談CAD_CAE技術(shù)在塑料模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.pdf

62 模具是工業(yè)生產(chǎn)中的重要工藝裝備， 隨著汽 車、 電子、 航空、 儀器儀表和日用品工業(yè)的發(fā)展， 對(duì)于塑料制品的需求量急劇增加， 對(duì)塑料模具質(zhì) 量與設(shè)計(jì)制造效率的要求越來越高。 由于塑料模 具具有品種多、 更新?lián)Q代快和單件小批量生產(chǎn)等 特點(diǎn)， 傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)模式已不能適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn) 發(fā)展的需要， 將軟件技術(shù)應(yīng)用于模具設(shè)計(jì)就成為 了模具行業(yè)發(fā)展的迫切要求。 CAD / CAE 技術(shù)為 工程技術(shù)人員提供了一種有效的計(jì)算機(jī)輔助工 具， 使設(shè)計(jì)人員可以借助計(jì)算機(jī)軟件對(duì)塑料制件 從產(chǎn)品開發(fā)、 模具結(jié)構(gòu)到工藝成型等進(jìn)行設(shè)計(jì)與 優(yōu)化， 能顯著縮短塑料模具設(shè)計(jì)周期， 提高產(chǎn)品 質(zhì)量， 并極大地降低生產(chǎn)成本。 1 塑料模具 CAD /CAE 技術(shù)概述 1 1 塑料模具 CAD / CAE 含義 CAD 即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。 是利用計(jì)算機(jī)軟、 硬件系統(tǒng)輔助人們對(duì)產(chǎn)品或工程進(jìn)行設(shè)計(jì)、 繪 圖、 工程分析與技術(shù)文檔編制等設(shè)計(jì)活動(dòng)的總 稱。 早期的 CAD 軟件主要致力于實(shí)現(xiàn)交互式繪 圖， 常用的軟件有: CADAM、 AutoCAD、 MEDUSA 等。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和幾何造型技術(shù)的日 益完善，CAD 軟件采用實(shí)體造型技術(shù)定義產(chǎn)品 零件的幾何模型， 目前在模具設(shè)計(jì)中比較常用的 通用 CAD 軟件主要有: Pro /ENGINEER、 CATIA 等。 塑料模具 CAD 技術(shù)的引入， 從根本上改變了 模具的生產(chǎn)方式， 應(yīng)用該技術(shù)可以將大量有關(guān)材 料參數(shù)、 工藝參數(shù)、 設(shè)計(jì)參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)件等信息存 入計(jì)算機(jī)， 并同時(shí)采用參數(shù)化設(shè)計(jì)， 從而可以大 大提高設(shè)計(jì)效率、 改善產(chǎn)品質(zhì)量、 降低成本。 CAE 即 計(jì) 算 機(jī) 輔 助 工 程 技 術(shù) 。 一 般 認(rèn) 為 CAE 是指用科學(xué)的方法， 以計(jì)算機(jī)軟件的形式， 輔助技術(shù)人員對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、 性能、 加工工藝 及制造過程進(jìn)行評(píng)價(jià)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)塑料模具 CAE 技術(shù)就是利用預(yù)先確定的方法對(duì)應(yīng)用 CAD 技術(shù)設(shè)計(jì)的塑料制件進(jìn)行模擬或描述， 計(jì)算機(jī)輸 出計(jì)算結(jié)果后， 用戶對(duì)結(jié)果做出評(píng)價(jià)與修正， 如: 澳大利亞 MODLFLOW 公司研制的注射模 CAE 系統(tǒng)， 該 系統(tǒng) 包括流 動(dòng)和 保壓 分析 軟件 MF / Flow、 冷卻分析軟件 MF / Cool 和翹曲分析軟 件 MF / Warp 等。 