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四川大学硕士学位论文 大型精密注塑模具熔体充模流动c a e 优化分析 材料加工工程专业 研究生黄先指导教师董祥忠教授 传统的注塑模具设计与制造主要依靠模具设计师的直觉、经验和制模工人 的技术，因此，往往需要经过多次试模和反复修模才能正式投入批量生产。这不 仅使模具制造周期及新产品开发周期加长、生产成本升高，而且很难保证产品 质量，特别是在设计大型、精密注射模具和采用新型塑料原料及新的成型工艺 时，仅凭经验和试差法，更显得效率低下。 同传统的模具设计相比，c a e 技术在提高生产效率、保证模具设计和产品质 量、降低成本、减轻劳动强度等方面都起到了不可估量的作用。注塑模c a e 技术 是根据塑料加工流变学和传热学的基本理论，建立塑料熔体在模具型腔中的流 动、传热的数学物理模型，利用数值分析理论构造其求解方法，模拟出实际成 型中熔体的动态填充、保压、冷却过程，定量地给出成型过程的状态参数( 压力、 时间、温度、速度等) ，并利用计算机图形学的技术，可形象而直观地反映出分 析的结果。 本文分别对大型轿车仪表板热流道模具和精密仪表热固性注塑模具进行了 c a e 优化。在热塑性轿车仪表板模具部分，首先采用计算机三维造型得到轿车 仪表板的实体模型，然后利用m o l d f l o w 软件对模型进行了有限元网格划分并进 行填充、保压、冷却、翘曲分析，完成了对浇注系统、冷却系统及成型工艺的 设定和优化，克服了生产中可能出现的各种缺陷，并根据最优方案设计了热流 道模具；热固性塑料的注塑成型及温流道系统的设计，则是本文的另一个重要 内容。为了解决生产中所遇到的实际问题，对热固性塑料注塑成型的充模过程 进行了首次探讨，比较了各种流道、浇口、工艺参数及温流道系统对充模过程 四川大学硕士学位论文 的影响，最后得出了较为理想的模具结构和工艺参数。这对解决生产中存在的 实际问题有着非常积极的作用，可为企业降低生产成本，减少原料浪费，提高 生产效率，增加经济效益。 计算机c a d 三维造型与c a e c a m 和r p & m 技术的有效结合，能对塑料 熔体充模过程及模具开合模动作进行仿真、快速制造原型，使我们能直观地获 得产品及模具的可视化信息，并能根据分析结果预测生产中可能出现的各种缺 陷，防止了因人为经验不足而可能造成的模具返修，降低了产品创新开发的实 际成本，可有效地缩短模具的研制周期，提高模具应用的可行性。因此，为保 证产品质量，提高生产效率，我们进行了模具结构c a e 优化及充模、开模仿真， 为解决实际生产缺陷、优化模具结构和工艺参数提供了最有效途径。 关键词：热塑性注塑模具热固性注塑模具c a e 优化m o l d f l o w 轿车 仪表板r p & m 技术热流道温流道动画仿真 i i 四川大学硕士学位论文 c a e o p t i m i z a t i o no fm e l tf i l l i n ga b o u t l a r g e s i z e da n de x a c ti n j e c t i o nm o l d m a j o r ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ga n de n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：h u a n gx i a n s u p e r v is o t p r o f d o n gx i a n g z h o n g c o n v e n t i o n a li n j e e t i o nm o l ds o m e t i m e sm u s tb et e s t e da n dm e n d e dm a n yt i m e s b e f o r eu s i n g ，b e c a u s em o l dd e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gm o s t l yd e p e n do nt h e i n t u i t i o na n de x p e r i e n c eo ft h em o l dd e s i g n e r sa n dt h es k i l lo ft h ew o r k e r s i tb r i n g s l o n g e rc y c l eo fm o l dm a n u f a c t u r i n ga n dp r o d u c te x p l o i t i n g ，a n dm o r ec o s t b u tt h e p r o d u c tq u a l i t yi sn o ta l w a y sb e t t e r , e s p e c i a l l yi nd e s i g n i n go fl a r g e s i z e dm o l d s ， e x a c tm o l d s ，n e wm o l d i n gp r o c e s s e s ，a n di nu s i n gn e wp l a