溫控器墊塊點(diǎn)澆口注射模具的設(shè)計(jì)【一模一腔】【說(shuō)明書(shū)+CAD+UG】
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桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文翻譯譯文
編號(hào)：
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文翻譯
（譯文）
院 （系）： 國(guó)防生學(xué)院
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)生姓名： 呂 亮
學(xué) 號(hào)： 1001120122
指導(dǎo)教師單位： 機(jī)電工程學(xué)院
姓 名： 楊運(yùn)澤
職 稱： 講 師
2014年 3 月 9 日
第 19 頁(yè) 共 20 頁(yè)
桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文翻譯譯文
模具發(fā)展歷程
威爾克斯.莫賴斯
摘要
功能性零部件都需要設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試，車間試驗(yàn)，客戶評(píng)價(jià)，以及生產(chǎn)計(jì)劃。在小批量生產(chǎn)零件的時(shí)候，通過(guò)消除多重步驟，建立了有快速成型形成的注塑模具，這種方法可以保證縮短時(shí)間和節(jié)約成本。這種潛在的一體化由快速成型形成注塑模具的方法已經(jīng)被多次證明是可行的。無(wú)論是模具設(shè)計(jì)還是注塑成型的過(guò)程中，缺少的是對(duì)如何修改這個(gè)模具材料和快速成型制造過(guò)程的影響有最根本的認(rèn)識(shí)。此外，數(shù)字模擬技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成為模具設(shè)計(jì)工程師和工藝工程師開(kāi)注塑模具的有用的工具。但目前所有的做常規(guī)注塑模具的模擬包已經(jīng)不再適合這種新型的注塑模具，這主要是因?yàn)槟＞卟牧系某杀咀兓艽?。在本文中，以完成特定的?shù)字模擬注塑液塑造成快速成型模具的綜合方法已經(jīng)發(fā)明出來(lái)了，而且還建立了相應(yīng)的模擬系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，目前這個(gè)方法非常適合處理快速成型模具中的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：注塑成型；數(shù)字模擬；快速成型。
引言
在注塑成型中，聚合物熔體在高溫和高壓下進(jìn)入模具中。因此，模具的材料需要有足夠的熱性能和機(jī)械性能來(lái)經(jīng)受高溫和高壓的塑造循環(huán)。許多研究的焦點(diǎn)都是直接有快速成型形成注塑模具的過(guò)程。在生產(chǎn)小批量零件的時(shí)候，通過(guò)消除多重步驟，直接由快速成型形成的注塑模具可以保證縮短時(shí)間和節(jié)約成本。這種潛在的有快速成型形成注塑模具的方法已經(jīng)被證明成功了?？焖俪尚湍＞咴谛阅苌鲜怯袆e與傳統(tǒng)的金屬模具。主要差異是導(dǎo)熱性能和彈性模量（剛性）。舉例來(lái)說(shuō)，在立體光照成型模具中的聚合物的導(dǎo)熱率小于鋁制的工具的千分之一。在用快速成型技術(shù)來(lái)制造鑄模時(shí)，整個(gè)模具設(shè)計(jì)和注塑成型工藝參數(shù)都需要修改和優(yōu)化，傳統(tǒng)的方法是改變徹底的刀具材料．不過(guò)，目前還沒(méi)有對(duì)如何修改這個(gè)模具材料的方法有根本的了解．在當(dāng)前的模具中，僅僅改變一些材料的性能是不能得到一個(gè)合理的結(jié)果的。同樣，使用傳統(tǒng)方法的時(shí)候，實(shí)際生產(chǎn)的零件也會(huì)有出先次品。因此，研究出一個(gè)快速成型過(guò)程，材料和注塑模具之間的互動(dòng)關(guān)系是非?；鸺钡?。這樣就可以確定模具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和快速模具的注塑的技術(shù)。
此外，計(jì)算機(jī)模擬是一種預(yù)測(cè)模塑件的質(zhì)量的有效的方法。目前，商用仿真軟件包已經(jīng)成為模具設(shè)計(jì)師和工藝工程師在注塑過(guò)程中例行性的工具。不幸的是，目前常規(guī)注塑成型的模擬程序已經(jīng)不再適用于這個(gè)快速成型模具，因?yàn)樗鼧O大的需要不同的刀具材料。例如，利用現(xiàn)在的仿真軟件在鋁和立體光照模具之間做個(gè)實(shí)驗(yàn)比較一下，雖然鋁模具模擬植的部分失真是合理的，但是結(jié)果是不可以接受的，因?yàn)檎`差超過(guò)了百分之五十。在注塑成型中，失真主要是由于塑料零件的收縮和翹曲，模具也是一樣的。對(duì)于通常模具，失真的主要因素是塑料件的收縮和翹曲，這個(gè)在目前的模擬中能測(cè)試準(zhǔn)確。但是對(duì)于快速成型模具，潛在的失真會(huì)更多，在當(dāng)前的測(cè)試中，其中就會(huì)有些失真會(huì)被忽視。例如，用一個(gè)簡(jiǎn)單的三步驟模擬分析模具變形的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)很多偏差。
在本文中，基于以上分析，一個(gè)新的快速成型模具的仿真系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)了。擬議制度著重于預(yù)測(cè)部分失真，主要是用與預(yù)測(cè)快速成型模具的缺陷。先進(jìn)的仿真系統(tǒng)可以用于預(yù)測(cè)快速成型模具設(shè)計(jì)和工藝是否最合理。我們的仿真系統(tǒng)已經(jīng)被我們的實(shí)驗(yàn)證明是沒(méi)有錯(cuò)誤的。
雖然有很多材料可以用于快速成型技術(shù)，但是我們還是專注于利用立體光照模具的技術(shù)來(lái)制造聚合物模具．立體光照成型的過(guò)程是利用激光能量一層一層建立零件的部分。使用立體光照則可以體現(xiàn)出雙方在快速成型工業(yè)的商業(yè)優(yōu)勢(shì)，而且在以后也可以生產(chǎn)出準(zhǔn)確的，高品質(zhì)的零部件。直到最近，立體光照主要是用于建立物理模型，為了檢查視覺(jué)效果，僅僅只利用了它的一點(diǎn)點(diǎn)功能。不過(guò)，新一代的立體光照的光改善了立體化，機(jī)械性能，熱學(xué)性能，所以它可以更好的應(yīng)用于實(shí)際的模具中。
1 模具在工業(yè)生產(chǎn)中的地位
模具是大批量生產(chǎn)同形產(chǎn)品的工具，是工業(yè)生產(chǎn)的主要工藝裝備。
