（机械电子工程专业论文）基于proe的塑料件设计及模具开发.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 本文针对塑料零件的设计和制造过程中的一些关键问题展开相应的分析和讨 论 在基于p r o ew i i d f i r e 2 0 设计平台的基础上 提出与设计和制造相关的合 理计算公式及优化的设计流程 以设计和开发成功的几个塑料件为主的新产品为 例 证明了研究结论的正确性 主要的工作包括 1 以几个开发的新产品为基础 归纳塑料件的设计要求 按照现代设计方 法的相关理论提出塑料件的设计流程 2 分析了塑料件的设计和制造的关键技术 并进行相应塑料件的力学分 析 模流分析和模具结构的分析 3 研究了p r o e n g i n e e r 软件的p r o t o o l k i t 高级开发技术 并在该软件 中建立了塑料件设计平台的基本框架 4 以典型塑料件为例 利用m o l d f l o w 4 1 软件进行注塑过程模拟 对模 拟结果进行分析和讨论 并应用a n s y s 9 0 软件对相关模具的关键零件的强度进 行有限元分析 完成了模具结构的优化设计 关键词 塑料件计算机辅助设计计算机辅助分析二次开发塑料模具 注塑模拟 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h e s i sa i m sa tt h ec o r r e s p o n d i n ga n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no ns o m ek e y p r o b l e m sw h i c ha r i s ed u r i n gt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n go ft h ep l a s t i cp a r t s t h e n s o m er e l a t i v e l yr e a s o n a b l ef o r m u l a ea n dw o r kf l o wo ft h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g a r ep r o p o s e do nt h eb a s eo ft h ed e s i g np l a t f o r m p r o ew i l d f i r e 2 0 t a k i n ga sa n e x a m p l et h es u c c e s s f u l l yd e s i g n e da n dd e v e l o p e dn e wp r o d u c t s t h em a i nc o m p o n e n t s o fw h i c ha r ep l a s t i cp a r t s ih a v ep r o v e dt h a tt h i sr e s e a r c hc o n c l u s i o ni sc o r r e c t m y m a j o rr e s e a r c h i n gw o r ki n c l u d e st h ef o l l o w i n g s 1 b a s i n g o ns e v e r a l n e w l y d e v e l o p e dp r o d u c t s h a v e s u m m e du pt h e r e q u i r e m e n t sf o rd e s i g n i n gt h ep l a s t i cp a r t sa n dh a v ep r o p o s e dt h ed e s i g nf l o w a c c o r d i n gt ot h et h e o r i e sr e l a t e dt ot h em o d e md e s i g nm e t h o d o f t h ep l a s t i cp a r t s 2 h a v ea n a l y z e d t h ed e c i s i v e t e c h n o l o g yr e q u i r e d f o r d e s i g n i n g a n d m a n u f a c t u r i n gt h ep l a s t i cp a r t sa n dh a v ec o n d u c t e ds o m ea n a l y s i so nt h ec o r r e l a t e d m e c h a n i c so f p l a s t i cp a r t s m o l df l o wa n dm o u l ds t r u c t u r e 3 h a v es t u d i e dt h ea d v a n c e dd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yo fp r o t o o l k i ti nt h e s o f t w a r ep r o