参数控制型腔布局设计系统外文文献翻译、注射注塑模具类外文翻译、中英文翻译

1   Int  J Adv  Manuf  Technol (2003) 21:807819 Ownership   and  Copyright 2003  Springer-Verlag  London  Limited A Parametric-Controlled Cavity Layout Design System for a Plastic Injection Mould M. L. H. Low and K. S. Lee Department   of  Mechanical  Engineering,  National  University  of  Singapore,  Singapore Today,   the  time-to-market   for  plastic   products   is   becoming shorter, thus  the  lead  time  available  for  making  the  injection mould  is  decreasing.  There  is  potential  for  timesaving  in  the mould design stage because a design process that is repeatable for   every   mould   design   can   be   standardised.   This   paper presents  a  methodology   for  designing   the  cavity   layout  for plastic  injection  moulds  by  controlling  the  geometrical  para- meters  using  a  standardisation  template.  The  standardisation template  for  the  cavity  layout  design  consists  of the  configur- ations for the possible layouts. Each configuration of the layout design  has its own layout design table of all the geometrical parameters.  This standardisation  template  is pre-defined  at the layout design level of the mould assembly design.  This ensures that  the  required  configuration  can  be  loaded  into  the  mould assembly design very quickly,  without  the need to redesign  the layout.  This  makes  it  useful  in  technical  discussions  between the product  designers  and mould designers  prior to the manu- facture of  the  mould.  Changes  can  be  made  to the  3D  cavity layout design  immediately  during  the  discussions,  thus  saving time and avoiding miscommunication.  This standardisation tem- plate for the cavity  layout  design  can be customised  easily  for each  mould  making  company  to their  own  standards. Keywords:  Cavity    layout   design；    Geometrical   parameters； Mould  assembly；  Plastic  injection  mould  design；  Standardis- ation  template on  it  and  provides  the  mechanism  for  molten  plastic  transfer from  the  machine  to  the  mould,  clamping  the  mould  by  the application of  pressure  and  the  ejection  of  the  formed  plastic part. The injection  mould is a tool  for transforming  the molten plastic  into  the  final  shape   and  dimensional   details   of  the plastic  part.  Today,  as  the  time-to-market  for  plastic  parts  is becoming  shorter, it is essential to produce the injection mould in a  shorter  time. Much  work  had  been  done  on  applying  computer  techno- logies to injection  mould  design  and the  related  field. Knowl- edge-based systems  (KBS)  such  as  IMOLD  1,2,  IKMOULD 3,  ESMOLD   4,  the   KBS   of  the  National   Cheng  Kang University, Taiwan  5, the KBS of Drexel  University  6, etc. were  developed for injection mould design. Systems such as HyperQ/Plastic 7, CIMP  8, FIT 9,  etc.  are  developed for the   selection   of  plastic   materials   using   a  knowledge-based approach.  Techniques   have  also  been  developed   for  parting design  in injection  moulding  1012. It  has been  observed  that  although  mould-making  industries are  using  3D  CAD  software  for  mould  design, much  time  is wasted in  going  through  the  same  design  processes  for  every project.  There  is  great  potential  for  timesaving  at  the  mould design stage if the repeatable  design processes can be standard- ised to avoid routine tasks. A well-organised  hierarchical  design tree in  the mould assembly  is also an important  factor 13,14.   However,  little  work  has  been  done  in  controlling  the  para- meters  in  the  cavity  layout  design；  thus  this  area  will  be  our main  focus.  Although  there  are  many  ways  of  designing  the 1. Introduction Plastic  injection  moulding  is a  common  method  for  the  mass production  of plastic parts with good tolerances.  There are two main  items  that  are  required  for  plastic  injection  moulding. They   are  the  injection-moulding   machine   and  the  injection mould. The injection-moulding machine has the mould mounted Correspondence   and  offprint  requests  to :  K.  S.  Lee,  Department  of Mechanical  Engineering,  National  University  of  Singapore,  10  Kent Ridge   Crescent,    Singapore    119260.    