注塑成型CAD_CAE技術(shù)概述.pdf

裝備制造技術(shù) 2008 年第 12 期裝備制造技術(shù) 年第 期裝備制造技術(shù) 年第 期隨著科技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)水平的日益發(fā)展， 使用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)不僅能夠提高一次試模成功率，而且可以使模具設(shè)計(jì)和制造在質(zhì)量 、性能及成本上都有很大程度的提升 。圖 1 給出了使用 術(shù)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)和制造的基本過程 。1 注塑成型 算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ 算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)由硬件和軟件組成 。其中硬件主要就是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括主計(jì)算機(jī) 、工作站 、終端和輸出設(shè)備等 。軟件包括系統(tǒng)程序 、專業(yè)應(yīng)用程序和各種輔助程序 。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的過程主要包括以下兩個(gè)環(huán)節(jié)：在樣品或圖紙基礎(chǔ)上利用 件進(jìn)行三維造型；在真實(shí)感效果評(píng)價(jià)滿意的基礎(chǔ)上進(jìn)行模具 計(jì) 。算機(jī)輔助工程分析（ 術(shù)是一門以 高性能計(jì)算機(jī)和圖形顯示設(shè)備為發(fā)展條件，以計(jì)算力學(xué)中的邊界元 、有限元 、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及模態(tài)分析等方法理論為基礎(chǔ)的一項(xiàng)較新的技術(shù) 。注塑成型過程中，塑料在型腔中的流動(dòng)和成型，與材料的性能 、制品的形狀尺寸 、成型溫度 、成型速度 、成型壓力 、成型時(shí)間 、型腔表面情況和模具設(shè)計(jì)等一系列因素有關(guān) 。因此，對(duì)于新產(chǎn)品的試制或是一些形狀復(fù)雜 、質(zhì)量和精度要求較高的產(chǎn)品，即使是具有豐富經(jīng)驗(yàn)的工藝和模具設(shè)計(jì)人員，也很難保證一次成功地設(shè)計(jì)出合格的模具 。所以，在模具基本設(shè)計(jì)完成之后，可以通過注塑成型分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的缺陷，從而保證模具設(shè)計(jì)的合理性，提高模具的一次試模成功率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本 。注塑成型 析的內(nèi)容和結(jié)果為模具設(shè)計(jì)和制造提供可靠 、優(yōu)化的參考數(shù)據(jù) 。塑成型 特點(diǎn)隨著 統(tǒng)的模具設(shè)計(jì) 、制造方法必將被取代，其強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 。（ 1）縮短模具制作周期 。統(tǒng)內(nèi)容豐富并且功能強(qiáng)大，在 據(jù)庫中存有大量模具標(biāo)準(zhǔn)件信息，并且專業(yè)的中包含各類經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)和常用設(shè)計(jì)方法可以減少設(shè)計(jì)人員因經(jīng)驗(yàn)不足而不得不反復(fù)修?；ㄈサ臅r(shí)間，從而大大簡化常規(guī)設(shè)計(jì)的過程 。電子化的計(jì)算機(jī)圖紙，不僅可以隨時(shí)修改，而且可以方便地輸出，大大縮短設(shè)計(jì)周期 。數(shù)控機(jī)床加工的高效率是一般機(jī)床或鉗加工不能比擬的 。（ 2）提高模具質(zhì)量 。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)的專家設(shè)計(jì)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)人員提供了可靠的科學(xué)依據(jù) 。