采用模具生產(chǎn)零部件，具有生產(chǎn)效率高、質(zhì)量好、成本低、節(jié)約能源和原材料等一系列優(yōu)點(diǎn)，用模具生產(chǎn)制件所具備的高精度、高復(fù)雜程度、高一致性、高生產(chǎn)率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比擬的。已成為當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)的重要手段和工藝發(fā)展方向?，F(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)。現(xiàn)代工業(yè)品的發(fā)展和技術(shù)水平的提高，很大程度上取決于模具工業(yè)的發(fā)展水平，因此模具工業(yè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展將起越來(lái)越大的作用。1989年3月國(guó)務(wù)院頒布的《關(guān)于當(dāng)前產(chǎn)業(yè)政策要點(diǎn)的決定》中，把模具列為機(jī)械工業(yè)技術(shù)改造序列的第一位、生產(chǎn)和基本建設(shè)序列的第二位(僅次于大型發(fā)電設(shè)備及相應(yīng)的輸變電設(shè)備)，確立模具工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位。1997年以來(lái)，又相繼把模具及其加工技術(shù)和設(shè)備列入了《當(dāng)前國(guó)家重點(diǎn)鼓勵(lì)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品和技術(shù)目錄》和《鼓勵(lì)外商投資產(chǎn)業(yè)目錄》。經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，從1997年到2000年，對(duì)80多家國(guó)有專業(yè)模具廠實(shí)行增值稅返還70%的優(yōu)惠政策，以扶植模具工業(yè)的發(fā)展。所有這些，都充分體現(xiàn)了國(guó)務(wù)院和國(guó)家有關(guān)部門對(duì)發(fā)展模具工業(yè)的重視和支持。目前全世界模具年產(chǎn)值約為600億美元，日、美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的模具工業(yè)產(chǎn)值已超過(guò)機(jī)床工業(yè)，從1997年開(kāi)始，我國(guó)模具工業(yè)產(chǎn)值也超過(guò)了機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，在家電、玩具等輕工行業(yè)，近90％的零件是綜筷具生產(chǎn)的；在飛機(jī)、汽車、農(nóng)機(jī)和無(wú)線電行業(yè)，這個(gè)比例也超過(guò)60％。例如飛機(jī)制造業(yè)，某型戰(zhàn)斗機(jī)模具使用量超過(guò)三萬(wàn)套，其中主機(jī)八千套、發(fā)動(dòng)機(jī)二千套、輔機(jī)二萬(wàn)套。從產(chǎn)值看，80年代以來(lái)，美、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家模具行業(yè)的產(chǎn)值已超過(guò)機(jī)床行業(yè)，并又有繼續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。據(jù)國(guó)際生產(chǎn)技術(shù)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，到2000年，產(chǎn)品盡件粗加工的75%、精加工的50％將由模具完成；金屬、塑料、陶瓷、橡膠、建材等工業(yè)制品大部分將由模具完成，50％以上的金屬板材、80％以上的塑料都特通過(guò)模具轉(zhuǎn)化成制品。
2 模具的歷史發(fā)展
模具的出現(xiàn)可以追溯到幾千年前的陶器和青銅器鑄造，但其大規(guī)模使用卻是隨著現(xiàn)代工業(yè)的掘起而發(fā)展起來(lái)的。
19世紀(jì)，隨著軍火工業(yè)(槍炮的彈殼)、鐘表工業(yè)、無(wú)線電工業(yè)的發(fā)展，沖模得到廣泛使用。二次大戰(zhàn)后，隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，它又成了大量生產(chǎn)家用電器、汽車、電子儀器、照相機(jī)、鐘表等零件的最佳方式。從世界范圍看，當(dāng)時(shí)美國(guó)的沖壓技術(shù)走在前列——許多模具先進(jìn)技術(shù)，如簡(jiǎn)易模具、高效率模具、高壽命模具和沖壓自動(dòng)化技術(shù)，大多起源于美國(guó)；而瑞士的精沖、德國(guó)的冷擠壓技術(shù)，蘇聯(lián)對(duì)塑性加工的研究也處于世界先進(jìn)行列。50年代，模具行業(yè)工作重點(diǎn)是根據(jù)訂戶的要求，制作能滿足產(chǎn)品要求的模具。模具設(shè)計(jì)多憑經(jīng)驗(yàn)，參考已有圖紙和感性認(rèn)識(shí)，對(duì)所設(shè)計(jì)模具零件的機(jī)能缺乏真切了解。從1955年到1965年，是壓力加工的探索和開(kāi)發(fā)時(shí)代——對(duì)模具主要零部件的機(jī)能和受力狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)學(xué)分橋，并把這些知識(shí)不斷應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，使得沖壓技術(shù)在各方面有飛躍的發(fā)展。其結(jié)果是歸納出模具設(shè)計(jì)原則，并使得壓力機(jī)械、沖壓材料、加工方法、梅具結(jié)構(gòu)、模具材料、模具制造方法、自動(dòng)化裝置等領(lǐng)域面貌一新，并向?qū)嵱没姆较蛲七M(jìn)，從而使沖壓加工從儀能生產(chǎn)優(yōu)良產(chǎn)品的第一階段。
進(jìn)入70年代向高速化、啟動(dòng)化、精密化、安全化發(fā)展的第二階段。在這個(gè)過(guò)程中不斷涌現(xiàn)各種高效率、商壽命、高精度助多功能自動(dòng)校具。其代表是多達(dá)別多個(gè)工位的級(jí)進(jìn)模和十幾個(gè)工位的多工位傳遞模。在此基礎(chǔ)上又發(fā)展出既有連續(xù)沖壓工位又有多滑塊成形工位的壓力機(jī)—彎曲機(jī)。在此期間，日本站到了世界最前列——其模具加工精度進(jìn)入了微米級(jí)，模具壽命，合金工具鋼制造的模具達(dá)到了幾千萬(wàn)次，硬質(zhì)合金鋼制造的模具達(dá)到了幾億次p每分鐘沖壓次數(shù)，小型壓力機(jī)通常為200至300次，最高為1200次至1500次。在此期間，為了適應(yīng)產(chǎn)品更新快、用期短(如汽車改型、玩具翻新等)的需要，各種經(jīng)濟(jì)型模具，如鋅落合金模具、聚氨酯橡膠模具、鋼皮沖模等也得到了很大發(fā)展。
從70年代中期至今可以說(shuō)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、輔助制造技術(shù)不斷發(fā)展的時(shí)代。隨著模具加工精度與復(fù)雜性不斷提高，生產(chǎn)周期不斷加快，模具業(yè)對(duì)設(shè)備和人員素質(zhì)的要求也不斷提高。依靠普通加工設(shè)備，憑經(jīng)驗(yàn)和手藝越來(lái)越不能滿足模具生產(chǎn)的需要。90年代以來(lái)，機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)緊密結(jié)合，發(fā)展了NC機(jī)床，如數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控電火花機(jī)床、數(shù)控銑床、數(shù)控坐標(biāo)磨床等。而采用電子計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程、控制的CNC機(jī)床提高了數(shù)控機(jī)床的使用效率和范圍。近年來(lái)又發(fā)展出由一臺(tái)計(jì)算機(jī)以分時(shí)的方式直接管理和控制一群數(shù)控機(jī)床的NNC系統(tǒng)。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)也逐步進(jìn)入模具生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，包括設(shè)計(jì)、制造、管理等。國(guó)際生產(chǎn)研究協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，到2000年，作為設(shè)計(jì)和制造之間聯(lián)系手段的圖紙將失去其主要作用。