s t i cm a t e r i a l s ，t h e e f f i c i e n c yi se s p e c i a l l yl o wt od e s i g n 谢t he x p e r i e n c ea n dt h em e t h o do ft r i a la n d d t t o l c o m p a r e dw i t l lc o n v e n t i o n a lm o l dd e s i g n i n g t h et e c h n i q u eo fc a ei sh i g h l y u s e f u li ne n h a n c i n gp r o d u c t i v i t y , i m p r o v i n gq u a l i t yo fm o l da n dp r o d u c t , r e d u c i n g c o s ta n dt a k i n gf r o mt h ew o r k l o a d a n ds oo n 1 1 1 et e c h n i q u eo fc a ea b o u ti n j e c t i o n m o l d i n gi sb a s e do np o l y m e rp r o c e s s i n gr h e o l o g ya n dc o n d u c t i v ec a l o r i f i c s i t s i m u l a t e st h ea c t u a lp r o c e s so fm e l tf i l l i n g ，p a c k i n ga n dc o o l i n gb ys e t t i n gu p m a t h e m a t i ca n dp h y s i c a lm o d e l sa b o u tm e l tf l o w i n ga n dh e a tt r a n s m i t t i n gi nt h e m o l dc a v i t y , a n dw o r k i n go u tt h er e s u l t sb yt h et h e o r yo f n u m e r i c a lv a l u ea n a l y s i s i t c a l la l s ol i s tt h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sq u a n t i f i c a t i o n a l l ys u c h 髂p r e s s u r e ，t i m e ， t e m p e r a t u r e ，s p e e d ，e t c ，a n dr e f l e c tt h er e s u l t sv i s u a l l yb yc o m p u t e rf i g u r e s 1 1 1 1 i sp a p e rh a so p t i m i z e dt h es t r u c t u r eo ft h el a r g e s i z e da u t o m o b i l ei n s t r u m e n t p a n e lm o l dw i t hh o tr u n n e ra n dt h et h e r m o s e tp l a s t i ci n j e c t i o nm o l do fe x a c t g a s m e t e r i nt h ep a r to ft h e r m o p l a s t i ca u t o m o b i l ei n s t n u n e n tp a n e lm o l d , w e i l l 四川大学硕士学位论文 d e s i g n e dt h e3 dm o d e lb yc o m p u t e r , u s e dt h es o f t w a r eo fm o l d f l o wt om e a s u r e o f f t h em e s hw i t hf i n i t em e t h o d , d i dt h ef i l l i n g ，p a c k i n g ，c o o l i n ga n dw a r pa n a l y s i s ，a n d a c c o m p l i s h e dt h eo p t i m i z a t i o na b o u tf i l l i n gs y s t e m ，c o o l i n gs y s t e ma n dp r o c e s s i n g p a r a m e t e r s u l t i m a t e l y , m u c hp r o b l e m sw h i c hs h o u l do c c n l i nt h ep r o d u c t i o nw e r e o v e r c o m e a n dt h eh o tr u m l e rm o l dw a sd e