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山东大学硕士学位论文 塑料复合管材共挤机头计算机辅助设计系统研究 摘要 共挤出技术是当代应用广泛、技术先进的一种塑料复合型材加工方法，它能 通过较低的生产成本，获得各种具有特殊性能塑料型材。近些年，随着塑料管材 应用领域的不断的扩大，共挤出技术在复合管材加工方面也发挥着越来越重要的 作用，具有很大的发展潜力和广泛的前景。如何合理快速的设计共挤出机头成为 且前急需解决的一个问题。 随着科学技术的迅速发展，c a d 技术逐渐成为现代塑料工业中模具设计的一项 新型技术。c a d 技术在模具领域得到广泛的应用，改变了传统的模具设计与制造方 法，使得模具设计的自动化、智能化与集成化水平不断提高，大大提升了企业生 产的效率和效益。因此，将计算机辅助设计应用于模具设计已经成为当今企业发 展的必然趋势 本文在深入了解塑料复合管材共挤出机头的设计过程和研究分析双组分塑料 熔体在管材共挤出口模内流动情况的基础上，应用三维造型软件的二次开发技术， 以造型软件s o l i de d g e 为开发平台，采用v i s u a lb a s i c 编程语言工具，创建了 塑料复合管材共挤出机头的主要零件参数化设计系统。基于模块化设计方法的各 种优越性，系统的开发结合建立参数化的三维零件库的基本思想，采用模块化设 计方法，主要由信息输入模块，机头零件生成模块、装配模块、工程图模块、校 核模块和标准件模块等组成。系统中采用参数化设计方法，设计人员变动一个参 数值，将自动改变所有与它相关的尺寸，并遵循一定的约束关系。 该系统可以完成设计计算、模型建立、系统装配、工程图转换等工作，具有 较好的灵活性，从而扩展了s o l i de d g e 的功能。系统在良好的人机交互环境下， 改善了普通c a d 造型软件缺乏针对性、参数计算繁琐，重复工作较多，导致设计 周期长的缺点，提高了设计的柔性。塑料复合管材共挤出机头的主要零件参数化 设计系统的建立为将来开发共挤塑料棒材、共挤塑料异型材等留出较大的扩展余 地，便于以后的开发和研究。同时，该系统的建立为c a d c a m c a p p 的双向集成奠 f i ； 山东大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nc a ds y s t e mo ft h ec o e x t r u s i o n p i p ee x t r u s i o nd i e a b s t r a c t c o e x t r u s i o ni sad e v e l o p i n gt e c h n i q u ei nt h ec o n t e m p o r a r ye r a i ti sw i d e l yu s e di n t h ef i e l do fp l a s t i cc o m p o s i t ep r o f i l e sp r o c e s s i n g w i mt h ec o n t i n u o u se x t e n s i o no f p l a s t i cp i p ea p p l i c a t i o nf i e l d ，c o - e x t r u s i o nt e c h n i q u ep l a y sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n t r o l ei nc o m p o s i t ep i p ea n di ta l s of o r e s e e sh u g ep o t e n t i a la n de x t e n s i v ep e r s p e c t i v e h o wt og e tr e a s o n a b l ed e s i g no fe x t r u s i o nd i e f o rc o - e x t r u s i o nh a sb e c o m ea n i n c r e a s i n g l yi m m i n e n ta n dn e e d s t ob er e s o l v e d w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , c o m p u t e ra i d e dd e s i g nh a s b e e nb e c o m i n ga na d v a n c e dt e c h n o l o g yf o rm o u l dd e s i g n i n gi np l a s t i c si n d u s t r y w i d e l yu s e di nd e s i g n i n gf i e l d ，c a dt e c h n o l o g yh a sm a d ed e s i g n i n gp r o c e s sd e v e l o p t