【正文】 本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 外 文 翻 譯 原 文 標 題 Modular design applied to beveragecontainer injection molds 譯 文 標 題 飲料瓶注射模具的模塊化設(shè)計 譯文標題 飲料瓶注射模具的模塊化設(shè)計 原文標題 Modular design applied to beveragecontainer injection molds 作 者 MingShyan Huang amp。 MingKai Hsu 譯 名 黃明山和徐明凱 國 籍 英國 原文出處 16 March 2021 / Accepted: 15 June 2021 SpringerVerlag London Limited 2021 摘要 這項工作適用于模塊化設(shè)計理念 —— 設(shè)計用于特定飲料 瓶 的注塑模具。本研究旨在開發(fā)一個能控制模具開發(fā)成本和時間同時也能提高產(chǎn)品設(shè)計水平的方法。這項研究由兩部分組成：功能編碼和專為飲料瓶注塑模具設(shè)計和制造而建立的標準作業(yè)程序。首先，注射模具分為幾個模塊，每個模塊都具有特定功能。每個模塊又分為具有子功能或分 次功能的若干結(jié)構(gòu)單元。其次，將各單元的尺寸和規(guī)格標準化，各單元通過兼容性接口相連接。本實驗采用了杯形飲料 瓶 模具的設(shè)計來對模塊化設(shè)計方法進行評估。實驗結(jié)果表明，使用模塊化設(shè)計方法，比使用傳統(tǒng)方法制造注塑模具縮短了 36％的開發(fā)時間，減少了 19? 23％的成本。同時，模塊化信息對設(shè)計師在設(shè)計各種產(chǎn)品時都會有幫助。此外，功能代碼有助于有效地管理和維護產(chǎn)品和模具。 關(guān)鍵詞： 飲料瓶注塑模具 模塊化設(shè)計 產(chǎn)品系列。 近年來 ，市場競爭 的加劇 和 客戶差異化需求的日益增加， 迫使競爭者 必須加快他們向市場提供新產(chǎn)品的速 度。 但是，大規(guī)模模具 的生產(chǎn)開發(fā) 需要考慮許多因素，包括產(chǎn)品的幾何形狀，尺寸和精度 等 ， 這 導(dǎo)致 了 產(chǎn)品的開發(fā)時間 的延長和生產(chǎn)靈活性的降低 。 在 產(chǎn)品設(shè)計 中 引入模塊化設(shè)計 理念意 味著出現(xiàn)了一個 可以 促進產(chǎn)品開發(fā) 的關(guān)鍵因素 ，它 能 增加設(shè)計 的 靈活性，縮短交 貨時間。與此同時，模塊化的產(chǎn)品提高了產(chǎn)品的高級別創(chuàng)新性，靈活性和客戶服務(wù) 性 。 模塊化是將一個復(fù)雜的產(chǎn)品細分成多個可以獨立創(chuàng)建的模塊，各個模塊間可以隨意的互換使用 。 一般來模塊化可以在三個領(lǐng)域中進行實施，包括設(shè)計模塊化（ MID），使用模塊化（ MIU）和生產(chǎn)模塊化（ MIP）。 設(shè)計模塊化涉 及到執(zhí)行特定功能的基本結(jié)構(gòu)單元的規(guī)范化，從而能促進各種產(chǎn)品的靈活裝配 。 生產(chǎn)模塊化 可以 透視出 的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，即同產(chǎn)品之間的 聯(lián)系 。 具有 相關(guān)性的 產(chǎn)品被稱為產(chǎn)品系列，包括基本 職能 和 特定 職能。開發(fā)產(chǎn)品系列 有利于多用途 產(chǎn)品 設(shè)計從而減少生產(chǎn)成本。 它也是消費導(dǎo)向型的更能滿足個性化需求的產(chǎn)品 。 生產(chǎn)模塊化 可以使工廠預(yù)先將大量的部件組裝成一個個模塊，然后將這些模塊進行組裝離線，再運送到 主裝配線將其納入到一系列小而簡單的任務(wù)當中。 