e n g i n e e ra n dh a v es e tu pab a s i cf r a m eo ft h ed e s i g np l a t f o r mf o r d e s i g n i n gt h ep l a s t i cp a r t si nt h es o f t w a r e 4 t a k i n gt h er e p r e s e n t a t i v ep l a s t i c s a sa ne x a m p l e h a v es i m u l a t e dt h e i n j e c t i o np r o c e s sb yu s i n gm o l d f l o w 4 1s y s t e ma n dh a v ee n g a g e di nd i s c u s s i o na n d a n a l y s i sa b o u tt h es i m u l a t i o nr e s u l t s m e a n w h i l e ih a v ea n a l y z e dt h ei n t e n s i t yo ft h e i m p o r t a n tp a r t si nt h ec o n c e m e dm o u l db yu s i n ga n s y s 9 0s y s t e m t h e no p t i m i z et h e m o u l ds t r u c t u r e k e y w o r d s p l a s t i c sp a r t sa n dc o m p o n e n t s c a dc a e p r o e w i l d f i r e 2 0d e v e l o p m e n tm o l di n j e c t i o ns i m u l a t i o n 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明 本论文的所有工作 是在导师的指导下 由作者 本人独立完成的 有关观点 方法 数据和文献的引用己在文中指出 并与参考文献相对应 除文中已注明引用的内容外 本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果 对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式标明 本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担 作者 签字 易饮霄步学 日期 歹t 嘭年f 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留 使用学位论文 的规定 即 沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权沈阳理工 大学可以将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 缩印或其它复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 指导教师签名 f 刁 日 期 j 6 曾7 步 历阿7 r 饫旧 弓 名 期 签者作文论位学 日 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 对于简单塑料件的设计和制造 国内一些塑料件供应商的产品设计和模具设 计手段还停留在二维绘图的水平上 塑料模具的结构尺寸设计以经验公式为主 这样的方法不但落后而且很难保证产品质量 对于包含高级曲面或精度要求较高 的复杂塑料件 用这种方式根本无法设计和制造 总之 国内精密注塑模具的设 计与加工方法和国外差距很大 因此必需结合现代设计 分析方法及手段和先进 制造技术才能使国内的塑料件的设计和制造水平有一个显著的提高 以满足国内 市场对高品质塑料制品的需要 现代设计 分析和先进制造技术这里主要是指以p r o e n g i n e e r c a t i a u n i g r a p h i c s a n s y s m o l d f l o w m a s t e r c a m 等为代表的c a d c a e c 枷软件开发及 应用技术 针对塑料件及其注塑模具的设计 分析和制造 在这些软件中 以p t c 美 国参数技术 公司开发的p r o e 软件系统以其 参数化 及 单一数据库 的设 计理念使产品的开发 设计与更改简易 灵活 而且其模具设计平台和二次开发 的功能强大 为此本课题首选该软件 本课题基于最新的p r o e w i l d f i r e 2 0 软件 的零件设计 产品装配 模具设计三大模块 并以几个新产品的开发全过程为对象 专门针对塑料件在设计过程中存在的问题进行分析和研究 同时建立合理的塑料 件设计要求和流程 并利用该软件的p r o t o o l k i t 二次开发工具包建立相关塑料 件的基本设计平台 最终达到缩短塑料件的设计周期及提高新产品的质量和降低 新产品的开发成本之目的 塑料件的成型绝大多数要应用注塑 吹塑或吸塑模具 因此塑料件的质量与 模具的设计和制造水平密不可分 