o w a r d st h ed i r e c t i o no fh i g h - a u t o m a t i o n , h i g h - i n t e l l i g e n c ea n dh i g h - i n t e g r a t i o n s o g r e a tc h a n g e sh a sm a d ei nt h em e t h o do fm o u l dc o n v e n t i o n a lp l a s t i cd e s i g na n d m a n u f a c t u r i n g ，i n o t h e rw o r d s ，u s i n gc a d t e c h n o l o g yc a nd e c r e a s et h ec o s to f p r o d u c t a n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fe n t e r p r i s e a c c o r d i n g l y ，i th a sb e c o m eat r e n dt h a t c h i n e s ee n t e r p r i s e st oa p p l yc o m p u t e ra i d e dt e c h n o l o g yt om o u l dd e s i g n i n g i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h ei n t i m a t eu n d e r s t a n d i n go f t h ec o - e x t r u s i o nd i ed e s i g n a n dt h ea n a l y s i so fp o l y m e rm e l t sc o - 七x t r n s i o nf l o w , a d o p t i n gs e c o n d l yd e v e l o p m e n t t e c h n o l o g y o f t h r e e - d i m e n s i o n a lc a d s o f t ，ap a r a m e t r i cc a ds y s t e mo f t h ee x t r u s i o n d i ef o rc o - e x t r u s i o np l a s t i cp i p ew a sb u i l tu p t h es y s t e mw a sd e v e l o p e db yv i s u a l b a s i cl a n g u a g eo nt h eb a s eo ft h ee n v i r o n m e n to fs o l i de d g e ，a n di n c l u d e sd a t a i n p u t t i n gm o d u l a r , m o d e le s t a b l i s h i n gm o d u l a r , a s s e m b l ym o d u l a r , p r o j e c td r a f t m o d u l a r , c h e c km o d u l a ra n ds t a n d a r dp a r tm o d u l a r i nt h es y s t e m , p a r a m e t r i cd e s i g n m e t h o di sa d o p t e d i no t h e rw o 吐c h a n g i n gav a l u eo fp a r a m e t e r , s y s t e mw i l lc h a n g e a u t o m a t i c a l l ya l ld i m e n s i o n sr e l a t e dt h i sp a r a m e t e ra n df o l l o wc o n s t r a i n tt e r m s t h es y s t e mh a sg o o df u n c t i o n so fd e s i g nc a l c u l a t i o n , m o d e le s t a b l i s h i n g ，p a r t 1 1 1 ，l。