模具自動(dòng)設(shè)計(jì)的最根本點(diǎn)是必須確立模具零件標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。要擺脫過(guò)去以人的思考判斷和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)為中心所組成的設(shè)計(jì)方法，就必須把過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)和思考方法，進(jìn)行系列化、數(shù)值化、數(shù)式化，作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)中。因?yàn)槟＞邩?gòu)成元件也干差萬(wàn)別，要搞出一個(gè)能適應(yīng)各種零件的設(shè)計(jì)軟件幾乎不可能。但是有些產(chǎn)品的零件形狀變化不大，模具結(jié)構(gòu)有一定的規(guī)律，放可總結(jié)歸納，為自動(dòng)設(shè)計(jì)提供軟件。如日本某公司的CDM系統(tǒng)用于級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)與制造，其中包括零件圖形輸入、毛坯展開(kāi)、條料排樣、確定模板尺寸和標(biāo)準(zhǔn)、繪制裝配圖和零件圖、輸出NC程序(為數(shù)控加工中心和線切割編程)等，所用時(shí)間由手工的20%、工時(shí)減少到35小時(shí)；從80年代初日本就將三維的CAD／CAM系統(tǒng)用于汽車覆蓋件模具。目前，在實(shí)體件的掃描輸入，圖線和數(shù)據(jù)輸入，幾何造形、顯示、繪圖、標(biāo)注以及對(duì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)編程，產(chǎn)生效控機(jī)床控制系統(tǒng)的后置處理文件等方面已達(dá)到較高水平；計(jì)算機(jī)仿真(CAE)技術(shù)也取得了一定成果。在高層次上，CAD／CAM／CAE集成的，即數(shù)據(jù)是統(tǒng)一的，可以互相直接傳輸信息．實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。目前．國(guó)外僅有少數(shù)廠家能夠做到。
3 我國(guó)模具工業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
由于歷史原因形成的封閉式、“大而全”的企業(yè)特征，我國(guó)大部分企業(yè)均設(shè)有模具車間，處于本廠的配套地位，自70年代末才有了模具工業(yè)化和生產(chǎn)專業(yè)化這個(gè)概念。生產(chǎn)效率不高，經(jīng)濟(jì)效益較差。模具行業(yè)的生產(chǎn)小而散亂，跨行業(yè)、投資密集，專業(yè)化、商品化和技術(shù)管理水平都比較低。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)現(xiàn)有模具專業(yè)生產(chǎn)廠、產(chǎn)品廠配套的模具車間（分廠）近17000家，約60萬(wàn)從業(yè)人員，年模具總產(chǎn)值達(dá)200億元人民幣。但是，我國(guó)模具工業(yè)現(xiàn)有能力只能滿足需求量的60％左右，還不能適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。目前，國(guó)內(nèi)需要的大型、精密、復(fù)雜和長(zhǎng)壽命的模具還主要依靠進(jìn)口。據(jù)海關(guān)統(tǒng)計(jì)，1997年進(jìn)口模具價(jià)值6.3億美元，這還不包括隨設(shè)備一起進(jìn)口的模具；1997年出口模具僅為7800萬(wàn)美元。目前我國(guó)模具工業(yè)的技術(shù)水平和制造能力，是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的薄弱環(huán)節(jié)和制約經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的瓶頸。
3.1 模具工業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀
按照中國(guó)模具工業(yè)協(xié)會(huì)的劃分，我國(guó)模具基本分為10大類，其中，沖壓模和塑料成型模兩大類占主要部分。按產(chǎn)值計(jì)算，目前我國(guó)沖壓模占50％左右，塑料成形模約占20％，拉絲模（工具）約占10％，而世界上發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家和地區(qū)的塑料成形模比例一般占全部模具產(chǎn)值的40％以上。
我國(guó)沖壓模大多為簡(jiǎn)單模、單工序模和符合模等，精沖模，精密多工位級(jí)進(jìn)模還為數(shù)不多，模具平均壽命不足100萬(wàn)次，模具最高壽命達(dá)到1億次以上，精度達(dá)到3～5um，有50個(gè)以上的級(jí)進(jìn)工位，與國(guó)際上最高模具壽命6億次，平均模具壽命5000萬(wàn)次相比，處于80年代中期國(guó)際先進(jìn)水平。
我國(guó)的塑料成形模具設(shè)計(jì)，制作技術(shù)起步較晚，整體水平還較低。目前單型腔，簡(jiǎn)單型腔的模具達(dá)70％以上，仍占主導(dǎo)地位。一模多腔精密復(fù)雜的塑料注射模，多色塑料注射模已經(jīng)能初步設(shè)計(jì)和制造。模具平均壽命約為80萬(wàn)次左右，主要差距是模具零件變形大、溢邊毛刺大、表面質(zhì)量差、模具型腔沖蝕和腐蝕嚴(yán)重、模具排氣不暢和型腔易損等，注射模精度已達(dá)到5um以下，最高壽命已突破2000萬(wàn)次，型腔數(shù)量已超過(guò)100腔，達(dá)到了80年代中期至90年代初期的國(guó)際先進(jìn)水平。
3.2 模具工業(yè)技術(shù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀
我國(guó)模具工業(yè)目前技術(shù)水平參差不齊，懸殊較大。從總體上來(lái)講，與發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家及港臺(tái)地區(qū)先進(jìn)水平相比，還有較大的差距。
在采用CAD/CAM/CAE/CAPP等技術(shù)設(shè)計(jì)與制造模具方面，無(wú)論是應(yīng)用的廣泛性，還是技術(shù)水平上都存在很大的差距。在應(yīng)用CAD技術(shù)設(shè)計(jì)模具方面，僅有約10%的模具在設(shè)計(jì)中采用了CAD，距拋開(kāi)繪圖板還有漫長(zhǎng)的一段路要走；在應(yīng)用CAE進(jìn)行模具方案設(shè)計(jì)和分析計(jì)算方面，也才剛剛起步，大多還處于試用和動(dòng)畫(huà)游戲階段；在應(yīng)用CAM技術(shù)制造模具方面，一是缺乏先進(jìn)適用的制造裝備，二是現(xiàn)有的工藝設(shè)備（包括近10多年來(lái)引進(jìn)的先進(jìn)設(shè)備）或因計(jì)算機(jī)制式（IBM微機(jī)及其兼容機(jī)、HP工作站等）不同，或因字節(jié)差異、運(yùn)算速度差異、抗電磁干擾能力差異等，聯(lián)網(wǎng)率較低，只有5%左右的模具制造設(shè)備近年來(lái)才開(kāi)展這項(xiàng)工作；在應(yīng)用CAPP技術(shù)進(jìn)行工藝規(guī)劃方面，基本上處于空白狀態(tài)，需要進(jìn)行大量的標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)工作；在模具共性工藝技術(shù)，如模具快速成型技術(shù)、拋光技術(shù)、電鑄成型技術(shù)、表面處理技術(shù)等方面的CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用在我國(guó)才剛起步。