在各种塑料成型模具中 注塑模具的应用最为 广泛 而且注塑模以其设计和制造上的复杂性而倍受人们的关注 本课题旨在将 c a d c a e 技术应用到注塑模具的设计 分析和制造的过程中 实现短时间内从成千 上万种材料 千变万化的几何造型和各有千秋的工艺当中 找出合理的组合 实 现注塑模具的优化设计 本课题中 作者探讨和研究了m o l d f l o w 软件的模流分析 功能 给出了塑料零件注塑成型的c a e 分析方法和分析的主要步骤 并得到相应 的工艺参数和结论 本课题中 作者也将m o l d f l o w 软件中分析得到的工艺参数作 沈阳理工大学硕士学位论文 为边界条件 利用h n s y s 9 0 软件对塑料模具的关键零件进行刚度和强度的有限元 分析 以进一步优化模具的结构 从而降低了模具的设计和制造成本 最终提高了 模具的一次试模成功率 面对国外强大竞争对手 只有充分的学习国外的先进设计方法和设计理念 总 结国内的设计经验 不断提高自身的设计能力 进一步加强自主开发新产品和相 关应用软件的能力 才能在激烈的竞争中站稳脚跟 1 2 国内外研究的现状 1 国内外c a d 开发和模具技术的研究状况 兵器行业是c a d c a e c a m 技术应用最早 水平最高的行业 而汽车行业是 c a d c a e c a m 技术应用数量最多的行业 许多汽车制造公司早在8 0 年代就规划建立 c a d c a e c a m 设计 9 0 年代初全面实行产品开发的c a d c a e c 删应用 其中美国 福特公司应用率高达1 0 0 1 9 9 4 年 德国大众集团决定采用c a t i a 和 p r o e n g i n e e r 作为其将来开发新车型的主导c a d c a e c 觚系统 日本开发出小型 车制造的专家系统 英国l o t u s 集团采用参数化设计技术 开发出制动器参数化 系统 美国p t c 与日本t o y o t a 公司在p r o e n g i n e e r 软件基础上开发了模具分型 面的设计模块p r o o i e r a c e 法国m d t v 公司与日本t o y o t a 公司签署了一项1 9 9 6 年 至2 0 0 1 年的合作项目 在法国m d t v 公司的c a s c a d e 软件开发平台上开发新一代 c a d c a e c a m 系统 t o g o 等 总体来说 国外工业发达国家依靠其雄厚的经济实 力和技术实力 在c a d 平台开发方面远远领先于国内 各种挂接于高端软件的设 计平台曾出不穷 大大提高了设计水平 缩短产品的开发周期 在国内 近几年来三维c a d 软件逐渐得到推广 为了满足一些专用领域的需要 进一步提高设计质量 缩短设计周期 对三维c a d 平台的高级开发研究一直没有 停止过 特别是九十年代以来 国内很多高校 科研院所和企业都进行过针对具 体应用的开发工作 目前在高校中针对高端c a d 平台进行开发做了不少工作 如 对p r o e n g i n e e r 进行开发的有南京理工大学 南京航空航天大学 东南大学 江 苏大学 江南大学等很多高等院校 而且已经逐渐进入实际应用和推广阶段 同 时也出现了一批相关的资料和专业著作 这些高端c a d 平台已经提供了良好的应 用程序接口 a p i 用户可以定制自己的应用程序 如u g 提供了u g o p e n 二次 开发工具集 p r o e n g i n e e r 提供了p r o t o o l k i t 和j l i n k 开发工具包等 这种开 第1 章绪论 发方式下创建的应用模具模块 注重设计过程的智能化 扩展了c a d 的功能 能 够有效提高设计效率 2 塑料零部件设计技术的国内外研究现状 作为塑料件的最有效成型方法之一 注塑成型可以一次成型各种结构复杂 尺 寸精度高并带有工艺要求的含嵌件塑料制品 成型周期短 一模多腔 生产效率 高 大批生产成本低廉 易于实现自动化生产 因此在塑料件的加工行业中占有 非常重要的地位 据统计 8 0 以上的塑料件是采用注射成型方式生产 因此有 必要研究注塑模具的先进设计方法 在国外 早在5 0 年代美国学者就对聚合物过程的数值模拟建模作了一系列工 作 周期 瑞士的学者给出了有关挤出的重要模型 1 9 5 9 年 b e r n h a r d t 在书中 总结了成型建模中的许多问题 t a d m o r 和k l e i n 在书中首次给出了塑化挤出的完 整模型 包括固体输送 塑化和熔体输送等 7 0 年代初期 有关塑化挤出模拟软 件e x t r u d 已商品化 该软件很大程度上是基于t a d m o r 和k l e i n 书中所描述的模 型 7 0 年代以来 很多大学和企业的研究者们都致力子注射 挤出和其它工艺的 计算模型的研究 然而 这些计算模型对加工技术产生的影响不大 直到1 9 7 8 年 澳大利亚m o l df l o w 公司推出了第一个注塑成型充填阶段的模拟软件m o l df l o w 舳年代 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 自8 0 年代以来 北美和欧洲的许多研究 小组对聚合物熔体流经管道 口模和成型设备的各个方面进行了深入的研究 推 出了许多关于聚合物流动的有限元分析软件 