidWorks被挑選出來的兩個主要的原因是：
1. 在CAD/CAM工業(yè)放心日益增長的趨勢是向Windows-based PCs的使用來代替了UNIX工作站的使用，主要是因為包含購買計算機硬件的花費。
2. 三維CAD軟件是Windows系統(tǒng)完全兼容的，這樣它能夠平穩(wěn)地整合從Microsoft Excel文件到CAD文件（部分，裝配，圖紙）的信息[17]。
這個原型設計有一個列在Excel文件中的八個標準布局配置的配置數(shù)據(jù)庫。這個由圖15（a）所示。與這個配置數(shù)據(jù)庫一致，布局設計階段，SolidWorks中的一個裝配文件有相同的布局配置。在Excel文件中的配置名與圖15（b）所示的在布局裝配文件中的裝配名相對應。
每個設計中的每個型腔布局裝配文件將會被這些布局配置預裝載。當要求的布局結構按要求通道到用戶界面，布局配置將被載入。用戶界面如圖16所示是在要求的布局配置載入之前的。在載入要求的布局配置之上，最近的布局配置信息將會被列入列表框中。
對在配置數(shù)據(jù)庫中找到的任何其他可用的布局結構，用戶就能夠改變當前布局結構。這個由圖17舉例說明。
最近的布局結構的布局設計表包含有當用戶觸發(fā)了在用戶界面底部的按鈕時就能夠激活的幾何參數(shù)。當幾何參數(shù)值改變，型腔布局設計將因此更新。圖18所示是激活了最近的布局結構的布局設計表。
圖15 原型系統(tǒng)的配置數(shù)據(jù)庫和布局模板 圖16 要求的布局配置載入之前的用戶界面
圖17 要求的布局配置載入之后的用戶界面 圖18布局設計表的用戶界面
5.案例研究
如圖19所示的手機外殼的CAD模型，使用了如下的案例研究。
在型腔布局設計階段之前，原CAD模型必須根據(jù)使用的模具損耗值來修剪。主要的嵌入部分會制造的能夠壓縮進收縮的部分。這個整個的部件被認為是主要的嵌入部件(xxx cavity.sldasm),。“XXX”是項目名。圖20所示是主要的嵌入部件。在主要的嵌入部件創(chuàng)建后，型腔布局設計系統(tǒng)將會被用于準備合型的型腔布局。
5.1方案1：最初的型腔布局設計
在一個模具設計中，建立在一個模具中的型腔的數(shù)目通常是有顧客建議的，這樣他們必須平衡工件方面的投資和零件的花費。最初，顧客要求用一個兩個型腔的模具來設計這個手機外殼。在創(chuàng)建了主要的嵌入部件后，模具設計師載入了一個使用型腔布局設計系統(tǒng)有兩個型腔的線性布局結構。對應的配置名是L02如圖21所示列入了用戶列表中。
5.2方案2：型腔布局設計中的修改
顧客與模具設計者間的工藝討論會議是很普遍的。這樣在模具制造前就能夠盡可能早的修改三維CAD文件中的產(chǎn)品和模具。修改基本上是不可避免的，模具設計者也從不會在主要的時間上延期。
既然這樣，在工藝討論會議中，顧客改變他們的想法，需要一個線性的四個型腔的模具來代替兩個型腔的模具，所以手機外殼的價格就要增加。模具設計者可以使用型腔布局設計系統(tǒng)來修改目前的型腔布局設計為一個線性的四個型腔的模具。要求的新的布局結構可以從配置數(shù)據(jù)庫所列的可利用的布局結構中挑選出來。如圖22所示。
圖19 手機的CAD模型 圖20 主要嵌入包裝的收縮部分
圖21 線性兩型腔的配置 圖22 線性 四型腔布局配置（布局配置變化后）
5.3方案3：型腔間所要求的間隙
最后，在另一個工藝討論會議中，模具設計者被要求介紹在軸向方向上型腔間有20mm的間隙，如圖23所示。
圖23 型腔間有間隙的簡介
在型腔布局組件階段，模具設計者使用型腔布局系統(tǒng)來激活最近的布局結構中的布局設計表。介紹的軸向方向上型腔間的間隙是20mm的Y1值是從50mm到70mm間變化的。圖24所示是在布局設計表中Y1值的變化。最終的設計結構，在間隙增加后如圖25所示。
圖24 布局設計表中Y1值的變化 圖25 增加間隙后的最終設計
6.結論
在本文中，使用標準模板的方法是為參數(shù)控制的型腔布局設計系統(tǒng)的發(fā)展提出計劃。自從這個方法使用了標準化后，如果他們的設計程序是重復使用的或者他們有普遍應用于每個模具的特點，它就可以更進一步的應用于其他的合型設計的部件。較成熟的型腔布局系統(tǒng)的優(yōu)點如下：
1. 該系統(tǒng)有容易使用的界面。
2. 自從它使用數(shù)據(jù)庫后，它就高度的靈活，有他們自己標準的模具制造公司可以根據(jù)顧客的具體要求來制定數(shù)據(jù)庫來迎合他們的需要。
3. 因為先驗標準模板在合型設計中的布局設計階段是可利用的，所以要求的布局結構可以很快地載入到合型設計中而不需要再次設計布局。
4. 這個系統(tǒng)能夠使產(chǎn)品設計者和模具設計者在模具制造前，在討論中直接改變布局有更多的有用的工藝討論。
5. 這個系統(tǒng)這模具設計程序能夠節(jié)省時間，因為它省去了多余的工作。這對于在模具制造工業(yè)自從模具制造的生產(chǎn)周期日益提高是很重要的。
較發(fā)達的系統(tǒng)有相同的局限性。盡管數(shù)據(jù)庫和布局設計表可以根據(jù)顧客的具體要求來制定，客制化將會由于更多的復雜的非標準化配置而變的能困難，因為正確的幾何參數(shù)有待確定。我們一般工作都要求有一個標準的模板來制造模具設計中的其他部件。
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