（机械工程专业论文）滑动器注塑模具的设计与分析.pdf

工程硕士学位论文 圈酉 注塑模模具设计的核心是模具型腔，即模具成型零件的设计，传统的注塑模发计主 要依靠模具设计师的直觉和经验，需要进行大量的手工绘图，如果设计模型需要调整， 则所有的设计图纸必须重新绘制，劳动强度大。模具通常要经过反复的调试和修正才能 投入生产，模具的设计周期长，成本高，并且产品的质量不易保证。采用c a d 和c a e 技术设计开发模具，可以一次试模成功，缩短设计周期，降低成本。 本论文结合生产实际，设计开发了塑料编织机中滑动器零件的注塑模模具。根据滑 动器零件尺寸设计出零件三维模型和模具的装配模型，通过分型面的设计最终完成模具 的各个成型零件。利用p m e 分析软件p 1 a s t i ca d v i s o r 进行了模具注塑时的流动仿真， 根据分析结果确定出浇注点，设计出注塑模的浇注系统。模具的冷却系统会影响到注射 的时间和产品质量，本文分析了冷却系统的设计原则和常见的布置形式，并利用a d i n a 软件模拟了冷却系统对模具温度场分布的影响：冷却水管距型腔表面距离越小，型腔表 面温度越低，温差越小；直径越大，温度越低，温差越大；冷却水管间距越小，温度越 低，温差越大；冷却水流速越大，温度越低，温差越大。根据模拟结果，设计了模具的 冷却系统。 为了检验滑动器模具成型零件设计的合理性，进行了充模仿真和开模仿真，仿真结 果表明：模具成型零件形成的型腔注塑出的制件满足设计要求，成型零件能顺利开模， 不会发生干涉。 关键词：注塑模具；滑动器；设计；冷却系统；仿真 滑动器注塑模具的设计与分析 a b s t r a c t t h ec o r eo fm o u l di n j e c t i n gd e s i g ni sj t sc a v i t y ，n 枷e l y ，t h ed e s 塘n i n go fm o u i ds b a p i n g p a r t s ，w h i c ht r a d i t i o n a l l yd e p e n d so nd e s i g n e r s ，i n t u h i o na n de x p 耐e n c ea f l dn e e d sal o to f h a n dd r a w i n gs u p p o s et h a tt h ep r o t o t y p en e e d sr e a d j u s t i n a n dt h e na l lt h ed r a w i n g sm u s t b ed r a w na l lo v e ra g a i n ，w h i c ho f t e nm e a n sh a r dw o r k a sar e s u l t ，m o u l di sa l w a y sd e b u g a i l dc o r r e c t e da g a i na l l da g a i nb e f o r ei tc a nb eu s e dt op r o d u c ep m d u c t sn o to n l yt h em o u l d d e s i g nc y c l ei sl e n 甜h e n i n ga n dt h em o u l dc o s ti sh i g h ，b u ta l s ot h eq u a l i t yo f t h ep m d u c tc a n n o tb eg u 啪m e e dt h e 印p l i c a t i o no fc a da n dc a et e c h n i q u et om o u l dd e s i g n i n gc a ne n s u r e t h ed e s i g ni sj m p l e m e n ts u c c e s s 如1 l yi no n et r a i l ，i ta l s os h o r t e nt h ep e r i o do fm o u l dd e s i g n a l l dl o w e r e dt h ep r o d u c tc o s t t a k i n gi m oc o n s i d e r a t i o nt h ep r a c t i c a lp u r p o s e ，t h ea u t h o ro ft h i sp a p e ra d o p t st h e i n j e c t i n gm o u l dw h i c hi su s e di nd e v e l o p i n gp r o ，es o f h a r ef o rs l i d i n ge q u i p m e mo fp l a s t i c k n i t t i n gm a c h i n e t l l r e ed i m e n s i o nm o d e lo fp a na n da s s e m b l em o d e lo fm o u l dw e r e d e s i g n e da c c o r dt 0s i z eo fs l i d i n ge q u i p m e 毗，a n de v e r ys