目前工业发达国家都在投入大量人 力物力进行注塑模c a e 研究 并竟相推出商品化的注塑模c a e 软件 许多软件已 在生产中广泛应用 产生了巨大的经济效益 其中 具有代表性的软件及所取得 的成果主要有 合并了c m o l d 的m o l df l o w 公司推出了p l a s t i c si n s i g h t 4 i 版 本 基本囊括了充填 保压 冷却 翘曲分析等注塑成型涉及到的所有过程 加 拿大m c g i l l 大学的m c k a m i i 系统 能模拟注塑过程的流动 保压和冷却各个阶段 德国i k v 塑料工程研究所的注塑模c a e c a d 系统 能系统地进行注塑模的流变分 析 热力学分析及结构设计 我国注塑模c a e 研究始于7 0 年代末 到了8 0 年代后期才逐渐开始发展 八 五 期间 由北京航空航天大学 华中理工大学 四川联合大学等高校联合迸行 一3 沈阳理工大学硕士学位论文 了国家重点科技公关课题 注塑模c a d c a e c a m 系统h s c 3 0 郑州工业大学模具 研究所研制的z m o l d 3 0 等 各科研院 所经过十多年来的不懈努力 在注塑模 c a d c a e 领域取得了长足的进步 软件的国有化比重在不断递增 但仍有许多不足 之处 如 目前国内自行开发的注塑模c a d c a e 系统都是基于一定的平台基础上 而自行开发的图形系统和c a e 软件较少 并且还没有统一的标准 开发系统的实 用性和局限性较大 因而 上述系统真正成为普及型软件还不成熟 有待于进一 步技术研究和通过实践检验 町 总之 我国的塑料件及相关模具的设计和制造技术正在进彳亍从落后的经验设计 到以c a d c a e c a m 技术为核心的优化设计的重要转变 1 3 课题研究的主要内容 本文主要完成的工作 1 以本人为项目主管开发的几个新产品为基础 归纳了塑料件的设计要求 按照现代设计方法的相关理论提出塑料件的设计流程 2 分析了塑料件设计和制造的关键技术 并进行相应的塑料件力学和流变学 理论分析和模具结构的理论分析 提出了理论上的简化计算公式 3 研究p r o e n g i n e e r 软件的高级开发技术 并在该软件中建立塑料件的设 计平台的基本框架 在此平台上完成了新产品中塑料件的造型和装配结构设计 并对结构进行了相应的分析 4 以典型塑料件的为对象 利用m o l d f l o w 软件进行了注塑过程模拟 对模 拟结果进行分析和讨论 并在此基础上应用a n s y s 9 0 软件对相关模具中关键零件 的强度进行了有限元分析 完成了对塑料件和相关模具的优化设计 4 一 第2 章塑料件的设计要求与关键技术 第2 章塑料件的设计要求与关键技术 2 1 塑料件的设计要求 要把塑料件设计得既符合产品的功能要求 美学要求 人因工程学要求 又 符合塑模成型的工艺要求 其难度非常大 所以 在设计的过程中要和电器工程 师进行功能方面的交流 又要和模具加工部门进行协调 同时和经销商之间进行 及时的沟通 通过协调好各个方面的要求 经过许多次的反复实验 论证和修改 最终才能使合格的塑料件组装成一个完美的产品 当然 塑料件的设计要求非常 多 在本节对各种设计要求加以整理 最终归纳为主要的三类 强度设计要求 工艺要求 用于特定产品的要求 2 1 1 强度设计要求 塑料件的耐用性取决于塑料件强度 根据塑料件承受负荷条件不同 可把所承 受的负荷分为短期负荷 长期负荷 循环负荷 冲击负荷 温度负荷等五类 在 设计塑料件时 首先要考虑的是强度设计 从以下五方面入手 1 短期应力一应变行为 短期负荷是指塑料件在搬运 组合和使用时施加的负荷 例如 搬运时受到的 冲击力 各种连接机构在调整时所承受的载荷等 和金属零部件的设计类似 其 设计一般参考材料的应力一应交图 但与金属材料相比 塑料在高温下的抗应变能 力非常低 在设计时主要考虑以下两点 1 按照材料的应力一应变曲线进行强度设计 2 应充分考虑零部件的使用环境 温度 加工方法 化学环境对机械性能 的影响 2 长期力学性能 长期力学性能是指在比例极限以内 塑料件长时间承受外力载荷 以及塑料件 在成型和组合过程中造成内应力和残留应力 主要失效形式表现为蠕变和应力松 弛 例如 在 豪华型空气负离子 上的球头压板由于长时间受到重力的作用 会发生径向蠕变 使直径有所增加 各种转轴的挠曲会随着时间的增加而增大 例如 在出i 1 日本的产品 浴泵 上的0 型密封压缩时 应力一般应能阻止泄露 应力松弛作用却使应力不断减小 在 随身吸型空气负离子 的车载底座上的底 5 一 沈阳理工大学硕士学位论文 盖是和四个弹簧连接的塑料件 也会随着时问的增加而发生一定的变形甚至是损 坏 设计此类塑料件时主要考虑以下四点 1 向材料供应商索取蠕变模量e o t t 和松弛模量e l t t 分别利用式 2 1 和式 2 2 计算出应变和应力 0 jet 2 1 式中 0 为初始应力 是常数 c c 一是与时间和温度有关的应变值 e i t t 0 t eo 2 2 式中 为应交值 是常数0 为应力值 是时间和温度的函数 2 如果条件允许 尽量设计成压合连接或搭扣连接组合 以减少组装造成 的应力 3 使用固定组件以减低应力 强化结构 4 设计塑料件与塑料件的接合时 保留安全裕度 以防止过度紧密配合 3 循环负荷 当塑料件承受反复或循环载荷作用时 