E-mail    address:    mpeleeks .sg Received  8 January  2002 Accepted  16  April  2002 cavity layout 15,16, mould designers tend to use only conven- tional  designs,  thus there  is a need  to apply  standardisation  at the cavity  layout  design  level. This  paper  presents  a methodology  for designing  the  cavity layout for plastic injection moulds by controlling the parameters based  on  a  standardisation   template.   First,  a  well-organised mould  assembly  hierarchy  design  tree  had  to  be  established. Then,  the  classification  of  the  cavity  layout  configuration  had to  be  made  to  differentiate  between  those  with  standard  con- figurations   and  those  with  non-standard   configurations.   The standard configurations will be listed in a configuration database and  each  configuration  has  its  own  layout  design  table  that controls  its  own  geometrical  parameters.  This  standardisation   2 808  M. L. H. Low and K.  S. Lee  Fig. 1. Front  insert  (cavity)  and  back  insert (core). template  is pre-defined  at the layout  design level of the  mould assembly  design. 2. Cavity Layout Design for a Plastic Injection Mould An  injection  mould  is  a  tool  for  transforming  molten  plastic into the  final shape  and  dimensional  details  of  a  plastic  part. Thus, a mould contains  an inverse  impression of the final part. Most of the moulds are  built  up of two halves:  the front insert and  the  back  insert.  In  certain  mould-making  industries,  the front  insert  is also  known  as the cavity  and the back  insert  is known  as the  core.  Figure 1 shows  a front  insert  (cavity)  and a   back   insert   (core).   Molten   plastic   is   injected   into   the impression  to  fill  it.  Solidification  of  the  molten  plastic  then forms   the   part.   Figure 2   shows   a  simple   two-plate   mould assembly.  Fig. 2. A simple  mould  assembly. 2.1   Difference Between a Single-Cavity  and a Multi-C a vity  Mould Very  often,  the  impression  in  which  molten  plastic  is  being filled is also called  the cavity.  The arrangement  of  the cavities is called  the cavity  layout.  When  a mould  contains  more  than one cavity, it is referred to as a multi-cavity mould. Figures 3(a) and 3(b) shows a single-cavity  mould and a multi-cavity  mould. A  single-cavity  mould  is normally  designed  for  fairly  large parts such as plotter covers and television housings. For smaller parts such  as hand phone  covers  and gears,  it  is always  more economical to design  a multi-cavity  mould  so that  more  parts can be produced  per moulding  cycle.  Customers  usually  deter- mine  the  number  of   cavities,   as  they  have  to  balance   the investment  in the  tooling  against  the  part  cost. 2.2   Multi-Cavity  Layout A  multi-cavity  mould  that  produces  different  products  at  the same  time  is  known  as  a  family  mould.  However,  it  is  not usual to design  a mould  with  different cavities,  as the cavities may not  all  be  filled at  the  same  time  with  molten  plastic  of the  same  temperature. On  the  other  hand,  a  multi-cavity  mould  that  produces  the same product  throughout  the  moulding  cycle  can  have  a  bal- anced  layout  or  an  unbalanced  layout.  A  balanced  layout  is one  in  which  the  cavities  are  all  uniformly  filled at  the  same time under  the  same  melt  conditions  15,16.  Short  moulding can  occur  if an  unbalanced  layout  is being  used,  but  this  can be  overcome  by modifying  the length  and cross-section  of  the runners  (passageways   for  the  molten   plastic   flow   from  the sprue  to  the  cavity).  Since  this  is  not  an  efficient  method,  it is  avoided  where  possible.  Figure 4  shows  a  short  moulding situation  due  to an unbalanced  layout. A balanced  layout can be further classified into two categor- ies: linear and circular. A balanced linear layout can accommo- date 2, 4, 8, 16, 32 etc.  cavities,  i.e. it  follows  a 2n     series.  A balanced  circular  layout  can  have  3, 4, 5, 6 or more  cavities, but  there  is  a  limit  to  the  number  of  cavities  that  can  be accommodated in a  balanced  circular  layout  because  of space constraints.  Figure 5  shows  the  multi-cavity  layouts  that  have been  discussed. 3. The Design Approach This  section  presents  an  overview  of  the  design  approach for the development  of a parametric-controlled cavity layout design system   for   plastic   injection   moulds.  