；，? ， a b s t r a c t a s s e m b l y , p r o j e c td r a f tc o n v e r s i o ne r e ，a n dp o s s e s s e sb e t t e rf l e x i b i l i t y s ot h eu s a g eo f s o l i de d g eh a sb e e ne x p a n d e d t h er e a l i z a t i o no f t h i ss y s t e mc a nm a k ed e s i g n e r sf i n i s h t h ec o - e x t r u s i o nd i ef a s t e ra n de f f i c i e n t l yu n d e rg o o dh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n e n v i r o n m e n t , a v o i dt h ef l l r t h e rm o d e l i n go ft h ea n a l o g o u sp r o d u c t ，r e d u c er e p e a ta b i l i t y l a b o rg r e a t l y ，r a i s ed e s i g ne f f i c i e n c y ，s h o r t e nd e s i g np e r i o d a n ds o m er o o mh a sb e e n l e f tf o rf u t u r e i nt h e s y s t e m i ns u m ，i tc a nl a yg o o df o u n d a t i o no fi n t e g r a t i n g c a d c a m c a ea n dh a sc e r t a i np o s i t i v em e a n i n gf o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d o p t i m u md e s i g no f c o e x t r u s i o nd i e f i n a l l yt h ed e m o n s t r a t i o no fe x a m p l eh a sb e e nc a r r i e do u tt op r o v et h a tt h es y s t e m m n sw e l l k e yw o r d s ：c o - e x t r u s i o n , c a d ，s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t , s o l i de d g e ，p a r a m e t r i c d e s i g n i v 1 膏 、 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：日期：地堕 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名 导师签名：咝日 期：迎丛争缚 ；1 i 世界塑料管材的发展 第一章引言 随着1 9 3 3 年聚氯乙稀首先在美国和德国进行了工业化生产，从而拉开了塑料 管材的生产和应用的序幕此后，世界塑料管材的生产以极快的速度发展，塑料 管材迅速走上应用舞台欧洲和美国塑料管总用量在上世纪末几年中，年均增长 分别为7 1 和5 2 ，都超过了其同期国民经济的增长速度从1 9 8 0 年到2 0 0 0 年 的2 0 年中，除塑料管材以外其它各种材料的管材需求增长率总和不足2 ，这仅 仅相当于塑料管材的需求增长率的四分之一。预计在未来几年中，塑料管材的需 求量将仍以每年约5 的速率增长据中国塑料加工业协会的相关统计，2 0 0 0 年、 2 0 0 1 年、2 0 0 2 年及2 0 0 3 年我国塑料管材的产量分别达到8 0 万吨、1 2 0 万吨、1 3 0 万吨及1 5 0 万吨，产量增长率达到1 5 i l 】 塑料管材之所以能在国内外得到广泛应用，原因就在于塑料管材比传统管材 如铸铁管、钢管、混凝管等具有重量轻、耐腐蚀、综合节能性好、运输安装方 便、使用寿命长等优点。基于上述优点，用塑料管材代替传统管材具有显著的社 会效益。如用于给水管比传统钢管节能6 2 7 5 ，用于排水管比铸铁管节能 5 5 6 8 安装费用为钢管的6 0 左右，材料费用仅为钢管的3 0 8 0 ，生产 能耗可节省8 0 ，塑料管材的使用寿命一般为5 0 年，而铁管为1 0 2 0 年 2 1 。耳 前，随着生产应用技术的日趋成熟，塑料管材在供水排水、农业灌溉、供热采暖、 电缆保护以及化工输送等领域，发挥了越来越重要的作用，成为当前建筑塑料中 用量最大的品种之一。实践证明，用塑料管材代替传统管材是社会发展不可抗拒 的趋势。 随着社会经济的迅速发展，根据塑料管材各种各样的用途，要求其兼备力学 强度、耐热性，耐寒性、透明性、印刷性和对气体和水蒸气的气密性等性能，用 单一塑料所制成的管材己不可能满足上述所有要求，这就需要不断有新的塑料管 材的出现来取代传统塑料管材。