应重点考虑在其寿命内预计承受循环负 荷的次数 特别是各种皮带轮 皮带 活塞环等 在设计时必须充分考虑材料的 疲劳强度 塑料件承受循环负荷时 重点考虑以下三点 1 承受短问距和长期问距的反复性负荷 应使用疲劳曲线进行设计 2 注意圆角的设计以避免应力集中 3 承受高频或高振幅的周期性负荷时 会因生热而缩短寿命 改用薄壁设 计和酎疲劳的导热性材料可以改善塑料件的散热功能 4 冲击载荷 冲击负荷的加载速度比其他机械负荷的加载速度要快得多 零件设计时应尽量 避免在高应力区施加高速负荷和冲击性负荷 设计塑料件时需要考虑使用较大的圆角及较和缓的厚度变化 以避免应力集 中 例如在设计手持型空气负离子昀车载底座上的零件时 注意加强筋底部与底板 连接时用圆角过度 并且整个零件的厚度不均匀度应控制在l 1 5 1 t2 范围内 5 温度负荷 与金属件相比 塑料件的性能对温度更加敏感 温度的变化对尺寸 机械性能 6 一 第2 章塑料件的设计要求与关键技术 等有显著的影响 这里所指的温度负荷包括高温和低温 高温负荷容易使塑料软 化 低温负荷容易使塑料变脆 对于塑料件来说 要考虑承受相对高温和相对低 温的情况 要使零部件适应使用的温度环境 设计时应注意 1 遵循材料的模量一温度曲线 c 2 尽量避免将不同热膨胀系数的材料进行组合 而且应该在自由端面保留 允许塑料件膨胀的余量 根据以上的论述 本文将强度设计的五种负负荷条件和设计者应考虑的材料性 质以及对应设计时应遵循的主要准则列于表2 卜1 表2 卜l 强度设计准则归纳 负荷条件 典型零部件应考虑的材料性质主要设计准则 短期负荷 扳手 紧固螺钉等应力一应变行为应力一应变曲线 长期负荷 球头压板等蠕变 应力松弛蠕变模量 松弛模量 循环负荷齿轮等 疲劳特性疲劳曲线 冲击负荷车载底座等冲击强度避免局部应力集中 温度负荷手持型的上下壳体热应力一应变行为 模量一温度曲线 2 1 2 工艺的设计要求 1 可制造性的设计要求 这里的制造主要指注塑成型过程 产品设计将最终决定塑料件塑模的难易程 度 塑料件生产的可行性 模具的复杂性和产品的成本 在不影响产品性能的情 况下 适当地修改产品的结构可能会大大降低模具的难度 从而降低产品成本 影响制造工艺性的因素很多 如 拔模的斜度 工艺孔的设置 嵌件的设计等 在 本小节中将讨论影响制造工艺性的三个最主要的结构 圆角 壁厚 加强筋 1 圆角 塑料件外表面转折处有圆角不但能保证制品机械强度高 外观漂亮 而且塑 料熔体在型腔中的流动也比较容易 否则 塑料件在使用时拐角处容易产生应力 集中而遭到破坏 成型冷却时易产生内应力和裂纹 在塑料件的内表面转折处不 一定要加圆角 要看加工的难易程度 当壁厚均匀时可以不加圆角 在分型面上 不能有圆角过度 7 沈阳理工大学硕士学位论文 2 壁厚 塑料件的壁厚应均匀 不应有突变 当塑料件上有薄壁区时 充填熔体倾向 往壁厚的截面部分流动 容易产生竞流效应 导致产生气泡和熔合线 在塑料件 表面产生瑕疵 塑料件在射出成形后 必须冷却到足够低的温度 顶出时才不会 造成变形 壁厚较大的塑料件需要较长的冷却和保压时间 例如厚壁区没有充足 的保压 就会造成凹痕或气孔 为使塑料件的壁厚尽可能的均匀可以通过加入一 些工艺孔或槽达到壁厚均匀的要求 以缩短成形周期 改善塑料件尺寸稳定性 3 加强筋 设计良好的筋 不仅可以降低零件的重量 同时足以提供必要的结构强度 如果还需要更高的刚性 可以缩小筋的问距 添加更多的筋 筋的厚度一定要小 于等于零件的壁厚 筋在塑料件上的典型用途包括 需要有良好外观和重量轻的宽大表面 齿轮的轴和轮廓 塑料件的支撑柱与构架 2 可装配性的设计要求 减少产品中塑料件的数量也就减少了装配次数有利于保证产品的质量 减少 所需模具的数量 但这样做的代价是塑料件的几何形状变得复杂 工艺性差 加 工难度大 可塑模性很差 在实际设计过程中 必须平衡各种因素 达到成本最 低的要求 因此 有很多产品将本由一个复杂结构的塑料件设计成单独的几个塑 料件 再进行组合装配 塑料件之间的装配有很多方法 例如压力装配 搭扣装 配 焊接 铆接等 在本小节中将几种塑料件装配中比较常见的方式加以归纳 1 压力装配 压力装配在形式上是一种非常简单的装配方式 不需要任何其他组件或者紧固 件 仅仅是一个零件被压入与其相配的另一个零件中 压力装配最重要的特征是 装配零件或嵌件必须大于相配零件孔的最大公差尺寸 但是 要完成一个良好的 压力装配 获得必要的压合应力 既不会因过高的应力造成裂缝 又不会因过低 的应力而造成松脱 必须选择合理的过盈配合 同时 这种装配一定要考虑零件 的材料 保证材料的一致性 2 搭扣装配 8 第2 章塑料件的设计要求与关键技术 搭扣配合是利用塑料材料在比例极限内的变形能力进行两个塑料零件之间的 连接 并且保证在完成装配后立即回复原始的形状 完成搭扣配合连接时 搭扣 两边的配合件都不承受应力 而连接过程中的最大应力也不超过比例极限 完成 连接之后 组件承受的负荷必须在材料限度以内 这种装配多用于小型或微型零 部件的装配 这种装配的最大好处是节省空间 但这种装配的缺点是重复装配的 次数少 装配的精度低 3 焊接和热铆 塑科材料的焊接方法有很多种 其中应用最为广泛的是超声波焊接 一般的热 塑性材料都可以用这种方法 焊接过程中要考虑的最主要的因素是两种焊接材料 的兼容性 热铆的方式多用于电镀塑料件和装饰件的固定连接 一般是将塑料用特殊的 电烙铁熔化变形后完成装配 