（机械制造及其自动化专业论文）基于特征的模具浇注系统智能化设计技术研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 浇注系统是注塑模具结构设计中的一个重要组成部分，也是塑料熔体进入模具型腔 的唯一通道。它的几何形状及结构尺寸设计的合理与否，直接影响到聚合物熔体在模具 通道中的流变特性及填充效果，进而影响到最终塑件的成型质量与模具整体结构设计的 复杂程度。因此，浇注系统设计技术与方法的研究，成为注塑模具c a d 技术研究与开 发的重要内容之一。 本文在对注塑模具浇注系统设计的基本知识与原则及专家经验全面分析总结，以及 对计算机辅助浇注系统设计方法深入研究的基础上，以塑件几何模型为依据，应用基于 特征的建模与识别技术、r b r 和c b r 推理技术、面向对象和数据库技术，以及v c + + 6 0 、 s o ls e r v e r2 0 0 0 和o b j e e ta r x 二次开发工具，在a u t o c a d2 0 0 2 平台上，构建了注塑 模具浇注系统智能化设计系统的总体结构及主要功能模块，开发了系统的用户界面，建 立了浇注系统设计的知识与规则库和事例库，研究了设计知识与规则和事例的表示方 法，设计了智能化设计系统的推理机制，部分实现了注塑模具浇注系统的智能化设计。 最后以报警器壳体塑件为例，给出了应用开发的智能化设计系统进行注塑模具浇注 系统设计的基本流程与方法。实例设计过程表明，系统运行可靠，设计结果正确。 注塑模具浇注系统智能化设计技术的研究与开发，对进一步提升注塑模具c a d 技 术水平，全面提高注塑模具的设计质量和效率，缩短模具设计制造周期具有重要意义。 关键词：注塑模具；浇注系统；智能化设计；特征建模；r b r 和c b r 基于特征的模具浇注系统智能化设计技术研究 r e s e a r c ho nt h ei n t e l l i g e n td e s i g nt e c h n o l o g yo fi n je c t i o nm o u l df e e d s y s t e mb a s e d o nf e a t u r e a b s t r a c t i n je c t i o nm o u l df e e ds y s t e m i sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h es t r u c t u r ed e s i g no f i n je c t i o nm o u l d ， a n di sa l s ot h eo n l yc h a n n e lf o rm o l t e np l a s t i cf l o w i n gi n t om o l dc a v i t y t h a tw h e t h e ri t sg e o m e t r yf i g u r ea n dd i m e n s i o no fs t r u c t u r ed e s i g ni sr e a s o n a b l ei n f l u e n c e s p o l y m e rm e l t sr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e sa n df i l i n gi nt h em o l dc h a n n e l ， a n di n f l u e n c e st h e q u a l i t i e so ft h ep l a s t i cp a r t sa n dg e n e r a ls t r u c t u r ed e s i g no fi n je c t i o nm o u l du l t i m a t e l y s ot h e r e s e a r c ho nt h ei n je c t i o nm o u l df e e ds y s t e md e s i g nt e c h n o l o g ya n dm e t h o di sb e c o m i n go n e o ft h ei m p o r t a n tf a c e t si nt h ef i e l do ft h ei n je c t i o nm o u l dc a d o nt h eb a s i so ft o t a la n a l y s i sa n ds u m m a r i z a t i o no nb a s i ck n o w l e d g e ，p r i n c i p l ea n d e x p e r te x p e r i e n c eo fi n je c t i o nm o u l df e e ds y s t e m a sw e l la sf u r t h e rr e s e a r c ho nt h e c o m p u t e r m d e dd e s i g no fi n j e c t i o nm o u