在塑料管材逐渐由重质向轻质，单功能向多功能 发展的基础上，共挤出复合塑料管材成为当前发展最迅速的新型管材之一由于 共挤出管材的各种性能和功能可以根据需要进行设计，通过选择合适的基体和增 强体以及合适的组成配比和排列分布，充分发挥组成材料的性能优势，从而获得 金属、聚合物、陶瓷等单一材料难以达到的综合性能，如高比强度、高比模量、 耐腐蚀、耐高温和超导等，所以逐步成为未来塑料管材发展的趋势 3 j 1 4 1 1 钉 第一章引言 1 2 共挤出的概述 通过共挤出，可以实现在一种塑料管材上具有宏观多组分的目的，从而可在 一种塑料管材制品上集中体现多种树脂的优点，使制品的性能进一步满足使用要 求。共挤出技术是塑料挤出技术中的先进技术，行业领域专家把共挤出同拉伸、 反应、发泡等列为塑料加工技术发展的趋判6 1 。 所谓“共挤出技术”，就是将不同类型的原材料或同类型不同牌号原材料分 别在挤出主机和各个共挤出机中加入料斗后，经过塑化，熔融，物料被定量、定 压挤进机头，输送到各自分配的流道中，在压力与温度的作用下，这些熔体“各 行其道”，然后在口模区汇集，并从机头的成型段挤出，再经冷却和定型后，获 得所需复合型材的加工方法【7 】。 共挤技术为开发全新的、多品种的塑料型材，展示了广泛的前景。共挤出的 优点在于层间粘合较好，原料和加工成本降低、性能改善，以及针孔、分层和层 问夹气的趋势减小。具体表现在喁l 【9 l ： l 、能充分发挥各种塑料的固有特性，使其在复合型材中起到应有的作用。 2 、属多种塑料一起成型的整体技术，无须粘结和贴合，制品各层之间粘着牢 固，可减小甚至消除表面针孔及各层之间的夹气现象，故效率高、降低物料消耗 及加工成本。 3 、将硬质材料与软质材料复合，集强度与弹性于一体，构成特殊用途材料 4 、将多孔材料与致密材料复合，构成质轻，高比强度的材料，赋予其特定性 能。 5 ，加工时，熔体温度分布均匀。通常机头流道壁面处的剪切速率及剪切热是 最高的，使较薄的低粘性熔体沿机头壁面以最高剪切速率流动，从而减小该处产 生的剪切热，同时使高粘性或热敏性熔体安排在内层。这样，就可使多层熔体流 动的温度分布更均匀，这可避免产生鲨皮斑及熔体破裂之类的不稳定流动。 6 、可构成品种多、花样新、性能优的各种型材，以满足特殊场合使用的材料。 利用不同结构的共挤出模可以开发和生产出不同种类的复合塑件，包括复合 管材、复合板材、复合棒材、复合薄膜和复合异型材等。这些复合塑件被应用到 各个领域中例如，复合塑料薄膜用于食品保鲜和贮存，使包装更加具有环保性； 复合异型材应用于门窗制品已经相当广泛，复合塑料异型材门窗不仅具有更好的 着色效果，能够满足各种建筑物较高的装饰性要求。而且具有良好的耐候性；复 合板材在某些场合则成为木材的新型替代品。 2 在本课题中，将以双层塑料复合管材为例，针对塑料复合管材的生产工艺和 应用、共挤管材模内熔体的流动以及关于开发塑料复合管材共挤出机头的c a d 系 统等相关内容进行讨论。 1 3 塑料复合管材共挤出基本生产工艺 塑料复合管材的研制是大约3 0 年前开始的早在1 9 7 5 年，法国就批准了一 项相关专利，但直到上世纪8 0 年代中期塑料生产才达到了一定的规模和质量，图 l 一1 所示为塑料复合管材共挤出机组示意图。随着经济的发展，塑料复合管材已 得到市场的普遍接受专家预测，塑料复合管材的市场份额在近年内会有极大增 长 厂l i u 1 l 劓i i 图1 - 1 复合管材共挤出机组示意图 。 一 塑料复合管材共挤出技术是一个涉及面广，包括聚合物流变学、热力学、真 空定型、成型工艺、机械学、工艺学在内的系统工程嘲共挤管材生产工艺各环节 的相互关系可由图1 - - 2 表示： 图l 一2 共挤出工艺流程图 3 第一章引言 由于多层共挤塑料复合管材的使用比例大大低于欧美国家，从而很大程度上 抑制了我国多层共挤塑料复合管材的发展。随着大家对共挤出技术认识的不断提 高和加深，以及人们对复合材料的迫切需求和不断探索，国内生产复合管材的厂 家也在逐渐增多。目前，不论从技术上，还是产品质量上，我国的复合塑料管材 都在不断提升到一个新的层次。 1 4 共挤出复合管材的应用实例 塑料复合管材使用极其广泛，它应用于包括建筑、市政工程和公用设施系统、 农业水利、化学工业、食品工业、采矿及石油天然气工业等几乎所有领域。根据 不同的领域，不同的性能需求，选用的管材也往往有所不同。制造多层塑料复合 管材的目的主要有：减轻重量；增加耐压力；提高隔热效果；防止腐蚀；防止因 受热引起的收缩膨胀：降低生产加工成本等等。以下将介绍三种典型塑料复合管 材的应用和特点 1 4 1p v c - u a b s 塑料复合给水管材 p v c u ，a b s 复合管材是上世纪九十年代在欧美等发达国家相继研制开发的 种纯净无毒给水用管材。管材的外壁是硬聚氯乙烯( p v c u ) 树脂，内壁为丙烯 腈一丁二烯一苯乙烯树脂。p v c - u a b s 复合管材集上述两种材料的优点为一体， 克服了食品级聚氯乙烯( p v c ) 塑料管材仍残存乙烯单体和加工助剂析出有害物质 的缺点，是聚氯乙烯管及镀锌铁管的最佳替代品。这种纯净无毒、安装方便、使 用寿命长的塑料复合给水管材已在前段时间在天津投放市场。 与传统的给水管材相比，其p v c u ，a b s 复合管材具有以下优点： 内壁平滑，纯净无毒，不结垢； 耐腐蚀，耐紫外线，可用于热水( 即5 0 摄氏度) 和化工流体输送； 管体硬度高，抗冲击。