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畢業(yè)設計（論文）譯文
· 一種面向對象的注塑模關聯(lián)冷卻水道設計工具
摘要 為了短期產品研發(fā)周期的需求，要求注塑模具設計師壓縮他們的設計時間和能適應更多的后期更改。本文介紹了一種嵌入在冷卻水道模塊內的模具設計軟件包內的關聯(lián)設計方法。它對冷卻回路提供了一系列全面的對象定義，還給出了平衡或不平衡的設計。這里將對已開發(fā)出的CAD算法進行了簡要說明。有了這種新方法，模具設計人員可以輕松地在模具板或插件與冷卻系統(tǒng)兩者之間做出改變而無需進行繁瑣的重復性工作。因此，這種方法可以有效地減少設計時間和后期設計更改的影響。
關鍵詞：冷卻回路 塑料模具設計 CAD/CAE關聯(lián)設計 設計自動化
·1．引言
目前，大多數CAD系統(tǒng)還無法完全和明確地捕捉設計意圖。豐富的設計信息不能完全由CAD模型來描述，并在產品開發(fā)周期的后期的設計更改將引起大量的重復勞動。眾所周知，CAD的交互操作性應包括基于知識的工程系統(tǒng)的集成。然而，沒有任何機械能使設計意圖信息流通。在注塑模具設計中這種信息差距也是非常明顯的。模具設計人員面臨著越來越多的壓力來減少設計時間并且還要確保模具質量。
自20世紀70年代初以來各種設計注塑模具的CAD已經出現了，其中大部分集中在模流分析及優(yōu)化算法。近年來，模具子系統(tǒng)的設計一直是（研究）的焦點，例如凸凹模插件、流道、澆口位置和冷卻系統(tǒng)等。對于冷卻系統(tǒng)的設計王等﹝11﹞提出了一個三階段的策略，與一維近似、二維優(yōu)化設計、三維設計冷卻效果分析設計。他們已經開發(fā)出一種程序，使用三維邊界元法來分析三維熱傳導。所有上述提到的工具只能生成一般的幾何信息。豐富設計信息的表達和重復利用不同程度地沒有提到。
面向對象的軟件技術已經應用來滿足模具設計信息表示的差距。在復雜實體中對象的定義可以提供大量的幫助，特別是部分獨立部件和特征。然而，維持幾何實體之間的關系并使它們可定制還不是一個簡單的任務?？梢猿志脤崿F幾何實體之間關系的CAD軟件發(fā)展方向被稱為相關設計方法。一種方法是在一個過程向導中建立一個CAD系統(tǒng)的設計意圖和過程知識，它基本上是一個應用程序的測試與用戶界面的設置結合，來引導用戶完成特定的計算機系統(tǒng)的相互作用構成。EDS公司的MouldWizard系統(tǒng)就是這樣一個基于流程的向導。本文介紹了應用于冷卻水道的相關設計方法的市場反饋，表明這一概念大大減少了人類知識和計算機一貫表示的差距。
在一個模具中冷卻系統(tǒng)不僅影響成型零件的質量而且還影響生產效率。在目前的實際生產中，在一套模具中至少有四個主要的冷卻回路。它們都位于型腔插件，插件的型芯，一個A板和B板。王和Singh等認識到，在設計冷卻系統(tǒng)中有很多參數和設計變量，如位置、冷卻管道類型和三維回路布局，通常需要頻繁的修改來解決部分后期設計中的變更以及模具的優(yōu)化設計。修改過程耗時且容易出錯，因為設計師需反復編輯和更新CAD模型。莫克等開發(fā)了可以自動檢索某些回路模式的冷卻系統(tǒng)，如直線型或U型冷卻回路，但對實體之間的幾何關系沒有論述。莫克等引入了一種冷卻系統(tǒng)的專家設計系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括了四個層次，布局設計、分析、評價和決策。一種決策模塊根據儲存在知識庫中的規(guī)則對冷卻水道的重新設計進行了評估。然而，沒有綜合與參數化的CAD系統(tǒng)。
總之，高效率和用戶友好型的冷卻系統(tǒng)設計工具是備受追捧的，這樣的系統(tǒng)可以達到令模具設計師從繁瑣的更新和保持設計模型一致中得到解放的預期，使模具設計周期的總時間縮短。本文介紹了提供冷卻和它們之間的散熱孔面回路所產生大量的相關鏈接的自動化的冷卻水道的設計工具。
1.1通用與把握設計意圖的相關問題
在工業(yè)生產中，通常冷卻水道是以冷卻回路的形式構成的，但孔特征作為CAD工具的代表。另一方面，經驗豐富的設計人員發(fā)現經常用圓柱體來代替冷卻水道。在后一種方法中當設計完成時所有的管道都連接起來形成一個冷卻回路。在CAE分析工具的幫助下用這種連接回路能對冷卻效果進行評估。這些不能轉化為孔直到設計工作完成的回路是為CAM工具路徑的產生做準備的。用這樣的表現形式，一個CAD系統(tǒng)可以顯示或繪制自視檢查的冷卻水道，而不顯示凸模或凹模插件和模具板的細節(jié)特征。與孔特征相比重新定位和修改實體需要更少的步驟。它能自動檢測冷卻水道和其它模塊之間的功能如型腔和銷孔碰撞。
然而，圓柱體冷卻水道的代表形式有幾個問題。首先，許多步驟仍需要一個簡單的通道，如創(chuàng)建一個圓柱體，在一個情況下的倒角中的盲孔盲端，并通過一系列的對話方塊的位置和朝向運行。通常，冷卻回路有很多的管道，所以它們的創(chuàng)建需要很多的重復命令。當需要修改時要再次對圓柱進行重復編輯。這種情況很容易出錯。其次，在冷卻水道中對自動傳熱分析或碰撞檢測是很重要的。第三，在用戶友好的操作方式中它們不能為插頭噴嘴或擋板插入冷卻水道提供方向信息。因此，模具設計師被繁瑣的步驟所困擾。
1.2冷卻系統(tǒng)中的語義定義
一種面向對象的軟件設計方法可用于解決上述一節(jié)中討論的問題。它提供獨立的冷卻系統(tǒng)動態(tài)更新的定義，對冷卻系統(tǒng)的驗證是必不可少的一種對象類型或種類的集合。在圖1中，顯示了簡化的冷卻系統(tǒng)結構及相關組件的類型。每個組件類型被定義為一個對象類。