h 印i n gp a no fm o u l dw e r ed e s i g n e d t h r o u g hd e s i g np a f t i n gs u r f a c et h ef l o w i n gs i m u l a t i o ni sd o n eu s i n gp l a s t i ca d v i s o ra 衔l l a t e d t 0p r o es o r w a r ea n d 两e c t i o nl o c a t i o n si sd e t e m i n e da n di i l j e c t i o ns y s t e mi sd e s i g n e do n t h eb a s i so ft h er e s u l t s 疗o mt h i sa n a l y s i sa st h ec 0 0 1 i n gs y s t e mi sc o e l a t i v et om o u l d i n g t i m ea n dq u a l i t yo fp r o d u c t s ，t h eo r d i n a r yl a y i n gf o m sa i l dd e s 遮na r ea l s oi n t r o d u c e di nt h e p a p e rt h e r e f o r e ，m e ru s i n ga d l n a s o f t w a r et oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo fc o o l i n gs y s t e mo n m o u l d i n gt e m p e r a t u r e 矗e l d s ，t h ea u t h o rp o i n t so u tt h a t0 t h e rc o n d i t i o n sb d n ge q u a l ，t h el e s s t h ep i p e c a v i t yd i s t a n c ei s ，t h e1 e s si t s t e m p e r a t u r ed i f i 色r e n c ea n dl o w e rt h es u r f a c e t e m p e r a t u r eo ft h ec a v i t yw i l lb et h e 铲e a t e rt h ed i a m e t e ro ft h ep i p e ，t h e1 0 w e ri t s t e m p e r a n j r ea n dg r e a t e rt h et e m p e r a t u r ed i f r e r e n c ei st h es m a i l e rt h es p a c eb e t w e e np i p e si s ， t h el o w e ri t st e m p e r a t u r ea i l dt h u ss m a l l e rt h et e l 】1 p e r a t u r ed i n b r e n c et h ef h s t e rt h ec 0 0 1 i n g w a t e rf l o w s ，t h eh i g h e rt h et e m p e r a t u r ea 1 1 dg r e a t e rt h et 锄p e r a t u r ed 饵陪r e n c et h el o c a t i o n a n ds i z eo fc 0 0 1 i n gp i p e sa r ec a l c u l a t e da n dd i s t r i b u t e da c c o r d i n gt ot h ee m u l a t i o nt e s ta n d f i n a i l ya p p r o p r i a t ec o o l i n gs y s t e mi sb r o u 曲tf b n h t bd e t e n n i n et h er a t j o n a 】i t yo ft h ed e s 噜n j n go fi n j e c t i n gm o u l df o rs 】j d i n ge q u i p m e n t ， m o u l d i n gs i m u l a t i o na n dm o l do p e n i n gs i m u l a t i o n a r ee x e c u t e d ，t h er e s u l t so fw h i c h i n d i c a t et h a tt h es h a p i n gc a v i t ym a d e 抒o mm o u l di n j e c t i n gd e s i g nm e e t st h ed e m a n do f r e l e v a n tr e q u i r e m e n t s 柚ds h a p i n gp a r t sa r ee a s yt oo p e na n di n t e r f e r e n c ed o e sn o to c c l j f k yw o r d s ：】n j e c t j n gm o u l d ；s l i d j n ge q u j p m e n t ；d e s 塘n ；c o o j i n gs y s t e m ； s i m u 】a t j o n 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑熏声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得豹研究成果。