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的軟件開(kāi)發(fā)，尚處于較低水平，需要知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的積累。我國(guó)大部分模具廠、車間的模具加工設(shè)備陳舊，在役期長(zhǎng)、精度差、效率低，至今仍在使用普通的鍛、車、銑、刨、鉆、磨設(shè)備加工模具，熱處理加工仍在使用鹽浴、箱式爐，操作憑工人的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)備簡(jiǎn)陋，能耗高。設(shè)備更新速度緩慢，技術(shù)改造，技術(shù)進(jìn)步力度不大。雖然近年來(lái)也引進(jìn)了不少先進(jìn)的模具加工設(shè)備，但過(guò)于分散，或不配套，利用率一般僅有25%左右，設(shè)備的一些先進(jìn)功能也未能得到充分發(fā)揮。
缺乏技術(shù)素質(zhì)較高的模具設(shè)計(jì)、制造工藝技術(shù)人員和技術(shù)工人，尤其缺乏知識(shí)面寬、知識(shí)結(jié)構(gòu)層次高的復(fù)合型人才。中國(guó)模具行業(yè)中的技術(shù)人員，只占從業(yè)人員的8%~12%左右，且技術(shù)人員和技術(shù)工人的總體技術(shù)水平也較低。1980年以前從業(yè)的技術(shù)人員和技術(shù)工人知識(shí)老化，知識(shí)結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)現(xiàn)在的需要；而80年代以后從業(yè)的人員，專業(yè)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)匱乏，動(dòng)手能力差，不安心，不愿學(xué)技術(shù)。近年來(lái)人才外流不僅造成人才數(shù)量與素質(zhì)水平下降，而且人才結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了新的斷層，青黃不接，使得模具設(shè)計(jì)、制造的技術(shù)水平難以提高。
3.3 模具工業(yè)配套材料，標(biāo)準(zhǔn)件結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀
近10多年來(lái)，特別是“八五”以來(lái)，國(guó)家有關(guān)部委已多次組織有關(guān)材料研究所、大專院校和鋼鐵企業(yè)，研究和開(kāi)發(fā)模具專用系列鋼種、模具專用硬質(zhì)合金及其他模具加工的專用工具、輔助材料等，并有所推廣。但因材料的質(zhì)量不夠穩(wěn)定，缺乏必要的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，規(guī)格品種較少，大型模具和特種模具所需的鋼材及規(guī)格還有缺口。在鋼材供應(yīng)上，解決用戶的零星用量與鋼廠的批量生產(chǎn)的供需矛盾，尚未得到有效的解決。另外，國(guó)外模具鋼材近年來(lái)相繼在國(guó)內(nèi)建立了銷售網(wǎng)點(diǎn)，但因渠道不暢、技術(shù)服務(wù)支撐薄弱及價(jià)格偏高、外匯結(jié)算制度等因素的影響，目前推廣應(yīng)用不多。
模具加工的輔助材料和專用技術(shù)近年來(lái)雖有所推廣應(yīng)用，但未形成成熟的生產(chǎn)技術(shù)，大多仍還處于試驗(yàn)摸索階段，如模具表面涂層技術(shù)、模具表面熱處理技術(shù)、模具導(dǎo)向副潤(rùn)滑技術(shù)、模具型腔傳感技術(shù)及潤(rùn)滑技術(shù)、模具去應(yīng)力技術(shù)、模具抗疲勞及防腐技術(shù)等尚未完全形成生產(chǎn)力，走向商品化。一些關(guān)鍵、重要的技術(shù)也還缺少知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)。
我國(guó)的模具標(biāo)準(zhǔn)件生產(chǎn)，80年代初才形成小規(guī)模生產(chǎn)，模具標(biāo)準(zhǔn)化程度及標(biāo)準(zhǔn)件的使用覆蓋面約占20%，從市場(chǎng)上能配到的也只有約30個(gè)品種，且僅限于中小規(guī)格。標(biāo)準(zhǔn)凸凹模、熱流道元件等剛剛開(kāi)始供應(yīng)，模架及零件生產(chǎn)供應(yīng)渠道不暢，精度和質(zhì)量也較差。
3.4 模具工業(yè)產(chǎn)業(yè)組織結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀
我國(guó)的模具工業(yè)相對(duì)較落后，至今仍不能稱其為一個(gè)獨(dú)立的行業(yè)。我國(guó)目前的模具生產(chǎn)企業(yè)可劃分為四大類：專業(yè)模具廠，專業(yè)生產(chǎn)外供模具；產(chǎn)品廠的模具分廠或車間，以供給本產(chǎn)品廠所需的模具為主要任務(wù)；三資企業(yè)的模具分廠，其組織模式與專業(yè)模具廠相類似，以小而專為主；鄉(xiāng)鎮(zhèn)模具企業(yè)，與專業(yè)模具廠相類似。其中以第一類數(shù)量最多，模具產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的70%以上。我國(guó)的模具行業(yè)管理體制分散。目前有19個(gè)大行業(yè)部門制造和使用模具，沒(méi)有統(tǒng)一管理的部門。僅靠中國(guó)模具工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)籌規(guī)劃，集中攻關(guān)，跨行業(yè)，跨部門管理困難很多。
模具適宜于中小型企業(yè)組織生產(chǎn)，而我國(guó)技術(shù)改造投資向大中型企業(yè)傾斜時(shí)，中小型模具企業(yè)的投資得不到保證。包括產(chǎn)品廠的模具車間、分廠在內(nèi)，技術(shù)改造后不能很快收回其投資，甚至負(fù)債累累，影響發(fā)展。
雖然大多數(shù)產(chǎn)品廠的模具車間、分廠技術(shù)力量強(qiáng)，設(shè)備條件較好，生產(chǎn)的模具水平也較高，但設(shè)備利用率低。
我國(guó)模具價(jià)格長(zhǎng)期以來(lái)同其價(jià)值不協(xié)調(diào)，造成模具行業(yè)“自身經(jīng)濟(jì)效益小，社會(huì)效益大”的現(xiàn)象。“干模具的不如干模具標(biāo)準(zhǔn)件的，干標(biāo)準(zhǔn)件的不如干模具帶件生產(chǎn)的。干帶件生產(chǎn)的不如用模具加工產(chǎn)品的”之類不正?，F(xiàn)象存在。
4 模具的發(fā)展趨勢(shì)
4.1 模具CAD/CAE/CAM正向集成化、三維化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展
（1）模具軟件功能集成化
模具軟件功能的集成化要求軟件的功能模塊比較齊全，同時(shí)各功能模塊采用同一數(shù)據(jù)模型，以實(shí)現(xiàn)信息的綜合管理與共享，從而支持模具設(shè)計(jì)、制造、裝配、檢驗(yàn)、測(cè)試及生產(chǎn)管理的全過(guò)程，達(dá)到實(shí)現(xiàn)最佳效益的目的。如英國(guó)Delcam公司的系列化軟件就包括了曲面/實(shí)體幾何造型、復(fù)雜形體工程制圖、工業(yè)設(shè)計(jì)高級(jí)渲染、塑料模設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)、復(fù)雜形體CAM、藝術(shù)造型及雕刻自動(dòng)編程系統(tǒng)、逆向工程系統(tǒng)及復(fù)雜形體在線測(cè)量系統(tǒng)等。集成化程度較高的軟件還包括：Pro/ENGINEER、UG和CATIA等。國(guó)內(nèi)有上海交通大學(xué)金屬塑性成型有限元分析系統(tǒng)和沖裁模CAD/CAM系統(tǒng)；北京北航海爾軟件有限公司的CAXA系列軟件；吉林金網(wǎng)格模具工程研究中心的沖壓模CAD/CAE/CAM系統(tǒng)等。