冷卻水道被定義為其中包含冷卻液（在大多數情況下是水）的連續(xù)直孔。它可以包含在一個單一的模具組件（片或插件），或貫穿幾個。本文中“孔”是用來描述在一個單一的模具組件的冷卻水道中的幾何形狀，但其表現與傳統(tǒng)的孔特征是不同的（見下一節(jié)）。如圖2所示是冷卻回路的一個例子。1-5孔是冷卻水道。一個冷卻回路代表連接在入口和出口之間的冷卻水道。幾個冷卻回路形成一個冷卻系統(tǒng)。在圖2中孔1-5共同形成了一個冷卻回路。一個回路可有幾個不同方向的冷卻水道。這些管道由從不同模具板和插件面的鉆孔的冷卻孔組成。一個用于鉆孔的面稱為穿透面。當然，冷卻孔有一個穿透面和鉆孔量總從滲透面指向另一端。通常情況下，冷卻孔垂直穿透面。然而，為了適應某些特殊情況，這種限制是不影響本文目的的。
圖1冷卻系統(tǒng)的結構
圖2 冷卻回路的例子
在實際中，如圖3中的一個例子冷卻水道跨越了多個塊。它由幾個連接的共線散熱孔（孔1，孔 2，孔3）。這樣的管道被專門命名為彩色線性冷卻水道。
在許多情況下，多印象設計用于模具布局。有兩種方法來建立冷卻回路即：平衡和不平衡。如果同樣的冷卻回路模式適用于每一個印象，則冷卻系統(tǒng)被稱為均衡。否則，冷卻系統(tǒng)是不平衡的。通常，如果模具是一個平衡的多模式設計的印象[14]，設計者希望有印象的每個部分是相同的冷卻回路，則平衡的方法被使用。在這種情況下，因為每個回路設計主要用來滿足一個印象，來滿足傳熱要求的冷卻效果會更好控制。這是為特別復雜的成型件推薦的可利用仿真優(yōu)化包的冷卻方法[11]。采用這種方法，CAD的功能可以普遍滿足模具設計師在冷卻回路格局上的個人的變化需求。
圖3典型的共線冷卻管道
另一方面，設計者可以把模具作為一個整體看待而不考慮冷卻回路的印象模式設計，如果這樣的話，他可以采用不平衡的方法。
1.3詳細的陳述
在圖4中給出了冷卻系統(tǒng)的一個組成部分的詳細結構。用一條直線和一個任選的圓柱體代表一個洞。這種直線被稱為孔冷卻的引導線。更確切地說，一個冷卻的引導線是從冷卻透孔中心點到末端孔中心點出發(fā)的直線。在圖2中，AB是孔1的冷卻引導線，而CD是孔2的引導線。引導線包括鉆孔載體。
如圖5所示在每個散熱孔的開始和結束點，孔兩端可以選擇以下類型：（1）末端為通孔型（2）末端為盲孔型（3）臺階型末端（4）交叉盲孔型。這些幾何特征信息表示為附加屬性指引。如果它基于儲存在每個引導線中的信息，就可以隨時生成圓柱形實體。
傳統(tǒng)上，冷卻線也被用來表示一個冷卻回路[11]，但它們是從被包含的實體中分離出來的，例如模具板和插件。本文中的設計思路之一是每一個引導線的開始和結束點都與穿透和退出的面相關，除了末端為盲孔的終點。因此，如果這些面的位置改變了，相應的點將得到很大的更新和變化。換句話說，冷卻引導線總是與穿透和退出的面有關。
圖5冷卻管末端類型
在冷卻回路中所有的內孔的冷卻引導線作為指導路徑進行分組。在圖 2中有五條引導線AB型CD型EF型GH型和IJ型，形成引導路徑。在本文中，如圖4所示，引導路徑完全代表一個冷卻回路冷卻時可以有一定的準則來描述冷卻孔類型直徑等的屬性。
事實上，冷卻圓柱體僅在需要時進行查看檢查不同功能/組件的物理碰撞或創(chuàng)建基于板或插件的功能時生成。這些冷卻固體可以去除來簡化，只要引導導路徑可行，這些冷卻固體就可以再生。稍后階段，在確認冷卻系統(tǒng)的設計中，CAM應用程序或組件的結構細節(jié)仍然需要幾何孔。它們可以通過減去其相應的冷卻板/插入機構的固體來獲得。
一個引導路徑也用來維護其線路之間的連接。在指導路徑中定義了一種驗證和核實這一條件的一個“特殊”的方法。這個共線冷卻水道是創(chuàng)建的“特殊對象類型”。從圖4中可以看出，一個冷卻回路包含可共線的冷卻水道以及簡單的管道。每個通道都可以由一組被叫做共線指引的引導線來表示。顯然，它的元素引導線必須從頭部到尾部不斷沿著一條直線連接起來。在圖3中，AB型，CD型及EF型形成路徑和代表共線的通孔1（臺階型通孔）通孔2盲孔3?？梢钥闯觯谝粋€冷卻回路中冷卻元件相關聯(lián)，因為它們是可以立即進行任何改變的。
如圖4所示，回路的內容和對象根據上下文和用戶的選擇變化，例如，一個回路可以作為一個相互關聯(lián)的引導線或作為一個圓柱體集。一個冷卻回路能在豐富的屬性形式中自行確定幾何與非幾何的信息。
總之，在此對象的結構設計中，冷卻水道及其相關模具板或插件可以自動更新如果諸如穿透面或鉆孔元素的某些類型能在后面的設計階段進行修改。由于所有的冷卻水道用相關聯(lián)的方法創(chuàng)建，在一個回路中如滲透面鉆孔方向可以嵌入CAD模型和持久存儲。
2執(zhí)行方面
2.1嵌入鏈接和參數
在這個模塊冷卻設計集中，引導線最初是通過用戶界面創(chuàng)建的。為了把每個引導線的開始和結束點與滲透和退出面及盲孔聯(lián)系在一起就出現了一個智能點。一個智能點在表面上是和內核與數據庫面相關的點。它能與相應面保持持續(xù)的聯(lián)系。在這里“智能”一詞表示一個實體關聯(lián)到其它相關實體的性質。由于這些引導線是建立于智能終點上的那么連通引導線也稱為智能線。它們每個都是由一個（盲孔）或兩個（通孔）連接在一起的。
一個冷卻圓柱體可以沿著一個圓形掃描的智能方針自動生成，對于盲孔錐孔需增加。對于冷卻回路圓柱體作為固體的代表。這些幾何特征代表引導線的屬性。這些相關屬性包括末端的類型、冷卻孔直徑深度和臺階直徑部分。它們用于冷卻孔的編輯和冷卻孔的再生。
2.2功能和算法
已經開發(fā)出的這個模塊的主要功能是滿足冷卻系統(tǒng)的設計，在這里列出的要求：
a． 增加形成引導路徑的智能引導線
b． 修改或重新定位引導線
c． 刪除引導路徑回路
d． 創(chuàng)建冷卻固體
e． 修改冷卻固體
f． 刪除冷卻固體
g． 建立平衡或不平衡的冷卻固體印象模具設計
2.3創(chuàng)建和編輯一個冷卻回路的智能引導路徑