除了文中特嗣加以标注弓i 用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出熏要贡 献的个人；f l ：1 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：雾鲤延该日期：知一缉6 月中日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作髫完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构邀交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阔。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分虚 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 翻汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密西，在年艇密藩适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框肉打“”) 作者签名：季包迦裂 别磁名职磁 钧l 锋 鞠期：础 日期：切6 年 g 月峰目 石月f 日 工程硕士学位论文 1 1 塑料成型概述 第1 章绪论 塑料工业是由树脂合成业、塑料加工业和塑料制品开发应用三个领域组成的。塑料 加工业起着承前启后的作用，是连接原料与制品的纽带。塑料制品的成型加工方法很多， 包括注塑成型、压缩成型、挤出成型、压注成型、吹塑成型等等【l 2 j 。由于注塑成型工 艺的成型周期短；能一次成型外形复杂、尺寸比较精确或带有金属嵌件的塑料制品；生 产效率高，易于实现全自动化生产。并且早期的注塑成型方法主要用于加工热塑性塑料 制品，但是随着塑料工业的迅速发展以及塑料制品应用范围的不断扩大，注塑成型方法 己经推广应用到热固性塑料制品和一些塑料复合材料制品的生产中。目前，除了少数几 种塑料外，注塑成型已经成为塑料制品主要的成型加工方法。工程塑料制品中，有8 0 以上的塑料制品是采用注塑加工成型【j j 。 注塑成型的原理是将松散的粒状或粉状塑料，从注塑机的料斗送入加热的料筒内熔 融、塑化，使之成为粘流熔体，在柱塞或螺杆的推动下，以合理的流速通过料筒前端的 喷嘴注入温度较低的闭合模具中，经冷却保压后，开模分型，得到具有一定形状和尺寸 的塑料制品。图1 1 为螺杆式注射机注射成型原理图，完整的注塑成型过程包括注射充 模、保压补料和冷却定型。 注射充模是指合模后，熔融流体从注塑机的注塑部位注入较凉的模腔过程。整个阶 段从柱塞或螺杆向前移动将已被塑化的塑料熔体注入模具型腔开始，到模腔被塑料熔体 充满为止。熔体在模腔中的流动状态一般为稳态层流( 即熔体流动时受到的惯性力与粘 滞力相比很小) ，从浇口到模腔终端逐渐扩展。熔体在模腔内流动时会受到一系列的流 动阻力，这些阻力一部分来源于注塑机筒、喷嘴、浇注系统和模腔表壁对熔体的外摩擦， 另一部分则来源于熔体自身内部产生的粘性内摩擦。为了克服流动阻力，注塑机必须通 过螺杆或柱塞向熔体施加很大的注射压力。充模阶段对聚合物大分子的取向有很大影 响，该阶段进行得不好有可能引发短射、过保压等缺陷，对制品质量有很大影响。 保压补料是指熔体充满模腔那一刻起到浇口固化为止的一段时间。充模结束时模腔 被充满，熔体的快速流动也停止，喷嘴处的压力达到最大值( 即注射压力) ，但模腔内的 压力还未达到最大值，由于熔体的可压缩性，在喷嘴压力的作用下，熔体继续进入模腔， 使模腔内压力迅速升高，并使充模结束时的非均匀压力场迅速均匀。当浇口凝固时，由 于没有物料进入模腔，模腔内的压力迅速降低。 冷却定型是注塑成型过程的最后一个阶段，从浇口固化后丌始到制品达到脱模温度 从模腔中项出为止。冷却定型结束时的模腔压力和模腔温度对制品质量非常重要。若脱 模温度太高，制品在脱模后不仅会产生较大的收缩，而且容易发生热变形。若脱模时模 腔内压力太高，容易使制品在脱模后产生较大的残余应力，导致制品在以后使用中发生 形状、尺寸的变化或产生其它缺陷，而且脱模会非常困难；若脱模时模腔内压力太低， 滑动器注塑模具的设计与分析 则制品表面容易有陷痕或内部有真空泡。只有模腔压力和外界压力相差不大时，脱模才 比较顺利，并能获得满意的制品【4 5 。 图11 螺杆式注射机注射成型原理图 1 料斗2 传动装置3 注射缸4 螺杆5 - 加热装置6 喷嘴7 - 注射模 1 2 注塑模的发展 作为聚合物成型的重要工艺装备，模具在注塑成型过程中处于核心地位，其设计与 制造水平直接关系到产品的质量、品种及更新速度。 