對(duì)于塑料模具 CAE 技術(shù)來講， 目前還僅局限于用數(shù)值模擬方法模擬塑料制件 的成型過程及缺陷預(yù)測(cè)， 由此得出工藝方案與有 關(guān)參數(shù)以及模具結(jié)構(gòu)對(duì)制件質(zhì)量的影響， 從而達(dá) 到優(yōu)化塑料制件、 模具結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)的目的。 收稿日期:20101220 作者簡(jiǎn)介:姜雪燕(1980)， 女， 山東青島人， 濰坊職業(yè)學(xué)院教師， 碩士， 研究方向: 材料成型工藝及模具設(shè)計(jì)。 摘要: CAD /CAE 技術(shù)為工程技術(shù)人員提供了一種有效的計(jì)算機(jī)輔助工具， 使設(shè)計(jì)人員可以借助計(jì)算機(jī)軟件對(duì)塑料制 件從產(chǎn)品開發(fā)、 模具結(jié)構(gòu)到工藝成型等進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化， 能顯著縮短塑料模具設(shè)計(jì)周期， 提高產(chǎn)品質(zhì)量， 并極大地降低生產(chǎn) 成本。 關(guān)鍵詞: CAD /CAE; 集成; 塑料模具 中圖分類號(hào): TQ32文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: C 文章編號(hào): 16711440(2011)02006204 談 CAD /CAE 技術(shù)在塑料模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 姜雪燕 ( 濰坊職業(yè)學(xué)院， 山東省濰坊市261031) 中 國(guó) 包 頭職 大 學(xué) 報(bào)2011 年 第 2 期 63 1 2 塑料模具 CAD / CAE 技術(shù)的發(fā)展與應(yīng) 用 國(guó)外塑料模具 CAD /CAE 技術(shù)的研究始于 20世紀(jì)60年代。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 到20世 紀(jì) 70 年 代 發(fā) 達(dá) 國(guó) 家 就 已 研 制 出 了 塑 料 模 具 CAD /CAE 的專門系統(tǒng)， 可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)塑料 熔體在圓形、 長(zhǎng)方形型腔內(nèi)的流動(dòng)情況進(jìn)行分 析。 到了20世紀(jì)80年代， 美國(guó)、 日本等國(guó)家就已 經(jīng)將塑料模具 CAD / CAE 技術(shù)廣泛應(yīng)用于塑料 模具的設(shè)計(jì)與制造過程中， 并推出了許多商業(yè)化 的 CAD / CAE 軟件， 如: 美國(guó) PTC 公司的機(jī)械設(shè) 計(jì)自動(dòng)化軟件 Pro /ENGINEER、 美國(guó) EDS 公司的 設(shè)計(jì)、 制造一體化軟件 UG 等， 現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于 航空航天、 模具、 通用機(jī)械及汽車等領(lǐng)域。 我國(guó)塑料模具 CAD /CAE 技術(shù)的發(fā)展起步 較晚， 對(duì)于塑料模具 CAD /CAE 技術(shù)的開發(fā)與研 究始于20世紀(jì)70年代。 從20世紀(jì)80年代開始， 國(guó) 內(nèi)許多大中型企業(yè)先后從國(guó)外引進(jìn)了一些知名 的塑料模具 CAD / CAE 系統(tǒng)。 國(guó)內(nèi)許多高等院 校、 研究部門和工廠企業(yè)也自主開發(fā)了實(shí)用的塑 料模具 CAD / CAE 應(yīng)用軟件， 并在應(yīng)用中不斷得 到完善， 如: 華中理工大學(xué)模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí) 驗(yàn)室開發(fā)的塑料注射模 CAD / CAE / CAM 系統(tǒng) HCS2 0， 主要應(yīng)用于塑料模具設(shè)計(jì)中的塑料制 件三維圖形輸入、 流動(dòng)模擬、 冷卻分析、 型腔強(qiáng) 度與剛度校核等。 