s i g n e d 埘t ht h eb e s tc a s e i ti sa n o t h e r i m p o r t a n tp a r ta b o u tt h e r m o s e tp l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n ga n d w a g l nr u m l e rd e s i g n i n g i nt h i sp a p e r w eh a v es i m u l a t e dt h ef i l l i n gp r o c e s sa b o u tt h e r m o s e tp l a s t i ci n j e c t i o n m o l d i n gf o r t h e f i r s tt i m e ，e o m p a r e dt h ei n f l u e n c et ot h ef i l l i n gp r o c e s sw i t h d i f f e r e n tr u m l e r s ，g a t e s ，a n dp a r a m e t e r s f i n a l l yt h eb e t t e rm o l ds t r u c t u r ea n d p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s w e r e a d o p t e d i t i s u n d o u b t e d l yh e l p f u l t os o l v et h e p r o c e s s i n gp r o b l e m s ，r e d u c et h ec o s t , e n h a n c et h ep r o d u c t i v i t y , a n di n c r e a s et h e b e n e f i t t h ea s s o c i a t e de x e r t i o no fc o m p u t e ra i d e d3 dm o d e l i n ga n dt h et e c h n o l o g yo f c a e c a ma n dr p & mc a ns i m u l a t et h ep r o c e s so fm e l tf i l l i n g ，m o l do p e n i n ga n d c l a m p i n ga n df a b r i c a t et h ep r o d u c tp r o t o t y p er a p i d l y i na d d i t i o n ，t h et e c h n o l o g yo f r p & mi su s e d t h e s eg i v eu se y e a b l ei n f o r m a t i o na b o u tp r o d u c ta n dm o l d ，f o r e c a s t t h ep r o b l e m sw h i c hm a yo c c u ri np r o d u c e ，a n da v o i dm o l dr e p a i r i n gc a u s e db yl a c k o fe x p e r i e n c e s ot h a ti tc a nr e d u c et h ec o s to fp r o d u c ti n n o v a t i o na n de x p l o i t a t i o n , s h o r t e nt h e c y c l eo fm o l dm a n u f a c t u r i n g ，a n di n e a s e t h ef e a s i b i l i t yo fm o l d a p p l i c a t i o n t o e n s u r et h e q u a l i t y a n de n h a n c et h e p r o d u c t i v i t y , w e h a v e a c c o m p l i s h e dt h eo p t i m i z a t i o no fm o l d s t r u c t u r ea n dt h es i m u l a t i o no fm e l tf i l l i n g a n dm o l do p e n i n g i nt h ee n d , t h eb e s tc a s et os o l v ep r o c e s s i n gp r o b l e m sa n d o p t i m i z em o l d s t r u c t u r ea n dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r si se x c o g i t a t e d k e y w o r d s ：t h e r m o p l a s t i ci