1 2 1 模具工业的重要性及发展趋势 模具是现代工业生产的基础工艺装备，在国民经济中占重要地位。在电子、汽车、 电机、电器、仪器、仪表、家电和通讯等产品中，6 0 一8 0 的零件都要依靠模具成型。 而全世界每年生产的注塑模数量约占所有塑料成型模具数量的5 0 ，用模具生产制件所 表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其它加工方法所不 能比拟的。模具又是“效益放大器”，用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身 价值的几十倍、上百倍。模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平 高低的重要标志，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力【6 】。 模具工业是国民经济的基础产业，模具工业的发展标志着一个国家工业水平及产品 的开发能力，汽车工业中新车型的开发与批量生产，家电工业及日用品工业的产品开发 等都与模具行业的发展息息相关，模具技术的应用为我国模具工业的发展起到了重要的 推动作用。模具技术已成为技术发展中最具活力、创造效益最高的应用领域。同时，模 2 工程硕士学位论文 具工业也是技术最普及、应用最成熟的应用行业之一。因此，“模具工业是进入富裕社 会的原动力”嘲。模具工业是高新技术产业的一个组成部分。例如，属于高新技术产业 领域的集成电路的设计与制造，不能没有做引线框架的精密级进冲模和精密的集成电路 塑封模，计算机的机壳、接插件和许多元器件的制造，也必须有精密塑料模具和精密冲 压模具。数字化电子产品的发展，没有精密模具也不行，模具工业地位日益重要。 在过去的2 0 年中，我国模具工业得到了长足的进步。但是，我国的模具工业与模 具发达国家相比，其差距表现在：模具的设计水平；模具的制造水平；模具的标 准化水平【9 】。长期以来，我国高聚物成型加工过程工艺参数的设定和模具设计与制造主 要依赖于工艺人员和模具设计人员的经验和技巧，设计的合理性只能通过试模来判断， 制造的缺陷也主要靠修模来纠正，导致模具及制品的设计与制造周期长、成本高、档次 低。我国模具技术水平大约落后于国外2 0 年，模具生产只能满足需要的6 0 左右，每 年进口的精密复杂模具高达数亿美元。 所以，今后模具工业的发展趋势是现代设计方法与工艺设计相结合，模具工业向着 集团化、规模化方向发展，完善模具设计的c a d c 蜊c a e 一体化技术。在模具的开 发和制造过程中，采用数控精密高效加工设备、采用逆向工程、并行工程、敏捷制造、 虚拟技术等先进制造技术。 1 2 2 典型注塑模结构 注塑模的结构形式很多，主要由塑件的结构、注射机的种类及生产批量等因素决定。 典型的注塑模结构如图1 2 所示，由动模和定模两部分组成，动模安装在注射机的移动 模板上，定模安装在注射机的固定板上。注塑时动模与定模闭合构成型腔，熔融塑料经 注射机的喷嘴，由浇注系统注入型腔，经保压冷却后，动模与定模在注射机的带动下开 模，由推出机构推出制品。根据模具中各零部件所起的作用，可将注塑模分为以下几个 基本组成部分”j 。 1 、成型零件 成型零件是指动、定模部分有关组成型腔的零件，用于成型制品的内外表面，是与 塑料直接接触，决定制品的几何形状和尺寸的零件。包括型芯、型腔板、镶件、螺纹型 芯、型环等零件，成型零件制造精度要求较高，是模具的关键零件。图1 _ 2 中的成型零 件包括定模板3 、动模板4 、主型芯7 和滑块1 9 。成型零件在注塑成型过程中，反复承 受高温、高压及塑料熔体对它们的冲击和摩擦作用，容易发生磨损、变形和开裂。因此， 设计注塑模时，必须综合考虑塑料制品的结构特点、生产批量、模具的使用寿命等问题， 合理地设计成型零部件的结构形式，准确地计算它们的尺寸和公差，保证足够的强度、 刚度和良好的表面质量。 2 、浇注系统 浇注系统是将熔融塑料由注射机喷嘴引入模具型腔的通道。浇注系统决定了充模时 熔体的流动特性，对注塑件的质量有较大的影响。浇注系统一般由主流道、分流道、浇 口及冷料井组成。 滑动器注塑模具的设计与分析 3 、合模导向机构 主要有导柱、导套、导向锥等零件，用于保证动模和定模两大部分或模具其它零件 的准确对合，以保证制品形状和尺寸的精确度，避免模具各零件发生碰撞和干涉。同时 在模具吊装和注射成型中承受了一定的侧压力。 图1 2 典型的带分型抽芯机构的注塑模 l 一定位圈2 - 浇口套3 定模板4 动模板5 一导柱6 一型芯固定板7 主型芯 8 一支撑板9 复位杆1 0 一推杆固定板1 1 推板1 2 动模座板1 3 一推杆 】4 一垫板1 5 - 螺钉1 6 - 挡板1 7 弹簧1 8 螺钉1 9 滑块2 0 一锁紧楔2 2 斜销 4 、分型抽芯机构 当塑件带有侧孔、侧凹时，除可强制脱模的外，一般都需在推出塑件前，先进行侧 向分型，将成型侧孔侧凹的零件从塑件中脱出。这一动作的完成是由分型抽芯机构来实 现的。主要有斜销、斜滑块、弯销、齿轮齿条等零件。 5 、推出机构 塑件成型后动、定模开模，塑件及浇道凝料需要被推出或拉出，这一动作是由推出 机构来实现的。主要有推杆、推管、推件板、推块等零件。 6 、冷却加热系统 又称温度调节系统，为满足注射成型工艺对模具温度的要求，模具需设置冷却或加 热装置对模具的温度进行调节。