2 塑料模具 CAD /CAE 集成系統(tǒng) 塑料模具 CAD / CAE 集成的關(guān)鍵是指 CAD、 CAE 子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換與共享。 塑料模具 CAD /CAE 集成系統(tǒng)借助于工程數(shù)據(jù)庫、 網(wǎng)絡(luò)通 信及標(biāo)準(zhǔn)格式的產(chǎn)品數(shù)據(jù)接口技術(shù)， 把 CAD、 CAE 子系統(tǒng)高效、 快捷地集成起來， 實(shí)現(xiàn)軟、 硬 件資源共享， 從而保證信息流在整個(gè)系統(tǒng)暢通無 阻。 塑料模具 CAD / CAE 的集成， 要求產(chǎn)品設(shè)計(jì) 與模擬分析緊密結(jié)合， 其目的是保證從塑料制件 設(shè)計(jì)、 工藝分析直至數(shù)值模擬過程中的數(shù)據(jù)具有 一致性， 能夠直接在計(jì)算機(jī)間傳遞， 從而減少在 信息傳遞過程中的誤差以及編輯出錯(cuò)的可能性。 通過采用特征建模技術(shù)、 基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的 參數(shù)化 CAD 系統(tǒng)建立塑料制件三維實(shí)體模型與 標(biāo)準(zhǔn)零件庫， 再利用塑料模具 CAE 系統(tǒng)對(duì)塑料 制件在成型過程中的流動(dòng)、 保壓、 收縮、 翹曲等 進(jìn)行模擬分析， 得出計(jì)算結(jié)果后， 對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn) 行改進(jìn)， 從而最終達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的， 實(shí)現(xiàn) “設(shè)計(jì) 分析 優(yōu)化” 的自動(dòng)化。 塑料模具 CAD /CAE 集成系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。 3 塑料模具設(shè)計(jì)技術(shù)路線 3 1 塑料模具 CAD 設(shè)計(jì) 現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的通用的參數(shù)化 CAD 軟件， 基本都具有基于特征、 尺寸驅(qū)動(dòng)、 數(shù)據(jù)全相關(guān)等 特點(diǎn)， 許多 CAD 軟件( 如: Pro / ENGINEER、 UG、 AutoCAD 等) 之間已經(jīng)可以通過 IGES 格式輕松 的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。 因此， 應(yīng)用 CAD 技術(shù)實(shí)現(xiàn)塑料 模具設(shè)計(jì)已經(jīng)十分方便與便捷。 塑料模具 CAD 設(shè)計(jì)主要是指塑料制件和模 具標(biāo)準(zhǔn)件三維參數(shù)化模型建立。 塑料制件設(shè)計(jì)即 利用通用的參數(shù)化軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行三維造型， 用 于進(jìn)行模具設(shè)計(jì)與 CAE 分析計(jì)算; 標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì) 主要指模架設(shè)計(jì)( 包括定模板、 動(dòng)模板、 定模固 定板、 動(dòng)模固定板、 推件板、 導(dǎo)柱、 導(dǎo)套、 復(fù)位桿、 墊板、 支承板等) 和螺釘、 銷釘?shù)瘸Ｓ媚＞邩?biāo)準(zhǔn) 件的參數(shù)化設(shè)計(jì)。 3 2 塑料模具 CAE 分析 塑料模具 CAE 分析包括對(duì)流道、 澆口、 模具型 腔進(jìn)行充模流動(dòng)分析、 保壓分析、 收縮分析、 冷卻分 析、 翹曲變形分析等。 三維參數(shù)化模型建立后， 就需 要應(yīng)用 CAE 技術(shù)建立有限元分析模型。 首先要將 64 應(yīng)用 CAD 技術(shù)建立的幾何模型從通用的參數(shù)化 CAD 軟件輸出到 CAE 軟件中， 設(shè)定有限元網(wǎng)格形 狀、 密度、 邊界條件等相關(guān)信息后， 將模型進(jìn)行網(wǎng)格 化處理， 建立起可用于分析的有限元模型。 