香皂盒底殼注塑模設(shè)計(jì)【肥皂盒下蓋】

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20世紀(jì)60年代，英國(guó)、美國(guó)和加拿大等國(guó)的學(xué)者如J.R.Pearson(英)、J.F.Stevenson（美）、M.R.Kamal(加)和K.K.Wang(美)等開(kāi)展了一系列有關(guān)塑料熔體在模具型腔內(nèi)流動(dòng)與冷卻的基礎(chǔ)研究。在合理的簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上，60年代完成了一維流動(dòng)與冷卻分析程序，70年代完成了二維冷卻分析程序，80年代注塑模CAE技術(shù)開(kāi)始從理論研究進(jìn)入實(shí)用化階段，開(kāi)展了三維流動(dòng)與冷卻分析并把研究擴(kuò)展到保壓、纖維分子取向以及翹曲預(yù)測(cè)等領(lǐng)域。進(jìn)入90年代后開(kāi)展了流動(dòng)、保壓、冷卻和應(yīng)力分析等注塑工藝全過(guò)程的集成化研究。 CAE技術(shù)的出現(xiàn)，為注塑模設(shè)計(jì)提供了可靠的保證，它的應(yīng)用是模具設(shè)計(jì)史上的一次重大變革。 2注塑模CAE技術(shù)的作用 利用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)注塑模具，設(shè)計(jì)成功與否將很大程度上依賴(lài)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，而且對(duì)復(fù)雜零件澆口位置的合理與否，排氣槽位置的設(shè)置、熔接線位置的確定等都十分困難。模具在交付使用之前一般需經(jīng)過(guò)反復(fù)試模修改，直到得到合格的制品為止，從而不可避免地造成了生產(chǎn)周期的延長(zhǎng)，而且一般也難以得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案和工藝參數(shù)。而利用注塑模CAE技術(shù)設(shè)計(jì)模具則不然，由于在模具設(shè)計(jì)構(gòu)思階段，可利用注塑模CAE 技術(shù)進(jìn)行流動(dòng)過(guò)程模擬，使得通常只有在模具試模階段才能發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，如短射，熔接線或氣孔出現(xiàn)在外觀零件表面等問(wèn)題得以避免。同時(shí)幫助設(shè)計(jì)人員完成諸如流道系統(tǒng)的平衡設(shè)計(jì)，排氣槽的設(shè)置，合理確定注塑工藝參數(shù)等工作，這樣使得通常在必須反復(fù)試模修改而確定的模具結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)在模具設(shè)計(jì)構(gòu)思階段得以確定，縮短了模具設(shè)計(jì)制造周期、提高了模具設(shè)計(jì)質(zhì)量。 所以注塑模CAE軟件的作用主要表現(xiàn)為： （1）優(yōu)化塑料制品設(shè)計(jì) 塑料的壁厚、澆口的數(shù)量及位置、流道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等對(duì)于塑料制品的質(zhì)量有重大影響。以往全憑設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，用手工方法實(shí)現(xiàn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而利用CAE技術(shù)，可快速設(shè)計(jì)出最佳的制品。 （2）優(yōu)化塑料模具設(shè)計(jì) 可以對(duì)型腔尺寸、澆口位置及數(shù)量、流道尺寸和冷卻系統(tǒng)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在計(jì)算機(jī)上模擬試模、修模和提高模具質(zhì)量，減少實(shí)際試模次數(shù)。 （3）優(yōu)化注射工藝參數(shù) 對(duì)注射過(guò)程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的成型缺陷，確定最佳的注射壓力、鎖模力、模具溫度、熔體溫度、注射時(shí)間和冷卻時(shí)間等。 