模塊化理念 已廣泛地應(yīng)用 于許多領(lǐng)域 ，在 降低成本 提高 設(shè)計的多樣性 方面 有重大的影響。然而， 模塊化模具設(shè)計方面 的實證研究卻十分有限 。因此，本研究的目的 是通過標準 模塊化 作業(yè)程序來 對 飲料 瓶 的注射模具 進行 設(shè)計和開發(fā)，從而降低其設(shè)計時間。模塊化模具的 基本 特點是由 幾十甚至數(shù)百個組件 組成。 基本上，注塑模具 主要由兩個主要的組成部分 —— 動模和定模。 熔融 的塑料進入流道然后通過澆口進入到模具的型腔中并將其充滿從而成型為所需的零件。和模具開模方向平行的的兩側(cè)有一個特定的角度以使零件能從模具中被方便的推出 ，這個角度被稱為拔模 角 ，拔模角 的大小主要取決于型腔的深度和塑料的收縮率。這樣的設(shè)計是為了讓零件在模具開模 時留在動模一側(cè)。頂 桿 或頂板 用來把零件或者冷料棒推出模具，它們可以被 放置在模具的 任意一側(cè)。冷卻的標準方法是使 是 使 冷卻劑 流過模具板上的一系列孔然后通過管道與外界相連，形成一個特定的循環(huán)回路。 冷卻液從模具 吸收熱量，并 使 模具保持在 一個 適當?shù)臏囟?， 以 使 塑料在效率 最高的溫度下凝固 。為了 使模具便于 維護和 清理 ， 型腔和型心被分成幾個部分 ，稱為 嵌件 。通過 更換不同的嵌件 ，一個 模具可以使一個零件有幾種不同的變化 。一般模具的設(shè)計過程包括兩部分： 零件設(shè)計和模具設(shè)計。零件的設(shè)計過程包含五個主要程序：確定主要 拖 拉方向，確定 型 芯和型腔， 計算收縮率，定義 拔模 角度，然后確定分型 面 。模具設(shè)計過程中，主要包括選擇一個 模架 ，成型零件的定位，設(shè)計 型心和型腔 ，設(shè)計組件，設(shè)計冷卻液通道，創(chuàng)建 回程桿 ，加入 頂桿 ，創(chuàng)造 流道和澆口 ，加入澆道襯套 和 定位環(huán)。 方法設(shè)計 飲料 瓶的注射模具 本研究運用模塊化設(shè)計飲料 瓶 注塑 模具 要 通過 如下 五個 階段 ：（ 1）產(chǎn)品分類和機器規(guī)格 的確定 （ 2） 將 注塑模具 按 功能劃分為 各個 基礎(chǔ)模塊 （ 3） 將各 獨立 模塊 劃分成多個 子功能單 元 （ 4）結(jié)構(gòu)單元標準化（ 5）結(jié)構(gòu)單元編碼標準 化 。 各 個過程詳述如下 ： 的確定 這一 步， 根據(jù)所有 飲料 瓶 的 幾何形狀和尺寸 對它們進行分類 ，并選擇規(guī)格最 適合生產(chǎn)的注塑機 。 選擇 注塑機 有 五個主要 的條件 ，包括足夠的鎖模力，充足的 理論注射 量 ，足夠 的拉桿行程 ，足夠的模具厚度，并有足夠鎖模行程。 注塑模具 的功能將其劃分為各個模塊 這一步 將模具劃分為幾個獨立的功能模塊 。 劃分 的原則包括 整體性 原 則 ，分工 性 原則 ， 適用 性 原則 ， 和互 換 性 原則 。 在 整體性 原則 中 ， 這些 模塊必須包含所有飲料 瓶 注塑模具 的 功能。在 分工性 原則 中 ，每個功能模塊都必須包含至少一 項 基本功能 而且 各單 元 必須 能 履行 其特定的 職能。 在 適用 性 原則 中 ， 首先被考慮的是 單位 能 履行 單一的功能。 至于互換性 原則 ， 當模具被劃分成 產(chǎn)品系列后 各 基本 單 元 應(yīng) 當在各個模具 之間 有良好的 互換 性。 圖 將模具劃分成多個具有子功能且在設(shè)計和裝配中有一定關(guān)系的單元 圖 1 說明了一個包括 幾個功能模塊 的 飲料 瓶模具 的結(jié)構(gòu) ， 各個 基本 模塊 通過其子功能或者分次功能 都進一步 擴展至 結(jié)構(gòu)單元 。 該 模具被劃分為固定模塊 ，熱流道模塊，成型模塊， 頂 出模塊和 導(dǎo)向 模塊。 固定 模塊 的 功能是 將獨立的單元和模塊在注塑機上精確定位。 