n j e c t i o nm o l d t h e r m o s e ti n j e c t i o nm o l dc a e o p t i m i z a t i o n m o l d f l o wa u t o m o b i l ei n s t r u m e n tp a n e l r p mh o t - r u n n e r w a l t f l r u n n e re m u l a t i o n a la n i m a t i o n i v 四川大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 研究生：黄左 指导教师：董搓蛊塾攫 2 0 0 7 年5 月1 0 日 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 模具是国民经济的基础工业，受到政府和企业界的高度重视，发达国家有 “模具工业是进入富裕社会的源动力”之说，可见其受重视之程度，当今“模 具就是经济效益”的观念已被越来越多的人们所接受【i 】。 在工业相对e 较发达的国家里，模具工业被形象地喻为“工业基石”、“关 键工业”、“促进社会繁荣富裕的原动力”。这些定义明确地说明了模具工业在他 们国家所处的地位，也表明了模具在社会发展中的显要位置。 随全球经济一体化进程的不断加快，世界各国对建筑材料、电子通信等诸 多领域的塑料产品需求量正在逐年增加，这为模具工业的发展奠定了坚实的基 础，它既是社会进步、科技发展的基石，也是进入富裕社会的原动力，是人们 生活水平不断提高的基础，是国家经济快速发展的根本。 据资料显示，目前全世界模具年产值约为6 0 0 亿美元，美、日等发达国家 的模具工业产值已超过机床工业。模具工业的发展已超越了近年来快速发展的 新兴产业电子工业i z j 。 1 1 模具工业在国民经济中的重要地位 随着科学技术和经济的快速发展以及全球一体化的进程不断加快，人们对 生活的质量也提出了更新、更高的要求。汽车、家电、办公用品、工业电器、 建筑材料、电子通信等行业的塑料产品需求量正在逐年增大，其产品也在不停 的创新、变化之中，因而更加促进了机械制造业快速地发展，而模具工业又是 机械制造业中的一项基础产业，同时模具工业又处在高新技术产业的重要领域。 所以，它的发展是科学技术成果新品转化、开发成功的关键。 一个国家模具生产技术水平的高低，已成为衡量这个国家产品制造水平高 低的重要标志。因为，模具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。近年来，我国模具工业的发展很快，模具水平也在不断提高。随着 我国加入w t o ，国内模具工业的发展将面l 临新的机遇和挑战。 目前，我国模具工业产值仅次于日本和美国，排在世界前三位。我国经济 的高速发展同样对模具工业提出了越来越高的要求，也为其发展提供了巨大的 四川大学硕士学位论文 空间。现今，国内的模具生产厂家己超过2 万家，模具制造从业人员已超过5 0 万人，模具的年产值达到5 3 4 亿元人民币。近l o 年来，国内模具在数量、质量、 技术等方面有了很大的跨跃，现正以每年1 5 左右的增长速度稳步发展。 我国模具工业的发展，日益受到人们的重视和关注。在电子、汽车、电机、 电器、仪器、仪表家电和通信等产品中，6 0 8 0 的零部件都要依靠模具成 型。用模具生产制件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低 消耗，是其它加工制造方法所不能比拟的。因此，模具被喻为“效益扩大器”例， 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。 与发达国家的模具工业相比，我国在大型、精密、复杂、长寿命的高档模 具方面依然存在着较大的差距，每年仍需从模具强国大量进1 2 1 ；此外，我国在 模具设计理念、制造工艺、生产周期等方面还存在着较大的差异，这阻碍着我 国向模具强国的发展。同时，我国在模具生产能力、生产技术等几方面，还未 达到国际先进水平，与国际模具的综合竞争能力上还存在着较大的差距，模具 生产数量依然供不应求，无法满足国内模具市场的需求，其中主要的模具缺口 类型仍集中于大型、精密、复杂、长寿命的高档模具领域。 然而我国人口众多，劳动力市场丰富，这与国外模具相比在价格上具有较 大的竞争力。中国自加入w t o 后，己在模具制造业中积累了多年丰富的模具 制造经验和技术，为中国模具制造业发展树立了的良好1 2 1 碑，在国际市场中具 有较强的影响力【2 j ，深受第三世界国家的欢迎。 1 2 国内外塑料注射模具的发展状况 随着全球经济的发展，新的技术革命不断取得新的进展和突破，技术的飞 跃发展已经成为推动世界经济增长的重要因素。市场经济的不断发展，促使工 业产品越来越向多品种、小批量、高质量、低成本的方向发展，为了保持和加 强产品在市场上的竞争力，产品的开发周期、生产周期越来越短，对模具的要 求也越来越苛刻。一方面企业为追求规模效益，使得模具向着高速、精密、长 寿命方向发展；另一方面企业为了满足多品种、小批量、产品更新换代快、赢 得市场的需要，要求模具向着制造周期短、成本低、快速经济制模的方向发展。 