由此可見(jiàn)，注塑模CAE技術(shù)無(wú)論在提高生產(chǎn)率、縮短模具設(shè)計(jì)制造周期和保證產(chǎn)品質(zhì)量，還是在降低成本、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等方面，都具有很大的優(yōu)越性和重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。 3注塑模CAE軟件種類(lèi)及其簡(jiǎn)介 到目前為止，成熟的商業(yè)注塑模CAE軟件比較多，Moldflow公司的Moldflow軟件和AC-Tech公司（2000年2月，被Moldflow公司合并）的C-Mold軟件是其中的優(yōu)秀代表；另外還有國(guó)外的TMCONCEPT、CADMold、Fidap、Stirm100、Polyflow和我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的Moldex等軟件應(yīng)用也比較廣；而國(guó)內(nèi)在“八五”期間才開(kāi)始這方面的研究，現(xiàn)在華中理工大學(xué)的HSCAE軟件和鄭州大學(xué)的Z-Mold軟件在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。 Moldflow軟件是專(zhuān)業(yè)從事注塑成型CAE軟件和咨詢(xún)的Moldflow公司的系列產(chǎn)品，該公司自1976年發(fā)行了世界上第一套注塑模CAE軟件以來(lái)，一直主導(dǎo)注塑模CAE軟件市場(chǎng)。至2004年，Moldflow軟件在全球注塑模CAE市場(chǎng)的占有率達(dá)75%。 MoldFlow軟件包括三部分：MoldFlow Plastics Advisers（產(chǎn)品優(yōu)化顧問(wèn)，MPA）、 MoldFlow Plastics Insisht（注塑成型模擬分析，MPI）和 MoldFlow Plastics Xpert（注塑成型過(guò)程控制專(zhuān)家，MPX）。 一般情況下，最常用MPI，主要用來(lái)對(duì)注塑過(guò)程進(jìn)行模擬，從而得到最佳的澆口數(shù)量與位置，合理的流道系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)，并對(duì)型腔尺寸、澆口尺寸、流道尺寸和冷卻系統(tǒng)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，并且還可對(duì)注塑工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。 Moldflow軟件的模流分析技術(shù)可以分為三種，即Midplane、Fusion和3D。 4 Moldflow的Midplane分析技術(shù) Midplane（中面流）的應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代。其網(wǎng)格是三節(jié)點(diǎn)的三角形單元，其原理是將3D幾何模型簡(jiǎn)化成中性面幾何模型（即將網(wǎng)格創(chuàng)建在模型壁厚的中間處），利用所建立的中性面進(jìn)行模擬分析，即以平面流動(dòng)來(lái)仿真三維實(shí)體流動(dòng)。此分析技術(shù)發(fā)展至今已相當(dāng)成熟穩(wěn)定，其優(yōu)點(diǎn)為分析速度快、效率高。 基于中面流技術(shù)的注塑流動(dòng)模擬軟件應(yīng)用的時(shí)間最長(zhǎng)、范圍也最廣。但是實(shí)踐表明，基于中面流技術(shù)的模擬軟件在應(yīng)用中具有很大的局限性，具體表現(xiàn)為： (1) 用戶(hù)必須構(gòu)造出中面模型。采用手工操作直接由實(shí)體模型構(gòu)造中面模型十分困難，往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間，而且不能從其他CAD模型轉(zhuǎn)換。 (2) 無(wú)法描述一些三維特征。如不能描述慣性效應(yīng)、重力效應(yīng)對(duì)熔體流動(dòng)的影響，不能預(yù)測(cè)噴射現(xiàn)象、熔體前沿的泉涌現(xiàn)象等。 (3) 由于CAD階段使用的產(chǎn)品模型和CAE階段使用的分析模型不統(tǒng)一，使二次建模不可避免，CAD與CAE系統(tǒng)的集成也無(wú)法實(shí)現(xiàn)。 