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注射成型CAD/CAE/CAM集成系統(tǒng)
中國，華中科技大學(xué)，袁中雙， 李德群，陳興，葉翔高，高先科和肖景容著
本文描述的是一個CAD/CAE/CAM集成系統(tǒng)。在 CAD/CAE階段，注塑件的圖紙可與模具零件交互轉(zhuǎn)換，同時，根據(jù)用戶需求，可以進行機械檢驗、運行平衡分析、流動分析及冷卻模擬。在CAM階段，能夠生成線切割或銑床刀具路徑的數(shù)控磁帶。實踐表明：該系統(tǒng)是模具設(shè)計與制造的有用工具。
注射成型是當今工業(yè)最重要的聚合物加工方法之一，在復(fù)雜零件的大批量生產(chǎn)中，它具有以低成本獲得高精度的優(yōu)點。在相當長的一段時間里，經(jīng)驗、直覺與反復(fù)試驗已成為模具設(shè)計、制造及成型操作的關(guān)鍵因素。而這些方法已越來越低效且其成本也越來越高，尤其是當其應(yīng)用于大型零件和高精度零件或新型聚合物的注射成型加工。而現(xiàn)在，大部分這些問題已通過結(jié)合CAD/CAE/CAM的最新技術(shù)進展成功的解決了。
近年來越來越多注射成型中的CAD/CAE/CAM集成系統(tǒng)已被研發(fā)并被傳遞到了西方工業(yè)國家，如美國AC一Teeh公司的C一M3.1，德國IKV公司開發(fā)的模具計算機輔助設(shè)計軟件，加拿大McCill大學(xué)的MCKAM和澳大利亞MoldFlow公司開發(fā)的二維流動軟件。通過使用這些軟件包，注射成型零件的生產(chǎn)力及其數(shù)量能夠提高，同時也縮短了其啟動時間。
自1980以來中國的注射成型CAD/CAE/CAM技術(shù)已取得了飛速發(fā)展. 我國作為這一領(lǐng)域的先驅(qū)，已經(jīng)學(xué)習(xí)和開發(fā)注射成型CAD/CAE/CAM技術(shù)多年。 通過五年的發(fā)展和實踐證明，一個注射成型CAD/CAE/CAM集成系統(tǒng)HSC-1.1，已被開發(fā)并且成功的被許多工廠所采用。
系統(tǒng)描述
HSC- 1.1是建立在個人電腦如PC386和PC486上的。其理想的內(nèi)存大于等于4 MB，而其外部存儲容量超過100 MB。
圖1所示為HSC - 1.1的軟件要求。該系統(tǒng)是在操作系統(tǒng)II（OS/ 2）或MS - DOS環(huán)境下開發(fā)和運行的。在該系統(tǒng)中AutoCAD 10.0只作為一個圖形編輯和繪圖軟件。編程采用的是標準Fortran語言和AutoLISP 77。除了幾個圖形驅(qū)動程序外，計算機中所有系統(tǒng)的軟件是獨立的，以確保該系統(tǒng)有較好的可移植性.
如圖2所示。HSC- 1.1集成了9個基于用戶需求的設(shè)計功能模塊。系統(tǒng)中的所有模塊都是由一個名為’控制面板'或'控制菜單'的主控程序監(jiān)控。用戶可以通過控制面板命令顯示在屏幕上的菜單來調(diào)用任何模塊。而數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)文件的形式自動的從一個模塊交換到另一個模塊中。圖3所示為HSC - 1.1數(shù)據(jù)流程圖。
HSC-1.1軟件要求
圖2 HSC-1.1功能模塊
HSC-1.1數(shù)據(jù)流動表
CAD功能模塊
CAD模塊的任務(wù)是高效的把注射成型零件的圖紙轉(zhuǎn)換成模具零件圖紙，并為模擬和數(shù)控模塊提供所需數(shù)據(jù)。由于復(fù)雜型腔，一個曲面造型程序已包絡(luò)在圖形輸入中了。故平面，曲面和雙三次曲面可以輕松地創(chuàng)建。曲面的點坐標可由零件圖尺寸和先前輸入點坐標的程序來計算。當零件圖紙的表面一個又一個的創(chuàng)建時，零件的尺寸通過互動尺寸將轉(zhuǎn)換成型腔和型芯，而型腔和型芯的數(shù)據(jù)都將被記錄下來作為為模具設(shè)計和模擬用。
一種由中國人民共和國機電部發(fā)出的包含10種模具標準件套的據(jù)庫已經(jīng)設(shè)立了。每一套模具類包含13系列。因此，有31150套模具組合完全在數(shù)據(jù)庫中。一旦腔布局確定，所有的標準模具零件可以通過互動尺寸自動選擇。
該系統(tǒng)為用戶設(shè)計熱流道系統(tǒng)，編輯型腔和型芯結(jié)構(gòu)，布置頂針腳和冷卻水道提供了一個功能組。最后能夠生成所有的模具零件圖，包括動模裝配圖，定模裝配圖和模具總裝配圖。圖4所示為上海第九無線電廠生產(chǎn)的彩電開關(guān)插座的模具裝配圖。
模具總裝圖
CAE功能模塊
CAE模塊包括CAD與CAE模塊間的界面，模板的機械檢驗，運動平衡分析，流動和冷卻仿真。在這些CAE模塊的幫助下，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計得到了改善，同時我們能在模具制造前解決注射成型零件在注射過程中可能出現(xiàn)的缺陷，如降解、注射量不足、熔接痕位置不當。