计算机、激光、电子、新材料、新技术的发展，使快速经济制模技术如虎添翼， 四川大学硕士学位论文 应用范围不断扩大，类型不断增多，创造的经济效益和社会效益越来越显著。 现今，高新技术在欧美模具企业已得到广泛应用i ”。将高新技术应用于模 具的设计与制造，已成为快速制造优质模具的有力保证。这些技术包括：气辅 注塑成型、水辅注塑成型、微型精密注塑成型、金属粉末注塑成型、发泡注塑 成型、低压注塑成型，以及新发展起来的“先进快速原型与模具制造技术”等。 我国注塑模具工业起步晚、底子薄，与工业发达国家相比存在很大的差距。 但在国家产业政策和与之配套的一系列经济政策支持和改革开放方针的引导 下，我国注塑模得到了迅速发展，一些大型、精密微型的高效率、自动化、无 流道、气体辅助、高寿命的模具在整个塑料模具领域所占的比重越来越大。在 传统注射成型技术基础上创新或揉合其它先进技术，利用“杂交优势”出新， 仍是注射成型技术发展的主测5 1 。新技术使产品用料更省，性能更高。“水辅注 射成型”、“薄壁注射成型”、。金属粉末注射成型”等似乎尚有些陌生的术语， 已在企业得到应用。塑料注塑成型加工技术的发展仍在继续，发展趋势也较为 明显地表现在以下几个方面 6 1 ： ( 1 1 在模具设计制造中将全面推广c a d c a e c a m 技术。进一步扩大c a e 的技术应用范围，从计算机辅助工艺设计开始逐步向计算机集成制造系统乃至 向虚拟制造发展，逐步深化和提高，用于模具设计制造的计算机软件将向智能 化、集成化方向发展。 ( 2 ) 热流道技术将得到普遍推广。由于采用热流道技术的模具可提高产品的 生产率和质量，并能大幅度节省能源和制件的原材料，所以广泛应用这项技术 是塑料模具的一大变革。国外热流道技术的发展很快，许多塑料模具厂生产的 模具已有一半用上了热流道技术，效果十分明显；国内近几年来已开始推广应 用，但总体还达不到1 0 。目前，我国应制订热流道元器件的国家标准，积极 生产价廉高质量的元器件，这才是发展热流道技术的关键。 ( 3 ) 气体辅助注射技术和高压注射成形等工艺将进一步发展。气体辅助注射 成形是一种塑料成形的新工艺，它具有注射压力低、产品翘曲变形小、表面质 量好以及易于成形壁厚差异较大的产品等优点，可在保证产品质量的前提下， 大幅度降低成本。高压注塑成型是在模具预先处于半开模状态或者在锁模力保 持中压或低压下注入熔融树脂，然后以最大的锁模力进行压缩成型，可增加塑 料件尺寸的稳定性，得到质量好的厚壁成型件。 四川大学硕士学位论文 ( 4 ) 模具标准化程度将不断提高。我国模具标准化程度正在不断提高，估计 目前我国模具标准件使用覆盖率已达到3 0 左右，国外发达国家一般为8 0 左 右。为了适应模具工业发展，模具标准化工作必将加强，模具标准化程度将进 步提高，模具标准件生产也必将得到更大的发展。 ( 5 ) 模具加工新技术不断发展。国家1 1 5 规划中所涉及到的快速原型制造， 以及高速铣削加工、模具高速扫描及数字化系统、电火花铣削加工、超精加工 和复合加工、优质材料及先进表面处理、自动化研磨抛光、模具自动加工系统 等先进技术，预计今后将会得到较快发展。 ( 6 ) 绿色制造、并行工程、虚拟技术将得到迅速发展。计算机和网络图像 技术的展现，使绿色制造、并行工程、虚拟技术的应用成为可能。虚拟技术可 以形成虚拟空间环境，实现虚拟设计和制造，并能在不同的地域进行多方位地 咨询、合作或共同研发，生产出“近净成型的工业产品”，这是现代化工业发展 进步的必然趋势。 1 3c a d c a e c a m 与r p & m 技术的集成 模具c a d c a e c a m 是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科 技、高效益的系统工程i r l 。它以计算机软件的形式，为企业提供一种行之有效 的辅助工具，使工程技术人员借助于计算机对产品性能、模具结构、成形工艺、 数控加工及生产管理进行设计和优化。特别是在进入本世纪以来，模具 c a d c a e c a m 与r p & m 技术的高度集成，更能显著缩短模具设计与制造周 期，降低新产品开发创新的生产成本并提高产品质量，增强企业的市场竞争力。 c a d ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) 是指工程技术人员以计算机为工具，用自身的 专业知识，对模具进行总体设计、绘图、分析等设计活动的总称，是一项综合 性技术。 c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 是以现代计算力学为基础，以计算机仿真 为手段的工程分析技术，是实现模具优化设计的主要支持模块。模具c a e 主要 是指用计算机对塑料模具产品进行性能与安全可靠性的分析，对其未来模具的 工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计中可能存在的缺陷，并证实未来 工程、产品功能和性能的可用性与可靠性，减少企业投资开发新产品的风险。 四川大学硕士学位论文 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 ) 是指对模具加工数控程序的编制，包 括刀具路线的规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及后置处理和n c 代码 生成等。