纯洁白色的管材十分美观； 易于切割加工。可用于工程塑料a b s 通用管件粘接： 安装施工方便，使用寿命可达5 0 年以上。 上述复合管材除了广泛应用于给水管道，还在液体饮料输送管道、化工液体 输送管道、工业输送管道等等场合扮演重要的角色。 4 1 4 2h d p e 单孔硅芯管 h d p e 单孔硅芯管是一种外层材料为h d p e ，内壁复合芯挤一层带有硅胶混合 物作为固体润滑剂的p e 混合材料的新兴塑料复合管材由于它具有良好的机械物 理性能，较好的柔性和较长的使用寿命等优点，在近些年来备受人们关注。 h d p e 单孔硅芯管主要用于埋地光缆通信管道，专为穿放光缆用，还可以用 于有线电缆网络等多种线路穿管由于内壁是带有硅胶混合物作为固体润滑剂的 p e 混合材料，因而管材内表面十分光滑，摩擦系数很小，h d p e 单孔硅芯管逐渐 成为高速公路施工中光缆护套的首选。同时，它在埋设时可采用直埋式施工，大 大加快了工程的进度，既方便了施工又降低了成本。一般说来，用h d p e 单孔硅 芯管施工的成本比用传统的双壁波纹管可低4 0 左右l l 。 目前新建高速公路时一般需要预埋十条左右的硅芯管，估计每年施工所需配 套硅芯管达到数万吨，因此i - i d p e 单孔硅芯管在市场前景被相当看好。 1 4 3 芯层发泡硬聚氯乙烯( p v c _ u ) 管材 芯层发泡硬聚氯乙烯( p v c _ u ) 管材是一种p v c 三层共挤芯层发泡新型的 建筑管材，特别适用于建筑排水的场合中 排水用芯层发泡硬聚氯乙烯管的管壁由三层组成，如图1 - 3 所示，内外层的 组成部分相同，是普通硬质p v c - i i 实壁管材料，中间发泡层是由p v c 树脂经过 发泡之后形成的。由于中间层采用的是发泡材料，在进行合理的调整发泡层与内 外层的比例后，管材既能保证相应的机械强度，又能达到节省材料的目的。据有 关资料介绍，西方发达国家如意大利和奥地利等上述发泡管材的产量达到了塑料 管材的1 5 以上。 图l 一3p v c u 芯层发泡管剖面图 1 ，3 一内外皮层；2 发泡芯层 芯层发泡硬聚氯乞烯( p v c - u ) 管材主要性能特剖1 i 】： 第一章引言 1 强度显著提高，环向刚性为普通硬质p v c 的8 倍； 2 适用温度范围宽广，可在- - 3 0 1 0 0 度下使用，而且温度变化时尺寸稳定性 好； 3 特殊的芯层发泡结构提高了管材的隔音性能，发泡芯层能有效地阻隔噪声 传播，水流噪声大为降低，比实壁排水管，可降低排水噪声1 0 d b 左右； 4 隔热性能好，比不发泡的实壁管材传热效率低3 5 ，使用温度范围宽，表 面不结露，用于冷热流体保温输送时，可节省保温费用； 5 力学性能好，发泡芯层使内壁抗压能力大大提高，这种管材的截面力学性 能特殊，更趋于合理，因而具有力学性能提高，韧性好，抗折能力强等优点，减 少了施工和使用中的破碎问题； 6 由于中间发泡层的密度比普通实壁管材低1 0 3 5 ，故口径越大的管材， 发泡芯层占壁厚的比例越大，节省材料就越多。平均来说，同等壁厚的p v c u 芯层发泡排水管比p v c - - u 实壁管材节省材料约2 5 ，每米成本降低3 2 ； 7 内外实壁层的维卡软化点 = 8 3 度；拉深强度 = 4 5 4 m p a ；断裂伸长率 = 9 2 。 除了上述三种复合管材以外，以增加耐压为目的复合管有p p p a 双层复合管、 p p p a p p 三层复合管；用来提高隔热效果的有p p 发泡p e p p 三层复合管等也广 泛的应用于现实工程中。 1 5 我国的塑料共挤出机头与国外的差距 在我国，塑料共挤出属于一个比较年轻的新兴产业，所以专门从事塑料共挤 出技术研究的人很少因而，国内塑料共挤出机头( 共挤出模具) 从生产规模、生产 工艺、使用性能和稳定性、调试环节以及售后服务等多方面都处在相对落后的状 态下 在理论方面，塑料共挤出作为一个复杂的系统工程，国内即使有些理论研究 成果也没有及时地应用到实际设计生产中去。因而，至今国内还没有建立起一套 可靠和实用的理论和数学模型来指导共挤出机头的设计，因此国内共挤出机头的 设计大都采取实验设计加上不断试模修正的方法，大大影响了机头设计效率和质 量。具体表现如下1 1 2 】【1 3 】【1 钔： 在设备方面，国内共挤出机头的生产设备参差不齐。除了少数企业进口了国 外的先进模具加工设备外，大多数企业还采用传统的普通机械加工设备，大大降 6 低了机头加工的精度。 在调试方面，国内一些企业缺乏设计经验和调试经验，只是仿制国外的机头 模具，缺乏自身的知识积累。甚至一些企业里根本就不具备试模条件。 不过，与国外共挤出机头相比，国内机头具有供货周期短，售后服务便捷， 机头价格低等优点。 在我国，尽管国外共挤出模的价格高出国内的五六倍，但是还是备受青睐， 是因为与国内相比国外共挤出机头具有下述优点： 1 国外共挤出机头的挤出速度高于国产共挤挤出机头； 2 国外共挤出机头的加工精度高，因而所生产的产品质量也比较高； 3 国外共挤出机头工艺调整方便、稳定可靠，因而加工的废品率较低； 4 国外共挤出机头热处理和表面处理工艺水平比国内高，机头质量好。 