要創(chuàng)建一個引導路徑的第一引導線，用戶需要在預期的固體上選擇一個面作為穿透面（平面）的回路入口（見圖2）。一個平面方程可以提供出選定的平面。在面上最初的引導路徑的啟動點把用戶的指示點為基礎，然后創(chuàng)建一個智能點。引導第一次降溫過程生成的默認方向的相反方向能在圖形窗口中顯示。用戶可以由圖6所示的界面活性變化的引導線的方向，交互地修改初始點的位置。 然后，用戶可以動態(tài)拖動冷卻線或輸入一個盲孔的引導線的長度值或選擇另一面說明通孔結束的面。在后一種情況下，在引導線的終點另一個智能點會被創(chuàng)建。在創(chuàng)建第一引導線時，一個序號“1”會顯示在它附近。
為創(chuàng)建下一個引導線（見圖2），一個鉆孔是必需的。用戶可以顯示底部滲透在p點的面，然后，下一個指引方向將設置在選定的面扭轉法線方向上。在這項工作的實施中向量的起點C的確定是參照前面的AB引導線和最近點到用戶的P點來表示的一個嵌入式規(guī)則。為了使向量定義的用戶友好，很多這樣的潛在 “規(guī)則”適用于協(xié)助指導創(chuàng)建。在這種情況下，當定義CD引導線和以前的AB引導線時，它能自動延長到底部鉆孔的C點。智能點是建立在與引導線相關的面上的C點上。同樣，序列號“2”顯示在引導線的附近。用戶還可以通過選擇一個工作定義坐標方向+X,－X，+Y, －Y,+Z,－Z然后指示出引導線的下個起點。用類似的方法，一個完整的指引路徑可以被定義。當確認所有的指引路徑的引導線時，路徑的連續(xù)性可以在這種方法中驗證（見圖4）。該指引路徑被當作一個單一的實體。正如預期的那樣，引導線可以創(chuàng)建或加入一個由CAD功能的引導路徑。現有的引導線也很容易被刪除。
在互動的定義引導線之間，在相應的分支機構的算法中用戶的輸入參數和序列是不同的。例如，要創(chuàng)建一個簡單的盲孔，用戶可以選擇的序列可以是下列三個選項之一：（a）僅僅是一個滲透面（b）滲透面和現有的垂直于參考的散熱孔，以及（c ）僅僅是現有的共線冷卻孔。在每個選項下，用戶的選擇序列是有區(qū)別的，必要的調整能使引導線達到保持引導路徑連接的預期目的及友好的用戶界面設計。如圖6冷卻后的引導線，它的性質包括它的長度都顯示在同一用戶界面上。這些是可以改變和更新的。事實上，當引導線被選中，其指導路徑也就確定。這是因為在一個引導路徑中所有的引導路線是連續(xù)性的約束。如果引導路徑入口點的位置被移動，則整個路徑也相應的變化。用戶可以通過有關項目從編輯界面中選擇安全刪除引導路徑。
2.4創(chuàng)建和編輯冷卻固體
在定義一個引導路徑時，則冷卻固體基于個體引導線的屬性生成。冷卻固體僅當用戶需要它們時創(chuàng)建。如圖4所示冷卻水道可以有不同的孔類型。這些類型可以表示為首端和末端相關的冷卻固體的特征。如圖7所示的用戶界面實現了這一目的。最初，用戶界面的設置，如啟動類型、結束類型、孔直徑等參數用默認類型分配，并在用戶界面上配置文件中的預設值。然后，他們以用戶的輸入為基礎更新。當用戶重復操作時在此配置文件中的值始終在與用戶的首選值寫在它“接受”的用戶界面對話框中，以便使用戶界面的設置可以被更新。由于對話框的不同，也有對預設條件驗證領域的項目，例如，臺階孔的直徑必須大于孔徑。這是當用戶調用點擊“確定”按鈕時，在這種方法中這些檢查函數稱為冷卻固體的“驗證”（見圖4），。如果輸入驗證不被接受，就會出現一些錯誤信息的提示。這些屬性一旦得到證實通過點擊“顯示冷卻水道關系”按鈕可以自動生成冷卻固體的CAD的API功能。
冷卻固體可以在任何時候被刪除，但類型和參數仍繼續(xù)將其作為個體指引線的附加屬性，因此冷卻固體可在任何時候可再生。然而，如果用戶刪除一切引導路徑，則冷卻回路就被完全刪除。在更多的細節(jié)上，實體生成算法建立了以下六種孔的類型：簡單盲孔、簡單通孔、臺階孔、臺階在通孔一端、臺階在通孔兩端、通孔，最后，共線固體冷卻水道能穿過多個固體。其它編輯和刪除冷卻水道的算法很簡單。
對于一個共線冷卻水道，有個別孔由共線連接獲得。圖3說明了它們是如何關聯(lián)的。假設孔1（從左到右）的創(chuàng)建是通過“選擇兩個平面創(chuàng)建臺階孔（兩端）”從A點開始“綁住”面1和結束點B“綁住”面2則面1和面2是固體1的一部分。這些面的任何修改都將會影響孔的深度如抵消它們。
創(chuàng)建孔2有更多的靈活性。用戶可以創(chuàng)建以下兩種方法。在第一種方法中面3和面4（屬于固體2）可作為參考選擇，因此啟動點C和結束點D分別是面3和面4上的點。因為這個孔應是共線管道的其中一部分，面2與孔1的結束點B相關，也與面3有關。這是保證共線管道的對象的驗證方法。因此，第一個孔可以沿著面2滑動通過創(chuàng)建兩個對齊孔不打亂中間的孔。在第二種方法中，第一個孔是用來作為參考，那么起點C的結束是孔1的終點，由于B點的連接，則沿著面2滑動的第一個孔被修改則中間孔將隨著變化。一旦C點移動則面3也將更新。這兩個孔之間的智能連接由嵌入式的多個共線冷卻水道固體建立。同樣，在圖3中第三盲孔由左到右建立，共線的冷卻水道由三個相關的冷卻孔獲得。
2.5處理平衡和非平衡冷卻回路
在本文中，模具元件由裝配樹結構組成，當用戶初始化一個新的模具設計項目時它會自動創(chuàng)建。原來的塑料部分被分配到裝配上的一部分，被稱為產品的一部分（生產部分）（見圖8）。印象儲存在產品的一部分作為實例化組件與布局模式（凸模/凹模插件）。這是一個在裝配上專門用于冷卻固體自動創(chuàng)建的部分。它被稱為冷卻線（CL）部分。