l df e e ds y s t e m ， a c c o r d i n gt ot h eg e o m e t r i c a lm o d e l o ft h ep l a s t i c ， a p p l y i n gt e c h n o l o g i e si n c l u d i n gf e a t u r e b a s e dm o d e l i n ga n di d e n t i f y i n g ， r b r c b r ， o r i e n t e d o b j e c ta n dd a t a b a s et e c h n o l o g yv c + + 6 0 ，s q ls e r v e r2 0 0 0 ， o b je c ta r x ，t h ep a p e rc o n c e i v e sg e n e r a ls t r u c t u r ea n dp r i m a r yf u n c t i o nm o d u l eo ft h e i n t e l l i g e n td e s i g n o fi n je c t i o nm o u l df e e ds y s t e m ，d e v e l o p su s e r s y s t e m i ci n t e r f a c e ， c o n s t r u c t sk n o w l e d g er u l el i b r a r ya n dc a s el i b r a r y o fi n je c t i o nm o u l df e e ds y s t e m ， r e s e a r c h e sd e n o t a t i v em e t h o do fk n o w l e d g e r a t i o c i n a t i v em e c h a n i s mo fi n t e l l i g e n ts y s t e m i n je c t i o nm o u l d f e e ds y s t e mp a r t l y r u l e l i b r a r ya n dc a s el i b r a r y ，d e s i g n st h e d e s i g n ， a n dr e a l i z et h ei n t e l l i g e n td e s i g no f a tl a s ta ne x a m p l eo fe n u n c i a t o rc r u s td e s i g ni sg i v e nt op r e s e n tt h eb a s i cf l o wa n d m e t h o do ft h ei n t e l l i g e n td e s i g no fi n je c t i o nm o u l df e e ds y s t e m t h ep r o c e s so fd e s i g n i n d i c a t e st h es y s t e mi sc r e d i b l e ， a n dw i t hr e a s o n a b l ed e s i g nr e s u l t r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nt h ei n t e l l i g e n td e s i g nt e c h n o l o g yo fi n je c t i o nm o u l df e e d s y s t e mi ss i g n i f i c a n tt oi m p r o v et h el e v e lo fm o u l dc a d a n dt h em o u l dd e s i g nq u a l i t i e sa n d e f f i c i e n c i e sa n ds h o r t e nt h ec y c l eo fm o u l dd e s i g na n dm a n u f a c t u r e k e yw o r d s ：i n j e c t i o nm o u l d ；i n j e c t i o nm o u l df e e ds y s t e m ；i n t e l l i g e n td e s i g n ； f e a t ur e - b a s e dm o d e l i n g ；r b ra n dc b r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：递丝焦日期：塑。乜：= 2 s 基于特征的模具浇注系统智能化设计技术研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：监塑鱼 导师签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ，c a d ) 是当代计算机应用的一个重要领 域。