国产的机头大多采用4 5 号中碳合金钢材料，国外采用的是4 0 号中碳合金钢。 光洁度方面国产机头可以达到v 8 ，而国外的可以达到v1 2 。电镀方面国产机头大 多数是镀硬铬，镀层厚度为3 - 4 丝，而国外设备镀镍，镀层厚度在2 5 丝，硬度 小于铬。总起来说，国外机头在硬度方面偏软，韧性和耐腐蚀性好，光洁度高， 因而生产的制品表面光洁，而且新型材料应用时可减少熔体破裂。 综上所述，我国在共挤出行业面临的诸多问题，使得我国在该领域中还处于 相对落后的状态，国内共挤出机头与国外相比还存在不小的差距。相信随着共挤 出行业规模在国内不断扩大，借鉴国外的先进经验，国内共挤出机头的性能一定 会有很大的提高。 1 6 课题国内外研究现状 1 6 1当前c a d 技术发展现状与方向 c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 即计算机辅助设计，它是随着电子和计算机 技术的发展而逐渐发展起来的一项先进技术。为了适应时代激烈的市场竞争和快 速发展变化的需要，计算机辅助设计技术的发展非常迅速。总体上，c a d 技术经历 了二维平面图形设计、交互式图形设计，三维线框模型设计、自由曲面生成算法 和表面造型设计、三维实体造型和几何建模设计、参数化设计和变量化设计等发 展过程，达到了基于特征的实体建模技术。 随着科学技术的迅速发展，建立集成化、智能化、网络化、可视化、并行化 和标准化等的c a d 系统成为2 0 世纪9 0 年代以来c a d 技术主要发展趋势【l ”。 7 第一章引言 1 集成化 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n c a m ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ) c a p p ( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 集成化也可称为c a n c a m c a p p - - 体化。 当今机械制造业的变化趋势是：产晶的品种越来越多、批量的差别越来越太，对 质量的要求越来越裹，生产周期越来越短。c a d c a 影c a p p 系缝如果都是糨豆独 立的，禳难发挥企业的整体效盏。为了适应这种变化，增强产品在审场上的竞争 意能力，提高产品质量，缩短产品嫩产周期，提商企业的效率，c a d 技术向集成 化方向发展成为主要趋势之一从零件设计到制造自动化全过稳来分析，c a p p 是 e a d 翻c a m 之潺懿必不可多薛孛阉环节，_ | 听戳一般嚣c a p p 是e a d 窥c m q i 之闻的 桥梁。若实现了从零件设计、工艺设计到制造出产品全过程自动化中的信息数据 共享，那么也就真正实现 c a d c a m c a p p 集成【1 7 1 2 。智能亿 现有的c a d 技术槎机械设计中只能承担数值烈工作，如计算、分析与绘图。 然而，在设计活动中还存在着另一类符号推理型工作，如方案的构思与拟定、最 佳方案的选择，结构瓣设计、评价鸟决策，参数豹选择等等。遮些工作摄黢予一 定的知识模型只有粟用符号推理方法才能获得鞠满解决。因此人工智能技术， 特别是专家系统的技术与传统的c a d 技术结合起来，形成智能化c a d 系统将是机 械c a d 发展盼必然趋势。 3 翊络纯 网络技术是计算机技术和通信技术相互渗透而叉密切结台的产物，也伴随着 它们的发展而发展，并在计算机应用和信息的传输中起了越来越重要的作用。计 算祝辘韵设计侔舞计算戳痘尾豹一个羹要方蚕，弼样 垫凑不拜瓣络技术。萃裔计 算机的处理能力限制了其应用范围，只有通过网络豆连起来，才能资源共享和协 调合作，发挥更大的效能。 将c a d 、c a m 秽c a p p 以及警瑗每决策信息系统等会戏在一起褥成浆谤簿祝 集成制造系统( c i m s ) ，就更加离不_ 歼网络了。只有通过计算机网络将各个子系统 互连在一起才能实现数据的交换、共摩和集成，减少中间数据的重复输入输出过 程。扶露，太大地提高蹩个系统扶订攀备辩、设计、工艺到生产和供货全过程肫 效率，加速新产品的开发，提高凄燕，降低成本，缩短交货周期和压缩库存，以 提高企业在市场的竞争力 t g l 。 4 可税化 先避诗算机技术、溅量手段以及仪器设备静广泛应用，遗切需要对辩研生产 中产生的太量数据进行分析和解释。在许多研究领域里，由于庞大的数据缺乏直 0 山东大学硕士学位论文 观形象的整体概念，数据量的剧增已远远超过了人脑分析解释及处理这些数据的 能力。科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g 简称v i s c ) 是上世纪8 0 年代末期发展起来的一门新技术，它是将科学技术计算过程的数据结果实时转换 为图表、图形和图像信息，并进行交互处理。v i s c 技术是当今信息时代人类处理 大量复杂数据的需要，将成为超越应用和技术界限的人类信息交流的新形式。c a d 虚拟环境使设计者处在自己想象的设计空间，亲临现场似地对产品和工程进行设 计和布置，这样能够充分发挥设计者的聪明智慧、使设计进行得尽善尽美。