為了解決平衡與非平衡冷卻回路的設計問題，突變實體的概念必須被先介紹。這項功能可為幾何實體例如：實體、面、線、點等，以便使在裝配中的不同部分相關聯(lián)。這是通過復制從一部分到另一部分具有持續(xù)關聯(lián)的實體獲得的。這些復制的實體被稱為突變實體。當一個源實體被修改，其相應的突變實體也會自動更新。源實體被稱為原型實體。圖9中所示了一些在裝配中可能突變的面。假設原型面A是元件1的一部分，則它可以創(chuàng)建一個相應的突變面A1，面A1對它的原型面（子對母），或A2面對面A1（子對子）。在一個裝配建模環(huán)境下，另外一個需要解釋的概念是工作的一部分，這將被看作是定義在創(chuàng)建新的實體的一部分。因此，用戶必需明確地選擇工作的一部分，以便在其中創(chuàng)建新的實體。
圖8在模具裝配樹中的冷卻線
圖9在裝配中兩種可能的突變面
在本文中建立平衡的冷卻回路，工作部分被設置在圖8的產品部分中。當用戶在凸模/凹模插件中選擇一個面去創(chuàng)建一個冷卻引導線時，一個突變面（子部分對母部分）被創(chuàng)建，在產品中的部分所有的冷卻實體，包括智能點、引導路徑和冷卻固體在這部分也被創(chuàng)造了。與此同時，在冷卻線部分與此相關的引導路徑和固體（子部分對子部分）也被創(chuàng)建。冷卻實體，根據印象模式被復制。該合成的冷卻系統(tǒng)在不同的印象模式中會自動平衡。在圖10中用了一個與均衡冷卻回路的四印象模式的實例來說明。
圖10平衡冷卻回路的例子
當創(chuàng)建不平衡冷卻水道時，工作的一部分被設置在冷卻線的一部分（見圖8）。當用戶從插件部分選擇一個面，則在冷卻線的一部分（子部分對子部分）的突變副本被創(chuàng)建。然后，所有相關的原型，如智能點、引導路徑和冷卻實體在冷卻線部分被創(chuàng)建。因此，如果冷卻實體的參考面在不同的插件上被改變則在冷卻線部分的冷卻實體可以自動更新。這兩種方法都是可用的，裝配樹結構使設計在很大程度上得到了減少。
3.未來整合專家系統(tǒng)
顯然，這個模塊的功能可以進一步擴展。由于其是面向對象的設計，它極有可能將這項可以納入冷卻水道設計規(guī)則的模塊與專家系統(tǒng)整合。對其中的一些邏輯規(guī)則進行了討論【10,11,15】。作者認為，這應該是今后的研究方向。
4.結論
本文提出了在冷卻水道設計工具中的一種相關的設計方法。重點被放在獨特的引導路徑和冷卻水道固體交涉上，并在冷卻水道和模具板或插件之間的幾何相關上。相比用于【10,11,15】中的方法，這種方法的優(yōu)點是模具設計人員可以更容易的在整個設計生命周期中進行修改。豐富的信息包括冷卻回路成員之間的鉆孔方向、定位和連接被嵌入相關的CAD模塊中。這些資料可以支持在高水平知識規(guī)則下的相關冷卻回路，從表面成型、碰撞檢查到最近距離的互動。這種方法能有效和高效的應用在模具設計中。
·致謝本文的目的僅是報道研究的方法。作者承認他們的研究工作正在進行，本文中主要由在新加坡制造技術研究所（SIMT）工作的主編完成。一個SIMT項目團隊實施軟件產品。R&D工程師得到在美國Cypress，CA的EDS公司提供的密切技術支持。Unigraphics系統(tǒng)（UG）和模具導向在EDS公司注冊商標。
本文摘譯自：
中原工學院圖書館Springer-Link外文期刊數據庫，論文名稱為《An object-oriented design tool for associative cooling channels in plastic-injection moulds》。
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課程設計（論文）
圓形透孔蓋注塑模具設計【抽芯】
學 院（部）：
專 業(yè)：
學 生 姓 名：
班 級：
學號
指導教師姓名：
職稱
職稱
最終評定成績：
摘 要
隨著各種性能優(yōu)越的工程塑料的不斷開發(fā)，工業(yè)、民業(yè)的各種塑料制品需要的不斷增長，注塑工藝越來越多地用于制造領域成形各種性能要求的制品。而注塑模具的設計質量、注塑機應用等直接影響成形制品的生產效率、質量及成本。一副好的注射模具可成型上百萬次，由于其壽命的延長，從另一方面降低了塑件的成型成本，并且好的模具由于更換，檢修少，從而提高了其生產效率。為了滿足日益發(fā)展的工業(yè)的要求和民需生活品的需要，我們應不斷的研究開發(fā)，設計出能提高注射模性能的注射模，以滿足各行各業(yè)的需要。
在本設計中，通過運用CAD對圓形透孔蓋進行一模二穴的設計開發(fā)，其中包括凸、凹模的設計、推出機構的設計、注射機的選擇與校核、澆注系統(tǒng)的設計、冷卻系統(tǒng)的設計、模架的選擇等各項工作。在本設計中，設計的重點在成型零部件即凸、凹模的設計和澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的設計。其中澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的設計是一副模具的設計靈魂，澆注系統(tǒng)的設計直接影響著塑件的成型質量和生產效率[1]。因此，對澆注系統(tǒng)的設計是注射模具設計的重點工作。而與此同時，模具的溫度對塑件的質量和生產效率也著直接的影響，模具溫度的控制直接影響著模具的凝固時間和收縮內應力，從而影響模具的成型周期長短和塑件質量好壞，及其表面粗糙度等。在本設計中著重設計了凸、凹模尺寸、澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的尺寸及其系統(tǒng)結構。通過本次設計，我們首先學習了解了我國塑料模具的現狀和發(fā)展狀況、注射模的基本結構和注射模成型工藝過程以及模具設計的基本原理。
關鍵詞：圓形透孔蓋；注射模；設計；ABS
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ABSTRACT
