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注射成型CAD/CAE/CAM集成系統(tǒng)
中國(guó)，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(zhǎng)的一段時(shí)間里，經(jīng)驗(yàn)、直覺(jué)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(lái)越低效且其成本也越來(lái)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(wèn)題已通過(guò)結(jié)合CAD/CAE/CAM的最新技術(shù)進(jìn)展成功的解決了。
近年來(lái)越來(lái)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(guó)家，如美國(guó)AC一Teeh公司的C一M3.1，德國(guó)IKV公司開(kāi)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(kāi)發(fā)的二維流動(dòng)軟件。通過(guò)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(lái)中國(guó)的注射成型CAD/CAE/CAM技術(shù)已取得了飛速發(fā)展. 我國(guó)作為這一領(lǐng)域的先驅(qū)，已經(jīng)學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)注射成型CAD/CAE/CAM技術(shù)多年。 通過(guò)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(yǔ)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(guò)控制面板命令顯示在屏幕上的菜單來(lái)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
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(lái)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(guò)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(lái)作為為模具設(shè)計(jì)和模擬用。
一種由中國(guó)人民共和國(guó)機(jī)電部發(fā)出的包含10種模具標(biāo)準(zhǔn)件套的據(jù)庫(kù)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(kù)中。一旦腔布局確定，所有的標(biāo)準(zhǔn)模具零件可以通過(guò)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(wú)線電廠生產(chǎn)的彩電開(kāi)關(guān)插座的模具裝配圖。
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(guò)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(guò)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(kù)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(xiě)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(lái)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(kāi)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(guò)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(lái)獲得。
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(guò)將經(jīng)典赫爾蕭流擴(kuò)展至非彈性流體中來(lái)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＞逜、B板的厚度小的多，故在解決此問(wèn)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(guò)程中，平面統(tǒng)籌以有限元法來(lái)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(lái)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(guò)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(guò)改變澆口的數(shù)量和位置來(lái)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?；诜€(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(guò)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。
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(pán)是通過(guò)使用后置處理來(lái)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(guó)工廠通過(guò)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(lái)越廣泛了。
References
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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
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