可视 化研究的关键技术问题是：可视化理论模型的建模方法。 可视化并行处理和 分布式处理方法。可视化智能辅助技术。建立基于规则的n 维虚拟环境的可视 化系统。可视化网络环境等。 可视化技术在c a d 中的主要应用是设计虚拟产品。虚拟产品是一种数字产品模 型，它具有所代表的对象所具有的各种性能和特征。这些虚拟产品在它投入生产 以前己存在，具有明显的可视件，可进行并行设计和分析，可与供应商、合作者 交换信息，客户可进行评估并做出反应。虚拟产品的开发需要的技术主要包括： 产品建模技术、产品信息及其存储管理技术、计算机网络和通信技术口o 】。 5 并行化 新一代c a d c a m 系统的核心是“并行产品设计新技术环境( c o n c u r r e n ta r t - t o p r o d u c te n v i r o n m e n t ，c a p e ) ”。c a p e 的定义是在计算机网络环境内对产品开发的 整个设计和管理过程进行描述建模，强调并行工程和面向制造，采用p d m ( 产品数 据管理) 技术，从软件结构、产品数据、面向目标的开发技术、产品建模和智能设 计、质量控制等方而有所突破，为实现并行工程提供更完善的环境。在实施c a p e 中，p d m 致力于处理产品开发和制造环境中的所有数字信息，将工程设计、制造、 生产、后勤、计划等信息连成一体。生产中各部门产生的数据，都能用p d m 进行 控制。这些数据可能是c a d c a m 文件、材料清单、过程计划、分析模型及其结果、 声像资料、原型数据，材料技术要求和采购数据等。 在实际应用中，人们发现单一参数建模更改一个全参数约束的复杂实体模型 比较困难，有时不得不重新进行设计。特别对于由离散点构造的复杂曲面，单一 的参数造型系统就更加无能为力了。而混合建模具有很多优越性，如用户可将业 已熟悉的线框、实体造型统一在同一模型中，用户可以自由选择多种建模方式并 与其他c a d c a m 系统以清晰造型的方式自由传送，方便地对设计结果进行修改和 加入数据，这些也是单一参数造型系统不易做到的。所以，c a p e 的产品信息模型 应采用混合建模技术 2 0 l 。 6 标准化 9 第一章引言 随着c a d 技术的发展，工业标准化问题越来越显示出它的重要性。迄今为止， 人们已制定了不少标准，例如，面向图形设备的标准c g i ，面向用户的图形标准 g k s 和p h i g s ，面向不同c a d 系统的数据交换标准i g e s 和s t e p ，此外还有窗 口标准等。随着技术进步，新标准还会不断出现。基于这些标准推出的有关软件 也是一批宝贵资源，用户的应用和开发通常离不开它们。更为主要的是有些标准 还指明了c a d 技术进一步发展的道路 i ”。 1 6 2 塑料挤出模和共挤出模c a d 开发现状 从8 0 年代中期开始，国外一些大型的塑料型材挤出模制造公司逐步研制开发 出一些塑料型材挤出模c a d 系统。有的还实现了c a d c a m 的集成，使机头机械 加工量的7 0 - - 8 0 ，定型模机械加工工作量的2 0 - - 3 0 ，采用在线控制加工完 成，大大缩短了设计制造的周期。现在，发达国家已经广泛地将c a d 技术应用于 塑料型材挤出模设计与制造中。 c a d 技术因其越来越高的使用价值而成为企业的必备技术塑料型材挤出模 的c a d 技术还处于刚刚起步阶段。如武汉交通科技大学陈定方教授、中科院计算 所c a d 开放研究实验室、连云港七一六研究所合作开发了国家级火炬计划“塑料 异型材挤出模智能化c a d c a m 系统”，给出了塑料异型材挤出模c a d c a m 的总 体框架川【蠲。合肥工业大学的朱元吉、王晓枫与国营建西工具厂联合开发了塑 料型材挤出模c a d 系统e x m o l d - c a d l 2 4 e 2 5 】口6 】口7 1 。 国内在挤出模设计的c a d 开发系统中，模具设计中的参数计算仍然过多的选 用经验参数。虽然理论研究一直很活跃，但至今还没有较为严谨的理论计算能够 完成挤出模的系统设计。经验的积累和一些技术诀窍，在挤出模设计过程中仍然 起着十分重要的作用。总体来说，国内挤出模c a d 系统开发还存在着数值模拟与 模具设计彼此间的模型定义、实现手段和存取方法之问的差异，信息难以交换， 资源不能真正共享等弊端。因而，在挤出模的c a d 系统开发方面还需进行大量的 工作。 与注塑模和一般的塑料挤出模相比，共挤出模中由于几种流体成分在共挤出 模机头内的流动使其具有更强的动态性，更为复杂，这些都进一步增加了开发的 复杂性和难度。在c a d 系统开发方面，关于共挤出模c a d 系统相关开发很少，尚 未见到应用的报道。 。 1 7 课题研究的意义及内容 1 7 1 课题研究的意义 塑料复合管材共挤出生产线及其共挤出模具的大量进口，引起了国内许多科 研单位和企业的极大关注，开始对塑料复合管材共挤出模具的研究给予重视。但 由于缺乏设计和试模经验，加工设备多为通用机床，模具选材与热处理和表面处 理工艺水平落后，使我国生产的共挤出模具具有质量较低、挤出速度较慢试模 次数多、交货周期长等弊端。