（2）模具設(shè)計(jì)、分析及制造的三維化
傳統(tǒng)的二維模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已越來(lái)越不適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)和集成化技術(shù)要求。模具設(shè)計(jì)、分析、制造的三維化、無(wú)紙化要求新一代模具軟件以立體的、直觀的感覺(jué)來(lái)設(shè)計(jì)模具，所采用的三維數(shù)字化模型能方便地用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的CAE分析、模具可制造性評(píng)價(jià)和數(shù)控加工、成形過(guò)程模擬及信息的管理與共享。如Pro/ENGINEER、UG和CATIA等軟件具備參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)等特點(diǎn)，從而使模具并行工程成為可能。另外，Cimatran公司的Moldexpert，Delcam公司的Ps-mold及日立造船的Space-E/mold均是3D專業(yè)注塑模設(shè)計(jì)軟件，可進(jìn)行交互式3D型腔、型芯設(shè)計(jì)、模架配置及典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。澳大利亞Moldflow公司的三維真實(shí)感流動(dòng)模擬軟件MoldflowAdvisers已經(jīng)受到用戶廣泛的好評(píng)和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)有華中理工大學(xué)研制的同類軟件HSC3D4.5F及鄭州工業(yè)大學(xué)的Z-mold軟件。面向制造、基于知識(shí)的智能化功能是衡量模具軟件先進(jìn)性和實(shí)用性的重要標(biāo)志之一。如Cimatron公司的注塑模專家軟件能根據(jù)脫模方向自動(dòng)產(chǎn)生分型線和分型面，生成與制品相對(duì)應(yīng)的型芯和型腔，實(shí)現(xiàn)模架零件的全相關(guān)，自動(dòng)產(chǎn)生材料明細(xì)表和供NC加工的鉆孔表格，并能進(jìn)行智能化加工參數(shù)設(shè)定、加工結(jié)果校驗(yàn)等。
（3）模具軟件應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)化趨勢(shì)
隨著模具在企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)、合作、生產(chǎn)和管理等方面的全球化、國(guó)際化，以及計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)使得在模具行業(yè)應(yīng)用虛擬設(shè)計(jì)、敏捷制造技術(shù)既有必要，也有可能。美國(guó)在其《21世紀(jì)制造企業(yè)戰(zhàn)略》中指出，到2006年要實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)敏捷生產(chǎn)/虛擬工程方案，使汽車開(kāi)發(fā)周期從40個(gè)月縮短到4個(gè)月。
4.2 模具檢測(cè)、加工設(shè)備向精密、高效和多功能方向發(fā)展
（1）模具檢測(cè)設(shè)備的日益精密、高效
精密、復(fù)雜、大型模具的發(fā)展，對(duì)檢測(cè)設(shè)備的要求越來(lái)越高?，F(xiàn)在精密模具的精度已達(dá)2～3μm，目前國(guó)內(nèi)廠家使用較多的有意大利、美國(guó)、日本等國(guó)的高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，并具有數(shù)字化掃描功能。如東風(fēng)汽車模具廠不僅擁有意大利產(chǎn)3250mm×3250mm三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，還擁有數(shù)碼攝影光學(xué)掃描儀，率先在國(guó)內(nèi)采用數(shù)碼攝影、光學(xué)掃描作為空間三維信息的獲得手段，從而實(shí)現(xiàn)了從測(cè)量實(shí)物→建立數(shù)學(xué)模型→輸出工程圖紙→模具制造全過(guò)程，成功實(shí)現(xiàn)了逆向工程技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。這方面的設(shè)備還包括：英國(guó)雷尼紹公司第二代高速掃描儀(CYCLON SERIES2)可實(shí)現(xiàn)激光測(cè)頭和接觸式測(cè)頭優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，激光掃描精度為0.05mm，接觸式測(cè)頭掃描精度達(dá)0.02mm。另外德國(guó)GOM公司的ATOS便攜式掃描儀，日本羅蘭公司的PIX-30、PIX-4臺(tái)式掃描儀和英國(guó)泰勒·霍普森公司TALYSCAN150多傳感三維掃描儀分別具有高速化、廉價(jià)化和功能復(fù)合化等特點(diǎn)。
（2）數(shù)控電火花加工機(jī)床
日本沙迪克公司采用直線電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)的AQ325L、AQ550LLS-WEDM具有驅(qū)動(dòng)反應(yīng)快、傳動(dòng)及定位精度高、熱變形小等優(yōu)點(diǎn)。瑞士夏米爾公司的NCEDM具有P-E3自適應(yīng)控制、PCE能量控制及自動(dòng)編程專家系統(tǒng)。另外有些EDM還采用了混粉加工工藝、微精加工脈沖電源及模糊控制(FC)等技術(shù)。
（3）高速銑削機(jī)床(HSM)
銑削加工是型腔模具加工的重要手段。而高速銑削具有工件溫升低、切削力小、加工平穩(wěn)、加工質(zhì)量好、加工效率高(為普通銑削加工的5～10倍)及可加工硬材料(<60HRC)等諸多優(yōu)點(diǎn)。因而在模具加工中日益受到重視。瑞士克朗公司UCP710型五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，其機(jī)床定位精度可達(dá)8μm，自制的具有矢量閉環(huán)控制電主軸，最大轉(zhuǎn)速為42000r/min。意大利RAMBAUDI公司的高速銑床，其加工范圍達(dá)2500mm×5000mm×1800mm，轉(zhuǎn)速達(dá)20500r/min，切削進(jìn)給速度達(dá)20m/min。HSM一般主要用于大、中型模具加工，如汽車覆蓋件模具、壓鑄模、大型塑料等曲面加工，其曲面加工精度可達(dá)0.01mm。
4.3 快速經(jīng)濟(jì)制模技術(shù)
縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期是贏得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的有效手段之一。與傳統(tǒng)模具加工技術(shù)相比，快速經(jīng)濟(jì)制模技術(shù)具有制模周期短、成本較低的特點(diǎn)，精度和壽命又能滿足生產(chǎn)需求，是綜合經(jīng)濟(jì)效益比較顯著的模具制造技術(shù)，具體主要有以下一些技術(shù)?！?