With the superior performance of the continuous development of engineering plastics, industry, public sector, the needs of a variety of plastic products is growing, injection technology increasingly used in the manufacture of various performance requirements of forming the products. The quality of injection mold design, injection molding machine a ABS lications products, forming a direct impact on productivity, quality and cost. Mold can be a good injection molding millions of times, because of their longer life expectancy, on the other hand reduces the cost of plastic parts molding and die as a result of a good replacement, less maintenance, thereby increasing their production efficiency. In order to meet the growing industry demands and the people need to live goods, we should continue research and development designed to enhance the performance of injection mold injection mold in order to meet the needs of all walks of life.
In this design, through the use of CAD base on the remote control to carry out a second cave-mode design and development, including convex and concave mold design, the introduction of body design, the choice of injection machine and check, gating system design, cooling system design, selection of moldbase work. In this design, is designed to focus on parts and components in the molding that is convex and concave mold design and casting systems, cooling system design. One of gating system and cooling system design is the soul of a mold design, gating system design of a direct impact on the molding plastic parts quality and production efficiency. Therefore, the gating system design is the focus of injection mold design work. During the design focused on the design of the convex and concave mold size, gating system and cooling system size and its system architecture. Through this design, we first learn to understand the plastic mold of our current situation and development situation, the basic structure of injection mold and injection-casting process, as well as the basic principles of mold design.
Keywords: remote base, injection mold, design, ABS
目 錄
摘 要 II
ABSTRACT III
目 錄 1
第1章 緒 論 3
1.1蓬勃發(fā)展的模具工業(yè) 3
1.2塑料模具工業(yè)的現狀和技術的主要發(fā)展方向 3
第2章 圓形透孔蓋塑料模工藝設計 5
2.1圓形透孔蓋塑件的工藝分析 5
2.1.1塑料材料的性能及基本成型工藝參數 5
2.1.2圓形透孔蓋塑料的選材 6
2.1.3 ABS材料成型特性 6
2.2注射成型基本過程 6
2.3圓形透孔蓋的設計件 8
第3章 注射機的選擇和校核 10
3.1注射機規(guī)格的選擇 10
3.2注射機的校核 10
3.2.1注射機注射容量的校核 10
3.2.2注射機注射壓力的校核 11
3.2.3注射機鎖模力的校核 11
3.2.4注射機模具厚度校核注射機模具厚度校核 11
3.2.5注射機最大開模行程校核 12
3.3確定型腔數目和分模面的選擇 12
3.3.1確定型腔數目 12
3.3.2分模面的選擇 12
第4章 澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)設計 13