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的過程中，通過合理的人機(jī)交互過程，可以同時(shí)發(fā)揮設(shè)計(jì)人員和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各自優(yōu)勢(shì)，從而使模具設(shè)計(jì)更加快速 、合理 。采用 術(shù)通過計(jì)算機(jī)的合理模擬，為設(shè)計(jì)人員提供可靠的參考依據(jù)，從而優(yōu)化模具設(shè)計(jì)方案 。（ 3）大幅度降低成本 。在當(dāng)今企業(yè)競爭白熱化的形式下，降低成本是企業(yè)致勝的法寶 。利用 時(shí)節(jié)約大量的勞動(dòng)力成本 。采用計(jì)算機(jī)輔助注塑成型分析可以及早實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)優(yōu)化，避免模具的反復(fù)修模 、試模的過程，從而降低成本 。（ 4）有效利用有限的人力資源，充分發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的主觀注塑成型 術(shù)概述張夕琴（常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）摘要：利用現(xiàn)代的設(shè)計(jì)理論方法，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)來進(jìn)行注塑模的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，能夠大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，從而提升企業(yè)的核心競爭能力 。關(guān)鍵詞：注塑成型；述中圖分類號(hào)： 獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672- 545X（ 2008） 12- 0127- 03收稿日期 :2008- 09- 19作者簡介：張夕琴（ 1968），女，江蘇丹陽人，講師，專業(yè)方向：機(jī)械設(shè)計(jì) 。樣件或圖紙產(chǎn)品真實(shí)感效果評(píng)價(jià) 注塑成型 程127008利用 術(shù)可以將設(shè)計(jì)人員從繁忙的計(jì)算和繪圖中釋放出來，充分發(fā)揮有限人力資源的最大優(yōu)勢(shì)，并且通過先進(jìn)的設(shè)備和工具，可以使設(shè)計(jì)人員最大限度地發(fā)揮個(gè)人的主觀能動(dòng)性，得到更多的創(chuàng)造性成果 。（ 5）利于技術(shù)資料的儲(chǔ)備，提供企業(yè)的管理水平 。術(shù)的應(yīng)用可以使企業(yè)方便地整理和儲(chǔ)備企業(yè)技術(shù)資料，使企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)走上良性循環(huán)的軌道，同時(shí)應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)可以使模具設(shè)計(jì)和制造更加科學(xué)合理，減少盲目性 。2 有限元分析注塑產(chǎn)品成型仿真及分析軟件采用的基本思想，一般是工程領(lǐng)域中最為常用的有限元方法，就是利用假想的線（或面）將連續(xù)的介質(zhì)的內(nèi)部和邊界分割成有限大小的 、有限數(shù)目的 、離散的單元來研究 。這樣，就把原來一個(gè)連續(xù)的整體簡化成有限個(gè)單元的體系，從而得到真實(shí)結(jié)構(gòu)的近似模型，最終的數(shù)值計(jì)算就是在這個(gè)離散化的模型上進(jìn)行的 。直觀上，物體被劃分成 “網(wǎng)格 ”狀，在 如圖 2 所示 。限元的基本思想1連續(xù)系統(tǒng)（包括桿系 、連續(xù)體 、連續(xù)介質(zhì)）被假想地分割成數(shù)目有限的單元，單元之間只在數(shù)目有限的節(jié)點(diǎn)處相互連接，構(gòu)成一個(gè)單元集合體來代替原來的連續(xù)系統(tǒng) 。在節(jié)點(diǎn)上引進(jìn)等效載荷（或邊界條件），代替實(shí)際作用于系統(tǒng)上的外載荷（或邊界條件） 。