模具c a m 是指利用计算机实现从模具图样到产品制造过程中的直接 和问接活动，包括对物质流动和信息流动的直接控制、管理和监督，也包括工 艺准备生产作业、计划、数控程序编制等，其核心内容是实现产品加工过程中 的数控编程自动化。 r p & m ( r a p i dp r o t o t y p i n ga n dm a n u f a c t u r i n g ) 快速原型技术是借助计算机辅 助设计，用实体反求的方法采集得到有关零件的几何形状，一次性建立数字化 扫描模型，并通过激光选域烧结、激光光敏固化、分层实体制造、熔融沉积制 造等方法来达到快速、准确地制造零件的现代化方法1 8 1 o 】。 由于制造业产品信息相当复杂，要实现企业生产自动化，在分离的c a d 、 c a e 、c a m 之间还需要大量的人工工作，这给企业自动化生产带来了极大的 障碍。c a d c a e c a m 的集成是解决这个障碍的必然趋势i 1 1 ；而模具 c a d c a e c a m 与r p m 技术的集成，则可以自动、快速地将设计思想物化为具有 一定功能和结构的原型或零部件，从而对产品设计进行快速评价、修改，以便 尽快占领市场，获取利润【1 2 j 模具c a d c a e ，c a m 与r p & m 技术在模具行业的广泛应用，将彻底改变 传统的模具设计、制造方式，其优越性主要表现在下列几个方面【l3 l ： ( 1 ) 提高模具质量。通过c a d 技术使计算机与设计人员交互作用，充分发 挥人、机各自的持点。使模具设计更加准确、快速。c a e 技术可以优化模具设 计方案，它有助于设计人员设计出正确合理的模具结构。c a m 技术可自动生 成模具成型零件的加工刀具轨迹，使零件尺寸精确度高、表面粗糙度好。 ( 2 ) 缩短模具制作周期。由于c a d 系统中存储有模具标准件、常用设计计 算的程序库及各种设计参数的数据库，加上计算机自动绘图，可以大大缩短设 计时间。c a e 技术应用于模具设计，可以减少因单凭经验设计而不得不反复修 模花去的时间。数控机床加工的效率高，是一般机床或钳工加工不能比拟的。 ( 3 ) 大幅度降低成本。计算机的高速运算和绘图机的自动化工作节省了大量 的劳动力。用计算机模拟注塑充模的成型过程，可以避免模具的反复修模和试 模，从根本上降低了新品开发的成本和未知的风险。由于应用c a d c a e c a m 与r p & m 技术，新产品开发时间缩短，产品更新换代加快，大大增强了产品在 四川大学硕士学位论文 市场上的竞争活力。 ( 4 ) 充分发挥设计人员的主观能动性。c a d c a e c a m 技术可以使设计人员 从繁忙的计算和绘图中解放出来，使其可以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 与r p & m 技术的推广应用，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，减少新品 开发的盲目性。同时，可使整个模具生产过程中的人力、财力、物力的管理建 立在更加科学、合理的基础上进行更好的企业运作，加快与国际接轨。 我国近几年已有一大批模具企业推广应用计算机技术，特别是以生产家用 电器的企业为代表【1 4 1 。同时，陆续引进了相当数量的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 a m e t r i ct e c h n o l o g y 公司的p r o e n g i n e e r ，澳大 利亚m o l d f l o w 公司的m o l d f l o w ，美国c v 公司的c a d d s ，英国d e l t a c a m 公 司的d o c t ，日本h z s 公司的g r a d e ，以色列的c i m a t r o n 等软件，用于注塑 模具的设计、分析与制造。另外，在1 9 8 8 年美国的3 ds y s t e m 公司生产出第 一台液态光敏树脂选择性固化原型机以后的十几年，涌现了十几种不同形式的 快速原型技术和相应的快速原型机1 1 5 。这些系统与软件的引进，简化了模具工 程图的生成到模具加工的自动编程，并能对成型过程进行计算机模拟，用r p & m 技术制造产品与模具，实现了c a d c a e c a m 与r p & m 技术的集成，促进与 推动了我国模具行业的发展。此外，我国自2 0 世纪8 0 年代末，就有一些高等 院校与企业单位开始这方面的研究，并承担国家的攻关项目，如北京航空航天 大学，华中科技大学，四川大学，郑州大学，天津轻工业学院与轻工塑料科学 研究所等。其中自主开发的c a d c a e c a m 系统，主要有北航海尔软件有限公 司的c a x a 系统：华中科技大学的注塑模h s c 系统；上海交通大学模具研究 所冷冲模c a d 系统等。国内研究r p & m 技术的单位有：清华大学、西安交通 大学、华中科技大学等，并且西安交通大学已建立了中国r p 网络站点，为我 国r p 制造商、技术应用服务中心、科研院所及广大r p 用户提供信息服务，这 使我国r p 技术的发展和应用推广开始就有一个高的起点，有一个高技术的环 境【l ”。