An   effective   working method of mould design involves organising the various subas- semblies  and  components  into  the  most  appropriate  hierarchy design   tree.   Figure 6  shows   the  mould   assembly   hierarchy design  tree  for  the  first  level  subassembly  and  components. Other  subassemblies  and  components  are  assembled  from  the second  level  onwards  to  the  nth  level  of the  mould  assembly hierarchy design  tree. For  this system,  the focus  will be made only  on the  “cavity  layout  design”.   3     Fig. 3. (a) A single  cavity  mould.  (b) A  multi-cavity  mould. A  Cavity Layout  Design System 809 3.1    Standardisation Procedure   Fig. 4. Short  moulding  in  an  unbalanced  layout. In   order  to  save   time   in  the  mould   design   process,   it  is necessary to  identify  the  features  of the  design  that are  com- monly used. The design processes that are  repeatable  for every mould  design  can  then  be  standardised.  It  can  be  seen  from Fig. 7  that  there  are  two  sections  that  interplay  in  the  stan- dardisation procedure for the “cavity layout design”: component  assembly  standardisation  and  cavity  layout  confi guration  stan- dardisation.   4 810  M. L. H. Low and K.  S. Lee  Fig. 5. Multi-cavity  layouts.  Fig. 6. Mould  assembly  hierarchical  design  tree.  Fig. 7. Interplay  in  the  standardization  procedure. 3.1.1   Component Assembly  Standardisation Before   the  cavity   layout   configuration   can  be   standardised, there is a need to recognise  the components  and subassemblies that are  repeated  throughout  the  various  cavities  in  the  cavity layout. Figure 8 shows  a  detailed  “cavity layout  design”  hier- archy  design tree.  The main  insert  subassembly  (cavity)  in the  Fig. 8. Detailed  “cavity layout  design”  hierarchical  design  tree. second  level  of  the  hierarchy   design  tree  has  a  number  of subassemblies  and  components  that  are  assembled  directly  to it  from  the  third  level  onwards  of  the  hierarchy  design  tree. They  can  be  viewed  as  primary  components  and  secondary components.  Primary  components  are  present  in  every  mould design. The secondary components are dependent on the plastic part that is to be produced,  so they may or may not be  present in the  mould  designs. As   a  result,  putting   these  components   and   subassemblies directly under  the main  insert  subassembly, ensures  that every repeatable   main  insert  (cavity)  will  inherit  the  same  subas- semblies  and  components  from  the  third  level  onwards  of the hierarchy  design   tree.   Thus,   there   is  no  need   to   redesign similar  subassemblies  and  components  for  every  cavity  in the cavity layout. 3.1.2   Cavity Layout Configuration  Standardisation It is necessary  to study and classify  the cavity layout  configur- ations  into  those  that  are  standard  and  those  that  are  non- standard.  Figure 9  shows  the  standardisation  procedure  of  the cavity layout  configuration. A cavity  layout  design, can be undertaken  either as a  multi- cavity  layout   or  a  single-cavity   layout,   but   the   customers always determine this decision. A single-cavity  layout is always considered  as  having  a  standard  configuration.  A  multi-cavity mould  can  produce  different  products  at the same  time  or the   5  A  Cavity Layout  Design System 811  Fig. 10. The  standardization  template. design   table.  The  configuration   database  consists  of  all  the standard  layout  configurations,  and  each  layout  configuration has  its  own  layout  design  table  that  carries  the  geometrical parameters. As  mould-making  industries  have  their  own  stan- dards,  the  confi guration  database  can  be  customised   to  take into  account  those  designs  that  are  previously  considered  as non-standard. Fig. 9. Standardisation  procedure  of  the  cavity  layout  configuration. same   products   at  the   same   time.   A  mould   that   produces different   products   at  the  same  time  is   known   as  a  family mould,  which  is  a  non-conventional  design.  Thus,  a  multi- cavity family  mould  has  a non-standard  configuration. A  multi-cavity  mould  that  produces  the  same  product  can contain either a balanced layout design or an unbalanced layout design.  