是一种通用性很强的装配方式 优点是装配的可靠 性高 精度好 但装配的过程复杂 4 机械紧固 多数机械紧固件对塑料产品的组装都是适用的 传统上使用的固定组件主要包 括固定金属组件的螺丝钉和铆钉 它们也可以应用于塑料件 在其应用上需要考 虑以下要点 预紧力过大的螺丝钉或铆钉可能导致应力 螺丝钉的螺纹可以预先加工 或是在紧自攻螺丝时产生 螺丝钉螺纹与头部之毛边 铆钉毛边等都可能造成应力 导致塑料件提早破 坏 以上几种装配的典型应用场合及设计原则见表2 1 屯 表2 1 2 装配设计的应用场合和设计准则 装配类型典型应用场合基本设计准则 压力装配 轴一套结构 公差极限图 搭扣装配钩一槽等结构搭扣连接理论 焊接和热铆装饰件的固定热塑性材料的兼容性 机械紧固广泛强度设计理论 沈阳理工大学硕士学位论文 2 1 3 用于特定产品要求 在前面的三个 j 节中 对一些常规的塑料俘的设计要求作了归纳 在本小节中 将针对用于空气负离子医疗器械的塑料零部件的特殊要求作一些归纳 1 轻量化 在手持型空气负离子的开发过程中 减轻产品的自重是必要的 为此在进行塑 料零部件设计时 满足其他设计要求的前提下 必须考虑尽量使塑料零部件达到 轻量化 2 恶劣工作条件下的可靠性 如在低温和高湿度条件下工作时 由于高压块一般都工作在负5 0 0 0 v 的高压 下 高压块外壳的材料选择和结构设计就必须考虑恶劣工作条件下的可靠性 主 要是防止高压击穿 3 在负高压工作条件下的防止静电问题 如在两万伏负高压条件下 在豪华型负离子的设计过程中首要问题是如何处 理塑料件的材料选择和塑料件上的金属嵌件的保护 以防止静电的产生 2 2 塑料件的设计流程 一 塑料件的生产一共包括三个部分 单体的生产 由原料合成单体 树脂生产 由单体合成树脂 塑料的成型加工 由树脂经成型加工制成塑料件 对于前两部 分是材料供应商的职责 对于塑料件的设计和制造公司 只须向供应商索取相关的 材料参数 本文所讨论得是第三部分即塑料件的设计和制造 对于一般塑料件的 设计和制造过程大体上可以分成以下步骤 1 产品造型 该过程又称为工业造型 用专业的造型渲染软件来确定产品的外观效果 一般 的塑料件 尤其是装饰件对外观有很高的要求 很多时候当整体的造型确定之后 对外观有重要影响的装饰件 如 装饰环 装饰条 灯罩等 也随整体确定下来 2 初步设计 全面准确地分析产品的类型和最终用途是整个产品开发过程的第一步 也是最 重要的一步 因为它是整个开发工作的基础 配套厂家需要和设计人员充分沟通 明确产品的性能 在分析产品最终性能的前提下进行材料的初选 可根据本章2 1 节所介绍的设计要求 确定几种备选材料 第2 章塑料件的设计要求与关键技术 用三维软件设计零件的结构 重要的塑料件部位在图中都要重点标出 利用它 可分清哪些功能和尺寸是确定不能改变的 哪些是可以灵活调节的 这对以后模 具设计的灵活性 可装配性来说至关重要 产品造型和初步设计是双向的 如果 初步设计发现产品的造型对今后的设计过程有重要障碍的 应及时修改造型 要 充分体现并行设计思想 3 c a e 分析 在初步方案确定后 要从加工工艺的角度进一步完善设计方案 此时要认真听 取模具工程师和工艺工程师的意见 要用c a e 软件进行产品的结构分析 采用模 流分析软件进行流动 保压 冷却和翘曲分析 来确定合适的浇注系统 冷却系 统等 如果分析结果不熊满足生产需要 那么可根据用户的要求修改注塑制品的 结构或修改模具的设计方案 设计者应考虑注塑成型加工的各种因素对设计的影 响 研制的产品其几何形状必须具有可塑模性 4 模具设计 在完成c a e 分析和方案评价后 进行模具的详细结构设计 包括型腔 型芯的 设计 浇注系统的布置及尺寸 冷却系统的布置及尺寸 制件顶出位置等等 同 时 进行模具的生产准备 如选择模具材料 考虑加工方法 判断是否可以调用 标准模架 5 试制 测试 评价 尽管采用c a e 软件进行了模拟和改进 但是在实际的设计和制造过程中还会有 很多无法预料的因素 因此 对于从理论角度得到的设计 需要制造一个模型 也 可以制造一个形状和结构相似的模具 但该模具的结构只是零件上的主要的分析 点 模具的结构必须简单 加工成本低 加以检验 在全面评价加工性能和使 用性能的优劣之后进一步完善 如果必要 可用选定的材料生产一个过渡性的模 拟产品 如 可以利用快速成型试制出一个样品 利用这个样品可以检验零件各 部分的结构是否符合设计的要求 并对产品和所需模具的加工性能给出评价 6 工程图 n c 代码 模具的零件加工 由模具的生产厂家利用c a i l 软件进行数据加工模拟 自动生成型腔 型芯的 n c 代码 得到的装配模型存入实例库中 供以后的设计参考 为了适应生产的需 要 模具配套厂家 还应完成由三维图向二维工程图的转换 包括各种视图生成 婆堕里三奎堂堡主兰垡堡苎 尺寸标注 标题栏 明细表 物性计算等 在模具零件加工前 应将模具的总装 配图送交设计单位进行审核 通过后进行生产 7 模具装配和试模 由模具的生产厂家按塑料件的设计要求和模具的装配图及主要的零件的零件 图 其中包括模架的供货商 提供的模架结构图 进行模具装配 调整好各种配 合间隙 保证模具各零件正常和灵活的运动 并将模具在注塑机上进行试模 打 出基本合格的样件后 进行模具的进一步的精加工 8 注塑生产 注塑的配套厂家或注塑车间 按l l o l d f l o w 4 1 的分析结果调整注塑机的工艺参 