模具的冷却一般是在型腔或型芯周围开设冷却水道；加 热一般是在模具内部或周围安装加热元件。 7 、排气系统 排气是为了将型腔内的空气及塑料受热冷凝过程中产生的气体排出，避免在塑件中 留下气泡等质量缺陷。排气系统通常是在分型面处开设排气槽，有时也可利用镶拼件间 的配合间隙来排气。小型塑料制件的排气量不大，可直接利用分型面排气。 4 工程硕士学位论文 1 2 3 注塑模c a d 及其优越性 注射模具是一种典型的单件订货生产方式的产品，而且不同于一般的单件生产，因 为模具不是用户的最终产品，它具有很强的时效性。传统的模具生产先根据设计者的经 验进行模具设计，然后由制造工程师进行工艺规划，最后交付车间进行模具加工，加工 装配后进行试模，根据得到试件对模具的设计进行评价，如发现问题则进行相应的改进。 由于在设计过程中不能很好地考虑用户需求、加工、装配、支持、计划等，并且缺乏相 应的技术手段，使设计出的产品存在不可加工、不可装配、不能完全满足用户需求等种 种现象。一般而言，模具在交付使用之前都要反复修改，从而造成了模具设计周期的延 长和浪费 模具工业是一个技术密集、劳动密集型行业，为了尽快提高塑料模具的设计与制造 水平及制品的质量、档次，缩短模具的设计和生产周期，发达国家从2 0 世纪8 0 年代中 期就已广泛使用计算机对塑料模具进行辅助设计( c a d ) 和辅助制造( c a m ) ，并对模 具设计的各个环节进行定量计算和数值模拟分析( c a e ) ，藉此缩短塑料产品的更新换 代及上市周期、提高产品质量，将c a d 技术结合c a e c a m 应用于塑料模具设计，将 彻底改变传统的模具设计、制造方式，与传统设计方法相比较，注塑模具c a d c a e c a m 技术具有以下几个方面的优点： 1 提高模具质量。c a d 技术的应用，使得模具设计更加准确、快速；c a m 技术可 自动生成模具成型零件的加工刀具轨迹，使零件尺寸精度高、表面粗糙度好；c a e 技术 可优化模具设计方案，帮助设计人员设计出正确合理的模具结构。 2 缩短模具制作周期。c a d 系统中存贮有模具标准件、常用设计计算程序库及各种 设计参数的数据库，应用计算机自动绘图，可大大缩短设计时间，c a e 应用于设计， 可减少因单凭经验设计而不得不反复修模花去的时间。此外，数控机床的应用，也大 幅度的提高了生产效率。 3 降低成本。计算机和绘图仪的自动化工作节省大量的劳动力，c a e 的辅助分析减 少了修模和试模时间，生产周期缩短，同时大大增强了产品的市场竞争能力。 4 充分发挥设计人员的主观能动性。c a d c a e c a m 有助于设计人员从繁重的计算 和绘图中解放出来，去从事更多的创造性劳动。 5 提高企业的管理水平。c a d ，c a e c a m 技术的应用，使企业的产品开发、模具设 计和制造建立在科学、定量分析的基础上，减少盲目性，同时，可使整个模具生产过程 中的人、财、物的管理建立在更加科学合理的基础上。 1 3 国内外注塑模c a d 技术的发展应用 1 3 1 国外注塑模c a d 技术的应用现状 早在6 0 年代，美国、加拿大和日本就开展了c a d c a m 的研究工作，几十年来， 国外注射模c a d 技术发展相当迅速。7 0 年代己开始应用计算机在圆形、管形和长方形 5 滑动器注塑模具的设计与分析 型腔内的流动情况进行分析。8 0 年代初，人们成功地采用有限元法分析三维型腔的流动 过程，使设计人员可以依据理论分析并结合自身的经验，在模具制造前对设计方案进行 评价和修改，可以减少试模时间，提高模具质量。近十多年来，注射模c a d 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，一些商品化软件逐步推出， 并在推广和实际使用中不断改进、提高和完善。国外一些著名企业在产品的生产中广泛 采用了c a d 技术，如美国的通用公司、惠普公司、日本的丰田公司等。国外有名的注 塑模c a d 系统主要有以下几种。 1 、p t c 公司的p r o e 软件 p r o e 软件以其参数化、基于特征、全相关等概念闻名于c a d 界，曾引发机械设计 自动化领域的革命性变化，其曲面造型集中在p r o s u r f a c e 模块【l0 1 。其曲面的生成 编辑能力覆盖了曲面造型中的主要问题，主要用于构造表面模型、实体模型，并且可以 在实体上生成任意凹下或凸起物等。尤其是将特殊的曲面造型实例作为一种特征并入特 征库中。p r 扼自带的特征库就含有如下特征：生成复杂拱形表面；三维扫描外形；复 杂的非平行或旋转混合；混合扫描。该软件的曲面处理仅适合于通用的机械设计中常见 的曲面造型问题。 2 、美国e d s 公司的u g i i 软件 u g i i 软件源于航空业、汽车业，以p a r a s o l i d 几何造型核心为基础，采用基于 约束的特征建模和传统的几何建模为一体的复合建模技术。其曲面功能包含于 f r c e f o 珊m o d e l i n g 之中，采用了n u r b s 、b 样条、b e z i e r 数学基础，同时保留解析 几何实体造型方法，造型能力较强。其曲面建模完全集成在实体建模之中，并可独立生 成自由形状形体以备实体设计时使用。而许多曲面建模操作可直接产生或修改实体模 型，曲面壳体、实体与定义它们的几何体完全相关。