由分塊近似的思想，對(duì)每個(gè)單元按一定的規(guī)則（由力學(xué)關(guān)系或選擇一個(gè)簡單函數(shù)） 建立求解未知量與節(jié)點(diǎn)相互作用之間的關(guān)系（力 - 位移 、熱量 - 溫度 、電壓 - 電流等） 。把所有單元的這種特性關(guān)系按一定的條件（變形協(xié)調(diào)條件 、連續(xù)條件或變分原理及能量原理）集合起來，引入邊界條件，構(gòu)成一組以節(jié)點(diǎn)變量（位移 、溫度 、電壓等）為未知量的代數(shù)方程組，求解它們就得到有限個(gè)節(jié)點(diǎn)處的待求變量 。所以，有限元法實(shí)質(zhì)上是把具有無限個(gè)自由度的連續(xù)系統(tǒng)理想化為只有有限個(gè)自由度的單元集合體，使問題轉(zhuǎn)化為適合于數(shù)值求解的結(jié)構(gòu)型問題 。有限元法是 求解復(fù)雜工程問題的一種近似數(shù)值解法，被廣泛應(yīng)用到力學(xué) 、熱學(xué) 、電磁學(xué)等各個(gè)學(xué)科，主要分析工作環(huán)境下物體的線性和非線性靜動(dòng)態(tài)特性等性能 。結(jié)構(gòu)術(shù)是主要應(yīng)用有限元法等技術(shù)，通過給定條件如材料屬性 、負(fù)載條件 、邊界條件 、裝配連接設(shè)定等，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué) 、熱學(xué)的分析及診斷，提供給用戶具體 、形象的數(shù)據(jù)表達(dá)形式，提供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核數(shù)據(jù) 。限元法求解問題的基本過程主要包括：分析對(duì)象的離散化 、有限元求解 、計(jì)算結(jié)果的處理三部分 。由于計(jì)算機(jī)及計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，開發(fā)對(duì)象的自動(dòng)離散及有限元分析結(jié)果的計(jì)算機(jī)可視化顯示技術(shù) “瓶頸 ”現(xiàn)象得以逐步解決，對(duì)象的離散從手工到半自動(dòng)到全自動(dòng)，從簡單對(duì)象的單維單一網(wǎng)格到復(fù)雜對(duì)象的多維多種網(wǎng)格單元，從單材料到多種材料，從單純的離散到自適應(yīng)離散，從對(duì)象的性能校核到自動(dòng)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì) 、分析，計(jì)算結(jié)果的可視化顯示可對(duì)應(yīng)力 、應(yīng)變和溫度等場的靜動(dòng)態(tài)顯示 、彩色調(diào)色顯示，也可對(duì)受載對(duì)象可能出現(xiàn)缺陷 (裂紋等 )的位置 、形狀 、大小及其可能波及區(qū)域等進(jìn)行顯示 。3 塑 術(shù)的發(fā)展注塑模 件的發(fā)展經(jīng)歷了從中面流技術(shù)到雙面流技術(shù)再到實(shí)體流技術(shù)的三個(gè)重要的里程碑 。目前由于實(shí)體流和雙面流技術(shù)算法的不完善，三種分析技術(shù)仍然并存 。中面流（ 術(shù)的應(yīng)用始于 20 世紀(jì) 80 年代 。中面就是提取的位于模具型腔和型芯中間的層面來簡化 3D 模型 。用一維和二維的耦合算法和來代替三維計(jì)算 ?；谥忻媪骷夹g(shù)的注塑流動(dòng)模擬軟件應(yīng)用的時(shí)間最長 、范圍最廣 。但實(shí)踐表明，基于中面流技術(shù)的注塑模 件在應(yīng)用中具有很大的局限性：(1) 專業(yè)的注塑模 件造型功能較差，采用手工操作直接構(gòu)造中面模型十分困難，建構(gòu)過程往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間；(2) 由 件根據(jù)產(chǎn)品三維模型自動(dòng)計(jì)算生成中面模型的效果不理想，網(wǎng)格修補(bǔ)工作量大；(3) 由于 段使用的是產(chǎn)品的物理模型，而 段使用的是產(chǎn)品的數(shù)學(xué)模型，兩者的不統(tǒng)一，使得二次建模不可避免 。由此可見，中面模型已經(jīng)成為了注塑模 術(shù)發(fā)展的瓶頸 。20 世紀(jì) 90 年代后期雙面流（ 術(shù)誕生 。雙面流是指在制品的內(nèi)外表面產(chǎn)生有限元網(wǎng)格，而不是在中間面 。