通過CAD與CAE模塊間的界面讀取型腔的幾何模型及在CAD前一階段制成的可自動生成有限元網(wǎng)格模型的送料系統(tǒng)。用戶使用該界面，還可以選擇聚合物，冷卻液，模具材料和設(shè)置如注射溫度，注射時間，冷卻液溫度等成型工藝條件。該界面從數(shù)據(jù)庫中讀取材料的屬性數(shù)據(jù)，并將網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、材料性能及成型工藝條件寫入作為如下介紹CAE模塊輸入的數(shù)據(jù)文件中。
目前，該系統(tǒng)使用二維有限元法（FEM）來分析模板的強度及其一個典型的模具截面的剛度。而基于三維有限元法的分析程序也正在開發(fā)中。
為了保證在一模多腔生產(chǎn)中獲得同等質(zhì)量的注射成型零件，每個型腔應(yīng)在相同的壓力和溫度下同時填充。這就要求澆注系統(tǒng)是平衡的。在HSC - 1.1中其平衡能夠通過調(diào)整流道尺寸和用戶初步設(shè)計階段設(shè)計的最不可能平衡的澆口的尺寸來獲得。
流體模擬程序是該系統(tǒng)中最基本且最有用的分析之一。型腔流體控制方程能夠通過將經(jīng)典赫爾蕭流擴展至非彈性流體中來獲得。非牛頓流體在非等溫條件下：
其中P，T表示熔體壓力和溫度， 分別代表熔體的粘度和剪切速率;‘ - '表示了Z的平均偏導(dǎo)數(shù)，p, Cp和 K，分別表示熔體的密度、比熱和導(dǎo)電率;同時b表示的是半板厚度。
因為注射成型零件的厚度尺寸通常比其模具A、B板的厚度小的多，故在解決此問題時，我們采用了一種強大的數(shù)值方案，即采用有限元與有限差分混合法。在該方案的實施過程中，平面統(tǒng)籌以有限元法來描述，同時，塑件壁厚方向的變量分布和時間導(dǎo)數(shù)是以有限差分來表達的。我們采用體積控制法推導(dǎo)出了有限元法及跟蹤了熔體前端的流動。通過使用該流動仿真，用戶能夠獲取如壓力、流速、溫度分布、總壓降及夾緊力等對送料系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化工藝條件很有幫助的信息；此外，用戶還能夠通過改變澆口的數(shù)量和位置來促進型腔的填充并獲得最佳的流態(tài)。
冷卻模擬包括三維穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)冷卻分析。三維穩(wěn)態(tài)冷卻分析采用的是邊界元法（BEM）。型腔表面建模，冷卻線和外部表面公式已經(jīng)建立并證明是可靠和有效的。基于穩(wěn)態(tài)冷卻仿真，三維瞬態(tài)冷卻仿真已經(jīng)研制成功。一種新的邊界元法已通過此模塊，以消除數(shù)值機構(gòu)一體化。有了這個組件，用戶可以計算腔與道之間的換熱，減少了冷卻時間并降低了模具與注塑成型零件表面的預(yù)熱溫度。
CAE模塊的所有執(zhí)行結(jié)果可以以等高線圖，陰影彩色圖像和各種曲線圖動態(tài)顯示，以幫助用戶提高他們的設(shè)計效率。
CAM功能模塊
刀具路徑的創(chuàng)建基于前述CAD階段繪制的型腔和型芯的幾何模型。對于數(shù)控線切割機床和數(shù)控銑床，其刀具路徑的數(shù)控磁盤是通過使用后置處理來生成的。目前，僅有數(shù)控線切割的功能在實踐中有采用。而我國工廠通過使用HSC-1.1系統(tǒng)已設(shè)計和制造了許多注射模具。
結(jié)論
HSC-1.1是一個集成CAD/CAE/CAM的注射成型系統(tǒng)。除少數(shù)圖形驅(qū)動器程序外，計算機系統(tǒng)的其他所有程序是獨立的。這就確保了系統(tǒng)良好的可移植性。同時，系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)，也保證了系統(tǒng)中每一個模塊具有良好的延展性及維修性。實踐表明：HSC-1.1是一個強大的模具設(shè)計和制造工具，它可以幫助工程師以較低的模具成本獲得較好的模具質(zhì)量。因此，HSC-1.1在模具行業(yè)中的運用已越來越廣泛了。
References
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2 MENGES, G.: Plastics Engineering,1983, 8, p.37
3 KAMAL, M. R. etal.: Application of computer aided engineering in injection moulding' (Hanser Publisher, 1987,p.247)
4 AUSTIN, C: 'Application of computer aided engineering in injection moulding(Hanser Publisher, 1987, p. 137)
5 WANG, V. W., Ph.D. thesis, Cornell University, 1985
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