这些在计算机上应用的软件以及应用系统的发展，能适应我国国内模具 行业的具体情况，为进一步普及模具c a d c a e c a m 技术创造了良好的条件。 虽然注塑模c a d c a e c a m 与r p & m 技术在近j o 年内从理论研究到实际 应用都取得了飞速进步，但注塑模商品化软件无论在功能上还是在精度上都有 6 四川大学硕士学位论文 待再进一步发展1 1 6 1 。今后的研究和发展工作主要是在于精度的数字化技术，如 要完善注塑模c a e 软件对注塑全过程的模拟，对复杂形状的产品进行数据采 集，并直接建立线框模型。另一个就是实现模具加工的全自功化，做到无人加 工车间。再就是通过信息网络实现技术价值、技术服务和技术转让，从而显示 出先进信息传输工具的优越性。 1 4 注塑模c a e 技术的发展 1 9 7 8 年，澳大利亚m o l d f l o w 公司推出了第一个注射模c a e 软件 m o l d f l o w ”。8 0 年代，随着c m o l d 软件的问世及其他一些软件广泛用于注射 成型过程，模具设计才成为依赖于计算机预测的工程科学。我国是在8 0 年代中 期才开始重视塑料模c a e 技术，经过l o 余年的研究与开发，现有一些大学和研 究院所己推出一些实用的、商品化软件。c a e 分析技术可以全面解决注塑成型 过程中出现的问题，并能成功地应用于三组不同的生产过程，即产品设计、模 具设计和注塑成型【l 。 与传统的模具设计相比，c a e 技术无论是在提高生产率、保证产品质量方 面，还是在降低成本、减轻劳动强度方面，都具有极大的优越性1 1 9 j 。利用c a e 技术，可以在模具j m t 前，在计算机上对整个注塑成型过程进行模拟分析，准 确预测熔体的填充、保压和冷却情况，以及产品的应力分布、分子和纤维取向 分布、收缩和翘曲变形等情况，以便使设计者能尽早发现问题并及时修改，而 不是等到模具完成试模后再返修模具。这不仅是对传统模具设计方法的一次突 破，而且在减少甚至避免模具返修报废、提高产品质量和降低成本等方面，都 有着不可估量的重大技术和经济意义。塑料模具的设计不但要采用c a d 技术， 而且还要采用c a e 技术，这是科技发展的必然趋势。 c a e 技术是c a d c a m 向纵深方向发展的必然结果，它是进行产品设计、 制造、工程分析、仿真、试验等信息处理，并包括相应数据库和数据管理系统 在内的计算机辅助设计综合系统。c a e 技术在注射成型中的应用见表1 1 1 2 。 7 四川大学硕士学位论文 表11c a e 技术在注射成型中的应用 c a e 数学模型计算方法几何类型 流动分析h e l e s h a w 流动模型、c r o s s 粘度模型 f e 融f d m 冷却分析 l a p l a c e 方程、泊松方程 b e h 、f i ) m 三维 保压分析可压缩、非等温h e l e - s h a w 流动模型 f e m 、f d m薄壁 纤维取向y o l g a r 、t u c k e r 模型 f d m中面 应力与翘曲结构非线性分析模型 f e m模型 专家系统通用专家系统壳体计算力学知识 c ae 软件的作用可概括如下【2 ”： l 】优化塑料产品设计：模具设计质量直接关系到塑料产品的质量、成本及 生产周期。如果模具设计不合理，则产品可能出现明显的表面熔接痕、充填不 足、凹痕、焦斑、翘曲及残余应力过大等缺陷。塑件壁厚、浇口数量及位置、 注塑模流道系统的设计等对于塑料产品的成败和质量关系极大。以往完全依赖 于设计者个人的经验，用手工方法去实现，往往费时、费力，设计出的产品不尽 合理。利用注塑模c a e 系统，可以快速地设计出最优的塑料产品。 2 ) 优化塑料模具设计：模具设计者最担心和厌烦的就是反复试模。每次试 模不成功后，往往要修改的是浇注系统。利用注塑模c a e 系统，可以对浇口位 置及尺寸、流道尺寸、冷却水道尺寸及连接方式等进行定量分析，在计算机上 模拟试模和修模方案，可以大大提高模具质量，减少实际试模次数。 3 ) 优化注射工艺参数：注塑模c a e 系统可以帮助注塑工艺人员确定注塑成 型最佳的注射压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、保压压力和时 间、冷却时间等工艺参数，以便注射出最佳的塑料产品来。 结合国内外c a e 技术的发展，注塑模c a e 商品化软件的功能和精度还有 一定的缺陷，今后的研究和开发工作将主要表现在以下几个方面瞄】； a ) 注射模c a d c a e c a m 系统的集成化。目前的c a e 商品化软件与 c a d c a m 软件之间的数据传递主要依靠文件的转换，这样易造成数据的丢失 和错误。因而注射模c a d c a e c a m 系统的集成化发展是其必然趋势，集中专 家系统技术、工程数据库管理技术和注射模软件技术集成化3 个大方面，从而 真正地实现“设计仿真唏0 造”的一体化。 8 四川大学硕士学位论文 b ) 人工智能技术研究。利用人工智能技术开发的注射模设计和制造全过程 的专家系统，实现最优化的设计和制造以及模具在最佳状态下工作是未来非专 家人员工作的最佳环境，实用性强，易于自动化操作。 