u g i i 软件实现了面与体的完美集 成，可将无厚度曲面壳缝合到实体上。总体上，u g 的实体化曲面处理能力是其主要 特征和优势。 3 、美国s d r c 公司的i d e a s 软件 i d e a s 软件的曲面造型完全基于n 【瓜b s 几何定义的，它提供了一组丰富的曲线 曲面生成工具，用以放样、扫掠和拼合曲面，并对曲面形状进行灵活的控制。其结果是 一个曲面集合或具有拓扑关系的曲面实体模型。该模型可参与全部几何造型操作、干涉 检查、物性计算等。i d e a s 提供了独特的变量成形工具，它基于最小能量法，使用先 进的高层次操作，例如对直观的几何形状进行推挤、弯扭、相斥、吸引等，使底层的曲 面曲线成型。也可以对真实的几何体直接进行交互修改，从而得到光滑的形状，而不象 传统的那样对控制点、权及节点进行交互操作。该软件较完整地解决了主要的曲面造型 问题【1 2 】。 4 、澳大利亚m 0 1 d n o w 公司的m o l d n o w 软件 m o l d n o w 公司( 由澳大利亚的m o l d n o wp t y i t d 和美国的a c t e c h 公司于2 0 0 0 年 合并而成1 共同开发的m 0 1 d f l o w 软件。其基本数学模型方法是有限元法，实现注塑成型 的充填、流动、冷却、保压等过程，并进而对模腔内的压力、温度、应力场等进行分析， 6 工程硕士学位论文 预测制品的熔接线位置、残余应力、翘曲变形及其它表面质量问题，从而指导设计人员 改变设计参数，在模具制造前发现问题，可极大地缩短设计、生产周期。 1 3 2 国内注塑模c a d 技术的应用现状 我国近几年己有大批企业推广应用计算机技术，如江苏春兰、杭州娃哈哈、洛阳拖 拉机厂、青岛海尔等，引进了相当数量的c a d c a e c a m 系统。如美国e d s 公司的 u g ：美国p a r 锄e h i ct e c t l i l o l o g y 公司的p r o e n g i n e e r ；美国c v 公司的c 川 s ；日本 h z s 公司的g r a d e ；以及由澳大利亚m o l d n o w 公司开发用于注塑模具的设计、制造 与分析的m o i d n o w 软件：法国m a 仃a d a t a v i s i o n 公司用于汽车及覆盖件模具的e u c l i d i s 等专用软件。这些系统与软件的引进，使我国模具行业实现了从模具图的生成到模具加 工的自动编程，并能运用c a e 技术对成型过程进行计算机模拟等，实现了 c a d c a e c a m 的集成，促进与推动了我国模具行业的发展。但是由于多方面的原因， 现在仍有许多企业还停留在手工设计阶段。尽管有些单位己经甩掉了图板，实现了无纸 设计，但其塑模c a d 工作的相当部分也只是计算机画图和进行二维设计。少数企业采 用了三维c a d 软件进行设计。只有极少数企业的塑模设计和制造能力接近国际先进水 二【l3 l o 此外，我国多所研究部门和许多高校也在积极地开展具有自主知识产权的 c a d c a e c 舢软件的探索研究，虽然在开发注塑模c a d 技术方面起步较晚，但己取 得可喜的研究成果。“八五”期间由原轻工业部组织轻工部模具中心、原天津轻工业学 院、北京航空航天大学、原郑州工学院、原华中理工大学等单位共同完成了“塑料注射 模具设计制造技术的研究”国家攻关项目，首次全面系统地开发注塑模c a d c a e c a m 系统。 在“八五”攻关项目的基础上，郑州大学模具计算机辅助工程国家工程研究中心( 原 郑州工学院模具所) 独立开发了具有自主版权的注塑模计算机辅助分析软件z m o l d ， 可用以模拟各种产品设计、模具设计及成型条件对产品的影响、预测注射压力、锁模力、 熔接线和气穴位置等，供设计人员参考。华中科技大学模具技术国家重点实验室开发的 注塑模c a d c a e ，c a m 系统h s c 软件，包括制品三维形状输入、流动模拟、冷却分析、 型腔强度与刚度校核及模具图设计和绘制等功能【l “。 1 3 3 塑模c a d ，c a m 行业发展趋势 2 1 世纪c a d 技术发展的主要趋势是集成化、标准化、智能化和网络化。而在塑模 行业中，所追求的目标是提高产品质量及生产效率，缩短设计及制造周期，降低生产成 本，最大限度地提高塑模制造业的应变能力，满足用户要求。因此，塑模c a d 行业的 发展趋势可归纳为下述6 个特，征【”oq l 、集成化技术 现代塑模设计制造系统不仅强调信息的集成，更应该强调技术、管理的集成。在开 发塑模制造系统时，强调“多集成”的概念，即信息集成、智能集成、串并行工作机集 7 滑动器注塑模具的设计与分析 成及人员集成，这才更适合未来系统的需求。 2 、智能化技术 应用人工智能技术实现产品生命周期各个环节的智能化，实现生产过程各个环节的 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挥。 当前，在人工智能系统中应用的人工智能技术主要有专家系统、人工神经网络、遗传算 法、模糊系统。 3 、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的基础。目前早己出现了通过 i i l t c r n e t 实现跨国界塑模设计的成功例子。