4.1澆注系統(tǒng)設計 13
4.1.1主流道的設計 13
4.1.2分流道的設計 14
4.1.3澆口設計 14
4.1.4冷料穴和拉料桿設計 15
4.1.5澆注系統(tǒng)的平衡 15
4.2排氣系統(tǒng)的設計 15
4.3冷卻系統(tǒng)設計 16
4.3.1設計冷卻系統(tǒng)的必要性 16
4.3.2冷卻系統(tǒng)尺寸計算 17
第5章 其他零部件結構設計 18
5.1脫模機構設計 18
5.1.1脫模機構的分類 18
5.1.2脫模機構設計原則 18
5.2導向機構設計 18
5.2.1導向機構設計原則 18
5.2.2導柱的外形尺寸計算 19
5.2.3導向孔的設計 19
5.2.4導柱的數量和布置 19
5.3定位圈 20
5.3.1定位圈的定義 20
5.3.2導柱的數量和布置 20
5.4主流道襯套 20
5.5其他結構零件設計 20
5.6 斜滑塊抽芯機構的結構 21
第6章 繪制模具圖 23
6.1 CAD創(chuàng)建模具 23
6.2 繪制總裝配結構圖和部分零件圖 23
結 論 25
參考文獻 26
致 謝 27
第1章 緒 論
1.1蓬勃發(fā)展的模具工業(yè)
從20世紀80年代初開始，發(fā)達工業(yè)國家的模具工業(yè)已從機床工業(yè)中分離出來，并發(fā)展成為獨立的工業(yè)部門，其產值已超過機床工業(yè)的產值。在隨后隨著模具技術的不斷發(fā)展，模具工業(yè)也被廣泛的被投用于汽車、電子、電器、航空、儀表、輕工、塑料以及日用品等工業(yè)部門中。在發(fā)達國家人們認為，沒有模具，就沒有高質量的產品。并且模具享有“發(fā)展工業(yè)的一把鑰匙”；“一個企業(yè)的心臟”；“富裕社會的一種動力”等之美譽。改革開放以來，我國的模具工業(yè)發(fā)展也十分迅速。近年來，每年都以15%的增長速度快速發(fā)展。模具企業(yè)也如雨后春筍，迅速萌生，蓬勃發(fā)展。
隨著模具工業(yè)規(guī)模的不斷擴大，我國的模具技術水平也有較大的提高已能制造體現現代模具設計制造水平的大型、負責、精密的模具，部分模具達到了國際先進水平。雖然我國模具工業(yè)有了長足的進步，部分模具已經到達了國際先進水平，但是無論是數量上還是在質量上仍滿足不了國內市場的需要，每年仍需進口10多億美元的大型、精密、復雜模具。為了縮小與發(fā)達國家的模具行業(yè)的差距，我國的模具正積極的向著開發(fā)大型、精密、復雜模具；加強模具標準件的應用；推廣CAD/CAM/CAE技術等幾方面進行大力發(fā)展。
1.2塑料模具工業(yè)的現狀和技術的主要發(fā)展方向
（1）現狀
近年來國外塑料模的發(fā)展速度也迅速增長，在諸多國家中（日本、德國、瑞士等）其塑料模工業(yè)的發(fā)展都高于了沖壓模，塑料模生產的經濟經額占據了整個模具產業(yè)的1/2。國外大量生產的塑料模主要采用多腔模、多層模和多層多腔、多工位多腔等類型模具，多層模已發(fā)展到64×64腔，還研制了多層模專用的注射成形機，各試飲料塑料瓶、杯子幾鞋模多采用多工位多腔模，飲料瓶模多達32腔。日本和歐美一些國家用鋁材制作注塑模，由于鋁導熱性比鋼好，是鋼的三倍，注射周期可縮短25~30%，并且模具重量也大為減輕。
塑料模具的發(fā)展是隨著塑料工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展的,在我國,起步較晚,但發(fā)展很快,特別是最近幾年，無論在質量、技術和制造能力上都有很大發(fā)展,取得了很大成績。我國在塑料模的發(fā)展中用30年的時間就走過了國外90年的發(fā)展歷程，現已具備相當規(guī)模。在1987年我過塑料產量已達297萬噸，位居世界第5位。如今我國塑料產業(yè)已形成了相當規(guī)模的完整體系，塑料模的設計技術、制造技術、CAD技術、CAABS技術已有相應的設計和開發(fā)應用。塑料的生產，成型加工，塑料機械設備。模具工業(yè)以及科研等，都已發(fā)展都了一定規(guī)模。
（2）發(fā)展趨勢
隨著人類社會的不斷進步和高新技術的不斷發(fā)展，人們對產品的要求越來越高，這就促使了我們必須大力研發(fā)模具設計技術。世界各國對塑料模設計技術也給予了高度的重視和關注并投入重金進行研究和開發(fā)。在國際上塑料模具未來的發(fā)展主要向著以下幾方面進行：
①在模具設計制造中全面推廣CAD/CAM/CAE技術
CAD/CAM/CAE技術是模具技術發(fā)展的一個重要里程碑，實踐證明，CAD/CAM/CAE技術是模具設計制造的發(fā)展方向。
②注射模CAD的實用化
塑料模Mold——Flow或C——Flow軟件和塑料模Mold——Cool或C——Cool軟件已經商品化，注射模CAD正向實用化方向邁進。我國政府對注射模CAD實用化進程也十分重視。專門組織了“八五”國家重點技術攻關項目“注射模CAD/CAM/CAE集成系統(tǒng)研究”。目前，美國PSP公司的IMES專家系統(tǒng)，能幫助模具設計人員用專家的知識解決注射模的問題。
③塑料模專用材料研究和開發(fā)
目前，塑料模鋼擁有的類型有：基本型、預硬化型、時效硬化型、熱處理硬化型、馬氏體時效鋼和粉末冶金模具鋼等鋼種。在“八五”期間，國家也組織了諸多鋼鐵廠單位大力研究和開發(fā)塑料模專用系列鋼，這將進一步擴大和完善塑料模鋼材。
④塑料模加工程控化
機械技術與電子技術的密切結合，日益更多地采用數控數顯、計算機程序控制的加工方法，實現高層次、多工位加工，使塑料模在質量上、效率上產生一個新的飛躍。激光成型技術也在塑料模腔加工中取得了巨大成功。
⑤模具研磨拋光自動化、智能化