(1)快速原型制造技術(shù)(RPM)。它包括激光立體光刻技術(shù)(SLA) ；疊層輪廓制造技術(shù)(LOM) ；激光粉末選區(qū)燒結(jié)成形技術(shù)(SLS) ；熔融沉積成形技術(shù)(FDM) 和三維印刷成形技術(shù)(3D-P)等。
(2) 表面成形制模技術(shù)。它是指利用噴涂、電鑄和化學(xué)腐蝕等新的工藝方法形成型腔表面及精細(xì)花紋的一種工藝技術(shù)。
(3) 澆鑄成形制模技術(shù)。主要有鉍錫合金制模技術(shù)、鋅基合金制模技術(shù)、樹(shù)脂復(fù)合成形模具技術(shù)及硅橡膠制模技術(shù)等。
(4) 冷擠壓及超塑成形制模技術(shù)。
(5) 無(wú)模多點(diǎn)成形技術(shù)。
(6) KEVRON鋼帶沖裁落料制模技術(shù)。
(7) 模具毛坯快速制造技術(shù)。主要有干砂實(shí)型鑄造、負(fù)壓實(shí)型鑄造、樹(shù)脂砂實(shí)型鑄造及失蠟精鑄等技術(shù)。
(8)其他方面技術(shù)。如采用氮?dú)鈴椈蓧哼叀⑿读?、快速換模技術(shù)、沖壓?jiǎn)卧M合技術(shù)、刃口堆焊技術(shù)及實(shí)型鑄造沖模刃口鑲塊技術(shù)等。
4.4 模具材料及表面處理技術(shù)發(fā)展迅速
模具工業(yè)要上水平，材料應(yīng)用是關(guān)鍵。因選材和用材不當(dāng)，致使模具過(guò)早失效，大約占失效模具的45%以上。在模具材料方面，常用冷作模具鋼有CrWMn、Cr12、Cr12MoV和W6Mo5Cr4V2，火焰淬火鋼(如日本的AUX2、SX105V(7CrSiMnMoV)等；常用新型熱作模具鋼有美國(guó)H13、瑞典QRO80M、QRO90SUPREME等；常用塑料模具用鋼有預(yù)硬鋼(如美國(guó)P20)、時(shí)效硬化型鋼(如美國(guó)P21、日本NAK55等)、熱處理硬化型鋼(如美國(guó)D2，日本PD613、PD555、瑞典一勝白136等)、粉末模具鋼(如日本KAD18和KAS440)等；覆蓋件拉延模常用HT300、QT60-2、Mo-Cr、Mo-V鑄鐵等，大型模架用HT250。多工位精密沖模常采用鋼結(jié)硬質(zhì)合金及硬質(zhì)合金YG20等。在模具表面處理方面，其主要趨勢(shì)是：由滲入單一元素向多元素共滲、復(fù)合滲(如TD法)發(fā)展；由一般擴(kuò)散向CVD、PVD、PCVD、離子滲入、離子注入等方向發(fā)展；可采用的鍍膜有：TiC、TiN、TiCN、TiAlN、CrN、Cr7C3、W2C等，同時(shí)熱處理手段由大氣熱處理向真空熱處理發(fā)展。另外，目前對(duì)激光強(qiáng)化、輝光離子氮化技術(shù)及電鍍(刷鍍)防腐強(qiáng)化等技術(shù)也日益受到重視。
4.5 模具工業(yè)新工藝、新理念和新模式逐步得到了認(rèn)同
在成形工藝方面，主要有沖壓模具功能復(fù)合化、超塑性成形、塑性精密成形技術(shù)、塑料模氣體輔助注射技術(shù)及熱流道技術(shù)、高壓注射成形技術(shù)等。另一方面，隨著先進(jìn)制造技術(shù)的不斷發(fā)展和模具行業(yè)整體水平的提高，在模具行業(yè)出現(xiàn)了一些新的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理理念與模式。具體主要有：適應(yīng)模具單件生產(chǎn)特點(diǎn)的柔性制造技術(shù)；創(chuàng)造最佳管理和效益的團(tuán)隊(duì)精神，精益生產(chǎn)；提高快速應(yīng)變能力的并行工程、虛擬制造及全球敏捷制造、網(wǎng)絡(luò)制造等新的生產(chǎn)哲理；廣泛采用標(biāo)準(zhǔn)件通用件的分工協(xié)作生產(chǎn)模式；適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保要求的綠色設(shè)計(jì)與制造等。
5 綜合仿真的成型過(guò)程
5.1 方法
為了在注塑成型過(guò)程中模擬立體光照模具的功能，反復(fù)的試驗(yàn)中得到了一個(gè)方法。不同的軟件組已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)了，而且也已經(jīng)做到了這一點(diǎn)。主要的假設(shè)是，溫度和負(fù)載邊界條件造成立體光照模具的扭曲，仿真步驟如下：
?。辈糠謳缀文Ｐ蛣t作為一個(gè)實(shí)體模型，這將通過(guò)流量分析軟件包被翻譯到一個(gè)文件中。
２模擬光聚合物模具中熔融體填充的過(guò)程，然后輸出溫度和壓力的資料。
?。吃谇耙徊将@得了熱負(fù)荷和邊界條件，然后對(duì)光模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，其中失真的計(jì)算是在該注塑過(guò)程中進(jìn)行的。
?。慈绻＞叩呐で諗苛耍敲粗苯舆M(jìn)行下一步．否則，扭曲的型腔（改動(dòng)扭曲后的型腔的尺寸）返回第二個(gè)步驟，以熔體形式模擬注入扭曲的模具中。
?。等缓笞⑸涑尚土慵氖湛s和翹曲模擬就開(kāi)始應(yīng)用了，算出該成型零件最終的扭曲部分．
上述的模擬流動(dòng)中，基本上是三個(gè)仿真模塊。
5.2充型模擬的熔體
5.2.1數(shù)字建模
計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)能成功的預(yù)測(cè)到在極其復(fù)雜的幾何形狀下的填充情況。然而，目前大多數(shù)字模擬是基于一種混合有限元和有限差的中性平面上的。模擬軟件包的應(yīng)用過(guò)程基于這一模型說(shuō)明圖１。然而，不同與ＣＡＤ系統(tǒng)中模具設(shè)計(jì)中的表面／實(shí)體模型，這里所謂的中性平面（如圖所示，圖１Ｂ）是一個(gè)假想的在中間型腔中有距離和方向的一個(gè)平面，這個(gè)平面可能會(huì)在應(yīng)用的過(guò)程中帶來(lái)很大的不便。舉例來(lái)說(shuō)，模具表面常用于目前的快速成型系統(tǒng)中（通常是ＳＴＬ格式），所以當(dāng)用模擬軟件包的時(shí)候，第二次建模是不可避免的。那是因?yàn)槟Ｐ驮诳焖俪尚拖到y(tǒng)和仿真系統(tǒng)中是不一樣的?？紤]到這些缺點(diǎn)，在模擬系統(tǒng)中，型腔的表面將以基準(zhǔn)面來(lái)引入，而不是中性平面。
根據(jù)以往的調(diào)查，流量和溫度場(chǎng)的方程式可以寫為：
X,Y是中性平面坐標(biāo)系中的兩個(gè)平面，Ｚ是高度坐標(biāo)，Ｕ，Ｖ，Ｗ是Ｘ，Ｙ，Ｚ方向上的速度．Ｕ，Ｖ是整體的平均厚度，η, ρ,CP (T), K(T)分別表示聚合物的粘性，密度，周期熱，熱導(dǎo)率。
圖１ Ａ－Ｄ是中性平面的模擬程序．Ａ是３維表面模型，Ｂ是中性平面模型，Ｃ是網(wǎng)狀的平面模型，Ｄ是最后的模擬結(jié)果
此外，在高度方向上的邊界條件的誤差可以表示為：