An unbalanced  layout  design  is seldom  used and, as a result, it is considered  to possess  a  non-standard  configuration. However, a balanced  layout  design  can  also  encompass  either a linear layout design  or a circular layout design. This depends on the  number  of cavities  that  are  required  by the  customers. It  must  be noted,  however,  that  a  layout  design  that  has  any other   non-standard   number   of  cavities   is  also   classified   as  having  a non-standard  configuration. After classifying  those layout designs that are standard, their detailed  information  can  then  be  listed  into  a  standardisation template.  This  standardisation   template  is  pre-defined  in  the cavity  layout  design  level  of  the  mould  assembly  design  and supports all  the  standard  configurations.  This  ensures  that  the required   configuration   can  be  loaded   very  quickly   into  the mould assembly design without the need to redesign the layout. 3.2 Standardisation  Template It  can  be  seen  from  Fig. 10  that  there  are  two  parts  in  the standardisation template:  a configuration  database  and a layout 3.2.1   Configuration  Database A  database  can  be used  to contain  the list  of all the  different standard  configurations.  The  total  number  of  configurations  in this  database  corresponds  to  the  number  of  layout  configur- ations  available  in the  cavity layout  design  level  of the mould design assembly.  The information  listed  in the database  is the configuration number, type, and the number of cavities. Table 1 shows an  example  of  a  configuration  database.  The  configur- ation  number   is  the  name  of  each  of   the  available   layout configurations   with   the   corresponding   type   and  number   of cavities.   When   a   particular   type  of  layout   and  number   of cavities  is  called  for,  the appropriate  layout  configuration  will be  loaded  into  the  cavity  layout  design. 3.2.2   Layout Design  Table Each  standard configuration listed in the confi guration  database has   its   own   layout   design   table.   The   layout   design   table contains the geometrical  parameters  of the layout configuration and  is  independent  for  every  configuration.  A  more  complex layout confi guration  will have  more  geometrical  parameters  to control the  cavity  layout. Figures 11(a)  and  11(b)  show  the  back  mould  plate  (core plate) with a big pocket and four small pockets  for  assembling the same  four-cavity  layout.  It is always  more economical  and easier  to  machine  a  large  pocket  than  to  machine  individual smaller pockets  in a block  of steel. The advantages  of machin- ing  a large  pocket  are:   6 S01 Single 1 L02 Linear 2 L04 Linear 4 L08 Linear 8 812  M. L. H. Low and K.  S. Lee Fig. 11. The  back  mould  plate  with  pocketing. Table 1. Sample  of  the  configuration  database. Configuration  number  Type Number  of  cavities   L16  Linear  16 L32  Linear  32 L64  Linear  64 C03  Circular  3 C04  Circular  4 C05  Circular  5 C06  Circular  6 1.  More   space   between   the  cavities   can  be  saved,   thus  a smaller block  of steel  can  be used. 2.  Machining   time   is  faster   for  creating   one  large   pocket compared to machining  multiple  small  pockets. 3.  Higher  accuracy  can  be  achieved  for  a  large  pocket  than for multiple  smaller  pockets. As a result, the default  values  of the geometrical  parameters in the layout design table results in there being no gap between the  cavities.  However,  to  make  the system  more  flexible,  the default values  of  the  geometrical  parameters  can  be  modified to suit  each  mould  design  where  necessary. 3.3 Geometrical Parameters There  are  three  variables  that  establish  the  geometrical  para- meters: 1.  Distances   between   the   cavities   (flexible).   The   distances between  the  cavities  are  listed  in  the  layout  design  table and  they  can  be  controlled  or  modified  by  the  user.  The default  values  of  the  distances  are  such  that  there  are  no gaps between  the  cavities. 2.  Angle  of orientation  of the individual  cavity  (flexible). The angle  of  orientation  of  the  individual  cavity  is  also  listed in the  layout  design  table  which  the  user  can  change.  For a multi-cavity  layout,  all the cavities have to be at the same angle of  orientation  as indicated  in the layout  design  table. If  the  angle  of orientation  is modified,  all the  cavities  will be rotated by  the same angle of orientation  without affecting the layout  configuration. 