目前基于雙面流技術(shù)的注塑模 件均可以將 統(tǒng)輸出的三維模型的 化為有限元網(wǎng)格模型 。因此與中面流技術(shù)相比，在模型處理上卻大大減輕了用戶建模的負(fù)擔(dān)，提高了有限元建模的效率 。因此，基于雙面流技術(shù)的注塑模 件，在全世界擁有了龐大的用戶群，得到了廣大用戶的支持和好評(píng) 。但由于上下表面網(wǎng)格無法一一對(duì)應(yīng)，造成上下對(duì)應(yīng)表面的熔體流動(dòng)前沿存在差別，使得雙面流技術(shù)分析的準(zhǔn)確性受到一定的限制 。此外，雙面流技術(shù)也只是一種從中面流技術(shù)向?qū)嶓w流技術(shù)過渡的手段 。實(shí)體流技術(shù)最終必將取代雙面流技術(shù) 。由于中面流技術(shù)久經(jīng)考驗(yàn)，計(jì)算速度快，分析圖 2 有限元模型128裝備制造技術(shù) 2008 年第 12 期裝備制造技術(shù) 年第 期裝備制造技術(shù) 年第 期(1. 30004,30023,is ADs of AM t in 8389399今仍然是注塑成型 析的主流 。輔成型 擬技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì) 、模具設(shè)計(jì)和制造以及制定成型工藝之前，通過 析可以模擬熔體充填和氣體穿透情況，預(yù)測(cè)和發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)方案中潛在的問題，還可以對(duì)澆口位置 、進(jìn)氣點(diǎn)位置 、流道尺寸 、制件厚度和工藝條件等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 。通過 提出相對(duì)的改進(jìn)方案 。析軟件的內(nèi)核是用于模擬熔體充填和氣體穿透的計(jì)算算法，分析結(jié)果通過人機(jī)界面以三維圖像或文本形式體現(xiàn) 。輸入的信息主要是制件的 何造型 、相關(guān)材料的性能參數(shù)等 ?？刂菩畔ㄓ脩艚?jīng)驗(yàn) 、工藝參數(shù)和計(jì)算參數(shù)等，用戶經(jīng)驗(yàn)豐富與否對(duì)材料選擇 、工藝參數(shù)制定和分析結(jié)果的準(zhǔn)確程度都具有較大的影響，具有豐富的氣輔成型工藝經(jīng)驗(yàn)和對(duì)軟件的深刻了解的操作人員，會(huì)極大地發(fā)揮 析軟件的作用2。氣輔成型充填過程模擬技術(shù)，主要采用二維半模型的有限元 、有限差分 、體積控制混合法進(jìn)行模擬分析 。三維模型由于考慮溫度場時(shí)計(jì)算量大，而還沒有進(jìn)入實(shí)質(zhì)應(yīng)用階段，但其計(jì)算精度高 、模擬準(zhǔn)確，是 擬分析的發(fā)展趨勢(shì) 。目前的氣輔成型 析軟件，一般采用冪次模型或改進(jìn) 型描述熔體的流變行為 。析軟件中一般帶有幾何建模軟件包，可以生成點(diǎn) 、直線 、圓弧 、 、平面 、旋轉(zhuǎn)曲面 、流道等，基本能夠滿足幾何建模和模型修改的需要 。由于分析精度由所使用的有限元網(wǎng)格的大小決定，因此進(jìn)行幾何造型時(shí)，小于網(wǎng)格尺寸的細(xì)節(jié)如圓角 、小洞 、臺(tái)階等可以忽略 。對(duì)于復(fù)雜制件，可利用其它 件建立模型，然后再通過軟件的幾何模型接口程序讀入模型數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為軟件缺省的模型格式 。一般常用的接口格式有 5。4 結(jié)束語隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展，氣輔注塑成型的計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)越來越受到人們的重視，工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)氣輔注塑成型工藝參數(shù)，利用 術(shù)可以在產(chǎn)品成型之前預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的缺陷，并通過修改某些參數(shù)做到各參數(shù)在整體上的最優(yōu)化 。近年來 件由于在其功能上日益完善，因而使得 術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