c ) 并行技术的应用研究。比较传统的串行设计过程，并行技术将建立一个 通用的数据库，强调注射模c a d 与c a e 、c a d 与c a m 之间的并行设计模式， 把集成设计技术和制造技术有效地体现出来，信息共享，从而提高整个 c a d c a e c a m 系统的水平。 d ) 基于网络的虚拟制造技术。随着计算机网络的迅速发展，基于 i n t c m c t i n t r a n e t 的注塑模c a d c 舢粥a m 系统网络虚拟制造技术，尤其在航空 航天、军事、汽车行业的应用已初步实现，可以预见基于网路的虚拟制造技术 将在注射模中得到应用。 1 5 课题的研究内容及现实意义 传统模具设计首先考虑的是模具本身的需要，然后考虑的才是注塑产品的 需要。例如，常规的模具设计一般是根据经验确定浇口的数量和位置，而不是 根据流动分析来确定这些参数，结果可能出现浇口数量偏多、尺寸偏大的情况。 注射成型流动模拟技术的目的在于预测塑料熔体流经流道、浇口并填充模具型 腔的过程，计算浇注系统及模具型腔的压力场、温度场、速度场、剪切应变速 率场和剪切应力场的分布，并将分析结果以图表、等值线图和真实感图的方式 直观地反映在计算机屏幕上口l 。因此，采用流动模拟可优化浇注系统、冷却系 统、成型参数，预测所需的注射压力和锁模力，并发现可能出现的注射不足、 烧焦、不合理的熔接痕位置、排气不良、冷却不均匀等缺陷，使设计人员可以 根据分析结果对模具结构进行优化。 注塑模c a d c a e c a m 与r p & m 技术是集设计、制造和测试为一体，首 先用c a d 软件进行产品造型，然后通过c a e 系统对制件进行全面分析，同时 利用r p m 进行原型制造，进入市场获取客户返馈意见，提出修改产品设计的 方案，最后由c a d 软件根据c a e 系统所提供的性能参数进行模具设计，并将 模具部件的几何数据输出给c a m 制造系统，由c a m 实现模具加工和测试。 最终的模具部件还要根据原设计要求进行检测，检测结果再反馈到c a e7 - 程系 9 四川大学硕士学位论文 统中进行比较分析，将分析结果再次输入到c a d 设计系统中，并对初始设计 进行修改，然后c a m 重新输出模具部件的加工指令。整个系统不断地重复上 述过程，直至产品最后检测合格为止田1 。 本课题主要对c a d 、c a e 两个环节进行研究，分别对热塑性轿车仪表板 和热固性燃气仪表计量件进行模具设计和结构优化。对于仪表板类大型模具， c a d 和c a e 技术的联用有助于将产品造型和模具设计紧密地联系起来，大大 加快新产品的开发速度。另外，热固性注塑成型技术在我国还不太成熟，应用 得相对较少，而有关温流道系统的c a e 分析更是从未有过报导。针对重庆前卫 仪表厂在生产中的实际困难以及对模具结构进行改进的需要，我们进行了热固 性注塑模具温流道系统设计的探讨，对充模、开模过程进行仿真，为解决生产 缺陷、降低生产成本提供了优化方案。本论文主要工作如下： ( 1 ) 用三维造型软件p r o e 对热塑性轿车仪表板产品和热固性燃气仪表计量 件产品进行实体造型； ( 2 ) 转换产品模型的文件格式，将s t l 层面模型导入到m p l ( m o l d f l o w p l a s t i c si n s i g h o 中，对其进行网格划分并修补网格； ( 3 ) 对热塑性轿车仪表板产品进行完整的充模流动、保压、冷却、翘曲分析； 调整浇注系统、冷却系统及成型工艺中各个参数。通过比较得出最佳设计方案： 对热固性燃气仪表计量件产品进行注塑成型的填充分析，比较各种浇注系统和 不同工艺参数的影响； ( 4 ) 使用激光选域烧结( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ，s l s ) 的快速成型方法进行 仪表板实体制造； ( 5 ) 根据优化得出的晟佳方案进行热塑性热流道注塑模具和热固性温流道 注塑模具设计； ( 6 ) 对热固性温流道注塑模具进行开模仿真。 0 四川大学硕士学位论文 第二章注塑成型c a e 优化的原理 2 1 注塑模具o a e 技术的基本方法 随着计算机辅助设 t ( c a d ) 与计算机辅助制造( c a m ) 技术的发展及其在塑 料模具设计技术中的应用，逐步形成了以计算机模拟为手段剖析塑料加工过程 并完成模具优化设计的塑料模具计算机辅助工程( c a e ) 技术。它是进行产品设 计、制造、工程分析、仿真、试验等信息处理，并包含相应数据与数据管理系 统在内的计算机辅助设计综合系统，主要包括产品几何形状模型化和工程分析、 计算、仿真、优化两个方面的内容。 模具c a e 技术的基本方法，就是将一项模具设计或者成型加工作为第一 步，然后用户利用预先确定的方法对这一特定的设计进行模拟或描述，接着计 算机运算，对输入条件和用户的模型进行估评。计算机输出计算结果，用户对 结果作出评价，确定修正措施，使结果更满意。上述过程反复进行，直到取得 一个成功的设计方案，由c a e 系统进行远比人工计算快速和精密的计算。但在 最终的处理结果中，仍能体现出设计者的丰富经验和实际的操作技能。 现代模具c a e 系统具有以下特征1 1 4 】：以实体模