随着计算机硬件和软件技术水平的迅速提高，c a d 技术及其应用一直处于日新月 异的发展浪潮中。作为c a d 技术应用的一个十分重要的领域，塑料模具计算机辅助设 计、模拟分析与制造，即模具c a d 、c a e 、c a m ( 统称c a d ) 也一直受到国内外的普 遍关注【l 】o 作为高分子化学和材料科学发展的重要成果，塑料早已为人们所熟悉，塑料产品己 成为人类生产和生活中不可缺少的重要组成部分。多年来，塑料制品制造业一直在迅速 发展，而当前全球范围的以塑料代替金属的趋势又进一步加速了这一发展速度。塑料制 品一般采用模塑成型方法生产，因而塑料成型模具己成为塑料制品生产的重要工艺装 备，在国民经济中起着愈来愈重要的作用。随着塑料制品在汽车、电子、家电、机械等 产品和日常生活用品中越来越广泛的应用，市场对塑料模具的需求越来越大，设计和制 造的要求也越来越高，传统的模具设计与制造方式已不能满足市场对高质量模具的要 求。应用c a d c a m 技术可以显著提高塑料制品和塑料模具的设计制造效率，提高设计 制造质量，减少试模修模时间，从而缩短从塑料产品设计、模具设计与制造到制品模塑 生产的整个周期弘j 。 1 1 注塑模具c a d 技术发展概况及趋势 1 ，1 1 注塑模具c a d 技术发展概况 塑料流变学、几何造型技术、数控加工技术以及计算机技术的突飞猛进，为注塑模 c a d c a e c a m 系统的开发与推广应用创造了条件。2 0 世纪7 0 年代己开始应用计算机 辅助分析技术对熔融塑料在圆盘形、管形和长方形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内塑料熔体的流动过程，使设计人员可以依 据理论分析并结合自身的经验，在模具制造之前对设计方案进行评价和修改，以减少试 模时间，提高模具质量。近十年来，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，一些高水平的商品软件逐步推出，并在推广和实际使 用中不断改进、提高和完善。 ( 1 ) 国外发展概况 发达工业国家注塑模c a d 技术发展非常迅速。在2 0 世纪6 0 年代，英、美、加拿 大等国的学者如j r p e a r s o n ( 英) 、j f s t e v e n s o n ( 美) 、m r k a m a l ( 加) 、k k w a n g ( 美) 等相继开展了注射过程一维流动模拟与冷却分析算法的研究。在此基础上，7 0 基于特征的模具浇注系统智能化设计技术研究 年代便完成了二维流动模拟与冷却分析程序的开发。8 0 年代开展了三维技术的研究并将 研究范围扩展到保压分析、纤维分子取向以及翘曲预测等领域。从9 0 年代开始进行集 成化的研究。这些卓有成效的研究成果，为开发商品化的注塑成型过程分析软件奠定了 坚实的基础。 澳大利亚m o l d f l o w p t y 公司的m o l d f l o w 系统该系统具有很强的注射模分析模 拟功能，包括绘制型腔图形的线框造型模块s n o d ，有限元网格生成模块f m e s h ，流 动分析模块f l o w ，冷却分析模块c o o l i n g ，流动、冷却分析结果和模具应力场分布 的可视化显示模块f r e s 以及翘曲分析模拟模块。 美国a c - t e c h 公司( a d v a n c e dc a et e c h n o l o g yi n c ) 的注塑模c a e 软件 c m o l d 。该软件具有三个层次：第一层次用于初始阶段的设计，如优选塑料材料、选 择标准模架、预测锁模力、平衡流道系统、优化成型时间、预定成型工艺参数、布置冷 却水道、诊断注塑缺陷等。第二层次为三维流动模拟程序和三维冷却分析程序。第三层 次是将流动、保压和冷却分析耦合，得到更为精确的分析结果，其结果可用于塑料制品 的应力和翘曲分析。c m o l d 软件无论是数学模型、程序编制，还是用户界面、软件接 口等都具有很高的水平。 英国d e l c a m 公司在原有软件d u c t 5 的基础上，为适应最新软件发展及实际需求， 向模具行业推出了可用于注塑模c a d c a m 的集成化系统d e l c a m sp o w e rs o l u t i o n 。该 系统覆盖了几何建模、注塑模结构设计、反求工程、快速原型、数控编程及测量分析等 领域。 p r o e n g i n e e r 系统是美国参数化技术公司p t c ( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 推出的三维c a d c a m 软件，包括p r o m o l d e s i g n ( 注塑模、压铸模、锻模设计) 、p r o d i e f a c e ( 冲压模设计) 、e x p e r tm o l db a s ee x t e n s i o n ( e m x 模架专家库) 和m o l df i l l i n g s i m u l a t i o no p t i o n ( 注塑模具流动分析功能包) 等。 