模具表面的光整加工是模具加工中未能很好解決的難題之一。模具表面的質量對模具使用壽命、制件外觀質量等方面均有較大的影響,我國目前仍以手工研磨拋光為主,不僅效率低（約占整個模具周期的1/3),且工人勞動強度大,質量不穩(wěn)定,制約了我國模具加工向更高層次發(fā)展。因此,研究拋光自動化、智能化是重要的發(fā)展趨勢。日本已研制了數控研磨機,可實現三維曲面模具的自動化研磨拋光。
第2章 圓形透孔蓋塑料模工藝設計
2.1圓形透孔蓋塑件的工藝分析
2.1.1塑料材料的性能及基本成型工藝參數
、
圖2-1 圓形透孔蓋圖
塑料是指常溫下呈高彈態(tài)的高分子聚合物。它是以樹脂（高分子聚合物）為主要成分，加入各種能改善其加工性能和使用性能的添加劑，在一定溫度、壓力和溶劑等作用下，利用模具可成型為一定幾何形狀和尺寸的塑料制件，并在常溫、常壓下能保持此種形態(tài)的一類材料，它品種繁多，且不同的塑料具有不同的性能。塑料普遍具有質量輕、密度小、比強度高、優(yōu)良的電、熱、聲絕緣性能、較強的耐腐蝕性能和較強的光學性能、耐磨性能等優(yōu)良的性能。塑料成型的成型工藝特性表現在許多方面，有的只與操作有關，有些特性直接影響成型方法和工藝參數的選擇。對于熱塑性塑料來說，其成型工藝參數特性主要包括收縮性、流動性、相容性、吸濕性及其熱敏感性以及熱力學特性、結晶性及取向性等等[1]
2.1.2圓形透孔蓋塑料的選材
塑料材料是根據材料的用途來選擇的，而作為圓形透孔蓋，他不需要承載大負荷，且工作溫度不高，因此對耐熱性的要求也不高。根據其要求和所用條件范圍看來，一般的結構材料的塑料就可以滿足其要求，所以可在此類材料中選擇圓形透孔蓋材料。而作為一般結構材料的塑料，主要有高，低密度聚乙烯、聚丙烯、ABS、聚碳酸酯、有機玻璃、高抗沖聚苯乙烯、環(huán)氧樹脂玻璃鋼和丙烯晴-丙烯酸酯共聚物等。但基于本設計中的塑件是通過注射模成型，并根據材料在注射模成型時的優(yōu)良初步選擇了，低密度聚乙烯、聚丙烯、ABS、聚碳酸酯等四種材料作為制造圓形透孔蓋的原材料。
2.1.3 ABS材料成型特性
①無定形塑料,流動性中等,吸濕性小,一般不需要很大程度上的干燥,也可得到表面質量較好的塑件。
②高料溫,高模溫,材料分解溫度為>270度，對精度要求較高的塑件,模溫宜取50-60度,對高光澤度高，耐熱塑件,模溫宜取60-80度。
③如出現水紋，需提高材料的流動性，采取高料溫、高模溫，或者改變澆口位置等方法。
2.2注射成型基本過程
圖2.1. 注射成型基本過程
生產前的準備工作一般是，為了使注射成型生產順利進行和保證制件質量，在生產前進行的包括原料的預處理、清洗機筒、預熱嵌件和選擇脫模劑等準備工作。
1、原料的預處理
原料的預處理包括三個方面：一是，分析檢驗成型物料的質量。這個環(huán)節(jié)包括檢驗物料的含水量、外觀色澤、顆粒情況、有無雜質等，并測試其熱穩(wěn)定性、流動性、收縮率等指標。對于粉狀物料，在注射成型前還需要將其配制成粒料。二是，著色。根據制件物品的需要，在塑料成型時往成型物料中添加一種色料或者是色劑的物質，以達到所需要的色澤。粉狀或粒狀熱塑性塑料的著色，有直接法和間接法兩種工藝方法來實現。其中前者有稱一次著色法，它是將細粉狀的著色劑與本色塑料簡單的摻混后即可直接用于成型，或經塑煉造型后再用于成型。其方法比較簡單，操作容易。相比來說間接著色法就比較困難，它需要用被稱為“色母料”的高顏料濃度的塑料粒子與本色塑料粒子按比例稱量后放入混合機，經充分攪拌后再送往成型設備中使用。它著色步驟簡單、著色易均勻分散，制件色澤鮮艷且無顏料粉塵污染，并且它還可以實現著色過程的自動化。但是它由于只是和本色塑料粒子簡單混合，無混煉功能或只需要混煉功能很差的成型設備，所以當需要成型顏色均一性高的制品時不能采用此法著色的成型物料。三是，預熱干燥。對于吸濕性和粘水性強的物料，根據注射成型工藝允許的含水量要求進行適當的預熱干燥處理，以此來出去物料中過多的水分及揮發(fā)物，以防止成型后制品出現氣泡和銀紋等缺陷，同時也可以避免注射時候發(fā)生水降解。但對于吸濕性和粘水性不強的物料，如果包裝儲存的較好也可以不用預熱干燥。
2、清洗料筒
生產中如果需要改變塑料品種、更換物料、調換顏色或是發(fā)現成型過程中出現了熱分解或是降解反應時候，都需要對注射機的料筒進行清洗。通常情況下，注塞式機的料筒存料量大，必須將機筒拆卸清洗，對螺桿式機筒，可采用對空注射法清洗。
3、預熱嵌件
這個步驟主要用于那種帶有嵌件的塑料制件，由于金屬和塑料收縮率不同，導致嵌件周圍的塑料容易出現收縮應力和裂紋，為防止此種現象的發(fā)生，在成型前可以將嵌件先預熱，減少它在成型時與塑料熔體的溫差，避免或抑制嵌件周圍的塑料發(fā)生收縮應力和裂紋。
4、選擇脫模劑
常用的脫模劑有硬脂酸鋅、液體石蠟（白油）和硅油等。其中除了硬脂酸鋅不能用于聚先胺外，這三種脫模劑對于一般塑料均可使用，尤其是硅油的脫模效果是最好的，只要對模具施用一次，即可以長效脫模，但是價格昂貴。硬脂酸鋅通常多用于高溫模具而液體石蠟多用于中低溫模具。另外，對于含有橡膠的軟制品或透明制品不宜采用脫模劑，否則將影響制品的透明度。
加料：計量將粒料和粉料加入料斗，通過料斗進入注射機料筒，物料一般是在注射機的料筒中塑化。通過對塑化計量的計算設定好后，物料在設定的計量中塑化完全，即粒料和粉料變成塑料熔體后，注射模閉合，注射機注射充模。
注射充模：注射充模一般劃分為流動充模、保壓補縮和倒流三個階段。流動充模是指注射機將塑化好的熔體注射進入模腔的過程。在注射過程中注射壓力是隨時間不斷改變的，在流動期內，注射壓力和噴嘴處的壓力急劇上升，而模腔（澆口末端）壓力卻近乎于零，故注射壓力主要用來克服熔體在模腔以為的阻力。當在充模期間，由于熔體流入模腔，模腔壓力急劇上升，注射壓力和噴嘴壓力也會隨之增加到最大，然后停止變化，此時注射壓力對熔體起了兩個作用，一是克服溶體在模腔內的流動阻力，二是對熔體進行一定程度的壓實。保壓補縮，保壓補縮階段是指從熔體充滿型腔至螺桿開始在機筒中開始后撤為止。保壓是指注射壓力對模腔內的熔體繼續(xù)進行壓實的過程，補縮則是保壓過程中，注射機對模腔內逐漸開始冷卻的熔體因成型收縮而出現的空隙進行補料的動作。倒流是指柱塞或螺桿在機筒中向后退時（即撤除保壓力后），模腔內熔體朝著澆口和流道方向進行反方向的流動。