正如圖２中的Ａ中表示，TW 是恒壁溫度.結(jié)合方程１－４和方程５－６，表明了u, v, T, P在Ｚ坐標(biāo)上面應(yīng)該是對(duì)稱的，因此在上半個(gè)高度中的平均u, v應(yīng)該和整個(gè)高度中的平均u, v是一樣的。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，我們可以把整個(gè)型腔在上下高度上分為兩個(gè)部分，正如圖２Ｂ中的第一部分和第二部分。同時(shí)，型腔（如圖２Ｂ）表面產(chǎn)生的三角有限元將替代了中性平面（如圖２Ａ）。因此，在高度方向上的有限元誤差僅僅限于型腔表面，正如圖２Ｂ所示，高度上的誤差將從０到Ｂ。這是中性平面上的單一性。此外，從圖２Ａ到圖２Ｂ，坐標(biāo)也隨之改變了。為了配合上述調(diào)整，方程仍是用方程１－４。然而，原來(lái)的邊界條件高度方向則改寫為：
與此同時(shí)，為了保持在同一坐標(biāo)（７）上的兩部分能夠流動(dòng)，那么更多的邊界條件必須滿足Ｚ＝Ｂ。
下標(biāo)I和II則分別代表第一部分和第二部分的參數(shù)．Cm-I 和Cm-II 則表示在填充階段中分開(kāi)的兩個(gè)表面上的自由移動(dòng)的熔融線。
應(yīng)該指出的是，方程９與１０和方程７與８不同，９和１０在數(shù)字模擬過(guò)程中將變的更難，主要原因是以下幾點(diǎn)：
１)同一個(gè)斷層的表面都已經(jīng)都已經(jīng)有著特殊的網(wǎng)格，這將導(dǎo)致同一層上的獨(dú)特的格局．因此，在比較兩個(gè)熔接口的時(shí)候，應(yīng)該計(jì)算出各自的u, v, T, P。
２)因?yàn)閮蓚€(gè)部分都有各自的流道通向節(jié)點(diǎn)Ａ和節(jié)點(diǎn)Ｃ（如圖２Ｂ所示）．在同一段中，有可能兩個(gè)都充滿，也有可能一個(gè)滿，一個(gè)空．這兩個(gè)情況應(yīng)該分開(kāi)處理，應(yīng)該平均流動(dòng)，使后者也分配到流動(dòng)。
３)這意味著在前線熔合處出現(xiàn)一點(diǎn)點(diǎn)小的誤差是可以允許的．通過(guò)控制時(shí)間和選擇更好的位置來(lái)控制前線熔合節(jié)點(diǎn)。
４)每個(gè)流場(chǎng)的邊界都擴(kuò)張到熔線前線，所以核查方程１０是否準(zhǔn)確是相當(dāng)重要的。
５)鑒于上述分析，在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)處的物理參數(shù)應(yīng)該加以比較和調(diào)整。所以在進(jìn)行模擬之前，描述同一節(jié)點(diǎn)有限元的信息應(yīng)該準(zhǔn)備好，也就是說(shuō)匹配的原理應(yīng)該先預(yù)備好。
圖２ Ａ－Ｂ表明表面模型中的中性平面Ｂ的高度方向Ａ上的邊界條件
5.2.2 數(shù)字模擬
壓力場(chǎng)．在建模中，粘度 η是由于熔提的剪切速率，溫度和壓力引起的性能．剪切變稀后，這就代表一個(gè)跨越式的模式，例如：
其中對(duì)應(yīng)于冪律指數(shù)，τ的特點(diǎn)是在在牛頓和冪律漸近極限之間的剪應(yīng)力過(guò)渡區(qū)。無(wú)論在溫度還是壓力指數(shù)上，η0(T, P)都可以有合理的表示，詳情如下：
方程11和12構(gòu)成了一個(gè)五個(gè)常數(shù)，可以代表粘度，而且通過(guò)粘度的剪切速率的計(jì)算可以得到：
根據(jù)上述情況，通過(guò)方程1—4，我們可以推斷出一下充氣壓力方程：
其中S是由計(jì)算出來(lái)的。運(yùn)用伽遼金方法，對(duì)壓力的有限元方程推導(dǎo)為：
其中l(wèi)是所有要素的的導(dǎo)線，包括節(jié)點(diǎn)N，而且其中i和j代表此處的N節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，的計(jì)算方法如下：
其中代表三角有限元，而代表有限元中的壓力。
溫度場(chǎng)中，為了確定高度方向上的誤差，應(yīng)該在模具表面上分為一層一層的三角有限元的網(wǎng)格。左邊的能量方程4可以表示為：
其中代表每一層N節(jié)點(diǎn)上的溫度。熱傳導(dǎo)的計(jì)算方法是：
其中l(wèi)是所有要素，包括節(jié)點(diǎn)N，而且i和j分別代表此處的N節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。
對(duì)流項(xiàng)的計(jì)算方法是：
當(dāng)是粘性熱時(shí)，計(jì)算方法是：
把方程17—20帶入方程4，溫度方程變?yōu)椋?
5.3 模具結(jié)構(gòu)分析
結(jié)構(gòu)分析的目的是預(yù)測(cè)在填充過(guò)程中，模具由于熱和機(jī)械壓力而產(chǎn)生的變形。這個(gè)模型是基于一個(gè)三維熱邊界元法。邊界元法是比較適合這個(gè)應(yīng)用的，因?yàn)橹挥凶冃蔚哪＞弑砻娌庞羞@樣的信息。此外，邊界元法有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是在計(jì)算變形的模具的時(shí)候，它的計(jì)算是不會(huì)白費(fèi)的。
模具在所受載荷超過(guò)彈性范圍的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。因此，在決定模具變形的時(shí)候，模具材料是一個(gè)基準(zhǔn)。模具的熱性能和力學(xué)性能是各向同性的，而且溫度也是獨(dú)立的。
盡管這個(gè)過(guò)程是循環(huán)的，但是相同時(shí)間的溫度和熱流都是可以用于計(jì)算模具變形的．通常情況下，在模具里面每個(gè)瞬間溫度都局限于型腔的表面和噴嘴的頂端。在觀察距離的時(shí)候，瞬間的衰減變化是很微笑的，小于２．５毫米．這說(shuō)明在模具的噴嘴處的變形是很小的，因此，忽略這個(gè)影響也是合理的．穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)滿足拉普拉斯方程?2T = 0的邊界條件。至于機(jī)械邊界條件，型腔表面受到熔體的壓力，模具的表面會(huì)連接到工作臺(tái)上的，而其他的外部表面將會(huì)假設(shè)是自由的.熱邊界的推導(dǎo)方程１０是大家都知道的，這是由于：
其中uk, pk和Ｔ分別是位移，牽引力和溫度。α, ν是代表材料的膨脹系數(shù)和泊松比。Ulk是在ＸＹ方向上基本的位移。在一個(gè)三維空間中，各向同性彈性區(qū)域中，由一個(gè)單元產(chǎn)生的負(fù)荷主要集中在xl方向上，它是以下面的形式產(chǎn)生的：
其中δlk是Kronecker三角函數(shù)，μ是該模具材料的剪切模量。Plk的基本收縮都是在模具表面的每個(gè)Ｎ節(jié)點(diǎn)處測(cè)量的，可以表示為：
整個(gè)Ｎ將分散在模具的表面上，轉(zhuǎn)變?yōu)榉匠蹋玻玻?