u g ( u n i g r a p h i c s ) 是美国e d s ( e l e c t r o n i cd a t as y s t e m sc o r p ) 公司旗舰c a d 产品。该软件为用户提供了一个全面的产品建模系统，也提供了众多模具c a d 模块： 如u g d i e e n g i n e e r i n g w i z a r d ( 冲压模工程向导) 、u g p r o g r e s s i v e d i e w i z a r d ( 多工位 级进模向导) 和u g m 0 1 d w i z a r d ( 注塑模具向导) 等。 ( 2 ) 国内发展概况 国内在注塑模c a d c a e c a m 技术开发的研究与应用方面起步较晚。从2 0 世纪8 0 年代中期开始，国内部分大中型企业先后引进了一些国外知名度较高的注塑模c a d 系 统软件。同时一些高等院校和科研院所也开始了注塑模c a d 系统的研制与开发工作。 其中具有代表性的工作有： - - 2 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 华中科技大学( 原华中理工大学) 是国内较早自行开发研究注塑模 c a d c a e c a m 集成化系统的单位之一。1 9 8 8 年推出了注塑模c a d c a e c a m 系统 h s c - 1 版，1 9 9 7 年推出了h s c - 2 版。该系统以a u t o c a d 软件包为支撑平台，包括模具 结构设计子系统，结构及工艺参数计算校核子系统，塑料流动、冷却与保压模拟子系统， 数控线切割编程子系统，建库工具和设计进程管理模块，已实现商品化，其中的模具结 构设计系统是二维的。近年来，在华中科技大学华中软件公司的三维参数化造型系统 i n t e s o l i d 上开发了三维注塑模结构设计系统。 浙江大学基于工作站的u gi i 系统开发出精密注塑模c a d c a m 系统软件。该系 统软件采用特征造型技术构造塑料制品模型，使形状特征表达与工艺信息描述相统一， 并利用特征反转映射实现了模具型腔模型的快速生成。 上海交通大学从1 9 8 3 年开始，对注塑模c a d 进行了多方面的研究。在国内首次 将人工智能技术引入注塑模c a d 系统中，于1 9 8 8 年开发出注塑模智能c a d 系统。现 在又在工作站u gi i 平台上进一步开发智能冲模c a d 佗a e c a m 系统。 北京航空航天大学华正模具研究所研制的注塑模c a d c a e c a m 系统，具有塑 料制品线框造型、曲面造型、分析模拟和数控仿真与数控加工程序生成等多项功能，具 有很高的技术水平与实用价值。该所还与美国a c t c c h 公司合作开发了面向注塑模的中 文辅助分析软件c a x a i p d ，采用了国际上c a e 技术的最新成果。 合肥工业大学在注塑模结构c a d 技术方面进行了多年的研究与开发工作，先后 研制出微机注塑模c a d 系统口m c a d 和微机注塑模c a d 三维系统i p m c a d v 3 0 ，取 得了较好的效果。i p m c a d v 3 0 系统在微机上采用三维实体模型、实体造型技术，使系 统在设计效率和通用性两方面都得到较好的兼顾。现在以a u t o c a dr 1 4 和m d t 3 0 作 为丌发环境，进步采用参数化特征模型、特征建模技术和装配模型技术，研制出注塑 模c a d 三维参数化系统i p m c a dv 4 0 ，在技术性能、实用性与通用性几方面都达到较 高水平。 1 1 2 注塑模具c a d 技术的发展趋势 注塑模具c a d 技术的发展方向是集成化、智能化、柔性化、网络化和并行化等， 以提高系统的实用性和方便性，降低生产成本【3 】。 ( 1 ) 注塑模具c a d 与c a m 系统集成 为了提高模具的开发工作效率，人们将模具c a d 与模具c a m 两个过程有机地连 接起来，实现了模具c a d c a m 一体化。这种系统将c a d 的设计结果直接用于数控仿 真和生成数控加工程序，并送到数控机床进行自动加工。 基于特征的模具浇注系统智能化设计技术研究 在这种一体化系统的基础上，人们又积极开展计算机集成制造系统( c o m p m e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，c i m s ) 的研制及其在模具领域的应用。模具c i m s 系 统基于计算机技术和信息技术，将模具设计、制造、生产管理以及经营决策等相关内容 有机地结合成一个整体。实现模具c i m s 系统的关键在于建立一个统一的全局模具产品 数据模型，以实现c a d 、c a m 、c a e 各单元之间的数据自动传递、转换以及信息共享。 模具c i m s 系统是物流和信息流的综合，能对产品开发、模具设计、零件加工、整体装 配和检测检验的全过程实施计算机控制，从而大大缩短了模具的设计制造周期，降低了 模具的生产成本，保证了模具加工质量，并为企业创造了良好的经济效益【”】。 ( 2 ) 建立和应用注塑模具c a d 网络环境 随着模具工业规模的扩大，要做到全球资源信息共享、交换等，网络化是必然的发 展道路。 现在，将多台微型机c a d 工作站联网或将多台微型机c a dt 作站和工程工作站联 网，构成分布式c a d 系统，已成为一种趋势。这种局域网络系统结构灵活、功能强大、 价格较低。每个工作站可单独使用，也可相互配合，实现局域的资源和信息共享，也可 实现并行设计和协同工作。这种c a d 网络很适合企业单位的需要。因为企业中的产品 设计与制造一般都不是个人行为，而是一个组或一个科室群体有组织有计划进行的工程 项目。参加工作的各个成员必须相互配合、协同努力，在规定的权限下共享资源和已有 的设计结果，有关负责人还要对各阶段的设计结果进行审核。这种c a d 局域网络的建 立以及设计管理和协同设计功能的实现，无疑将大大促进企业经济效益的提高。 伴随广域网i n t e m e t i n t r a n e t e x t r a n t 的兴起和拓展，注塑模具网络c a d 系统不再局 限于企业内部，全球不同地域的设计人员可以相互协作，共同完成某项产品的设计。这 无疑有利于全球资源信息共享，并符合经济全球化的要求。 ( 3 ) 人工智能( 专家系统) 技术在注塑模具c a d 中的应用 目前的模具c a d 系统大都是人机交互式系统，即系统中包含了使用系统的人。使 用模具c a d 系统的设计者在系统行为中起着主导和决策的作用，因此设计结果往往带 有人为的因素。人工智能( a j ) 、专家系统( e s ) 和基于知识的系统( k n o w l e d g e b a s e d s y s t e m ，k b s ) 技术的发展及其在注塑模具设计领域的应用，为注塑模具c a d 技术的 发展开辟了新的途径，从而出现了新的面貌【4 】。 所谓智能模具c a d 系统，是一个具有大量模具设计知识与相关经验的程序系统。 它采用人工智能技术，运用模具设计知识库中的设计知识进行推理、判断和决策，解决 以前必须由模具设计专家解决的复杂问题，使模具c a d 技术的发展达到一个新的水平。 一t 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 由于模具设计知识库中的知识来源于专家长期积累的设计经验，因此，一个成功的模具 c a d 专家系统可以达到甚至超过模具设计领域专家的水平。 1 1 3 注塑模浇注系统智能化生成技术的现状 随着模具c a d 技术的发展，模具设计的质量和效率有了明显的提高，如模具标准 件的选择、模拟分析等模块已在模具设计的实际应用中发挥了比较重要的作用。浇注系 统是注塑模具结构设计中的一个重要组成部分，也是塑料熔体进入模具型腔的唯一通 道。它的几何形状及结构尺寸设计的合理与否，直接影响到聚合物熔体在模具通道中的 流变特性及填充效果，进而影响到最终塑件的成型质量与模具整体结构设计的复杂程 度。但在注塑模浇注系统智能化生成方面，由于塑件结构的复杂性和多样性，导致其智 能化生成算法的研究进展比较缓慢，尽管国内外学者针对这方面的研究已经取得了一定 的成果，但大多还处于理论研究阶段，在实际应用中，目前还没有开发出能适用于各种 情况下的注塑模浇注系统智能化生成算法。 国内现有关于注塑模浇注系统智能化生成的研究具有代表性的工作有： 上海交通大学模具c a d 国家工程研究中心，选择影响注塑件质量的注塑模浇注 系统方案为研究对象，提出了浇注系统方案智能化设计策略。考虑到浇注系统方案设计 中存在的模糊性和不确定性等因素，对经典的粗糙集理论进行了扩展。将等价关系扩展 为模糊相似关系，提出一种模糊粗糙集模型归纳学习算法，并利用此模型建立了具有规 则数目少、规则简捷等优点的浇注系统方案设计模糊知识库，并开发了一个浇注系统方 案智能化设计原型系统。设计实例初步表明该研究工作和开发的设计原型系统能提高浇 注系统设计效率。 湖南工业大学对基于p r o e n g i n e e r 塑料注射模浇注系统进行了研究与开发，建立 了塑料品种及注射机规格数据库。计算机通过用户输入的信息，根据经验公式生成浇注 系统相关尺寸；计算机根据用户确定的数据，按照普通浇注系统的结构自动生成一个浇 注系统直观结构图。 从目莳模具浇注系统智能化生成算法的国内外研究现状中可以看出，大多数学者试 图通过建立某一种数学模型的方法来全面表达浇注系统设计的过程，但由于塑件结构的 复杂性和多样性，使得数学模型的应用具有一定的局限性。而且浇注系统设计是一个经 验性比较强的工作，模具专家在长期的设计实践中所形成的感性经验往往是模糊的，非 公式化的，很难用某一种数学模型进行完整表示。随着人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ， 简称a i ) 技术在模具设计中的应用，并取得了较好的效果。浇注系统设计的经验知识 同样可以用特定的知识表达方式记录并保存，使之可以永久的利用。因此将基于特征、 基于特征的模具浇注系统智能化设计技术研究 r b r 和c b r 的方法引入到浇注系统计算机辅助设计中来，拓宽了浇注系统智能化生成 研究的方法，具有一定的理论意义。 