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1 注射成型 CAD CAE CAM 集成系統(tǒng) 中國 華中科技大學(xué) 袁中雙 李德群 陳興 葉翔高 高先科和肖景容著 本文描述的是一個(gè) CAD CAE CAM 集成系統(tǒng) 在 CAD CAE 階段 注塑件的圖紙可與模 具零件交互轉(zhuǎn)換 同時(shí) 根據(jù)用戶需求 可以進(jìn)行機(jī)械檢驗(yàn) 運(yùn)行平衡分析 流動(dòng)分析 及冷卻模擬 在 CAM 階段 能夠生成線切割或銑床刀具路徑的數(shù)控磁帶 實(shí)踐表明 該 系統(tǒng)是模具設(shè)計(jì)與制造的有用工具 注射成型是當(dāng)今工業(yè)最重要的聚合物加工方法之一 在復(fù)雜零件的大批量生產(chǎn)中 它具有以低成本獲得高精度的優(yōu)點(diǎn) 在相當(dāng)長的一段時(shí)間里 經(jīng)驗(yàn) 直覺與反復(fù)試驗(yàn)已 成為模具設(shè)計(jì) 制造及成型操作的關(guān)鍵因素 而這些方法已越來越低效且其成本也越來 越高 尤其是當(dāng)其應(yīng)用于大型零件和高精度零件或新型聚合物的注射成型加工 而現(xiàn)在 大部分這些問題已通過結(jié)合 CAD CAE CAM 的最新技術(shù)進(jìn)展成功的解決了 近年來越來越多注射成型中的 CAD CAE CAM 集成系統(tǒng)已被研發(fā)并被傳遞到了西方工 業(yè)國家 如美國 AC 一 Teeh 公司的 C 一 M3 1 德國 IKV 公司開發(fā)的模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟 件 加拿大 McCill 大學(xué)的 MCKAM 和澳大利亞 MoldFlow 公司開發(fā)的二維流動(dòng)軟件 通過使 用這些軟件包 注射成型零件的生產(chǎn)力及其數(shù)量能夠提高 同時(shí)也縮短了其啟動(dòng)時(shí)間 自 1980 以來中國的注射成型 CAD CAE CAM 技術(shù)已取得了飛速發(fā)展 我國作為這一 領(lǐng)域的先驅(qū) 已經(jīng)學(xué)習(xí)和開發(fā)注射成型 CAD CAE CAM 技術(shù)多年 通過五年的發(fā)展和實(shí)踐 證明 一個(gè)注射成型 CAD CAE CAM 集成系統(tǒng) HSC 1 1 已被開發(fā)并且成功的被許多工廠所采用 系統(tǒng)描述 HSC 1 1 是建立在個(gè)人電腦如 PC386 和 PC486 上的 其 理想的內(nèi)存大于等于 4 MB 而其外部存儲(chǔ)容量超過 100 MB 圖 1 所示為 HSC 1 1 的軟件要求 該系統(tǒng)是在操作系統(tǒng) II OS 2 或 MS DOS 環(huán) 境下開發(fā)和運(yùn)行的 在該系統(tǒng)中 AutoCAD 10 0 只作為一個(gè)圖形編輯和繪圖軟件 編程采用 的是標(biāo)準(zhǔn) Fortran 語言和 AutoLISP 77 除了幾個(gè)圖形驅(qū)動(dòng)程序外 計(jì)算機(jī)中所有系統(tǒng)的軟 件是獨(dú)立的 以確保該系統(tǒng)有較好的可移植性 如圖 2 所示 HSC 1 1 集成了 9 個(gè)基于用戶需求的設(shè)計(jì)功能模塊 系統(tǒng)中的所有模 塊都是由一個(gè)名為 控制面板 或 控制菜單 的主控程序監(jiān)控 用戶可以通過控制面板命 令顯示在屏幕上的菜單來調(diào)用任何模塊 而數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)文件的形式自動(dòng)的從一個(gè)模塊交 