数 加工出样件 然后对注塑样件进行分析 进一步调整工艺参数 直到样件通过 设计部门的认可 才可以小批量试生产 9 样件的装配 将所有的样件装配在一起 包括电路板等其他零件 分析各种尺寸的配合是 否合理 做整机的测试实验 对不合理的参数进行调整 直到各种功能达到设计的 要求 1 0 整理设计和工艺文件 完成样件的装配后 可以发现以前的产品设计文件和工艺文件的不足之处 并 对其进行修改整理 形成可以用于指导生产的设计和工艺文件 最终可以根据市场的调查报告 确定生产的数量 进行塑科件的批量生产 塑 料件的开发工作完成后 还要根据市场的反馈信息 对塑料件的设计进行相应的 修改 完成对产品的更新和换代工作 2 3 关键技术分析 根据海关统计 我国2 0 0 4 年共进口模具1 7 亿美元 其中塑胶模具共9 亿美元 占5 3 从日本进口模具6 亿美元 占进口模具的3 5 3 在国际模具市场上 日本模具无论在交货时间 开发成本 还是在精度方面 都处于领先地位鳓 从中 可以看出 我国的塑料模具生产能力还十分有限 高精度的模具主要还依靠进口 究其原因 我国的模具行业主要还依据设计者有限的经验和比较简单的计算公 式进行产品设计和开发 但是在注塑成型生产实际中 塑料熔体的流动性能千差 万别 塑料件和模具的结构千变万化 工艺条件各不相同 仅凭有限的经验和简 第2 章塑科件的设计要求与关键技术 单的公式难以对这些因素作全面的考虑和处理 设计者经验的积累和公式的总结 无法跟上塑料材料的发展和塑料件复杂程度及精度要求的提高 因此开发过程中 要反复试模和修模 导致生产周期长 费用高 产品质量难以得到保证 对于成 型大型塑料件和精密塑料件 问题更加突出 很多发达国家 如日本 美国 德 国等早已把c a d c a m c a e 技术引入模具行业 从根本上改变了传统的产品开发和 模具生产方式 大大提高了产品质量 缩短了产品开发周期 降低了生产成本 强有力地推动了模具行业的发展 从上述分析不难发现 开发塑料件的关键技术主要有两方面 i 产品的初步设 计和c a e 分析 2 相关模具的设计 开发和c a e 分析 产品的初步设计确定了产品开发过程的基调 为以后的c a e 分析和详细设计打 下基础 在这个过程中 我们当前的普遍做法是按照经验方法设计 经验固然重 要 但是随着当前材料技术的快速发展 很多新配方的材料不断涌现 使经验丰 富的设计者也很难把握好设计的尺度 因此 在这个过程中我们更倾向于用分析 方法设计 它主要依靠应力和应变的经典公式和有限元法 充分利用现有三维软 件的功能把各个设计细节进行量化 在这个阶段 关键是要按各种设计要求进行 产品的初步设计与材料选取 对于塑料件来说 c a e 分析主要指模流分析 产品的结构分析在初步c a d 设计 中完成 模流分析c a e 技术借助于有限元法 有限差分法和边界元法等数值计算 方法 分析型腔中塑料的流动 保压和冷却过程 计算塑料件和模具的应力分布 预测制品的翘曲变形 并由此分析工艺条件 材料参数及模具结构对制品质量的 影响 达到优化制品 优选成型工艺参数的目的 对于塑料模具的关键零件的设计 c a e 分析主要是对其强度的审核 在模具零 件所受的应力已知的条件下 分析初步设计的零件应变是否超过塑料件的公差的 允许值 然后求解出最合理的尺寸值 达到优化模具结构的目的 同时降低模具的 成本 应用c a e 软件必须注意到其分析结果未必能够充分体现所有问题 其应用重点 在于有效地针对问题提出可行的解决方案 与一般的c e 软件一样 模流分析c a e 软件和a n s y s 9 0 大体上也可以分为前处理 计算 后处理三个阶段 其中前处理 部分 其中有限元模型的建立 材料物性的输入等是影响分析精度最重要的因素 沈阳理工大学硕士学位论文 第3 章塑料件设计平台的开发 对塑料件的设计要求和设计流程进行归纳的基础上 为了在p r o e n g i n e e r w i l d f i r e 2 0 软件的设计平台上更快和更好的完成塑料件的设计任务 本章将以 w i n d o w s x p 操作系统为平台 在v c 6 0 集成开发环境下 对p r o e n g i n e e r w i l d f i r e 2 0 软件进行高级开发 使工程技术人员在设计塑料件时有充分的参考资 料和零件库 从而快速 准确地设计出满足设计要求的塑料零部件 3 1 基于p r o e w i l d f i r c 2 0 的开发功能比较 成熟c a d c a m 软件一般都提供用户进行二次开发的接口 如h u t o c a d 的 a u t o c a do b j e c t a r x i d e a s 的o p e na r c h i t e c t u r e o a 等 它们给用户提供一 系列工具 可以完成用户界面定制 宏程序执行 编写外部程序等来扩充系统功 能 p r o e n g i n e e r 提供了多种不同层次的开发方法 1 族表 族表本质上是相似零件的集合 但在一两个方面稍有不同 诸如大小或详细特 征 该二次开发功能不需要编程 功能十分有限 2 用户定义特征u d f 用户定义特征把某个零件的若干个特征封装在一起 组成一个用户自定义特 征 在以后的设计中可以修改特征里面的相关参数并且调用这个特征 提高设计 效率 其功能单一 应用范围小 