基于ProE的注射模设计技术.doc

摘 要Pro/E软件在国内外模具行业有着广泛的应用，本文结合国内模具企业实际和Pro/E软件的最新应用成果，从总体上研究了基于Pro/E的注射模设计技术。以期缩短模具设计周期，提高模具设计质量，降低模具制造成本，促进模具行业应用CAD/CAM/CAE软件的深度和广度。本次设计的制品为开关外壳，其材料为PC+ABS的注射模设计。本文在对外壳的成型工艺性进行简单的分析的基础上,利用易操作的Pro/E软件结合注塑模理论知识和同类产品的生产经验，对外壳的注塑模具包括浇注系统、排气系统、导向与定位机构、脱模机构进行了具体的结构设计，最后进行了模具装配设计。关键词: Pro/E软件，注射模设计，模具结构，分型面 ABSTRACT The software Pro/E is widely in mold industry in the worid. The PaPer researches the technology of injection mold design based on Pro/E,in order to shorten molde design time,improve the quality of mold design，lower the cost,and Promote the width and dePth of the applieation of CAD/CAM/CAE in mold design.Firstly,the paper raises the mold design solving plan based on Pro/E with the overall design scheme,after analyzing the requirements injection mold design system.Secondly,the PaPer analyzes the main subjects on mold design，researches the critical teehnologies.Thirdly,the PaPer analyzes the importance of main contents of plan and configuration of the system，and elaborates on the configuring method.Fourthly,the papere laborates on the critical technology of Parametric design based on Pro/E and researches multiple particular applications in mold design.Finally,the paper illustrates briefly the design process of the mold design of LCD upper lid. Keywords: the software Pro/E,injection mold design,plan and configuration of the systetn，Parametric design目 录第一章 绪论.41.1模具CAD/CAM/CAE的发展现状与趋势.41.2塑料模具 CAD/CAM/CAE集成技术.51.2.1模具的CAD设计与分析.61.2.2塑料产品及其模具的快速成形制造.7 1.3 本课题研究的意义.81.4本课题研究目标.91.5本课题创新点.91.6本课题研究的主要内容、研究方法及技术路线.91.4.1论文研究的主要内容.91.4.2论文研究方法及技术路线.9第二章 