冷卻定型：冷卻定型從澆口凍結時間開始，到制品脫模為止，這是注射成型工藝過程的最后階段。在此階段中需要注意的問題有模腔的壓力、制件密度、熔體在模內的冷卻情況以及脫模條件等。
制件的后處理：制件從模具中脫出后，由于成型過程中塑料熔體在溫度和壓力的作用下的變形流動行為非常復雜，再加上流動前塑化不均以及充模后冷卻速度的不等，制件內常常會出現一些不均勻的結晶、取向和收縮率，導致制件產生相應的結晶、取向和收縮應力，脫模后除引起實效變形外，還會使制件的力學性
能、光學性能及表面質量變換，更有甚至開裂，為解決這一系列問題我們必須對制件進行相應的后處理。
當注射過程完成后我們將制品脫模，卸料，清洗模具并可以將凝料返回料筒重新塑化注射，開始循環(huán)進行下一個成型周期。
2.3圓形透孔蓋的設計件
該塑件經測量所得，其基本幾何值為：
密度：p=0.9g/cm3；
體積：V=21cm3；
質量：M=18.9g；
長度：L=150mm；
塑件平均寬度：B=60mm；
投水平投影面積：S=73.4cm2；
制件表面積：S=194.3cm2
第3章 注射機的選擇和校核
3.1注射機規(guī)格的選擇
注射機為塑料注射成型所用的主要設備，按其外形可以分為立式、臥式、直角式三種注射機。按塑料在料筒中的塑化方式分可以分為，柱塞式和螺桿式兩種注射機。
在此我們通過假設的模腔數目初步確定注射機的規(guī)格。初步設計模腔個數為兩個，ABS材料的密度p為p=0.9g/cm3（0.9~0.91）。通過測量所得出塑件的體積（V）和質量（M）以及水平投影面積（S）分別為V=21cm3、M=18.9g、S=73.4cm2。一模設計兩個模腔，那么每次注射機的注射量必須大于：2M= 2×21cm3=42cm3。根據注射機的最大注射量初步選擇型號為XS?Z?60的注射機，其工藝參數如下：
螺桿直徑/mm：φ38
注射容量cm3：60
注射壓力/105Pa：122
鎖模力/10KN：500
最大成型面積/cm2：130
模板最大行程/mm：180
定位孔直徑/mm： 55mm
模具厚度/mm：（最大）：200（最?。?0
噴嘴：（球半徑/mm）：12（孔直徑/mm）：φ4
3.2注射機的校核
3.2.1注射機注射容量的校核
模具設計時，必須是得在一個注射成型周期內所需注射的塑件料溶體的容量或質量在注射機額定注射量的80%以內，且在一個注射成型周期內，需注射入模具內的塑料溶體的容量和質量，應為制件和澆注系統(tǒng)兩部分容量和質量之和，即V=nVn+Vj或M=nMn+Mj
式中：V（M）——一個成型周期內所需要注射的塑料容積和質量，cm3或g；
n—— 型腔數目；
Vn（Mn）——單個塑件的容量或質量，cm3或g；
Vj（Mj）——澆注系統(tǒng)凝料的容量和質量，cm3或g；
故應使0.8Vn+Vj≤0.8Vg或M=0.8Mn+Mj≤0.8Mg式中：Vg（Mg）——注射機額定注射量，cm3或g；將數據代入以上不等式（取其中之一的質量不等式來對注射量進行校核）得：M=nMn+Mj=2×18.9+5.5=43.3g≤0.8Mg=0.8×60=48g滿足要求上式中的：
Mj=M主流道+M橫澆道+M分流道+M澆口+M拉料鉤≈5.5g
由于為制件所選的材料為ABS，該材料非熱敏性材料，所以只需對其進行最大注射量即可，不必對其進行最小注射量的校核。
3.2.2注射機注射壓力的校核
注射壓力的校核是校驗注射機的最大注射壓力能否滿足制品的成型要求。只有在注射機額定的注射壓力內才能調整出某一制件所需要的注射壓力，因此注射機的最大注射壓力要大于該制件所要求的注射壓力。制件成型時所需要的注射壓力，與塑料品種、注射機類型、噴嘴形狀、制件形狀的復雜程度和澆注系統(tǒng)等因素有關系?？梢愿鶕芰系某尚凸に噮禂祿泶_定制品成型時所需要的注射壓力。根據塑料成型工藝參數表查得ABS材料的成型注射壓力在（70~120Mpa）之間，而我們所選擇的注射機的額定注射壓力為119Mpa，在其設定的注射壓力之間，滿足工藝要求。
3.2.3注射機鎖模力的校核
當高壓的塑料熔體充滿型腔時，會產生一個沿注射機軸向的很大的推力，該推力的大小必須小于注射機的鎖模力，否則在注射成型時會因鎖模不緊而發(fā)生溢邊跑料現象。型腔內塑料熔體的壓力（MPa）值可根據以下經驗公式算得：P=KPo
式中：P —— 型腔內塑料熔體的壓力 （MPa）
Po —— 注射壓力（MPa）
K —— 壓力損耗系數 0.2~0.4
將數據代入上式得：P=KPo=(0.2~0.4)×119MPa=23.8MPa~47.6MPa
在該次設計中，并基于ABS這種塑料上我們取型腔中熔體的平均壓力為：P=30MPa再由公式T=PS計算推力大小。
式中：T —— 塑料熔體在注射機軸向上的推力（MPa）
P —— 型腔內塑料熔體的壓力，在此我們取P=30MPa
S —— 制件與澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積（cm2）
將數據代入該公式得：T=PS=30MPa×73.4cm2≈220.2KN≤500KN滿足要求經校核合格。
3.2.4注射機模具厚度校核注射機模具厚度校核
注射機規(guī)定的模具的最大與最小厚度是指模板閉合后達到規(guī)定鎖模力時動模板到定模板的最大與最小距離。所以，所設計的模具的厚度必須要在注射機規(guī)定的模具最大與最小厚度范圍內，否則將不可能獲得規(guī)定的鎖模力，當模具厚度小時，可以加墊板。根據要求模具的厚度必須滿足Hmin
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