塑料模具 CAE 軟件在對(duì)應(yīng)用 CAD 技術(shù)建立 的幾何模型有限元網(wǎng)格化處理后， 輸入塑料名稱、 牌號(hào)和成型過程中所需要的工藝參數(shù)( 溫度、 壓力、 時(shí)間等) 后， 對(duì)塑料模具進(jìn)行流動(dòng)、 保壓、 翹曲變形 等模擬， CAE 分析軟件就能給出塑料熔體流動(dòng)的 動(dòng)態(tài)圖( 顯示不同時(shí)間間隔塑料熔體在各個(gè)部位的 溫度、 壓力、 流動(dòng)速度等分布情況) 、 塑料制件翹曲 變形的位移變化圖等信息。 根據(jù) CAE 軟件的分析結(jié)果， 發(fā)現(xiàn)塑料制件、 塑 料模具澆注系統(tǒng)、 冷卻系統(tǒng)等設(shè)計(jì)中存在的缺陷與 不足， 如: 個(gè)別部位有氣孔、 充模不完全、 塑料制件 有熔接痕等， 對(duì)原有澆注系統(tǒng)、 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 進(jìn)行修改后， 再應(yīng)用塑料模具 CAE 技術(shù)重新進(jìn)行 分析， 并最終優(yōu)化設(shè)計(jì)出合適的流道、 澆口、 冷卻水 道等設(shè)計(jì)方案。 4 CAD /CAE 技術(shù)在塑料鼠標(biāo)外殼的設(shè)計(jì)中 的應(yīng)用實(shí)例 首先， 應(yīng)用通用 CAD 設(shè)計(jì)軟件 Pro /ENGI- NEER4 0建立塑料鼠標(biāo)外殼的三維參數(shù)化模型， 并 對(duì)定模板、 動(dòng)模板、 定模固定板、 動(dòng)模固定板、 推件 板、 導(dǎo)柱、 導(dǎo)套等模架零件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。 將應(yīng)用 CAD 技術(shù)建立的塑料鼠標(biāo)外殼三維參 數(shù)化模型輸出到 CAE 軟件中， 設(shè)定有限元網(wǎng)格形 狀、 密度、 邊界條件等相關(guān)信息后， 將模型進(jìn)行網(wǎng)格 化處理， 建立起可用于分析的有限元模型， 如圖2所 示。 在應(yīng)用塑料模具 CAE 軟件對(duì)塑料鼠標(biāo)外殼三 維參數(shù)化模型有限元網(wǎng)格化處理后， 輸入塑料名 稱、 牌號(hào)和成型過程中所需要的工藝參數(shù)( 溫度、 壓 力、 時(shí)間等) 后， 對(duì)塑料鼠標(biāo)外殼塑料熔體流動(dòng)情況 進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬， 如圖3所示。 通過模擬分析， 發(fā)現(xiàn)塑料鼠標(biāo)外殼在充模過程 中， 個(gè)別部位充模不完全、 有熔接痕， 會(huì)造成鼠標(biāo)外 殼在這些部位強(qiáng)度低、 質(zhì)量差， 難以滿足使用要求， 如圖4所示。 對(duì)原工藝參數(shù)( 溫度、 壓力、 時(shí)間等) 設(shè)計(jì)方案 進(jìn)行修改后， 再應(yīng)用塑料模具 CAE 技術(shù)重新進(jìn)行 分析， 通過模擬并得到符合使用要求的塑料鼠標(biāo)外 殼， 如圖5所示， 從而最終優(yōu)化設(shè)計(jì)出合適的澆口、 工藝參數(shù)等設(shè)計(jì)方案。 通過應(yīng)用 CAD /CAE 技術(shù)進(jìn)行塑料制件、 塑料 模具的設(shè)計(jì)， 并完成了澆注系統(tǒng)與工藝參數(shù)的選擇、 確定， 得到了較為合理的塑料模具設(shè)計(jì)方案。 應(yīng)用 CAD /CAE 技術(shù)進(jìn)行塑料模具設(shè)計(jì)， 可以大大縮短 塑料模具設(shè)計(jì)制造周期， 提高產(chǎn)品質(zhì)量。 隨著計(jì)算機(jī) 技術(shù)的快速發(fā)展和模具工業(yè)的發(fā)展需要， 塑料模具 CAD /CAE 技術(shù)將得到越來越廣泛的推廣與應(yīng)用。 (下轉(zhuǎn)第71頁) 71 槍鉆工作時(shí)， 高壓切削液(3 10MP，孔徑越 小， 壓力應(yīng)越大) 從鉆桿內(nèi)孔打入， 送到切削區(qū) 起冷卻潤(rùn)滑作用， 同時(shí)把切屑從排屑溝中沖出 來。 