注塑模具设计.102.1设计流程图和Pro/e软件的功用.102.2注塑模结构的组成.102.3注塑模具的设计.112.4开关外壳模具设计.112.4.1型腔数量的确定.112.4.2分型面的设计.122.4.3镶件的设计.132.4.4定模的生成.142.4.5动模的生成.142.4.6浇注系统的设计.152.4.7推出机构.152.4.8冷却系统.172.4.9其他零部件的设计.182.5本章小结. .18第三章 结论与展望.193.1结论.193.2展望.19参考文献.20第一章 绪 论1.1 模具CAD/CAM/CAE的发展现状与趋势现代工业与日常生活中很多制品都是用模具生产出来的，如汽车、拖拉机、飞机、仪器仪表、家电、轻工、日用五金等行业中的饭金件、塑料件、锻件和压铸件等。所以模具是上述行业的重要工艺装备，而且模具制造的水平往往制约着上述产品的发展速度，因为模具的设计与质量及生产周期的长短，直接影响到上述产品的更新换代速度和抢占市场的能力。模具工业在欧美等工业发达国家被称之为点铁成金的“磁力工业”。在日本，模具工业被称为“进入富裕社会的原动力”，其模具产业年产值达13000亿日元，远超过日本机床总产值的9000亿日元。在德国，模具工业被当作加工工业的“帝王”，而欧盟的一些国家称“模具就是黄金”。目前，我国的模具制造企业约有20000家，并每年以10%的速度高速增长。但当采用传统的手工设计模具与常规设备加工模具时，模具设计与加工的质量完全取决于人的经验，要经过反复试模才能获得成功，所以设计与制造周期长。CAD/CAM/CAE技术是模具生产革命化的重要措施，是现代模具设计方法中最重要的组成部分。20世纪60年代中后期以后，欧美的一些大公司开始重视并投入到CAD/CAM技术的研究和开发中，极大地推动了 CAD/CAM技术的发展。随着模具工业的飞速发展，CAD/CAM技术逐渐被引入模具工业，并日益受到企业的重视。日立、日电等公司早在20世纪70年代中期，就成功地将CAD技术应用于冲压模具的设计和制造，使设计时间缩短了1/2以上。大多数优秀的 CAD/CAM系统都是面向机械行业的通用型系统，国际厂商纷纷投入人力和物力，针对各类模具的特点，推出了功能完善、操作方便的专用CAD/CAM系统。例如美国UGS公司，针对多工位级进模和注射模分别推出了多工位级进模设计向导CAD系统 (ProgressiveDieWizard)和注射模设计向导CAD系统 (MoldWizard)。两系统均无缝地集成于该公司的三维机械CAD/CAM系统UG中，为用户提供了级进模和注射模设计环境与工具，封装了模具设计的专家知识，提供了丰富的标准化的模架库、零件库和镶件库。华中科技大学最先开始了冲压工艺设计专家系统的研究，于1986年完成了冲裁模CAD/CAM系统HPC的开发。该系统注重于人机交互界面的设计，可完成落料与冲孔的单冲模、复合模和级进模的设计。上海交通大学模具CAD国家工程研究中心与瑞士Feintool公司合作开发了精冲模工艺设计KBE(Knowiedge一BasedEngineng)，基于知识的工程系统，并与青岛海尔模具公司合作开发了注射模模架选择KBE系统，与日本山中合金株式会社合作开发了冷锻模设计KBE系统等。目前我国大部分模具企业应用CAD/CAM技术还局限于二维绘图，三维设计的应用尚处在开始阶段，数控加工在模具制造中所占比例仍然较低，与国外先进水平相比，还有相当大的差距。1.2 塑料模具CAD/CAM/CAE集成技术塑料模具的制造，包括塑料产品的造型设计、模具的结构设计及分析、模具的数控加工(铣削、电加工、线切割等)、抛光和配试模以及快速成形制造等。各个环节所涉及的CAD单元技术有:造型和结构设计 (CAD)、产品外形的快速反求(RE)、结构分析与优化设计(CAE)、辅助制造(CAM)、加工过程虚拟仿真 (SIMULATION)、产品及模具的快速成(RP)、辅助工艺过程 (CAPP)和产品数据管理技术 (PDM)等。塑料模具CAD集成技术，就是把塑料模具制造过程所涉及的各项单元技术集成起来，统一数据库和文件传输格式，实现信息集成和数据资源共享，从而大大缩短模具的设计制造周期，提高制模质量。