3.  Assembly  mating  relationship  between  each cavities  (fixed). The  orientation  of the cavities  with respect  to each  other  is pre-defined  for  each  individual  layout  configuration  and  is controlled  by  the   assembly   mating   relationship   between cavities. This  is fi xed  for  every  layout  configuration  unless it is customised. Figure 12  shows  an  example  of  a  single-cavity  layout  con- figuration  and  its  geometrical   parameters.   The  origin  of  the main  insert/cavity  is  at  the  centre.  The  default  values  of  X1 and  Y1  are  zero  so  that  the  cavity  is  at  the  centre  of  the layout (both  origins  overlap  each  other).  The  user can  change the values of X1 and Y1, so that the cavity can be offset appro- priately. Figure 13  shows  an  example  of an  eight-cavity  layout  con- figuration and its geometrical  parameters.  The values  of  X and Y are the dimensions  of the main insert/cavity.  By default,  the values of X1 and X2 are equal  to X, the  value  of Y1 is equal to Y, and thus there is no gap between the cavities. The values of X1,  X2,  and  Y1 can  be  increased  to take  into  account  the gaps between the  cavities in the design. These values are listed in the  layout design  table. If  one of the cavities  has to be oriented  by 90,  the  rest of the  cavities  will  be  rotated  by the  same  angle,  but  the  layout design remains  the same. The user is able to  rotate  the cavities by  changing  the  parameter   in  the  layout  design  table.  The resultant layout  is shown  in  Fig. 14.    Fig. 12. Single-cavity  layout  configuration  and  geometrical  parameters.   7  A  Cavity Layout  Design System 813 4. System Implementation A  prototype  of  the  parametric-controlled cavity  layout  design system  for  a  plastic  injection  mould  has  been  implemented using  a  Pentium  III  PC-compatible   as  the  hardware.  This prototype  system  uses a commercial  CAD system  (SolidWorks 2001)  and  a commercial  database  system  (Microsoft  Excel) as  the  software.  The  prototype  system  is  developed  using  the Microsoft  Visual  C  V6.0  programming   language   and  the SolidWorks   API   (Application   Programming   Interface)   in  a Windows  NT  environment. SolidWorks  is chosen  primarily  for two  reasons: 1.  The increasing  trend  in the CAD/CAM  industry  is to  move towards  the  use  of  Windows-based  PCs  instead  of  UNIX workstations mainly because of the cost involved in purchas- ing the  hardware. 2.  The  3D  CAD  software  is  fully  Windows-compatible,  thus it is capable of integrating information  from Microsoft Excel files  into   the   CAD  files  (part,   assembly,   and   drawing) smoothly  17. Fig. 13. Eight-cavity  layout  configuration  and  geometrical  parameters without cavity  rotation.  Fig. 14. Eight-cavity  layout  configuration  and  geometrical  parameters with cavity  rotation. A   complex   cavity   layout   configuration,   which   has   more geometrical  parameters,  must  make  use  of  equation  to  relate the parameters. This  prototype  system  has  a  configuration  database  of  eight standard  layout  configurations  that  are  listed  in  an  Excel  file. This is shown in Fig. 15(a). Corresponding  to this configuration database,  the  layout  design  level,  which  is  an  assembly  file in  SolidWorks   (layout.sldasm),   has  the  same   set  of  layout configurations.  The configuration  name  in the Excel  file  corre- sponds to the name of the configurations in the layout assembly file, which  is shown  in Fig. 15(b). Every  cavity  layout  assembly  file  (layout.sldasm)   for  each project   will  be  pre-loaded  with  these  layout   configurations. When a required  layout  configuration  is  requested  via the user interface,   the  layout  confi guration  will  be  loaded.  The  user interface   shown  in  Fig. 16  is  prior   to  the   loading   of  the requested  layout   configuration.   Upon   loading   the   requested layout  configuration,   the  current   layout   configuration   infor- mation  will  be  listed  in the  list  box. The  user is then able  to change  the current  layout  configur- ation to any other available layout configurations that are found in the  configuration  database.  