网络技术的应用为我国塑模企业实现敏捷制 造和动态联盟奠定了技术基础。近年来，由于网络数据库、电子商务等新技术的飞速发 展，为c a d 技术又赋予了新的设计理念和技术内容，将改变现有辅助设计的模式和方 式，因此又将发展成为网络时代的辅助设计系统技术n a d 。 4 、多学科多功能综合产品设计技术 未来产品的丌发设计不仅要用到机械科学的理论与知识，还用到电磁学、光学、控 制理论等，甚至要考虑到经济、心理、环境、卫生及社会等各方面的因素。产品的开发， 要进行多目标、全性能的优化设计，以追求塑模产品动静态特性、效率、精度、使用寿 命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳结合。 5 、虚拟现实与多媒体技术的应用 虚拟现实v r f v j n l 】a k a l i t y ) 是人造的计算机环境，人处在这种环境中有身临其境的 感觉，并强调人的介入与操作。v r 技术在2 1 世纪整个制造业中都将有广泛的应用，可 以用于培训及制造系统的仿真，实现基于制造仿真的设计与制造、集成设计与制造，实 现集成人的设计等。基于虚拟现实技术的c a d 系统是虚拟设计技术和c a d 技术发展的 必然结合。美国己于1 9 9 9 年借助于v r 技术成功地修复了哈博太空望远镜。多媒体技 术采用多种介质来存储、表达、处理各种信息，融文字、语言、图像于一体，给人一种 真实感。 6 、反求技术的应用 常规的塑模设计通常以产品的已有设计信息为依据。这些设计信息通过工程图或一 些模型来表达，然后制定出加工工艺规程，最终通过工装、塑模和设备制造出产品。但 是在许多情况下，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，以便制造出产品。 此时需要通过实物的测量，然后利用测量数据进行实物的c a d 三维几何模型的重新构 造。这种过程就是反求工程r e ( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 。然后将反求出的模型加以转换， 就可以被快速原型系统所接受。除此之外，一旦建立了c a d 三维几何模型后，还可以 依据这种数字化的c a d 三维几何模型用于许多操作：如实物c a d 模型的修复、零件的 重新设计、有限元分析、误差分析、数控加工指令生成及塑模的设计和制造等。 8 工程硕士学位论文 1 4 本课题所用软件概述 1 4 1 p m ，e n g i n e e r 软件简介 p r o ，e 职i n e e r 软件是1 9 8 5 年在美国波士顿成立的p t c 公司研发的计算机辅助工程 设计软件。其系列软件使用于工业设计和机械设计，还包括对大型装配体的管理、功能 仿真、分析制造和产品数据管理等，覆盖了众多的工程设计领域【i ”。p r o e n g i n e e r 软件 的正式推出是在1 9 8 8 年，经过几十年的发展己经成为世界三维软件中的代表产品、当 今世界机械c a d c 赴彤c a e 领域的新标准。作为一个高端、全方位的三维产品设计开 发软件，它以其尺寸驱动、基于特征、全相关及单一数据库的优点，逐渐成为国内最受 欢迎的三维c a d c a m 软件，应用范围遍布汽车、机械、电子、模具等诸多行业。 p r o e n g i n e e r 软件有如下特点：( 1 ) 信息相关性：所有模块的信息都是全相关的。这就 意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所 有的工程文档，包括装配体、设计图纸、制造数据。( 2 ) 基于特征的造型：在p r o ，e n g i n e e r 软件中，构造实体的基本单元是特征，实体是由多个特征构成的。造型的过程就是不断 的增加特征，以达到最终产品希望的模型。在构造实体完成后，可以对特征进行操作。 如对特征进行修改、复位义、重排序等操作，为用户修改模型提供了极大的方便。( 3 ) 参数化：由于采用参数化设计，实体造型较快，造型功能较强。用户在草绘特征时，只 需按自己的意图构造几何形状，再按实际需要修改尺寸即可。这样可以成倍的提高生产 效率。由于采用了参数化，某个特征的修改会使关联特征自动变更，可以随时保证设计 意图。 本文采用的是p r o e 鹕i n e e r 2 0 0 l 版，包含有8 0 多个专用模块，在设计过程中主要使 用以下几个模块：( 1 ) 草绘模块( p r o s k e t c h ) ，用于创建和编辑二维平面草图，是三 维零件模型创建的基础。( 2 ) 零件模块( p r o i m 汀) ，用于创建和编辑零件的三维实体 模型，用户通过实体建模最终实现产品设计和生产的目的。( 3 ) 模具设计模块 ( p 删u ) e s i g n ) ，用于创建、修改、分析模具元件及其组件，并可根据设计模型的 变化对它们进行快速更新，并且提供了一些实用的分析检测功能，如投影面积计算、充 模仿真、开模仿真等。( 4 ) 塑性顾问( p l a s t i ca d v i s o r ) ，是p m 厄中自带的一种分析软 件，具有强度的分析、计算和动态仿真功能，对已设计完成的模具的流动及填充情况进 行分析研究，以便在模具投入制造前就发现存在的设计问题。 