1.2.1 模具的CAD设计与分析模具的CAD设计、分析，包括根据产品模型进行模具分型面的设计、确定型腔和型芯、模具结构的详细设计、塑料充填过程分析等几个方面。利用先进的特征造型软件如Pro/E、UG等很容易地确定分型面，生成上下模腔和模芯，再进行流道、浇口以及冷却水管的布置等。确定了这些设计数据以后，再利用模具分析软件，如MOLDFLOW、CFLOW进行塑料的成形过程分析。根据MOLDFLOU软件和它的丰富的材料、工艺数据库，通过输入成形工艺参数，可动态仿真塑料在注射模腔内的注射过程流动情况(含多浇口注射时的塑料汇流纹分析)、分析温度压力变化情况、分析注塑件残余应力等，根据分析情况来检查模具结构的合理性、流动状态的合理性、产品的质量问题等。比如是否存在浇注系统不合理，出现流道和浇口位置尺寸不当，无法平衡充满型腔;是否存在产品结构不合理或模具结构不合理，出现产品充不满 (即短射现象);是否冷却不均匀，影响生产效率和产品质量;是否存在注塑工艺不对，出现产品的翘曲变形等。模具通过CAD设计和分析，就可以将错误消除在设计阶段，提高一次试模成功率。在塑料模具设计和分析这一阶段应用了许多新的电脑辅助技术，如参数化技术、特征造型技术、数据库技术等。塑料模具中有许多标准件，如标准模架、顶出机构、浇注系统、冷却系统等都可以采用基于数据库管理的参数化特征造型设计方法进行设计或建立标准件库，这样既可以实现数据共享，又可以满足用户对设计的随时修改，使模具的设计分析快速、准确、高效。参数化特征造型不仅可以完整地描述产品的几何图形信息，而且可以获得产品的精度、材料及装配等信息，其所建立的产品模型是一种易于处理、能反映设计意图和加工特征的模型。因此，参数化特征造型技术是模具制造过程最重要的技术之一。1.2.2 塑料产品及其模具的快速成形制造塑料产品及其模具用电脑CAD技术设计完成后，可通过快速成形技术来制造。这是一种全新概念的制造技术，它摒弃了传统的机械加工方法。其成形原理是将三维CAD实体模型离散成设定厚度的一系列片层数据，利用激光成形机或其它成形设备读取这些数据，用材料添加法技术，依次将每层堆积起来成形。这一技术称为快速自动成形技术 (RaPidProtoye)。它也是CAD集成技术的重要组成部分。第一台快速成形设备于1987年在美国3D公司诞生，由于其特点是与制造的产品的复杂程度无关，给制造业带来巨大的震动。此后十年，快速成形技术得到飞速发展，设备的种类也层出不穷，从材料固化方法可分为激光和非激光烧结法SLS)、固体表层造型法(SGC)、层片制造法(LOM)、熔化沉积法(FDM)、选区粘结法(DSPC)、激光气相沉积法(SALD)等。快速成形技术的作用主要在于:制造用于设计和试验的产品模型、制造用于小批量生产的模具和小批量特殊零件的加工。快速成形技术制造的产品模型在材质方面比传统加工方法制造的产品模型有所差别，但在外形及尺寸方面几乎完全一样，而且有一定的机械强度，可作功能性试验，同时经过表面处理，看起来与真实产品一样，可作广告宣传品。快速成形技术制造的模具，目前主要是软材料的成形模(蜡模、环氧树脂模、硅橡胶模、低熔点合金铸造模等)和陶瓷或金属基合成材料硬型腔模。制造硬模时可用快速成形零件作母模，先制作环氧树脂模或其它材料的软模，在软模中浇注陶瓷或石膏模，然后浇铸钢成钢模;或者在软模中浇注混合有化学粘结剂的钢粉，进行烧结成钢模。快速成形技术制造的钢模需进一步做抛光等后加工，制成小批量生产的注射模。由于模具是用钢粉浇注或烧结而成，材质与普通模具钢有一定的差距，因此，寿命较短，只能做试制产品或小批量生产。另外，快速成形技术也可以制作特殊的零件，如用冶金粉末法制作金属电极、精密铸造法制作铜电极、研模法制作石墨电极等。1.3 本课题研究的意义 目前我校的软件课程的教学涉及的范围有零部件设计、装配设计、工程制图、NC加工和切削模拟模块，而对MOLDWIZE模块没有涉及，而对模具专业的学生不学习MOLDWIZE模块的操作方法及流程，无疑是一种缺失，因此对本课题的研究是对这个缺失的补充，同时对专业教师的业务水平也是一个提高。