5 Moldflow的Fusion分析技術(shù) Fusion（雙面流）分析技術(shù)是基于Moldflow的獨(dú)家專(zhuān)利Dual Domain的分析技術(shù)。2000年推出的Fusion分析技術(shù)，使得用戶(hù)不需要抽取中性面就可以進(jìn)行分析，克服了幾何模型的重建問(wèn)題，大大減輕了用戶(hù)建模的負(fù)擔(dān)。網(wǎng)格也是三角形單元，而其原理是將模具型腔或制品在厚度方向上分成兩部分，有限元網(wǎng)格在型腔或制品的表面產(chǎn)生。在流動(dòng)過(guò)程中，上、下兩表面的塑料熔體同時(shí)并且協(xié)調(diào)地流動(dòng)。 顯然，F(xiàn)usion技術(shù)的表面網(wǎng)格是基于中性面的，仍無(wú)法解決中性面的根本問(wèn)題，所以雙面流技術(shù)所應(yīng)用的原理和方法與中面流所應(yīng)用的沒(méi)有本質(zhì)上的差別，所不同的是雙面流采用了一系列相關(guān)的算法，將沿中面流動(dòng)的單股熔體演變?yōu)檠厣稀⑾卤砻鎱f(xié)調(diào)流動(dòng)的雙股流。 雙面流技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是模型的準(zhǔn)備時(shí)間大大縮短，這樣就大大減輕了用戶(hù)建模的負(fù)擔(dān)，將原來(lái)需要幾小時(shí)甚至幾天的建模工作縮短為幾分鐘。因此，基于雙面流技術(shù)的模擬軟件問(wèn)世時(shí)間雖然只有短短數(shù)年，但在全世界卻擁有了龐大的用戶(hù)群，得到了廣大用戶(hù)的支持和好評(píng)。 但是雙面流技術(shù)有以下不足： (1) 由于雙面流技術(shù)沒(méi)有從根本上解決中性面的問(wèn)題，所以還是無(wú)法描述某些三維特征，如不能描述慣性效應(yīng)、重力效應(yīng)對(duì)熔體流動(dòng)的影響，不能預(yù)測(cè)噴射現(xiàn)象、熔體前沿的泉涌現(xiàn)象等。 (2) 上、下對(duì)應(yīng)表面的熔體流動(dòng)前沿存在差別。由于上、下表面的網(wǎng)格無(wú)法一一對(duì)應(yīng)，而且網(wǎng)格形狀、方位與大小也不可能完全對(duì)稱(chēng)，所以如何將上、下對(duì)應(yīng)表面的熔體流動(dòng)前沿的差別控制在所允許的范圍內(nèi)是實(shí)施雙面流技術(shù)的難點(diǎn)。 (3) 熔體僅沿著上、下表面流動(dòng)，在厚度方向上未作任何處理，缺乏真實(shí)感。 6 Moldflow的3D分析技術(shù) 以上兩種技術(shù)都忽略了厚度方向的物理量，只是二維的模擬，因而結(jié)果不是十分精確。Moldflow公司的3D（三維）分析技術(shù)采用了真三維實(shí)體模流分析技術(shù)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撏茖?dǎo)與反復(fù)的驗(yàn)證，將慣性效應(yīng)、非恒溫流體等因素考慮到有限元分析中，熔體厚度方向的物理量變化不再被忽略，能夠更全面地描述填充過(guò)程的流動(dòng)現(xiàn)象，使分析結(jié)果更能接近現(xiàn)實(shí)狀況，適用于所有塑件制品。其立體網(wǎng)格是由四節(jié)點(diǎn)的四面體單元組成。并采用全新的3D立體顯示技術(shù)，可快速清楚地顯示出模型內(nèi)、外部的流動(dòng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和速度場(chǎng)等分析結(jié)果。對(duì)于上述分析結(jié)果也可利用等位線或等位面方式顯示，讓實(shí)體模型內(nèi)、外部各變量的變化情形顯示更清楚，Moldfiow還提供動(dòng)畫(huà)的功能，透過(guò)3D動(dòng)畫(huà)的方式顯示塑料熔體在型腔中的流動(dòng)變化，讓用戶(hù)更直觀地看清設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題。 但是3D技術(shù)的網(wǎng)格劃分要求很高，控制方程更加復(fù)雜，計(jì)算量大、時(shí)間長(zhǎng)，計(jì)算效率低，不適合開(kāi)發(fā)周期短并需要通過(guò)CAE進(jìn)行反復(fù)修改驗(yàn)證的注塑模設(shè)計(jì)。因此，目前該技術(shù)普及率不是很高，不過(guò)它最終必將取代中面流技術(shù)和雙面流技術(shù)。 