1 4 2 a d i n a 软件简介 a d i n a 软件是美国麻省理工学院机械工程系研发的自动动力增量非线性有限元分 析程序，该c a e 软件是一个适用于微机平台的大型通用有限元分析系统，其功能强大， 应用领域非常广泛。可进行热场、流场、应力场的分析，广泛应用于各种工程领域，能 满足各行业有限元分析的需要。该软件单元类型几乎涵盖了所有己出现的类型，分析功 能广泛，程序的通用性强。a d i n a 还有c a d 软件接口，如p r o 甩，u g i i ，s o l i d w o r k s 等高级c a d 工具。都可以直接将生成的模型转化到a d i n a 中进行分析。或在c a d 系 9 滑动器注塑模具的设计与分析 统中直接调用a d i n a 软件进行分析，使建模更加方便【l “”j 。将p r o e 下设计的模具模 型导入到a d i n a 软件进行热场分析，为优化模具冷却系统提供科学依据和科学设计手 段，帮助设计人员根据分析结果合理设计冷却系统，优化工艺条件，使模具能够均匀冷 却，提高滑动器的合格率及精度。 a d n a 软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处 理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，分析计算模块包括几乎所有领域的 分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块 可将计算结果以各种所需要的方式显示出来。 1 5 课题来源、主要内容和技术方案 1 5 - 1 课题来源 兰州飞控仪表总厂生产的塑料编织机主要用于编织塑料袋，其中编织机上的滑动器 往返移动将塑料拉成丝状均匀缠绕在轴上，是编织机中一个主要易耗零件，滑动器要求 具有较高的强度和耐磨性。实际生产中，滑动器采用a b s 材料注射成型。在滑动器模 具的设计与制造过程中，主要依靠模具设计人员的经验和技巧，设计中采用a u t o c a d 进行绘图，当修改零件的某处尺寸，则零件的所有设计图纸得重新绘制，工作量大。模 具设计的合理性只能通过试模来判断，制造的缺陷也主要靠修模来纠正，造成滑动器模 具大量的报废，使得模具的设计与制造周期长、成本高。 1 5 2 课题的主要内容和技术方案 本课题主要内容是利用p r o 厄软件设计开发滑动器的模具，并利用p r o e 软件的分 析、计算功能和专业c a e 分析软件对滑动器模具的浇注系统、冷却系统等进行分析模 拟，优化模具的设计，缩短滑动器模具设计的周期，提高模具的质量和可靠性，降低设 计成本。 在模具设计过程中通过模架设计系统可以方便的设计出模架、模板、顶出机构、滑 块等零件，因此本课题在设计滑动器的注塑模时主要设计的是模具的成型部件和冷却系 统，具体方案如下： l 、滑动器三维模型的设计：根据滑动器零件的尺寸，设计出它的三维模型，并分 析模型的具体特征，确定滑动器注塑模的基本结构。 2 、滑动器模具分型面的设计：根据滑动器零件的结构进行拆模，设计型芯、侧滑 块、动模及定模的分型面。 3 、创建塑模模具元件：生成型芯、侧滑块、动模、定模等模具的成型零件。 4 、利用塑性顾问( p 1 a s t i ca d v i s o r ) 分析滑动器模具充模时高温熔融塑料的流动及 填充，分析填充质量、确定浇注位置。 5 、利用a d i n a 软件模拟模具的温度场及冷却系统对模具温度分布的影响，设计滑 动器模具的冷却系统。 6 、滑动器模具的充模、开模仿真：通过充模仿真，检查该模具注塑出的具有单一 实体特征的塑件是否符合设计要求；通过开模仿真，检查开模是否能够顺利进行，开模 是否发生干涉，从而确定模具设计的合理性。 l o 工程硕士学位论文 第2 章滑动器三维模型的建立及分析 2 1 滑动器实体建模 滑动器零件的具体形状见图2 1 一$ 醪 晖唪 图2 1 滑动器零件图 根据滑动器零件图中所测实际尺寸，利用p r o p a r t 模块进行实体造型。双击 班o e 2 0 0 1 图标打开软件，选取命令d 新建吼 ，选取文件类型为萋圆雩燃、子类型为 辩宴体、输入文件名h d q m x 。从零件菜单管理器中( 图2 2 ) 选择墨曩回 斗衄斗田瞳圈斗p r o h i 。n 咖材籼地可以 选择减材料( c u t ) ，加( 减) 材料过程中，有多种特征可供选择， 如拉伸特征、旋转特征、混合特征、扫描特征等，实体完成后， 可以在实体上构建孔( h o l e ) 特征、倒角( c h 锄f e r ) 特征、圆 角( r o u n d ) 特征等。根据制作零件的具体特征自行挑选，最终 完成零件的建模。图2 3 为建立的滑动器三维模型图。图2 4 为 滑动器三维模型的建模过程，通过滑动器三维模型的模型树，可 以清楚地了解滑动器零件所具有的特征及特征间的相互关系，也 可以清晰地了解滑动器模型的建模过程。 图2 2 菜单管理器 滑动器注塑模具的设计与分析 标识3 9 i 识i 4 3 标识邪0 标识2 卵 目4 1 2 目4 4 4 标识1 6 i 0 标识i 6 7 4 珊t 标谓明日 筋标识t l g 筋标识t t d 肺标识蚰2 筋标识昕5 筋标识1 0 3 0 ，$ 自识l * 标识1 筋标识1 4 3 3 箭标识1 5 d 目 箭标识1 5 8 2 倒固角标识l t 6 9 倒角标诅l 明4