其中Γn是指在這個(gè)區(qū)域上的表面成分。
把恰當(dāng)?shù)木€性函數(shù)代入方程２５，得到的線性邊界方程就是模具的方程．這個(gè)方程適用于每個(gè)離散的模具表面，從而組合成線性方程組，其中Ｎ是節(jié)點(diǎn)的總數(shù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有八個(gè)相關(guān)數(shù)量，三個(gè)位移組成部分，三個(gè)牽引組成部分，還有溫度和熱流量。在穩(wěn)態(tài)熱模型中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的溫度和磁場(chǎng)是已知的，余下的６個(gè)量中，三個(gè)必須是已知的。此外，在若干個(gè)節(jié)點(diǎn)處的位移值的方程必須消除剛體運(yùn)動(dòng)和剛體自轉(zhuǎn)的奇異系統(tǒng)。由此產(chǎn)生的系統(tǒng)方程式是一個(gè)集合起來(lái)的綜合矩陣，它可以為有限元方法求解。
基于方程１２的注塑假設(shè)，下面將給出元件的應(yīng)力和應(yīng)變：
該偏元件的應(yīng)力和應(yīng)變分別是：
用類似的方法可以預(yù)測(cè)在回火玻璃中的殘余應(yīng)力了。以積分的形式在平面上分析粘性和彈性結(jié)構(gòu)關(guān)系時(shí)，可以表示為以下公式：
其中G1是材料的的剪切模量。擴(kuò)張的應(yīng)變的情況如下：
其中Ｋ是材料體積的彈性模量，α和θ的定義是：
如果α(t) = α0，那么方程２７到方程２９的結(jié)果則為：
同樣的，利用方程３１到方程２８消除應(yīng)變?chǔ)舩x(z, t)，得到：
利用拉普拉斯變化方程３２，輔助系數(shù)R(ξ)由下面的方程得出：
利用上述方程３３，并簡(jiǎn)化在模具中的應(yīng)力和應(yīng)變的形式，那么注塑中殘余的應(yīng)力在冷卻階段中，由下面的方程獲得：
方程３４可以通過(guò)梯形正交被解決。由于材料的時(shí)間在快速的變化，所以需要一個(gè)準(zhǔn)數(shù)控程序來(lái)檢測(cè)。輔助模量是檢測(cè)數(shù)控梯形的規(guī)則。
關(guān)于翹曲分析，節(jié)點(diǎn)位移和曲率將以殼單元表達(dá)為：
其中[ k ]單元?jiǎng)偠染仃?，[Be]是衍生算子矩陣，n0bbjwn是位移，{re}是 負(fù)載單元，可以由下面的方程得出：
使用完整的三維有限元分析法的好處就是可以準(zhǔn)確知道翹曲的結(jié)果。但是，當(dāng)零件的形狀很復(fù)雜的時(shí)候，它也是相當(dāng)麻煩的。在本文中，在殼體理論基礎(chǔ)上介紹了一種二維有限元分析方法。這種方法被大量使用是因?yàn)榇蠖鄶?shù)注塑模具的零件都有一些部分幾何的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他部分。因此，那些部分則可以被作為一個(gè)集會(huì)的單元來(lái)預(yù)測(cè)翹曲。每三個(gè)節(jié)點(diǎn)殼單元組合成一個(gè)恒應(yīng)變?nèi)菃卧鸵粋€(gè)離散克希霍夫三角元，如圖３所示，因此翹曲可以分為平面伸展變形ＣＳＴ和板彎曲變形ＤＫＴ。并相應(yīng)的以單元?jiǎng)偠染仃噥?lái)描述翹曲的拉伸剛度矩陣和彎曲剛度矩陣。
圖３ a-c是殼單元在局部坐標(biāo)系統(tǒng)里的變形分解．a(chǎn)是平面伸展元素，b是平面彎曲元素，c是殼單元
6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
對(duì)提出的模型進(jìn)行了評(píng)定和發(fā)展，最后核查是非常重要的。從模型模擬中得到的扭曲數(shù)據(jù)將和文獻(xiàn)８中的立體光照模具數(shù)據(jù)比較。如圖４所示，有一個(gè)注塑尺寸36 × 36 × 6毫米和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中是相同的。薄壁和加強(qiáng)筋的厚度都是1.5毫米，這個(gè)注塑材料是聚丙烯。注塑機(jī)的型號(hào)是ARGURY Hydronica320-210-750，它的工藝參數(shù)是，熔解溫度是２５０度，模具溫度是３０度，注塑壓力是１３.７９帕，保壓時(shí)間是３秒，冷卻時(shí)間是４８秒。立體光照模具材料使用杜邦SOMOSTM６１１０樹(shù)脂，能抵御高達(dá)３００度的高溫。如上所述，熱傳導(dǎo)是區(qū)分立體光照模具和傳統(tǒng)模具的一個(gè)重要因素。模具中的熱量轉(zhuǎn)移會(huì)產(chǎn)生溫度的不均勻分布，所以導(dǎo)致了成型零件的翹曲．立體光照成型模具的周期是可以預(yù)測(cè)的。以高的熱傳導(dǎo)率金屬為背面做的薄殼立體光照模具將會(huì)增加自身的熱傳導(dǎo)率。
圖４ 模型腔
圖５ 不同的熱傳導(dǎo)率下，在Ｘ方向上的扭曲失真比較．實(shí)驗(yàn)值，三步走和常規(guī)都是指最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果．常規(guī)是指實(shí)驗(yàn)中最好的結(jié)果．三步走步驟的模擬過(guò)程分別與傳統(tǒng)的注塑成型相似
圖６ 在不同的熱傳導(dǎo)率下，在Ｙ方向上的扭曲失真比較
圖７ 在不同熱傳導(dǎo)率下，在Ｚ方向上扭曲失真比較
圖８ 不同熱傳導(dǎo)率下各個(gè)捻度變量的比較
對(duì)于這個(gè)部分，扭曲包括三個(gè)方向上的位移和捻度（兩個(gè)最初的平行邊的夾角的誤差）．如圖５到圖８，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些數(shù)值也包括通過(guò)傳統(tǒng)注塑模具模擬系統(tǒng)預(yù)測(cè)的扭曲值和報(bào)道［３］中的三步驟。
7 結(jié)論
本文介紹了一個(gè)綜合模擬的快速成型模具的方法，并且建立了相應(yīng)的仿真系統(tǒng)。為了驗(yàn)證這個(gè)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)還進(jìn)行了快速焊接立體光照成型模具。
很明顯，立體光照模具也會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)的注塑模具模擬軟件一樣的故障．假設(shè)由于注射中的溫度和負(fù)載荷引起了扭曲．那么用三步驟完成的話，結(jié)果也會(huì)出現(xiàn)比較多的誤差。不過(guò)更先進(jìn)的模型會(huì)使結(jié)果更接近與實(shí)驗(yàn)。
立體光照模具改進(jìn)了熱傳導(dǎo)率極大的增加了零件質(zhì)量．由于溫度比壓力（負(fù)載）對(duì)模具的影響更大，所以改進(jìn)立體光照模具的熱傳導(dǎo)率可以更顯著的提高零件質(zhì)量。
無(wú)論零件多么復(fù)雜，快速成型技術(shù)可以使人們?cè)煨透?，更便捷，更便宜．在快速成型穩(wěn)步發(fā)展的基礎(chǔ)上，快速制造也將隨之而來(lái)，并且需要更多的精確工具來(lái)確定工藝過(guò)程的參數(shù)．現(xiàn)行的模擬工具不能滿足研究者研究模具相對(duì)的變化。正如本文中所述，對(duì)于一個(gè)綜合模型來(lái)說(shuō)，要預(yù)測(cè)最后零件質(zhì)量是相當(dāng)重要的。在不久的將來(lái)，我們期待看到通過(guò)快速成型擴(kuò)展到快速模具制造的模擬程序。
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