7注塑模發(fā)展趨勢(shì) 注塑模CAE技術(shù)不論從理論上還是在應(yīng)用上都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但在以下幾個(gè)方面仍有待于進(jìn)一步完善和發(fā)展： （1）數(shù)學(xué)模型、數(shù)值算法逐步完善 注塑模CAE技術(shù)的實(shí)用性，取決于數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性及數(shù)值算法的精確性。目前的商品化模擬軟件模型沒(méi)有完全考慮物理量在厚度方向上的影響，為了進(jìn)一步提高軟件的分析精度和使用范圍，必須進(jìn)一步完善目前的數(shù)學(xué)模型和算法。 （2）注塑成型全過(guò)程模擬 目前，注塑成型模擬軟件主要有填充、流動(dòng)、保壓、冷卻、應(yīng)力應(yīng)變和翹曲分析等模塊，各模塊的開(kāi)發(fā)是基于各自獨(dú)立的數(shù)學(xué)模型，這些模型在很大程度上進(jìn)行了簡(jiǎn)化，忽略了相互之間的影響。但是，從注塑成型工藝過(guò)程來(lái)看，塑料熔體的填充、流動(dòng)、保壓和冷卻是交織在一起并相互影響的，因此，填充、流動(dòng)、保壓和冷卻分析模塊必須有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行耦合分析，才能綜合反映注塑成型的真實(shí)情況。 （3）優(yōu)化理論及算法，使CAE技術(shù)“主動(dòng)”地優(yōu)化設(shè)計(jì) 將人工智能技術(shù)，如專(zhuān)家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等加入設(shè)計(jì)計(jì)算中，使模擬程序能“智慧”地選擇注塑工藝參數(shù)、提供修正制品尺寸和冷卻管道布置方案，減少人工對(duì)程序的干涉。 （4）對(duì)新的注塑成型方法進(jìn)行模擬分析 目前，在常規(guī)注塑成型技術(shù)的基礎(chǔ)上，又發(fā)展出了一些新的注塑成型方法，比如氣體輔助注射、薄壁注塑成型、反應(yīng)注射和共注射等。但是還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)這些成型方法的模擬軟件，所以亟待開(kāi)發(fā)。 （5）注塑模CAD/CAE/CAM的集成化與網(wǎng)絡(luò)化 目前的商品化注塑模CAE軟件與CAD、CAM軟件之間的數(shù)據(jù)傳遞主要依靠文件的轉(zhuǎn)換，這容易造成數(shù)據(jù)的丟失和錯(cuò)誤。因此在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中采取單一模型，建立注塑模CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)，加強(qiáng)三者之間的聯(lián)系是今后的發(fā)展方向之一。為適應(yīng)電子商務(wù)的發(fā)展要求，這個(gè)集成系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)異地的“協(xié)同設(shè)計(jì)”和“虛擬制造”。 8結(jié)束語(yǔ) 盡管通過(guò)大量的實(shí)踐證明，在塑料模具工業(yè)中引入CAE技術(shù)后，大大縮短了模具設(shè)計(jì)和制造周期，提高了模具的使用壽命和制造精度。同時(shí)，CAE技術(shù)的出現(xiàn)也使注塑模設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和技藝走上科學(xué)化的道路，在一定程度上改變了注塑模傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，但目前CAE技術(shù)并不能代替人的創(chuàng)造性工作，只能作為一種輔助工具幫助工程師了解方案中存在的問(wèn)題，還難以提供一個(gè)明確的改進(jìn)方案，仍需通過(guò)反復(fù)交互（分析－修改－再分析），才能將設(shè)計(jì)人員的正確經(jīng)驗(yàn)體現(xiàn)到模具設(shè)計(jì)中去，而設(shè)計(jì)方案的確定很大程度上仍需依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和水平。