2 換到另一個(gè)模塊中 圖 3 所示為 HSC 1 1 數(shù)據(jù)流程圖 HSC 1 1 軟件要求 圖 2 HSC 1 1 功能模塊 3 HSC 1 1 數(shù)據(jù)流動(dòng)表 CAD 功能模塊 CAD 模塊的任務(wù)是高效的把注射成型零件的圖紙轉(zhuǎn)換成模具零件圖紙 并為模擬和數(shù) 控模塊提供所需數(shù)據(jù) 由于復(fù)雜型腔 一個(gè)曲面造型程序已包絡(luò)在圖形輸入中了 故平 面 曲面和雙三次曲面可以輕松地創(chuàng)建 曲面的點(diǎn)坐標(biāo)可由零件圖尺寸和先前輸入點(diǎn)坐 標(biāo)的程序來計(jì)算 當(dāng)零件圖紙的表面一個(gè)又一個(gè)的創(chuàng)建時(shí) 零件的尺寸通過互動(dòng)尺寸將 轉(zhuǎn)換成型腔和型芯 而型腔和型芯的數(shù)據(jù)都將被記錄下來作為為模具設(shè)計(jì)和模擬用 一種由中國人民共和國機(jī)電部發(fā)出的包含 10 種模具標(biāo)準(zhǔn)件套的據(jù)庫已經(jīng)設(shè)立了 每 一套模具類包含 13 系列 因此 有 31150 套模具組合完全在數(shù)據(jù)庫中 一旦腔布局確定 所有的標(biāo)準(zhǔn)模具零件可以通過互動(dòng)尺寸自動(dòng)選擇 該系統(tǒng)為用戶設(shè)計(jì)熱流道系統(tǒng) 編輯型腔和型芯結(jié)構(gòu) 布置頂針腳和冷卻水道提供 了一個(gè)功能組 最后能夠生成所有的模具零件圖 包括動(dòng)模裝配圖 定模裝配圖和模具 總裝配圖 圖 4 所示為上海第九無線電廠生產(chǎn)的彩電開關(guān)插座的模具裝配圖 4 模具總裝圖 CAE 功能模塊 CAE 模塊包括 CAD 與 CAE 模塊間的界面 模板的機(jī)械檢驗(yàn) 運(yùn)動(dòng)平衡分析 流動(dòng)和冷 卻仿真 在這些 CAE 模塊的幫助下 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到了改善 同時(shí)我們能在模具制造 前解決注射成型零件在注射過程中可能出現(xiàn)的缺陷 如降解 注射量不足 熔接痕位置 不當(dāng) 通過 CAD 與 CAE 模塊間的界面讀取型腔的幾何模型及在 CAD 前一階段制成的可自動(dòng) 生成有限元網(wǎng)格模型的送料系統(tǒng) 用戶使用該界面 還可以選擇聚合物 冷卻液 模具 材料和設(shè)置如注射溫度 注射時(shí)間 冷卻液溫度等成型工藝條件 該界面從數(shù)據(jù)庫中讀 取材料的屬性數(shù)據(jù) 并將網(wǎng)格結(jié)構(gòu) 材料性能及成型工藝條件寫入作為如下介紹 CAE 模 塊輸入的數(shù)據(jù)文件中 目前 該系統(tǒng)使用二維有限元法 FEM 來分析模板的強(qiáng)度及其一個(gè)典型的模具截面 的剛度 而基于三維有限元法的分析程序也正在開發(fā)中 為了保證在一模多腔生產(chǎn)中獲得同等質(zhì)量的注射成型零件 每個(gè)型腔應(yīng)在相同的壓 力和溫度下同時(shí)填充 這就要求澆注系統(tǒng)是平衡的 在 HSC 1 1 中其平衡能夠通過調(diào) 整流道尺寸和用戶初步設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)的最不可能平衡的澆口的尺寸來獲得 5 流體模擬程序是該系統(tǒng)中最基本且最有用的分析之一 型腔流體控制方程能夠通過 將經(jīng)典赫爾蕭流擴(kuò)展至非彈性流體中來獲得 非牛頓流體在非等溫條件下 其中 P T 表示熔體壓力和溫度 分別代表熔體的粘度和剪切速率 表示 和 了 Z 的平均偏導(dǎo)數(shù) p Cp 和 K 分別表示熔體的密度 比熱和導(dǎo)電率 