熱流道模塊 的功能是 通過加熱 保持 熔融 塑料的流動性。 成型模塊 控制注射成型零件的幾何形狀和尺寸精度。頂出模塊將零件從型腔中頂出。導(dǎo)向模塊為動模和定模在合模過程中精確定位 。 圖 圖 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何設(shè)計 將 標準結(jié)構(gòu)構(gòu)件配制成半成品產(chǎn)品， 使其 滿足成品的幾何輪廓，從而 能 大大縮短 所要 制造 的 模具的交貨時間。圖 2 說明了模具的模塊化設(shè)計開發(fā)過程與傳統(tǒng)工藝的比較 。 標準結(jié)構(gòu) 構(gòu)件由于 是預(yù)先 加工 為一般 的形狀 ， 可以以 最小的加工量來 生 產(chǎn) 成品。 所以生產(chǎn)較為快速。 圖 3 顯示了 在本研究中 飲料 瓶 的 幾何設(shè)計 ， 對產(chǎn)品的形狀 有最大影 響的模具型芯有比較 簡單的 幾何形狀。例如， 圓柱體 和 長方體 分別 代表杯型和盆式容器， 其余的組件模塊化 ，以便于像玩積木那樣將他們組合成一套完整的注射模具。 結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計和裝配 在一個 新產(chǎn)品開發(fā) 中包括數(shù)百個結(jié)構(gòu)構(gòu)件， 每個 構(gòu)件又都包含很多尺寸 。組裝這樣一個復(fù)雜的系統(tǒng)可能因為 在尺寸上發(fā)生的微小 錯誤 而 經(jīng)常失敗。這項研究涉及 包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件和作為一個組合相互裝配關(guān)系 尺寸 在內(nèi)的尺寸定義，這些尺寸被簡化為一個 傻瓜式 解決方案 。 以下是組裝結(jié)構(gòu)構(gòu)件的程序 ： （ 1） 模塊組裝方向 —— 由兩條線將模具分成四個組裝模塊， 第一 條是用來定義 動模和定模的分型線 。第二行定義 了 熱流道板前方和后方 之間的邊界 。 在裝配過程中 遵循 動模、定模 、 前熱流道板 、 后熱流道 板 的順序 。 （ 2） 單元裝配方向 —— 每個單元 都 屬于上述四個 被依次組裝的 模塊，即 ，確認 了 注塑成型件的外觀尺寸 ，就 進一步確認 了 模具 型芯 和模具型腔 的 產(chǎn)品相關(guān)尺寸 。 用固定模塊裝卡住型芯 ， 確定 熱流道模 具的型芯結(jié)構(gòu)組件的尺寸 ，計算的夾緊板的精確尺寸，最后選擇注塑機規(guī)格。主要的 編排 順序 依次是 產(chǎn)品 —— 模具 型芯 —— 夾緊板 —— 注塑機 。 至于飲料 瓶 注入的結(jié)構(gòu)單元模具， 產(chǎn)品系列的概念引入進一步提高了 各職能單位通用性和互換性。圖 4 說明了一個具有互換性的冷卻系統(tǒng)的例子。此外，圖 5 顯示了用于產(chǎn)品系列的頂出系統(tǒng)的設(shè)計。 冷卻系統(tǒng)設(shè)計 冷卻系統(tǒng)由兩個單 元組成 ： 動 模冷卻裝置 和定模 冷卻裝置。 動模的冷卻裝置按冷卻效率遞減排序依次為 噴泉 式 ，雙螺旋 式 ，單螺旋 式 和塊板 冷卻式 。 實際上， 基于 對 制造成本和冷卻 效率的綜合考慮， L 型 雙螺旋式 最被優(yōu)先使用 。至于 定 模冷卻裝置， 按冷卻效率遞減排序依次為 多段 式 ，塊板 式 ， U 形式， 直線 形式 ?；?對 制造成本和冷卻效果 的綜合考慮 ，塊板 式最被優(yōu)先使用 。 頂出機構(gòu)的設(shè)計 飲料 瓶 通常 是 薄壁 件，基于 防止損害注塑件 的想法，理想的頂出機構(gòu)應(yīng)該 是空氣頂出機構(gòu) 。至于 注射模具的材料具有 高收縮材料， 應(yīng)選擇可以平滑的將零件和模具分離的推板 。 空氣頂出裝置設(shè)計包括在 模具 型芯的周圍設(shè)置兩個 出風口，即一個 L 型出口和一個直 線 型出口 。 