This  is illustrated  in  Fig. 17. The  layout  design  table  for the  current  layout  configuration that contains  the geometrical  parameters  can be activated when the  user  triggers  the  push  button  at  the  bottom  of  the  user interface.  When  the  values  of  the  geometrical  parameters  are changed,  the cavity  layout  design  will be updated  accordingly. Figure 18  shows  the  activation  of  the  layout  design  table  of the  current  layout  configuration. 5. A Case Study A  CAD  model  of  a  hand  phone  cover,  shown  in  Fig. 19,  is used  in the  following  case  study. Prior  to  the  cavity  layout  design  stage,  the  original  CAD model  has  to  be  scaled  according  to  the  shrinkage  value  of the moulding  resin to be used. The  main  insert  is then created to  encapsulate   the  shrunk   part.   This   entire   subassembly   is known  as  the  main  insert  subassembly   (xxx  cavity.sldasm),   8 814  M. L. H. Low and K. S. Lee  Fig. 15. The  configuration  database  and  layout  template  for  prototype  system.  Fig. 16. The  user  interface  prior  to  loading  of the  requested  configuration. where  “xxx”  is  the  project  name.  Figure 20  shows  the  main insert subassembly.  After  the  main  insert  subassembly  is  cre- ated,  the  cavity  layout  design  system can  be  used  to  prepare the cavity  layout  of the  mould  assembly. 5.1    Scenario 1: Initial Cavity Layout  Design In  a  mould  design,  the  number  of  cavities  to  be  built  in  a mould  is always  suggested  by the  customers,  as   they  have  to balance  the  investment   in  the  tooling  against  the  part  cost. Initially,  the  customers  had  requested  a  two-cavity  mould  to be  designed  for  this  hand  phone  cover.  After  the  creation  of the main insert subassembly,  the mould designer loads a layout configuration  that  is  of  a  linear  type  which  has  two  cavities using   this   cavity   layout   design   system.   The   corresponding configuration  name  is  L02  and  is  listed  in  the  user  interface as shown  in Fig. 21. 5.2   Scenario 2: Modification in the Cavity  Layout Design Technical  discussion sessions between the customers and mould designers  are  common.  This  enables  changes  to  be  made  to the 3D  CAD  files of  both  the  product  and  mould  as  soon  as possible,   prior   to  mould   manufacture.  Changes   are   almost always  inevitable  and  mould  designers  are  never  given  any extension  in  the  lead  time. In  this  case,  during  a technical  discussion  session,  the  cus- tomers  changed  their  minds  and  needed  a  linear  four-cavity mould  instead  of  a  two-cavity  mould  so  that  the  production   9 A  Cavity Layout  Design System 815  Fig. 17. The  user  interface  after  loading  of the  requested  configuration.  Fig. 18. The  user  interface  with  the  layout  design  table.   10  816  M. L. H. Low and K. S. Lee  Fig. 19. The  CAD  model  of a hand  phone. rate  of  the  hand  phone  covers  can  be  increased.  The  mould designer  can  use  the  cavity  layout  design  system  to  modify the existing  cavity  layout  design  to a  linear  four-cavity  mould. The  required  new  layout  configuration  can  be  selected  from the  available  layout  configurations  that  are  listed  in  the  con- figuration  database.  This  is shown  in Fig. 22. Fig. 20. The  main  insert  encapsulating  the  shrunk  part. 5.3   Scenario 3: Gap is Required Between  Cavities Finally,   in  another   technical   discussion   session,   the   mould designer is  required  to introduce  a gap of 20 mm  between  the cavities in the  longitudinal  direction,  as  shown  in Fig. 23.  Fig. 21. A linear  two-cavity  configuration.   11 A  Cavity Layout  Design System 817  Fig. 22. A linear,  four-cavity  layout  configuration  (after  a change  in  the  layout  configuration).  Fig. 23. The  introduction  of a gap  between  the  cavities.   12  818  M. L. H. Low and K.  S. Lee   Fig. 24. Modifying  the  value  of Y1  in  the  layout  design  table.  Fig. 25. The  final design  after  the  addition  of  the  gap.   13 A  Cavity Layout  Design System 819 In  the  cavity  layout  subassembly  level,  the  mould  designer uses  the  cavity  layout  system  to  activate  the  layout  design table  of  the  current  layout  confi guration.  The  value  of  Y1  is changed  from  50 mm  to 70 mm  to  introduce  a gap  of 20 mm between  the  cavities  in  the  longitudinal   direction.  Figure 24 shows  the  change  of  the  value  of  Y1  in  the  layout  design table.  