同時(shí) b 表示的是 半板厚度 因?yàn)樽⑸涑尚土慵暮穸瘸叽缤ǔ１绕淠＞?A B 板的厚度小的多 故在解決此問題 時(shí) 我們采用了一種強(qiáng)大的數(shù)值方案 即采用有限元與有限差分混合法 在該方案的實(shí) 施過程中 平面統(tǒng)籌以有限元法來描述 同時(shí) 塑件壁厚方向的變量分布和時(shí)間導(dǎo)數(shù)是 以有限差分來表達(dá)的 我們采用體積控制法推導(dǎo)出了有限元法及跟蹤了熔體前端的流動(dòng) 通過使用該流動(dòng)仿真 用戶能夠獲取如壓力 流速 溫度分布 總壓降及夾緊力等對(duì)送 料系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化工藝條件很有幫助的信息 此外 用戶還能夠通過改變澆口的數(shù)量和 位置來促進(jìn)型腔的填充并獲得最佳的流態(tài) 冷卻模擬包括三維穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)冷卻分析 三維穩(wěn)態(tài)冷卻分析采用的是邊界元法 BEM 型腔表面建模 冷卻線和外部表面公式已經(jīng)建立并證明是可靠和有效的 基于 穩(wěn)態(tài)冷卻仿真 三維瞬態(tài)冷卻仿真已經(jīng)研制成功 一種新的邊界元法已通過此模塊 以 消除數(shù)值機(jī)構(gòu)一體化 有了這個(gè)組件 用戶可以計(jì)算腔與道之間的換熱 減少了冷卻時(shí) 間并降低了模具與注塑成型零件表面的預(yù)熱溫度 CAE 模塊的所有執(zhí)行結(jié)果可以以等高線圖 陰影彩色圖像和各種曲線圖動(dòng)態(tài)顯示 以 幫助用戶提高他們的設(shè)計(jì)效率 6 CAM 功能模塊 刀具路徑的創(chuàng)建基于前述 CAD 階段繪制的型腔和型芯的幾何模型 對(duì)于數(shù)控線切割 機(jī)床和數(shù)控銑床 其刀具路徑的數(shù)控磁盤是通過使用后置處理來生成的 目前 僅有數(shù) 控線切割的功能在實(shí)踐中有采用 而我國工廠通過使用 HSC 1 1 系統(tǒng)已設(shè)計(jì)和制造了許 多注射模具 結(jié)論 HSC 1 1 是一個(gè)集成 CAD CAE CAM 的注射成型系統(tǒng) 除少數(shù)圖形驅(qū)動(dòng)器程序外 計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)的其他所有程序是獨(dú)立的 這就確保了系統(tǒng)良好的可移植性 同時(shí) 系統(tǒng)模塊 化結(jié)構(gòu) 也保證了系統(tǒng)中每一個(gè)模塊具有良好的延展性及維修性 實(shí)踐表明 HSC 1 1 是 一個(gè)強(qiáng)大的模具設(shè)計(jì)和制造工具 它可以幫助工程師以較低的模具成本獲得較好的模具 質(zhì)量 因此 HSC 1 1 在模具行業(yè)中的運(yùn)用已越來越廣泛了 7 References 1 WANG K K Polymer Plastics Technology Engineering 1980 1 p 75 2 MENGES G Plastics Engineering 1983 8 p 37 3 KAMAL M R etal Application of computer aided engineering in injection moulding Hanser Publisher 1987 p 247 4 AUSTIN C Application of computer aided engineering in injection moulding Hanser Publisher 1987 p 137 5 WANG V W Ph D thesis Cornell University 1985