同时为我校将来模具专业的学生进行毕业设计的方向起到引导的作用。1.4本课题研究目标本课题研究使用ProE软件进行模具设计的方法和步骤，并以一个塑件为例在软件中实际作出一套模具。1.5本课题创新点将塑料模结构及设计过程在软件中形象化展示，使得我校软件教学又上一个台阶。为我校将来模具专业的学生进行毕业设计探索了一个方向。1.6 论文研究的主要内容、研究方法及技术路线1.6.1 论文研究的主要内容Pro/E软件在国外有广泛而深入的应用，国内使用该软件也有多年,也有很多究成果，不同的研究都有所侧重、有所局限、有所不足，本文在前人所取得的研成果基础上，对Pro/E软件在模具企业注射模设计与制造中的应用规划及注射模设计与制造的一些主要技术和关键技术，进行系统、全面、深入地研究，以期缩短模具设计、制造周期，加快模具信息的及时准确流通，减少失误，从而大大提高模具厂的整体产能，有效缩短模具的交货周期。本课题研究的主要内容有：1、注射模设计需求分析2、Pro/E注射模设计技术3、基于Pro/E的注射模设计具体应用与分析1.6.2本课题的研究方法及技术路线：本课题结合本人从事模具CAD/CAE/CAM产学研工作的一些经验，在调研和查阅有关文献的基础上，研究基于ProE的注射模设计与制造行业解决方案，研究使用ProE软件进行模具设计的方法和步骤，并以实例说明在ProE软件注射模设计的过程、重点、难点内容和有关技巧。第二章 注塑模具设计2.1设计流程图和Pro/e软件的功用图2-1 注塑模设计制造流程图大型三维软件Pro/E是世界上比较先进的CAD高端软件，利用软件Pro/E的三维实体造型功能，在Pro/E平台上设计注射模具并且对其进行动画仿真，能够大大提高模具设计与制造的效率和质量。本设计以开关壳为例，介绍了利用Pro/E软件对注射模具的设计过程2.2 注塑模结构的组成注射模具结构组成包括以下几个部分：1.成型零部件 2.浇注系统3.导向与定位机构 4.推出机构 5.侧向分型与抽芯机构 6.调温系统7.排气槽及模架2.3注塑模具的设计基于Pro/E软件注射模具设计的详细结构方案包含：1型腔布置：根据塑件的特点，考虑设备条件，决定型腔数量和分布形式。2确定分型面：分型面的位置要有利于模具加工、排气、脱模及成型操作，有利于保证塑件的表面质量。3确定浇注系统：即主流道、分流道和内浇口的形式、位置、大小。4排气系统：排气方法、排气位置、尺寸。5选择顶出方式：顶杆、顶管、顶板、组合式顶出等。6抽芯方式：决定侧凹处理方法。7冷却方式的确定：决定冷却、加热方式及加热冷却沟槽的形状、位置、加热元件的设计或选用及安装部位。8添加模架其他零件2.4开关外壳模具设计2.4.1型腔数量的确定型腔数量主要是根据塑件的质量、投影面积、几何形状(有无抽芯)、塑件精度、批量大小以及经济效益来确定。这些条件相互制约的，在确定设计方案时须进行协调，以保证满足其主要条件的要求。 图2-2 开关外壳由于制品形状比较小，所以采用一模四腔的排模方式。完成后的结果如下图：图2-3 开关外壳型腔布局2.4.2分型面的设计分型面应选在塑件的最大截面处：这样的设计不影响注塑件外观质量和美观。尤其是对外观有明确要求的塑件，更要注意分型面对外观的影响。考虑方面主要是有利于保证塑件精度要求、有利于模具加工要求(特别是型腔加工)、有利于浇注系统、排气系统、冷却系统的设置要求。便于塑件的脱模、尽量使塑件开模时留在动模一边(有的塑件需要定模推出的例外)、尽量减小塑件在合模平面上的投影面积、以减小所需锁模力的要求。能便于注塑件中的嵌件安装、长型芯应置于开模方向要求。该开关外壳的分型面如下图：图2-4 分型面2.4.3镶件的设计开关外壳制品的结构比较复杂，其顶面和侧面均有一个靠破孔，故需要镶件或滑块抽心，在设计时注意与型芯与型腔之间不要发生干涉。