空氣在 L 行出口進入 模具 型芯 的邊緣， 使模具和型芯和產(chǎn)品分離開來 。 然后在直線型出口的空氣注射到零件的底端使零件從型腔中型分離出來 。推板 的作用是將塑件推出型芯或型腔，它沿著型芯直線運動。 圖 ： a動模部分冷卻單元 b定模部分冷卻單元 的編碼 在 確定了 結(jié)構(gòu)單元尺寸 后 ，這項 研究 引入了編碼系統(tǒng)，以協(xié)助管理這些組件和單位。 結(jié)構(gòu)單元的代碼 本研究采用三位數(shù)字 來編碼所有的結(jié)構(gòu)單元 （圖 6A）。第一個數(shù)字是 功能的代碼， 它 代表產(chǎn)品的幾何形狀和尺寸，象征標準化的結(jié)構(gòu)單位。第二位是子功能代碼，它體現(xiàn)材料，被 廣泛用于結(jié)構(gòu)單元 的 材料 清單 （ BOM）。 第三個數(shù)字代表各 個 結(jié)構(gòu)單元 的特點 包 括 產(chǎn)品系列代碼 和尺寸。 復(fù)雜產(chǎn)品 識別 代碼 此代碼是專為 在產(chǎn)品開發(fā)過程中 快速搜索 可互換的 結(jié)構(gòu)單元 而設(shè)計， 此代碼集成 了 與一個特定的容器制造相關(guān)的所有 的 結(jié)構(gòu)單元，并揭示了模具的幾 何形狀 ， 尺寸信息， 和 產(chǎn)品特性，如圖 6B 所示 。 產(chǎn)品 的 開發(fā)程序 在上述的模塊化設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計 飲料瓶 注塑模具標準作業(yè)程序可以生成。因此，只是以下程序可以輕松地設(shè)計新產(chǎn)品模具和確定可互換的結(jié)構(gòu)單位，這可以有效地管理和維護產(chǎn)品和模具。 圖 7 顯示了 飲料瓶 注塑模具設(shè)計的標準操作程序。 該過程包括 9 個步驟，如下所示 : 圖 圖 ： a結(jié)構(gòu)單元代碼 b復(fù)雜產(chǎn)品識別代碼 第 1 步 確認產(chǎn)品規(guī)格：為了準確地描述 產(chǎn)品的 幾何形狀，尺寸精度，質(zhì)量和 產(chǎn)品 特性 ， 這 一 步定義產(chǎn)品 的 幾何 特征， 如寬度，高度，投影特征， 面積和重量。 第 2 步 生產(chǎn) 設(shè)備 分析：依據(jù) 第 1 步 的信息 ， ， 通過檢查 鎖模力， 最大注射量 ， 允許 模具厚度范圍，和 開模行程 挑選出 最合適的 注塑機 規(guī)格 。 第 3 步 注塑模具 的 模塊化設(shè)計： 根據(jù) 模具的功能劃分為幾個功能模塊，一個特定的容器注塑模具可以 通過模塊的組合 快速，方便地開發(fā) 出來 。模塊設(shè)計包括 動模 模塊， 定模 模塊，熱流道模塊等。 第 4 步 產(chǎn)品及單位編碼：每個結(jié)構(gòu)單元 都被分配一個組件代碼， 然后將其與產(chǎn)品特征的綜合，以產(chǎn)生復(fù)雜的產(chǎn)品識別碼。因此，在產(chǎn)品開發(fā)階段可以進行單元的互換 。此外，代碼系統(tǒng)簡化了模具的維護和產(chǎn)品管理。 第 5 步 模塊化對象 的名單 ： 據(jù)來自第 3 步的結(jié)構(gòu)規(guī)格，所有部件的注塑模具 BOM 中列出。例如，一個作為例子的杯形注塑模具 BOM 是圖 8 所示。這一步驟有助于簡化隨后的報價和生產(chǎn)調(diào)度過程。 第 6 步 零件圖： 由于結(jié)構(gòu)單元的尺寸是半成品，在步驟 5 中列出的材料清單信息只是初級階段的模具設(shè)計。 因此，為客戶的需求而設(shè)計的一個注射模的所有結(jié)構(gòu)單位，按照工程格式規(guī)范繪制工程制圖。 圖 第 7步 結(jié)構(gòu)單元制造： 根據(jù) BMO表中的信息和 在步驟 5,6中得出的零件圖，這一步可以在車間進一步加工