【文章內(nèi)容簡介】 國際市場上出現(xiàn)了一些商品化注射模 CAE 軟件，如美國 AC Technology 凸 司的 CMOLD,澳大利亞 MF 凸 司的 Mold Flow 等。近十來年 CAE 技術(shù)也己走向成熟。國內(nèi)是在“八五”期間才一開始注射模 CAE 技術(shù)的研究、開發(fā)工作，近年來也陸續(xù)出現(xiàn)了有自主知識產(chǎn)權(quán)的注射模 CAE 軟件，如鄭州工業(yè)大學(xué)國家橡塑模具工程研究中心開發(fā)的 ZMOLD 等 [5]。“九五”期間科技部同國家經(jīng)貿(mào)委等部門實施“ CAD應(yīng)用工程”，現(xiàn)已成功地實現(xiàn)了“甩圖板”，并在部分企業(yè)進(jìn)行了 CAD 等技術(shù)的應(yīng)用試點與示范，現(xiàn)代技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用有了良好的起步和發(fā)展，“十五”期間國家 將投入8 億元實施信息化工程。同時在 CAD/CAE/CAM 等軟件方面擁有了自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件，如北航海爾 CAXA 系列軟件、上海交大申模 凸 司的三維有限元分析系統(tǒng)、吉林余網(wǎng)格模具工程研究所研究的模具 CAD/CAE/CAM 一體化等。雖然國外軟件的應(yīng)用在我國模具行業(yè)中仍占主要地位，但可預(yù)計國產(chǎn)的 CAD/CAE/CAM 軟件將在我國模具工業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用 [6]。 隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，新的技術(shù)革命不斷取得新的進(jìn)展和突破，技術(shù)的飛越發(fā)展己經(jīng)成為推動世界經(jīng)濟(jì)增長的重要因素。市場經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，促使模具業(yè)產(chǎn)品越來越多品種 、小批量、高質(zhì)量、低成本的方向發(fā)展。為了保持和加強產(chǎn)品在市場上的競爭力，產(chǎn)品的開發(fā)周期，生產(chǎn)周期越來越短，于是對制造各種產(chǎn)品的關(guān)鍵工藝裝備一模具的要求越來越苛刻 [7]。沒有計算機輔助技術(shù)的支持，就不可能適應(yīng)上述兩方面的要求。 本文的課題來源于企業(yè)生產(chǎn)實踐，通過以客車空調(diào)內(nèi)飾件為例研究 CAD/CAE/CAM在塑料制品及塑料注射模設(shè)計、模擬、集成設(shè)計的全過程的模式。以 AutoCAD、 Pro/E軟件為主來設(shè)計客車空調(diào)內(nèi)飾件，完成設(shè)計全過程及設(shè)計模式。通過本文客車空調(diào)內(nèi)飾件模具設(shè)計，可以看到模具行業(yè)中對設(shè)計人員及現(xiàn) 代設(shè)計方法的要求。 客車空調(diào)內(nèi)飾件的注塑模具設(shè)計 3 （二） 現(xiàn)代模具行業(yè)對設(shè)計人員的基本要求 生產(chǎn)周期短，效率高，品質(zhì)高，是現(xiàn)代模具的典范，發(fā)展的方向。高速，高效，準(zhǔn)確地完成客戶所需要的模具，對模具設(shè)計人員的要求就更加嚴(yán)格。設(shè)計的不合理，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品就不可能過關(guān)，這是很簡單的道理。要做一個合格的設(shè)計員就要準(zhǔn)確無誤地分析產(chǎn)品原始檔案，與客戶之間溝通，即要盡量滿足客戶的需求，又要合理的簡化模具結(jié)構(gòu)，來降低模具的成本。對于設(shè)計人員來說，除了有強有力的理論基礎(chǔ)，還必需具備軟件應(yīng)用能力，掌握與工作緊密相關(guān)的軟件是每個設(shè)計人員必經(jīng)之路。軟件的運用是一種技能，熟練的軟件應(yīng)用能力，能給你的工作帶來事半功倍的效果。除了要求生產(chǎn)設(shè)備自動化，智能化外，還要求設(shè)計人員要有良好的職業(yè)素質(zhì)及工作能力，才能生產(chǎn)高精度的產(chǎn)品，在最短的時間內(nèi)，生產(chǎn)出最讓客戶滿意的產(chǎn)品。 （三） 塑料模具設(shè)計流程 良好的設(shè)計流程是設(shè)計出準(zhǔn)確合理的好產(chǎn)品的基礎(chǔ)，制訂模具設(shè)計流程是使模具設(shè)計規(guī)范化、制程化的保證，是適應(yīng)模具交貨期短，縮短模具設(shè)計時間的必由之路。塑料注射模計算機輔助設(shè)計制造流程 :塑件三維建模 一 模流分析一塑料產(chǎn)品裝配一模具結(jié)構(gòu)設(shè)計 一 生成模具工程圖 一 模具關(guān)鍵零件數(shù)控加工 一 關(guān)鍵零件數(shù)控電加 工 一 模具裝配調(diào)式 。 塑料模具設(shè)計 經(jīng)過以上的產(chǎn)品圖處理之后轉(zhuǎn)入模具設(shè)計階段，包括 : (1)2D 模具結(jié)構(gòu)圖繪制 (AutoCAD ): (2)3D 模仁成型部分拆制 (Pro/E )。 (3)模具零件圖的拆制 : 模具零件圖也就是所說的模具加工圖，是根據(jù)模具 2D 圖和 3D 圖拆制的模具零件圖。包括模板圖、滑塊座圖、斜撐銷圖、模仁圖、滑塊入子圖、斜銷圖、等，還有頂針備料明細(xì)表、五金零件備料明細(xì)表、出圖明細(xì)表等。 試模分析產(chǎn)品缺陷的產(chǎn)生和解決方案 要預(yù)知將產(chǎn)生的缺陷，及補救方案，不能在產(chǎn)生缺陷后無法修改模具?？蛙嚳照{(diào) 內(nèi)飾件屬薄殼件，薄殼件加工成型的質(zhì)量缺陷主要表現(xiàn)在塑件的翹曲變形、表面縮痕和流客車空調(diào)內(nèi)飾件的注塑模具設(shè)計 4 痕等問題上，對于這些問題，合理地設(shè)置工藝參數(shù)起著決定性的作用 [9]。以翹曲變形為例進(jìn)行分析 : 影響塑件變形的因素 (工藝參數(shù) )主要有 :模具溫度、熔體溫度、澆口尺寸、注射、速率、保壓壓力、保壓時間，同時還要考慮模具溫度和熔體溫度的交叉因素、熔體溫度和澆口尺寸的交叉因素對翹曲變形的影響 [8]。 （四） 客車內(nèi)飾件模具設(shè)計思路 產(chǎn)品的機構(gòu)設(shè)計是實現(xiàn)產(chǎn)品功能的關(guān)鍵，這不僅需要與產(chǎn)品外觀相協(xié)調(diào)，更要考慮后序的生產(chǎn)裝配、模具設(shè)計制造等各方面。 客車內(nèi)飾件模具產(chǎn)品的形體結(jié)構(gòu)設(shè)計 牽扯知識范圍十分廣泛，主要有材料的選用、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計、表面處理、加工手段、包裝裝演幾個方面，這此因素的運用直接影響著客車內(nèi)飾件模具產(chǎn)品的生命和外觀形象的變化?？梢哉f設(shè)計者的水平高低決定了產(chǎn)品的生命力和產(chǎn)品檔次高低，高檔次產(chǎn)品不一定是高造價，運用低造價設(shè)計出高檔次的產(chǎn)品是設(shè)計者水平高素質(zhì)的體現(xiàn)。 客車內(nèi)飾件產(chǎn)品的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 (1)要審查造型設(shè)計是否合理可靠，包括制造方法、塑件的出模方向、出模斜度、抽芯、結(jié)構(gòu)強度等是否合理 。 (2)根據(jù)造型要求確定制造工藝是否能實現(xiàn) ，包括模具制造、產(chǎn)品裝配、外觀的噴涂、絲印、材質(zhì)選擇、需采購的零件供應(yīng)等 。 (3)確定產(chǎn)品功能是否能實現(xiàn)，用戶使用是否最佳 。 (4)進(jìn)行具體的機構(gòu)設(shè)計，確定每個零件的制造工藝，要注意塑件的結(jié)構(gòu)強度、安裝定位、筋骨方式、產(chǎn)品變形、元器件的安裝定位、安裝要求、確定最佳裝配路線 。 (5)結(jié)構(gòu)設(shè)計要盡量考慮模具設(shè)計和制造的難度，提高注射生產(chǎn)的效率，最大限度地減低模具成本和生產(chǎn)成本 。 (6)確定整個產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，檢測手段，保證產(chǎn)品的可靠性。 客車內(nèi)飾件產(chǎn)品的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計 對以上所需要清楚的東西，做好工藝排序，然 后進(jìn)入模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計一裝配圖的設(shè)計。 (1)3D 轉(zhuǎn) 2D 的 CAD 圖 。 客車空調(diào)內(nèi)飾件的注塑模具設(shè)計 5 (2)成品的開模分析，確定凸、凹模分模面 。 (3)成品的結(jié)構(gòu)分析，確定機構(gòu)，如有倒扣的，用斜銷成型或側(cè)滑塊成型 。 (4)確定模具的結(jié)構(gòu) (兩板模、三板模、及冷熱澆道 ): (5)成品的收縮率的確定 (未加收縮的，給產(chǎn)品在 3D 圖中放收縮 ): (6)確定成品的開模腔數(shù) (一模一腔，要注意注射模均衡 )。 (7)確定成品的擺放位置 (模腔的 )。 (8)確定模仁的大小 (由于客車空調(diào)內(nèi)飾件模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模仁 (模腔 )需要單獨加工 )。 (9)畫流道及澆口 : (10 確定模座大小，調(diào)用模座 。 (11)將模仁放入模座中的適當(dāng)位置 : (12)畫定位圈及注射澆口套 。 (13)畫頂出機構(gòu) 。 (14)畫冷卻水路 。 (15)畫模座其它周邊的結(jié)構(gòu) : (16)標(biāo)注模座的尺寸。 （五） 論文的主要研究工作 本文以客車內(nèi)飾件模具為實例來分析研究 CAD/CAM 技術(shù)在塑料模具中的系統(tǒng)應(yīng)用，改變傳統(tǒng)的設(shè)計方式，探索一條利用先進(jìn)技術(shù)來優(yōu)化設(shè)計塑料產(chǎn)品及塑料模具新的流程方式。主要具體完成內(nèi)容 : 客車內(nèi)飾件模具結(jié)構(gòu)分析 : 完成客車內(nèi)飾件模具注射模設(shè)計 。 試模分析缺陷并解決。 本文研究前 期主要是設(shè)計方面工作，利用 CAD/CAM 中與注射模設(shè)計相關(guān)軟件進(jìn)行設(shè)計，中期時利用企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備如注射機、進(jìn)行試加工生產(chǎn)，后期分析產(chǎn)品缺陷并擬定解決方案。 采用 CAD/CAM 技術(shù)來設(shè)計塑料產(chǎn)品及模具，可以優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計與創(chuàng)新、提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、減少在試模階段的缺陷、降低生產(chǎn)成本，提高競爭力，也是現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展趨勢。本文研究關(guān)鍵在于如何將專業(yè)知識、實踐經(jīng)驗與 CAD /CAM 技術(shù)具體地、合理地結(jié)合到一起，優(yōu)化出客車內(nèi)飾件塑料產(chǎn)品和塑料注射模具。客車空調(diào)內(nèi)飾件的注塑模具設(shè)計 7 二 客車空調(diào)內(nèi)飾件使用塑料要求、內(nèi)飾件分析及注射 機的選用 （ 一 ） 內(nèi)飾件常用材料 本制件選用熱塑性材料 ABS。 ABS 是由三種不同材料組合成的一種聚合物，即丙烯腈，丁二烯和苯乙烯。每種成分都提供了不同的物理化學(xué)性質(zhì)：丙烯腈提供材料以好的硬度、化學(xué)性質(zhì)和抗熱性；丁二烯提供了良好的成形性，表面光澤性和強度；苯乙烯則提供了材料的韌性和抗沖擊性。就形態(tài)而言， ABS 是一種無定形材料。 由這三種材料聚合形成 ABS 這種三元共聚體需要有兩個過程：苯乙烯 丙烯碃合成過程和聚丁乙烯的分解過程。三種材料的聚合比例以及兩個過程的分子結(jié)構(gòu)直接影響 ABS 的性質(zhì)。這就使生產(chǎn) 設(shè)計有極大的靈活性，因此市場上有上百種類型的 ABS 材料。商業(yè)上使用的 ABS 材料提供不同的性質(zhì)，如中等到高等的抗沖擊性，從低質(zhì)量到高質(zhì)量的表面光澤性以及優(yōu)良的熱變形性。 ABS 可以提供較好的成形性，表面特性，具有較低的收縮率和極好的尺穩(wěn)定性，并且有很高的沖擊應(yīng)力。 ABS 注塑成型的條件有： (1) 干燥： ABS 具有吸濕性，所以在使用之前需要干燥。通常要 80~90℃ (176~195℉ )溫度下干燥至少兩個小時。使用時材料所含水分量得超過 %； (2)熔融溫度：通常 ABS 的熔融溫度在 200~280℃ (392~536℉ )；建議使用 : 230℃ (446℉ )； (3)模具溫度：模具溫度要在 25~80℃ (77~176℉ )。模具溫度影響件的表面光澤度，模溫越低制件的表面光澤度越差； (4)材料注射壓力： 50~100 MPa； (5)材料注射速度：中級～高級。 （二） 內(nèi)飾件產(chǎn)品圖 （ 1）由 PRO/E 軟件生成 3D 圖，如圖 是產(chǎn)品正面，圖 是產(chǎn)品反面； （ 2）塑料材質(zhì)： ABS； （ 3）模具腔數(shù) ：一模一腔 ； （ 4）模具形式：冷流道（兩板）； 客車空調(diào)內(nèi)飾件的注塑模具設(shè)計 8 圖 空調(diào)內(nèi)飾件正面 圖 空調(diào)內(nèi)飾件背面 （三） 內(nèi)飾件樣品分析 此分析主要是在 Pro/E 中分析。 Pro/E:可進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計、裝配設(shè)計、模具設(shè)計、仿真等。本例對 3D 圖進(jìn)行分析看它是否易于成型，主要有壁厚、拔模角、結(jié)構(gòu)等，并大至分好分模面。 樣品壁厚檢查 (料厚均勻性分析 ) 空調(diào)內(nèi)飾件的壁厚對部件的很多關(guān)鍵特性的影響至關(guān)重要，包括結(jié)構(gòu)強度、外觀、成型及成本。設(shè)計階段優(yōu)化的內(nèi)飾件厚度可以降低后續(xù)可靠性測試的風(fēng)險，修模的成本以及成型的困難。 壁厚檢查包括成品壁厚分布、平均壁厚檢查、是否有過薄難以充填或過厚處。對于塑料件來說，壁厚 不均會使其在注射成型時產(chǎn)生縮水現(xiàn)象。塑件的厚度不應(yīng)過厚或過薄。壁厚要均勻，厚薄差別盡量控制在基本壁厚的 25%以內(nèi)，可以避免明顯的翹曲、填充及外觀缺陷等問題。 客車空調(diào)內(nèi)飾件的注塑模具設(shè)計 9 脫模角檢查 (拔模角分析 ) 要對所有平行于模具分開的方向的面進(jìn)行拔模。拔模角檢查包括確認(rèn)是否有拔模、須拔模處、脫模度數(shù)，角度小是否會造成成品刮傷或貼 凹 模等。樣品的脫模角決定了成品在模具開模時能否順利脫出，是否會產(chǎn)生粘模等現(xiàn)象。所以當(dāng)拿到客戶樣品時，應(yīng)對其進(jìn)行脫模角檢查。 塑件在脫模方向的拔模角，視成型面深度而定，一般在 176。 ~2176。 之間。對于模具上動 模和定模之間的擦破位，拔模角應(yīng)大于 176。為好，少數(shù)也可能小于 176。，但不能沒有拔模角。 樣品分型面的確定 (分型面分析 ) 樣品的分型面應(yīng)有利于產(chǎn)品的成型和脫模，并且分型線不應(yīng)該存在有尖角的地方，否則模仁 (指成型部分，型腔、型芯單獨做鑲在模板里 )無法加工，且產(chǎn)品也很難成型。 模具分型線設(shè)計原則一般選在塑件的最大輪廓線上，因此采用切片法尋找最大輪廓線。其具體思想是根據(jù)分型方向形成一系列切面然后計算出所有切面同塑件模型相交的閉合輪廓線，再提取每個輪廓線上的最左和最右點，連接這些點形成塑件輪廓的分型線[9]。 這種方法適合帶有自由曲面的塑件，如客車空調(diào)內(nèi)飾件表面。 澆口進(jìn)料形式確定 (澆口分析 ) 澆口的類型很多，常見的有側(cè)澆口、點澆口、潛伏式澆口、扇形澆口等多種，根據(jù)其特性來選擇使用的不同場合。澆口一般都較細(xì)小，因此流動阻力很大，細(xì)微的變化都會對塑料熔體的充填產(chǎn)生很大的影響。澆口設(shè)計主要有澆口的數(shù)目、位置、形狀和尺寸的設(shè)計。澆口的數(shù)目和位置主要影響充填模式，而澆口的形狀和尺寸主要影響熔體流動性質(zhì)。澆口的設(shè)計一方面應(yīng)該保證提供一個快速、均勻、平衡、單一方向流動的充填模式，另一方面應(yīng)該避免射流、滯流、凹陷等現(xiàn)象 [10] 針對模擬分析存在的問題，可以借助于 3D 計算機造型系統(tǒng)修改制品設(shè)計，或修改模具設(shè)計 [12]。可以提高塑料制品的質(zhì)量，避免模具返工和修改設(shè)計，節(jié)省時間和金錢。 塑料注射成型充填模擬軟件都是采用基于中性層模型的有限元 /有限差分方法。所謂中性層就是假想的位于模具型腔和型芯中間的層面，但在應(yīng)用上有較大局限性，將被型腔表面模型取代 [13]。 了解所應(yīng)用的塑料特性后，對初選澆口時有一定的作用。利用 Moldflow 進(jìn)行分析時軟件將自動應(yīng)用數(shù)據(jù)庫中的塑料數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 其主要分析內(nèi)容 : 客車空調(diào)內(nèi)飾件的注塑模具設(shè)計 10 初步設(shè)定澆口位置后，分析塑件的填 充效果、是否有短射、流動溫度差 (澆口處與最終成型處溫度差愈小愈好 )等