1 2 课题研究的意义和主要内容 1 2 1 课题研究的意义及应用价值 浇注系统设计是注射模设计中的关键环节，它直接影响到成型制品的质量、成本与 效率。目前的注射模设计，大都是利用各种通用的c a d 软件，从初始的点、线、面开 始进行基于二维的图形设计，而对模具的核心部分即浇注系统的结构设计，也是凭借模 具设计人员的知识积累和经验，来确定浇注系统的类型和各部分的尺寸参数。因此，完 成一副中等复杂程度的模具浇注系统设计，需要很多操作步骤来表达浇注系统在不同空 间层面的平面结构形状，既繁琐又不直观。这势必要影响到注射模设计质量与效率的提 高。显然这种设计方法己不能适应瞬息万变的产品市场对成型模具的短周期与高质量的 要求。计算机辅助设计( c a d ) 技术的运用，缩短了注塑模具的设计时间，在注塑模 c a d 软件的开发中，浇注系统的智能化设计是其重要的一个环节。虽然对浇注系统智 能化设计的研究越来越多，但模具设计是一项实践性很强的工作，即使是同- - n 品，不 同的设计者设计的模具有可能完全不同。应用传统的模具c a d 技术进行模具设计时， 还存在许多不便之处。主要表现在模具设计过程的自动化程度不高，对设计者经验的依 赖性较强。如设计者在进行注射模设计时：( 1 ) 需借助相关的计算规则来处理由塑件几 何模型到模具成型零件的尺寸转换，以解决材料的收缩率问题；( 2 ) 凭设计者的知识和 经验确定塑件的分型方向和模具分型面；( 3 ) 按系统提供的几何造型方法分别向计算机 输入塑件、型腔及型芯的尺寸数据，才能完成模具成型零件的结构、工作尺寸与浇注系 统的设计；( 4 ) 依据模具设计的总体方案，通过人机交互进行详细的结构设计。这一过 程需对同一塑件的几何信息进行三次重复操作，既浪费时间与人力，又易出错，更没有 充分发挥c a d 技术的优势。9 0 年代以后，国内外许多学者开始注重模具设计自动化、 智能化与集成化技术的研究，并取得了大量研究成果。但由于塑件几何形状与结构复杂 多变，完全实现模具浇注系统的自动生成，在技术上具有相当的难度。为了完善浇注系 统智能化设计技术，目前研究工作的主要意义是在全面分析、比较浇注系统特征分类各 种方案的基础上，采用三维特征建模技术和参数化技术，建立了浇注系统的三维特征库， 并与原有的塑件三维特征库有机地融合成一体。在总结前人设计经验之后，建立了浇注 系统设计规则库，材料性能库。采用面向对象的数据库技术，构建浇口类型与浇口位置 咨询专家系统。建立基于s q l s c r v c r 2 0 0 0 浇注系统系列设计参数数据库，采用a d o 数 据库访问技术，开发了r b r 和c b r 引导的浇注系统智能化设计系统。因此在c a d 系 - - 6 - - 大连理工大学硕士研究生学位论文 统中以及c a d 二次开发技术中引入智能化设计，以解决浇注系统设计中的问题既是非 常重要的，又是非常必要的。 本课题的应用价值在于将人工智能引入注塑模浇注系统设计中去，实现浇注系统的 智能化设计。使用本系统只要作较少次数的交互，输入几个关键参数，就能够直观而方 便地生成相应的浇注系统实体模型。并且在专家知识与经验指导下，能比较准确、合理 地设计出模具浇注系统，从而提高了浇注系统的设计效率和设计质量，缩短了模具设计 周期，提高了制品质量，降低了模具成本，同时也推动了模具c a d 技术的不断完善和 提高。 1 2 2 课题的主要研究内容 本课题主要针对基于特征、规则推理和事例推理的理论、方法进行研究，并将其应 用到模具浇注系统智能化生成系统中。系统主要由下面三个部分组成：( 1 ) 基于特征的 塑件几何实体造型，其主要工作是根据塑件结构分类的特点，采用面向浇注系统设计的 塑件特征建模方法，进行了塑件特征造型。( 2 ) 基于规则推理的浇注系统智能化设计， 主要是根据用户输入的信息和系统对塑件特征识别的信息，智能化的推出符合给定条件 的浇注系统设计方案。( 3 ) 基于事例推理的浇注系统智能化设计，对于应用r b r 推理无 法得到适合的浇注系统设计方案时，系统采用c b r 的方法来实现复杂或特殊塑件的浇 注系统设计。这样可使智能化设计系统更加灵活和全面。 研究工作以基于特征与c b r 技术相结合的方法，采用面向对象和模块化设计，基 于a u t o c a d 2 0 0 2 平台，使用v c + + 6 0 和o b j e c t a r x 2 0 0 0 为开发工具，实现了注塑模浇 注系统智能化生成。上面这三个模块都集成在a u t o c a d 平台中，有统一的界面，形成 一个相互联系，相互依赖的有机整体注塑模浇注系统智能化生成系统。 基于特征的模具浇注系统智能化设计技术研究 2 浇注系统设计的基础知识及其智能化设计系统开发工具 2 1 浇注系统的基本结构组成与功能 浇注系统是注塑模具结构设计中的一个重要组成部分，它是指从注射机喷嘴出口起 到模具型腔入口止的塑料熔体流动通道。用于将注射机料筒中塑化好的塑料熔体经喷嘴 平稳的引入到模具型腔各部位，同时在熔体充填和固化定型的过程中将注射压力和保压 力均匀的传递到型腔各处，以获得组织致密、外观清晰、表面光洁和尺寸精确的塑件l s 4 ”。 归纳其主要作用为：( 1 ) 输送熔体；( 2 ) 传递压力。 