The result  of the final design,  after  addition  of the gap, is shown  in  Fig. 25. 6. Conclusions In  this  paper,  an  approach  using  a standardisation  template  is proposed for the development  of a  parametric-controlled cavity layout design  system.  Since  this  approach  makes  use  of stan- dardisation, it  can  be  further  applied  to  other  components  for mould assembly  design if their design processes  are repeatable or they  have features  that are commonly  used for every mould design. The  advantages  of the  developed  cavity  layout  system are as follows: 1.  The  developed  system  has  user-friendly  interfaces. 2.  Since  it  makes  use  of  databases,  it  is  highly  flexible,  and mould-making industries  that  have  their  own standards  can customise the  databases  to suit  their  needs. 3.  Because  a  pre-defined  standardisation  template  is  available in  the  layout  design  level  of  the  mould  assembly  design, the required layout configuration can be loaded very quickly into the mould assembly design without the need to redesign the  layout. 4.  This system  enables  product  designers  and mould  designers to  have  more  useful  technical  discussions  prior  to  mould manufacture  as changes  to the layout  can be made immedi- ately during  the  discussions. 5.  This system saves time in the mould design process because it removes  redundant  work.  This  is  very  important  for  the mould-making   industries   since   the   lead   time   for   mould making  is decreasing. The  developed  system  has  some  limitations.  Although  the databases and layout design tables can be customised, customis- ation  will  be  more  difficult  for  more  complex  non-standard configurations because  the  correct  geometrical  parameters  have to  be  determined.  We  are  currently  working  on  applying  a standardisation template for other components in mould design. References 1.  K.  S.  Lee,  J. Y.  H,  Fuh,  Y.  F.  Zhang,  A.  Y.  C.  Nee  and  Z.  Li, “IMOLD: an  intelligent plastic injection mold design and assembly system”,  Proceedings  of  the  4th  International  Conference  On   Die and Mould  Technology,  pp. 3037,  Malaysia,  46  June  1997. 2.  K.  S.  Lee,  Z.  Li,  J.  Y.  H,  Fuh,  Y.  F.  Zhang  and  A.  Y.  C. 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SolidWorks 2001 Training Manual, “SolidWorks  Essentials  parts assemblies and drawings”, SolidWorks Corporation,  Concord, Mas- sachusetts 01742,  2001.   14 参数控制型腔布局设计系统  今天，塑料制品 的生产 时间正在 变 短，因此，筹备时间使注射可用模具正在减少。有潜力的省时模具设计阶段，因为设计过程中的重复每个模具的设计都是 标准 的 。本文提出了一种通过使用注塑模具标准化模板控制腔布局几何参数 的 设计方法。在标准化模板腔布局设计 中 包括可能布局的配置。每一个布局结构设计 都有 其自身所有的几何布局设计表参数。这种标准化的模板是预定义为 模具装配设计 的 布局设计的水平。这将确保，所需的配置可以 很快 装入模具装配设计，而不需要重新设计布局。这使得制造前模具的产品设计和模具设计之间有用的 技术讨论。可以在讨论过程中立即改变三维腔布局设计，从而节省时间，避免误 差 。这种腔布局的设计标准化模板 使 每个模具制造公司可以很容易地定制自己的标准。  关键词 ：腔体布局设计 ；几何参数 ；模具装配，注塑模具设计 ；标准化模板  1.导言  注塑是一种大众 生产高精度塑件的 通用的方法。有两种可用于注塑所需的主要项目。他们是注塑成型机，注塑模具。模具安装在注塑成型机 上 注塑成型机并提供了溶化的塑料 流到 机器的模具，模具的夹具应用压力和形成的塑 件注射压力 的一部分。注射模具 是表达 熔融塑料 在 最后 阶段塑件 的形状和尺寸的 三维细节的工具 。  今 天，塑料件 的生产 时间，是越来越短，必须在较短的时间 里生产出 注塑模具。在注塑模具设计及相关领域已经做了许多应用计算机技术 的研究 。知识系统（ KBS）的如 IMOLD 1,2， IKMOULD3， ESMOLD 4，全国程康的 KBS 大学，台湾 5，在德雷克塞尔大学 6等韩国 的 注射模具设计 已经发展 。系统，如 HyperQ /塑料 7， CIMP 含量 8，飞度 9等，都 以 制定塑料材料的选择使用知识为基础 正在发展 。技术也已经 成 为设计注塑 模具的发展趋势 10-12。据观察，虽然模具制造行业正在使用的模具设计 ，三维 CAD 软件， 许多 时间 被 浪费 是 每 个项目的 同样设计过程。同时，如果重复的设计过程可以标准化 就能 避免日常任务，则模具 的 设计阶段巨大 的 省时的潜力。 在 模具装配 中 一个组织良好的分层设计树也是一个重要因素 13,14。然而，腔布局设计控制参数 的部分工作已经完成，因此这方面将是我们的主要重点。虽然腔布局有许多设计方法15,16， 但 模具设计人员往往只使用常规设计，因此有必要 使 腔布局设计水平标准化。   15 本文介绍了 一种 基于标准化模板通过控制参数设计注塑模具的 型腔 设计 的方法 。首先，组织严密模具装配层次设计树已经建立起来。 然后，腔布局配置的 分类 必须 作出标准配置和那些非标准配置之间的区分。那个标准配置将列在配置数据库 并且 每个配置都有自己的规划设计表控制其自身的几何参数。这种标准化模板 被预定义为模具装配设计的布局设计水平。   图  1 前插入（腔）和后插入（核心）  2. 塑料注塑模具的腔布局设计  一个注塑模具 是表达 熔融塑料 在 最后 阶段塑件 的形状和尺寸的 三维细节的工具 。因此，模具包含最后部分 的 逆印象。对模具大多建立了两半：前插入和背部插入。在某些模具制造工业，前面插入也被 称为 腔和背部插入被称为核心。图 1 显示了前面插入（腔）和背部插入 （核心）。熔融塑料注入印象填充 。熔融塑料的固化，然后 形成塑件 。图 2 显示了一个简单的两板模装配。     16 图 2 一个简单的模具装配  2.1 很多时候单腔和多腔模具之间的差异，印象中，塑料 模具的填充 也被称为填补了腔。腔的安排被称为腔布局。当一个 模具 包含 多个腔时 ，它被称为是一个多腔模具。图 3（ a）和 3（ b）显示了一个单腔模 具 和多腔模具。一个单腔模具通常是相当大的设计部分，如绘图仪封面和电视外壳。对于较小的如手手机盖和齿轮部件，它总是 采用 更多经济设计的多腔模具，使更多的地方可以形成 生产成型周期。客户通常确定 腔 的 数量 ，因为要 平衡投资成本。     2.2 一个多腔模 具在同一时间 生 产 不同的产品，作为一个 组合 模具。然而，它不是 模具不同腔的普通 设计，由于腔未必都是 熔融塑料在同一时间和同样的温度 填补。另一方面，多腔模具的生产在整个成型周期同样的产品可以有一个平衡布局或不平衡的布局。均衡布局在其中一腔都统一 用 相同条件下熔体在同一 时间 填补  15,16 时间 。短成型如果不平衡的布局正在使用，但是这通过修改的长度和跨节茎加以克服（为熔融塑性 从 浇口流动腔 的通道 ）。