近年来，c a d c a l 技术在模具领域的广泛应用，使 得模具设计与制造技术的自动化、智能化与集成化水平不断提高，对通用的 c a d c a m 软件进行适合特定专业的= 次开发具有重要的实际意义。本课题正是 在上述思想的指导下，从塑料复合管材共挤出模具设计的实际需要出发，研究塑 料复合管材共挤出模具的关键技术，并在此基础上开发研究复合管材共挤出模具 常用零部件设计图形库以及相关的标准件库。这必将大大提高复合管材共挤出模 具的设计与制造的效率，从而提高模具企业的效益，使人们将更多的时间与精力 用于其它创造性的工作。因此本课题有着较为重要的理论和实践意义 1 7 2 课题研究的内容 本文在深入了解塑料复合管材共挤出机头的设计过程和研究分析双组分塑料 熔体在管材共挤出口模内流动情况的基础上，应用三维造型软件的二次开发技术， 以s o l i de d g e 为开发平台，采用目l a lb i c 编程语言工具，创建了塑料复合管材 共挤出机头的主要零件参数化设计系统。 系统主要由信息处理模块、机头零件生成模块、校核模块、工程图模块、装 配模块和标准件模块等组成。在设计过程中，系统模拟人工设计时的构思过程和 思维顺序，并且将所有数据的查询和计算所有图形的显示和绘制全部交由计算 机完成。系统的各个模块之间的数据交换由系统自动完成，具有较高的集成度。 设计者通过操作各种输入对话框来实现人机对话，完成相应的塑科复合管材共挤 出机头的设计。 依据课题的上述研究内容，论文各章的研究内容如下： 第一章：主要是课题的背景和综述， 技术的国内外研究状况和未来发展趋势 的差距等。 介绍塑料共挤出技术的工艺原理及c a d 以及目前国内外在共挤出模具方面存在 第一章引盲 第二章；介绍管材共挤出机头设计方法。通过分析塑料共挤出管材熔体流动 状况和赍缓物料牯度比对共挠出过程的影响，并结会塑睾萼按出机头抟设计原则， 给出管材共挤出机头的主要零件设计方法。 第三章：筠要夯绍嚣发警台和弹发工具。论述了秘震v 辍蝴b a s i c 对三续造型 软件s o l i de d g e 进行二次开发的基础理论。 第四章：探讨复套管毒于挤出机头c a d 系统舞发鳇关键技术。详细奔绍了泵绕 通过采用基于特征造型的参数化设计和基于三维模型的参数化设计相结合的方法 实现皇动建模的步骧；概述了工程黧生成、誊动装配技术以及磐助乎数据库技术 解决系统开发中数据处理问题的方法 第五章：壤述基予s o l i de d g e 共按出机头设诗系统的总俸结秘设计，芳j c 雪系统 的各个模块佧详细的介绍。按示塑料复合管材共挤出机头参数化设计系统的运行 漉程，蒡绘出疆彦迳行实爨。 第六章：结论与展望。对本论文工作进行归纳总结，井指出今后进一步的研 究内容和方内。 第二章共挤出基础理论与管材机头设计 利用共挤出技术生产任何种类的复合管材，只有合理设计共挤出模，才能对 加工过程进行合理地调整和控制，从而获得高质量的产品【s 】【2 引而了解共挤出的基 础理论、研究物料在口模内的流动分析是科学合理制定加工工艺和设计合理共挤 出模的前提基础。通过建立数学模型对熔体流动进行分析，用数值计算的方法分 别求解多层共挤出流动的速度和界面位置等，为共挤出加工过程的预测和优化模 具的设计提供理论依据。 2 1 塑料共挤粘合理论 两种不同的材料，当其表面能够紧密地贴靠在起时，两接触面之间会产生粘 附( 或称粘合) 作用，接触面间呈现出或大或小的粘合力。这种粘合的强弱，同两 种材料在接触表面形成的界面结构有关 共挤出复合成型，各组分材料以界面接触形式叠合成多层复合材料，其接触 界面结构的相互作用是界面层生成的基础要形成具有一定粘附作用的界面层， 一般必须具备热力学、动力学以及化学反应条件。 影响界面层结构形式及界面间粘附力大小的因素很多，它涉及到聚合物性质 ( 如聚合物分子量及分子量分布、分子结构、分子极性等) 、粘合表面粗糙度、粘 合表面的处理、共挤工艺条件( 如温度、压力和时间等) 等诸因素。下面是两种得 到普遍共识的粘合理论1 1 3 0 l 。 1 吸附理论 吸附理论是以两种材料接触界面上分子间作用力解释粘合作用的。分子间作 用力包括取向力、诱导力和色散力p 。 ( 1 ) 取向力为极性分子永久偶极之间静电相互作用所产生的引力 ( 2 ) 诱导力由于分子间的相互影响，分子会发生变形而产生的诱导偶极与分 子的固有偶极间的作用力 ( 3 ) 色散力色散力可看作是分子的“瞬时偶极矩”相互作用的结果。 由于分子问作用力只能在极短的距离内起作用，因此两种不同材料要产生粘 合作用，其界面上的大分子必须紧密接触，故粘合应在一定压力条件下进行。其 粘合过程可以分为两个阶段，第一阶段是两聚合物分子由于微布朗运动，彼此逐 渐靠近，在加压或加热下使聚合物粘度降低，以便有利于大分子链节彼此紧密靠 近；第二阶段是界面间两聚合物分子间距离达到极小距离时，即当分子间距离小 第二章共挤出基础理论与管材机头设计 于0 5 n m 时，分子间作用力发生作用，使得界面间产生粘合作用。 2 扩散理论 扩散理论是以大分子的链状结构及其柔韧性为出发点的。 扩散理论认为：