但当某些特征比较常用时 这种方法是很方便和 快捷的 3 p r o g r a m p r o e n g i n e e r 中的每一个模型都含一个列表 其中有主要设计步骤和编辑后 可当程序用的参数 通过运行该程序 可按照新的设计规范改变模型 但是不能 调用系统函数 只是针对某个零件进行一些主要参数的修改 限制了其功能 4 j l i n k j l i n k 是p r o e n g i n e e r 提供的基于j a v a 语言的高级开发工具包 功能强大 用户可以通过j a v a 编程来扩充系统的功能或定制基于产品的设计模块 对于许多 人来说熟练掌握j a v a 语言难度比较大 5 p r o t o o l k i t 第3 章塑料件设计平台的开发 p r o t o o l k i t 是p t c 公司提供的基于c 语言的二次开发工具 采用面向对象的 编程风格 用户和第三方开发者用它扩展p r o e n g i n e e r 的功能 实现与 p r o e n g i n e e r 的无缝集成 p r o t o o l k i t 提供了一个的基于c 语言的函数库 外 部程序利用它能安全 有效地读写p r o e n g i n e e r 数据库 定制用户界面 开发专 用模块 可以在v c 6 0 集成环境中进行程序的编译 连接 调试 使用比较方 便 是目前首选的开发方式 但由于时间有限 对零件库的开发没有傲完整 3 2p r o t o o l k i t 程序开发的关键技术 1 基本概念 1 对象和动作 在p r o t o o l k i t 中 最重要的概念是对象 o b j e c t s 和动作 a c t i o n s 对 象其实是一种结构体类型的数据 对于特定的p r o t o o l k i t 对象执行的某种操作 成为动作 2 函数原型 每一个p r o t o o l k i t 库函数都有一个相应的a n s i 函数原型 一个特定对象的 函数原型都包含在以那个对象命名的头文件中 在编译时包含相应的头文件 在 连接时包含相应的库文件即可顺利完成调用而不必考虑具体的定义 3 函数返回值和错误状态检测 通常的返回值为p r o t k e r r o r 表示函数调用成功 其他的返回值都表示调 用失败 在返回值中直接给出了失败原因 例如 p r o ka dn p u t s 一参数输入不正确 p r o u t f e m o r y o r p r o t k c 0 删卜e r r o r 一系统错误 4 p r o t o o l k i t 的工作方式 p r o t o o l k i t 的工作方式分为 同步模块 s y n c h r o n o u sm o d e 和异步模式 a s y n c h r o n o u sm o d e p r o t o o l k i t 应用程序的代码集成到p r o e n g i n e e r 系统 的标准方法是利用动态连接库 d y n a m i c a l l yl i n k e dl i b r a r e s d l l 当用户编 译p r o t o o l k i t 应用程序即c 代码并且连接到p r o t o o l k i t 库时 系统生产一个 目标库文件并且连接到p r o e n g i n e e r 系统 当p r o e n g i n e e r 启动时执行这个文 件 同步模式分为动态连接库模式和多进程模式 动态连接库模式是p t c 推荐使 用的开发模式 效率高 异步模式的使用较复杂 不推荐使用 沈阳理工大学硕士学位论文 2 创建一个p r o t o o l k i t 应用程序 p r o t o o l k i t 应用程序是指利用p r o e n g i n e e r 系统提供的p r o t o o l k its e 具 包的支持 用c 语言进行程序设计 采用c 编译器和连接器创建能够在 p r o e n g i n e e r 环境下运行的动态链接库 d l l 一般有两种方法创建一个p r o t o o l k i t 应用程序 一种是利用r a k e 文件 必 须手工修改m a k e 文件 程序的设计与调试比较麻烦 另 种是利用v c 向导创建 p r o t o o l k i t 应用程序 可以直接利用v c 的应用程序设计向导和类向导来进行 p r o t o o l k i t 应用程序的设计 创建和调试 本文利用第二种方法创建应用程序 v c 的集成开发环境采用工程来管理 所以c 源程序 头文件 库文件和资源 程序的设计 编译 连接和调试都十分方便 嘲具体操作步骤为 1 进入鼢 6 o 集成开发环境 建立一个新的工程 p r o j e c t 在 工程 选项卡中选择m f ca p p w i z a x d d 1 1 项 并在工程中输入本文的工程名 d e s i g n p l a t f o r m 如图3 2 1 所示 2 在 b 盱 ca p 研i z a r d 的对话框中 选择动态连接库使用共享 m f cd l l 单选框 使e r o t o o l k i t 应用程序使用共享的m f c 3 打开v c 应用程序向导自动生成的程序文件 如图3 2 2 在f i l e v i e w 中