由于这不是一种有效的方法，尽可能避免。图 4 显示了短期 注塑 情况是由于不平衡的布局。均衡 布局可进一步分为两类：直线和圆弧。线性均衡布局可容纳 2， 4，8， 16， 32 等 型腔 ，即它遵循一个 n2 系列。均衡的圆形布局可以有 3， 4， 5， 6个或更多腔，但有一腔的数量限制，可安置在一个平衡的，因为圆的空间布局限制。图 5 显示了 已经被讨论的 多腔布局。  3.设计方法  本节介绍的设计方法 是 一个注塑模具参数控制腔布局设计开发系统的概述。建立有效的工作模具设计方法是 建立 各种部件和组件到最适当的层次结构设计树。图 6 显示了模具装配第一级组件和部件 的 层次设计树。其他部件和组件的装配 是从 第二级开始到第 n 模具装配水平层次设计树。对于这个 系统 ，重点将仅在 “ 腔布局设计 ” 。  3.1 标准化程序  为了节省在模具设计过程中的时间，有必要确定设计通常功能 的 使用。每一个 重复模具设计过程，然后可以标准化。图 7 可以看出，在标准化  “ 腔布局设计 ” 的相互作用程序 中 有两个区段：组件装配标准化和模腔布局配置标准化。   17 3.1.1 组件标准化  腔布局配置 前 可以标准化，但必须认识到部件和组件 是通过腔布局中各种腔被重复的 。图 8 显示了详细的 “ 腔布局设计 ” 等级设计树。  主要插入组件（腔中）层次结构设计树 的 第二层有 许多 部件和组装部件 从层次结构的设计树第三层开始直接 插入 。它们可以被看作是主要部分和次要组件。主要部分存在于每一个模具设计。次要组成部分依赖于塑 件的 生产，所以他们可能 存在 或可能不存在在模具设计。因此，把这些元件及部件 归于 主要插入组件，确保每 一个 重复的主要插入（腔）继承从第三级开始层次设计树 的 相同的部件和零部件。因此，没有必要重新设计类似的部件和组件中的每一个腔腔布局。     18 布局设计 809图 3 （ a）单腔模具   （ b）多腔模具   图  4 在短成型布局不平衡  810 杂木低和堪萨斯州利   19 图 5 多腔布局   图 6 模具装配分层 设计树   图 7 在标准化的相互作用过程  3.1.2 腔布局配置标准化  有必要 把那些有标准的，哪些是非标准 的 腔布局配置 进行 研究和分类。图 9 显示了腔布局配置 的 标准化程序。腔布局设计，也可以采取为多腔布局或单腔布局，但始终 由 顾客确定这一决定。一个单腔布局 20 总是视为标准配置。多腔模具可以在同一时间 生产 不同的产品 或 在同一时间 生产 同一产品。腔布局设计系统 811 图 8 详细的 “ 腔布局设计 ” 分层设计树  模具 在同一时间生产 不同的产品被称为 组合 模具，这是一个非传统的设计。因此，多腔 组合 模具有一个非标准配置。生产同一种产品 的 多 腔模具包含一个平衡的布局设计和失衡 的 布局设计。不平衡的布局设计是很少使用，因此，它被认为 是一个 非标准配置。不过，均衡布局的设计也可以包括任何线性布局设计或圆形 布局 设计图。这取决于那些根据客户要求的模腔数。必须指出， 虽 然，有任何其他腔 非 标准的数 量 也 被 列为一个非标准配置。 在 标准的布局设计分类后 ， 其详细信息可以 被列入 标准化模板。这种标准化的模板 被 预定义 为在 模具装配设计和支持所有的标准配置的腔布局的设计水平。这将确保所需的配置可以很快加载进入模具装配设计布局而不需要重新设计。  3.2 标准化模板 从图 10 可看出 ，有两个 部分标准化模板：一个配置数据库和布局设计表 。   21 配置数据库包括所有布局 的 标准配置，每个布局结构 都 有自己的布局设计表 的 几何参数。由于模具制造行业有自己的标准，配置数据库可以 将 那些以前采取定制 的 视为非标 准 设计。   图 9 标准化程序腔的布局配置   22 图 10 标准化模板  3.2.1 配置数据库  数据库可以 被 用来包含的所有不同标准配置的名单。在这个数据库 中的 配置总数相当于 在模具配置的腔布局设计水平中可用的布局配置的数量 。在数据库中所列出的 信息 是配置数量，类型和 腔的 数量。表 1 显示了一个配置数据库的例子。 配置数量是相应 类型可用布局配置的每一个名字的腔的数量 。当布局的特殊类型和数量 被定义时 ，适当的布局配置将被加载到腔设计 中。  3.2.2 布局设计表  在 配置数据库中 的 每一个标准配置 都 有自己的布局设计表。布局设计表包含 每一个配置的 布局结构的几何参数 并且 每个配置 是 独立的。一个更复杂布局结构将有更多的几何参数 去 控制腔布局。图 11（ a）和 11（ b）显示回模具板（核心板）与大型腔和装配四个小型腔相同的四腔布局。它总是更经济，容易加工，而不是机器个别一大型腔在钢块小型腔。机械加工的优势一个大型腔是：  812 杂木低和堪萨斯州利   23 图 11 凹模板  1、可以节省 腔之间更多的空间，因此，小钢块都可以使用。 2、 相对于加工多个小型腔加工大型腔更快 一些 。 3、相对加工 多个较小的型腔 加工 一个大型腔 有更高的精度。因此，几何参数的默认值在布局设计中 由表腔之间的距离决定 。然而，为了使系统更加灵活，几何参数的默认值可以修改以适应每一个有需要的模具设计。  3.3 建立几何参数   几何参数有三个变量： 1、 腔之间的距离（弹性）。腔之间的距离 要在 布局设计表中列出他们可以由用户控制或修改。那个距离默认值， 使得 没有腔之间的 没有 距 离 。 2、单型 腔 的圆角 方向（弹性）。 单型腔的圆角方向 也要在布局设计表中列出 ，用户可以 更改 。 对 多腔布局，所有的腔 的圆角方向都必须和 布局设计表所示 的相同 。如果修改 圆角方向 ，所有的腔 的圆角都必须改变相同的角度 ，而不影响布局配置。 3、 各腔之间的 组装 关系（固定）。 腔的圆角方向要相互配合，在单独的布局设计中被预定义，而且被各腔之间的相互组装关系控制，除了定制的，这适用于所有的布局设计 。图 12 显示了一个单腔布局 设计 例子和几何参数。主要插入 /腔的起源是在该中心。  x1 的默认值和 Y1 为零，使腔是该布局 的 中心（两个相互重叠的起源）。用户可以更改 X1 和 Y1 的 默认值 ，使腔可以适当地 弥补 。图 13 显示了一个八腔布局结构例子和几何参数。  X 和 Y 的默认值 是主要插入尺寸 /腔。 在 默认情况下， x1 和 X2的默认值 等于 x， 1 值等于为 Y，因此腔之间不存在距 离 。 X1， X2 和 1 可 被提高 以适应设计中 腔之间的距 离 。这些 默认 值 会 在布局设计表 中列出 。如果 某个 腔 被调整 90 ， 那么其他 腔 也必须跟着调整相同的角度 ，但布局设计 仍保持不变 。用户可以通过改变布局设计表格 中 的参数 来改变腔的角度 。布局如图14。   24 图 12 单腔布局结构和几何参数  腔布局设计系统 813 图 13 八腔布局结构和几何参数无腔旋转  一个复杂的腔 布局配置，有更多几何参数，必须使用的相关方程的参数。  4.塑料模具的控制腔布局设计  参数原型用奔腾三 PC 兼容的硬件执行 。这个原型系统使用了商用 CAD 系统（ SolidWorks2001）和商业数据库系统（ Microsoft Excel） 等 软件。该原型系统的开发使用微软的 Visual C + + V6.0 的编程语言和 SolidWorks 的 API（应用编程接口） 在 Windows   25 图 14 八腔布局结构和几何参数与腔旋转  NT 的环境 中 。 SolidWorks 的选择主要有两个原因： 1。 主要由于硬件的采购成本，在 CAD /CAM 行业的上升趋势已经转向以 Windows 为基础的个人电脑 的使用而不是基于 UNIX。 2。三维 CAD 软件完全兼容 Windows，从而它能够从Microsoft Excel 中 顺利整合 信息 到 CAD 文件 中 （零件，装配和绘图） 17。这个原型系统有 8 个标准布局配置数据库在 Excel 文件中列出。 如 图 15 所示。（ 1）。与此相应的配置数据库，布局设计水平，这是一个具有相同的布局配置SolidWorks（ layout.sldasm） 的装配文件 。 与 Excel 文件中的配置名称 相 对应的 布局配置文件名称，如图 15（ b）所示 。 每腔布局文件（ layout.sldasm）项目将预先加载这些布局配置。当所需的布局配置是通过用户的要求接口，布局结构将被加载。用户界面如图。 16 装载要求 的 布局配置 要事先下载 。在加载要求 的 布局配置 后 ，当前的布局配置信息将在列表框中 列出 。然后用户可以改变当前的布局配置 以适应在配置数据库中建立的任何相应布局设计 。 如 图 17 所示。 当用户按下用户界面底部的按钮包含几何参数的布局结构的布局设计表会被激活 。当几何参数的 默认 值改变 时 腔的设计亦相应更新。图 18 显示了当前的布局配置激活 的 布局设计表。  5.案例研究  手机外壳 CAD 模型，如图 19 所示 ， 是用在下面的案例研究。 原始的 CAD 模型要根据使用的模具树脂的收缩默认值来缩放设计插入件来阻止收缩部分，这 26 整个组件被称为主要插入组件 （三十 cavity.sldasm）， 814 杂木低和堪萨斯州利   图 15 配置数据库和布局模板原型系统   图 16 在用户 登陆 界面之前加载所要求的配置  其中 “xxx” 是项目的名称。图 20 显示的主要插入组件。主要插入 件 创建后，腔布局设计系统，可用于制备模具装配 的 腔布局。  5.1 方案 1：初步腔布局设计在模具设计 中 ， 所设计的 模具总是 由 客户 决定 ，因为他们要平衡 设备投资 和最初的预算 。客户已经 要求设计一个两腔模具生产 手机外壳。创建主要插入组件 后 ，模具设计 师会下载一个使用此腔设计系 27 统的两腔线性布局配置 。相应配置的名称是 L02，并在用户界面中列出如图 21所示。  5.2 方案 2：腔布局设计改造与客户 与 模具设计者 之间的 技术讨论会是常见的。这使得 对模具制造的 三维 CAD 文件 都要尽可能快的做出调整 。变化几乎总是不可避免的，模具设计人员从来没有 多余 的时间。在这种情况下，在技术讨论会 上 ，为客户改变了主意，需要一个四腔线性而不是两腔模具使 该  甲腔布局设计系统 815 图 17 加载所要求的配置 后 的 用户界面   28 图 18 与布局设计表的用户界面  816 杂木低和堪萨斯州利   图 19 手的手机 CAD 模型