浇注系统可分为冷流道浇注系统和热流道浇注系统两大类。普通浇注系统一般有主 通道、分流道、浇口和冷料井四部分组成，如图2 1 和图2 2 所示。浇注系统各组成部 分的简要介绍如下： 图2 1 浇注系统结构简图( 侧浇口) f i g 2 1s t r u c t m a lg r a p l n c so f m j e c t l o nm o u l d f e e ds y s t e m ( s i d eg a t e ) 图2 2 浇注系统实例图( 点浇口) f i g 2 2e x a n - o l e sm a po f i n j e e t l o nm o u l d f e e ds y s t e m ( p r o - p o i n tg a t e ) 大连理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 主流道( s p r u e ) 主流道是连接注射机喷嘴与模具分流道之间的一段圆锥形通道，其作用是将塑料熔 体从注射机喷嘴引入模具( 引料入模) 。 在直角式注塑机上使用的模具中，主流道平行于模具分型面，无需沿轴线拔出凝料， 主流道一般设计成等截面柱形，以椭圆形应用最广。在卧式和立式注塑机上使用的模具 中，相对于分型面，主流道结构型式有垂直式、倾斜式、圆弧式和分叉式等几种，以垂 直式布置居多，如图2 3a 、b 、c 、d 所示。 a 垂赢式 滋滋翳 b 倾斜式c 圆弧式d 双主流道式 图2 3 主流道结构型式 f i g 2 3s f r u * s t r u c t u r a l1m o d e l ( 2 ) 分流道( r u n n e r ) 分流道是主流道与浇口之间的料流通道。在多型腔或单型腔多浇口模具中，分流道 是将来自主流道的熔体均匀的分配至各型腔或同一型腔的各部位，并对熔体进行分流和 转向。按模具类型的不同，分流道可分为一级或多级，有的模具没有分流道。它的功能 是使塑料熔体加快流速注入模腔内，并有序地填满型腔，且对补缩具有控制作用。 分流道截面形状有圆形、半圆形、梯形、u 形和矩形等，如图2 4a 、b 、c 、d 、e 所示。其中圆形和六边形需在动模和定模两边同时开槽组合而成；其余截面可以单开 在定模一边或动模一边。 图国圆圆圜 a 圆形b 半圆形c 梯形d u 形 e 矩形 图2 4 分流道截面形状 f i g 2 4c r o s s - s e c t i o ns h a p eo f r u n n e r 基于特征的模具浇注系统智能化设计技术研究 ( 3 ) 浇口( g a t e ) 分流道与型腔之间的一段截面狭小、长度很短的料流通道，熔体进入型腔的入口， 起着调节料流速度、控制补料时间等作用，其断面常见的有圆形、矩形等。浇口是整个 浇注系统的关键部分。除直接浇口外，它们的基本作用如下： 使熔融塑料以最快的速度进入并充满型腔，并在保压过程中进行补料以弥补由于 塑件收缩而产生的空隙。 塑件注射成后，由于浇口的截面积很小，所以它的冷却速度大于塑件的冷却速度， 并能迅速地冷却封闭，防止热料回流。 成型并被顶出的塑件，较容易与浇注系统分离。 ( 4 ) 冷料穴( c o l d s l u gw e l l ) 一般位于主流道末端分型面动模一侧，分流道较长时，在其末端也设有冷料穴。冷 料穴主要用于收集喷嘴前端和熔体流动前锋的冷料，避免冷料进入型腔对塑件质量造成 影响。有时，在型腔最后充满部位，为避免熔接缝对制品质量的影响，也设置冷料穴， 制品成形后切除。 2 2 浇注系统的基本类型与应用特点 注塑模浇注系统的类型划分可用图2 5 来说明。 由图2 5 可知，浇注系统主要分为热流道浇注系统和冷流道浇注系统。热流道浇注 系统的主要形式是分流道带有加热器。由于流道的外围或者中心设有加热棒或加热圈， 从注塑机喷嘴出口到浇口的整个流道都处于高温状态，使流道中的塑料保持熔融状态， 有效消除了塑件脱模后附带的浇道凝料。其主要解决注塑成型的浇道凝料问题，降低塑 件生产成本。热流道注塑模多用于多腔注塑模和多点进料单腔模。本文主要研究对象是 冷流道浇注系统，对热流道浇注系统不做过多的讨论。 冷流道浇注系统分为单型腔模具和多型腔模具。单型腔模具主要适用于一模一件， 且一个浇口进料的情况，比如大型复杂件一般采用单型腔模具。多型腔模具应用的比较 广泛。 浇口的设计是浇注系统设计中最复杂、最重要的部分。通常浇口可分为大浇口和小 浇口两类。前者也称非限制性浇口，系指直接浇口；后者也称限制性浇口或内浇口，常 用的有侧浇口、点浇口等。各种浇口的应用特点如下： ( 1 ) 直浇口直接浇口又称为主流道型浇口或中心浇口。直浇口的优点甚多。注射 时以等流程充模，浇注系统流程短，压力损失和热量散失小，且有利于补缩和排气。因 大连理工大学硕士研究生学位论文 此塑件外表无可见熔合缝，塑件质量好，而且浇注系统凝料少。所以它常被用来注射大 型厚望长流程制品，及一些高粘度的塑料。 ( 2 ) 侧浇口也称边缘浇口。由于它开设在主分型面上，截面形状易于加工和调整 修正。多型腔模具常采用侧浇口，可设计成两板模。它适用于各种塑料物料，且易切除 并对塑件外观质量影响甚小。 ，单型腔模具 f 冷流道( f fi 多型腔模具 浇注系统( ，延伸喷嘴 井式喷嘴 热流道0 心绝热流道 、热流道板 直浇口一一主流道浇口 单点浇口 点浇口 多点浇口 ，上潜一卦潜 潜伏浇口下谱 凳霎 ，普通侧浇口 重叠侧浇口 锩： 、轮辐侧浇口 、护耳侧浇口 内侧 圆环桡口一外侧 、顶端 爪形浇口 图z 5 注塑模浇注系统的类型 f t g2 5c l a s s l f i c a u o no f f e e ds y s t e mo f p l a s u cm l e c b o nm o u l d ( 3 ) 重叠式浇口侧浇口开设在塑件端面的边缘。它可避免熔体从浇口射出，在大 型腔中产生喷射现象。尤其适用于低粘度物料，使熔体有序推进。 基于特征的模具浇注系统智能化设计技术研究 ( 4 ) 扇形浇口 它是侧浇口的一种改进型。扇形浇口从流道起向型腔扩展里扇形， 深度逐步由深至浅。浇口的截面积s 应视为常数。塑料熔体可在较大范围注入。所以这 种浇口适用于大面积薄壁塑件。扇形浇口呈扩展形，使注塑时流痕很小，塑件取向变形 也小。注塑着色塑料时，外观色泽一致。除粘度较高的物料外，一般塑料均适用。 ( 5 ) 平缝型浇口 这种浇口又称薄膜浇口。它是由扇形浇口演变而来，充模流动更 为均衡。对有透明度和平直度要求、表面不允许有流痕的片状塑件尤为适宜。 ( 6 ) 点浇口 点浇口全称针点式浇口，是典型的限制型浇口。具有如下优点：可 大大提高塑料熔体剪切速率，表现粘度降低明显，致使充模容易。这对p e 、p p 、p s 和 a b s 等对剪切速率敏感。即非牛顿指数愈小的熔体更加有效。熔体经过点浇口时医高 速摩擦生热，熔体温度升高，粘度再次下降，致使流动性再次提高。能正确控制补料 时间，无倒流之虑；有利降低塑件特别是浇口附近的残余应力，提高了制品质量。能 缩短成型周期，提高生产效率。有利浇口与制品的自动分离。便于实现塑件生产过程 的自动化。浇口痕迹小，容易修整。在多型腔模中，容易实现各型腔均衡进料，改 善了塑件质量。能较自由地选择浇口位置。 ( 7 ) 潜伏式浇口潜伏式浇口也称隧道浇口或剪切浇口。它是点浇口在特殊场合下 的一种应用形式，具备点浇口的一切优点，因而已获广泛应用。潜伏式浇口潜入分型面 一侧，沿斜向进入型腔。这样在开模时，不仅能自动剪断浇口，而且其位置可设在制品 侧面、端面和背面等各隐蔽处。使制品外表面无浇口痕迹。采用潜伏式浇口的模具结构， 可将三板式简化成两板式模具。 ( 8 ) 圆环形浇口主要用于圆筒形制品或中间带有孔的制品，浇口可置于孔的内侧， 也可詈于外侧或置于制品的端而上，分流道成圆环布置，其截面为圆形或矩形。浇口为 环形缝，这种浇口进料均匀，排气容易，制品质量好。但浇口切除需用沣裁模冲切。 ( 9 ) 轮辐式浇口它的适用范围类似圆环形浇口，但是它把整圆改成了几段小圆弧 进料，这样不但浇口去除方便，浇口凝料减少，面且还由于型芯上部得以定位，增加了 型芯的稳定性。缺点是制品上带有若干条熔舍缝，影响制品力学性能。 ( 1 0 ) 爪形浇口爪形浇口是轮辐式浇口的种变异形式。其分流道和浇口不在一 个平面内。它适用于内孔较小的管状制品，及同心度要求高的塑件。由于型芯的顶端伸 入定模，起到定位和支承作用，避免了型芯的偏移和弯曲。它既可设计成点浇口，也可 设计成矩形浇口。 ( 1 1 ) 护耳浇口对于难成型的或有光学性能要求的制品，为从制品上除去聚集有 残余应力的部分，可采用护耳式浇口。它容许浇口附近产生缩孔，能有效的防止喷射流 动，提高制品内在质量。 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 3 浇注系统设计的基本原则 浇注系统设计是注射模具设计的重要环节，它直接影响到塑件的成型周期和质量。 设计时应遵循如下原则： ( 1 ) 适应塑料品种及其特性要求 各种塑料材料，其成型性能差异较大，如温度范围，流动性能、粘度特性等各不相 同。浇注系统结构设计应适应材料的流动与充模特性要求。 ( 2 ) 熔体热量及压力损失要小 为保证熔体快速平稳充满型腔，流经浇注系统的熔体热量及压力损失要尽量少。为 此浇注系统流程应尽量短，断面尺寸尽可能大，转弯尽量少。表面粗糙度一般为r a l 6 0 8 啪。 ( 3 ) 塑料消耗要少 在满足充模要求的前提下，浇注系统容积要尽量小，以减少塑料材料的消耗数量， 以及缩短成型周期。 ( 4 ) 确保进料均衡 浇注系统的布局应使多型腔模具，在注射充模时能同时充满，以保证各型腔塑件质 量均匀一致，因此，应采用平衡方式布置浇注系统。 ( 5 ) 防止型芯变形和位移 对于模具中的细小型芯或嵌件，应避免塑料熔体充模时料流对其直接冲击，否则会 引起型芯变形或嵌件位移，并造成脱模困难以至产生废品。 ( 6 ) 防止制品变形 注射制品浇口附近往往残余应力较大，易引起制品收缩变形，尤其是用直接浇口成 型面积大，深度浅的制品时，更应该注意。此时改换多点浇口可得到改善。但各浇口附 近与其它部位收缩不同，仍会造成应力变形，应特别注意。 ( 7 ) 排气良好 浇注系统应能顺利引导塑料熔体充满型腔各部位，使型腔内的气体能顺利排出。以 免出现制件欠注或烧焦等缺陷。 ( 8 ) 整修方便，不影响外观 浇口位置与形状，应结合具体塑件的结构和技术要求确定