在Pro/E中设计的镶件如下图： 图2-5 镶件2.4.4定模的生成在Pro/E的moldwize模块中，根据前面生成的分型面，使用“模具体积块”工具分割出型芯和型腔，再抽取得到上模仁，下模仁。其结果如下图。图2-6 定模2.4.5动模的生成图2-7 动模2.4.6 浇注系统的设计注塑模浇注系统是将注塑机料筒中的熔融塑料从喷嘴高压喷出后，稳定而顺畅地充入并同时充满型腔的各个空间的通道。浇注系统在充模及塑料固化过程中还将注射压力平衡地传递到型腔的各个部位，以获得填充殷实、完整、质量优良的产品。注塑模的浇注系统通常由主流道、分流道、浇口、冷料穴和排气槽或溢流槽等部分组成。开关外壳浇注系统的设计结果为： 图2-8 浇注系统2.4.7推出机构推出机构主要包括：推件柱、推件杆、导柱、导套、复位弹簧和推件板。其中：1.推件板：为这个机构中的其它零部件提供一个支撑的平台。2.推件柱：作用是对推件板施加力的作用使推件板能够动作，起到推件的作用。3.推件杆：主要是为了将成型的塑件从型腔中推出。4.导柱：使推件板在其上滑动，起到引导方向的作用。5.复位弹簧：在推件完成后起到自动弹性复位的作用。合理的模具设计应该是在开模时使塑件脱离定模,包紧在动模上,并跟随动模一起退回。通过动模一方顶出机构上的顶杆把塑件顶出,脱离动模。这时就要在定模一方设计推出机构,作为推出机构的推力,强制迫使塑件与定模分离,跟随动模一起退回并顶出。在Pro/E的标准模架中上述零件可以直接添加，但是加入的顶杆均为标准的长度的形状，而顶杆的长度和形状需要根据产品的形状改动，已达到与产品形状匹配的目的。使用复制平面和实体化功能就可达到这一目的。如下图。图2-9 修剪后的顶杆2.4.8冷却系统冷却系统是直接影响注塑制品质量和生产效率的重要因素。模具冷却装置的设计与使用冷却介质、冷却方法有关。本模具设计是用纯水来冷却，纯水冷却最为普遍。因为水的热容量大、传热系数大、成本低廉。水冷就是在模具型腔周围和型芯内开设冷却水回路，使纯水或者冷凝水在其中循环带走热量，维持所需的温度。冷却回路的设计应做到回路系统内流动的介质能充分吸收成型塑件所传导的热量，使模具成型表面的温度稳定地保持在所需的温度范围内。而且要做到使冷却介质在回路系统内流动畅通，无滞流位。但在冷却水回路开设时，受到模具上各种孔(顶杆孔、型芯孔、镶件接缝等)的限制。所以要按理想情况进行设计较困难，必须根据模具的具体特点灵活地设置冷却回路。因此在本设计造型中我使用的是直流循环式的冷却回路，考虑到动定模很小无法在其上开设冷却回路且此设计的散热要求不是很高，因而将冷却水道分布设置在定模板和动模板中。这样设计便有足够的空间来进行钻孔扩大水道的散热面积，使冷却的效果达到最佳。另外水道连接口采用喷嘴，拆卸和安装都很方便，成本也很低廉。 图2-10 动模与定模的水道设计2.4.9其他零部件的设计将上述设计的机构装配到模架中，其余元件系统会自动计算并加载模架库中的标准件，最终完成整套模具结构。图2-11 开关外壳模具结构2.5 本章小结在本章中对注塑模的结构进行了分析，表诉了模具结构的组成、定模和动模结构设计。对浇注系统浇口杯的选取、浇道的设计、冷却系统的组成和内部结构形式一一进行了论述，并利用软件做出了对应的三维图增加直观性。第三章 结论与展望3.1结论本课题以一个塑料制品为例从模型导入、分型面的设计、镶件的制作、型芯型腔的生成、标准模架的添加、浇注系统的设计、顶出机构的设计、动、定模冷却系统的设计、开模过程动画演示及全套模架元件的添加即整套塑料模的设计过程以Pro/E软件为平台完成，这时我利用业余时间参阅相关书籍研究学习的结果，目前还没有那个教师在这方面有所突破。通过这一技术的研究第一为引导我校将来模具专业的学生进行毕业设计的方向做一铺垫，第二这一技术还可以用到教学中去，比如讲到塑料模的结构时我就可以用事先做好的一套模架很直观的演示给学生看，在比如讲到塑料模的开模过程时可以以软件为平台直接将动画做出，放给学生看，使教学更直观。3.2