槍鉆刃部的幾何參數(shù)如圖5所示。 外角 1和 內(nèi)角 2的大小和鉆尖位置的確定， 對(duì)鉆孔精度 和切屑形成有很大影響， 通過對(duì)徑向切削力的計(jì) 算來確定。 內(nèi)、 外角和鉆尖的適當(dāng)搭配， 可使切 削力近似平衡或使其合理指向第一導(dǎo)向條 1的 方向， 從而使槍鉆保持很好的自我導(dǎo)向， 孔的切 削和擠壓可一次完成， 保證了被加工孔的精度、 表面粗糙度和直線度。 四、 振動(dòng)槍鉆鉆削機(jī)理討論 振動(dòng)鉆削是在傳統(tǒng)的鉆削過程中利用可控 的人為地給鉆頭或工件加上某種有規(guī)律、 可控的 振動(dòng)， 使切削用量按某種規(guī)律變化， 從而進(jìn)行連 續(xù)有規(guī)律的脈動(dòng)切削， 這種切削方式改變了傳統(tǒng) 的切削機(jī)理和切屑的形成條件， 從而形成一種全 新的加工方法。 1、 軸向振動(dòng)、 周向扭振加入后， 切削刃和切 屑、 切削表面周期性的接觸和分離， 且由于振動(dòng) 頻率較高， 使切削液呈霧狀， 從而使切削液能充 分進(jìn)入切削區(qū)、 刀具、 切屑與加工表面之間摩擦 系數(shù)大為減小。 從而有效減小了切削熱的產(chǎn)生。 2、 由于振動(dòng)的存在， 破壞了積屑瘤的生成條 件， 控制了切屑形成的過程， 促進(jìn)了斷屑和排 屑， 大大改善了鉆頭的工作條件， 故可獲得較好 的表面質(zhì)量。 3、 合理的確定鉆頭的外角 1和內(nèi)角 2的大 小和鉆尖的位置， 能使槍鉆保持很好的導(dǎo)向， 從 而保證了被加工孔的直線度。 導(dǎo)向條 1的擠壓 作用有助于改善孔表面的粗糙度。 根據(jù)大量的振動(dòng)切削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 本文振動(dòng)鉆 削深孔裝置具有以下特點(diǎn): 只用一套裝置即可 方便地實(shí)現(xiàn)3種振動(dòng)方式之間的切換并能調(diào)整振 幅， 從而獲得最佳振動(dòng)切削參數(shù); 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 尺 寸緊湊， 可作為機(jī)床附件安裝在普通車床的主軸 箱或溜板上進(jìn)行鉆孔; 振動(dòng)可靠、 受干擾小， 配 合切削系統(tǒng)， 能獲得高精度的深孔表面質(zhì)量。 例 如表1所示相對(duì)普通鉆削而言， 振動(dòng)鉆的表面粗 糙度大大降低了。 表1 普通鉆削與振動(dòng)鉆削時(shí)的表面粗糙度 Ra(m) 參考文獻(xiàn) 1 史曉娟等 深孔鉆削狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析 J 機(jī)床與金屬 加工 2006年第4期 2 劉占鋒等 超細(xì)長(zhǎng)小直徑深孔振動(dòng)鉆削工藝 J 機(jī)械 工程師 2004年第1期 3 肖繼明 振動(dòng)立鉆上用麻花鉆鉆孔的研究 J 新工藝 新技術(shù) 1996第1期 材料普通鉆削振動(dòng)鉆削 45鋼 0 25420 1226 (上接第64頁) 參考文獻(xiàn) 1石明洪， 駱志高 注塑模 CAD /CAE /CAM 的研究現(xiàn)狀與發(fā) 展方向J 江蘇理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 1998， (11 ) : 25 30 2肖祥芷， 王義琳 模具 CAD /CAE /CAMJ 北京: 電子工業(yè) 出版社， 2004 3劉法謙， 燕立唐， 胡海青等 CAE 在彩電后殼澆注系統(tǒng)中的 應(yīng)用J 現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用， 2002， (6 ) : 19 22 Abstract: This paper comprehensive discussed the development Status of the domestic and inter- national on CAD /CAE technology， right in the plastic mold design CAD /CAE integration technol- ogy is discuss