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一種使注射成型冷卻更有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
摘 要
對(duì)于熱塑性磨模具來(lái)說(shuō)，零件的質(zhì)量和周期在很大程度上由冷卻階段決定。為了盡量減少產(chǎn)生不必要的冷卻翹曲和收縮等缺陷現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行大量的研究。我們?cè)诒疚闹刑岢隽藘?yōu)化冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，立足于幾何分析之上，指出冷卻線是利用冷卻形態(tài)的概念并且定義了冷卻水道的位置。在這里它們是恒定不變的，我們只用專(zhuān)注于流體溫度沿冷卻線的分布和強(qiáng)度。由于兩方面組成的目標(biāo)函數(shù)最小化，我們制定的這個(gè)溫度分布測(cè)定表明必須選出最優(yōu)的這種方法。本文所期待的是收縮零件質(zhì)量以及改善翹曲條件。
關(guān)鍵詞：逆向問(wèn)題；熱傳導(dǎo)；注塑成型；冷卻設(shè)計(jì)
1 引言
熱塑性注塑模具在塑料產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域被廣泛地使用。這個(gè)過(guò)程基本分為四個(gè)階段：模腔填充，塑料固化，冷卻以及推出塑件。在這些階段中，專(zhuān)門(mén)為零件的冷卻時(shí)間約占了進(jìn)程總時(shí)間的百分之七十。并且塑件的部分質(zhì)量會(huì)被這個(gè)階段直接影響。因此，必須盡可能均勻地冷卻零件，這樣的話(huà)，如凹痕、翹曲、收縮等不良缺陷會(huì)減少，而熱殘余應(yīng)力也將會(huì)達(dá)到最小化。冷卻時(shí)間、數(shù)量、位置和水道的大笑的關(guān)鍵因素是最佳進(jìn)水參數(shù)，對(duì)冷卻液溫度和流體之間的傳熱和內(nèi)表面的水道系數(shù)。設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)主要是根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，然而新的快速成型工藝的發(fā)展有可能使得在制造形狀復(fù)雜的水道時(shí)這個(gè)經(jīng)驗(yàn)顯得不夠用。所以，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須歸結(jié)于一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題。
1.1 熱傳導(dǎo)分析
用熱傳導(dǎo)注入工件傳輸?shù)难芯渴且粋€(gè)非線性問(wèn)題是由于對(duì)溫度參數(shù)的依賴(lài)。然而，影響模具的等熱物理參數(shù)，如熱導(dǎo)率和熱容量保持在不變的溫度范圍內(nèi)。此外，聚合物的結(jié)晶作用往往被忽視，以及與模具和零件熱接觸電阻被認(rèn)為是恒定的。溫度場(chǎng)的演化通常是通過(guò)求解傅立葉周期邊界條件方程而得到的，這種演變可分為兩個(gè)部分：一個(gè)是循環(huán)的一部分，另一個(gè)是平均短暫的一部分。由于熱穿透深度并沒(méi)有影響到溫度場(chǎng)，循環(huán)部分常常很容易被忽視[3]。許多人用平均循環(huán)來(lái)分析，這樣可以簡(jiǎn)化微積分，但忽略了周?chē)牟▌?dòng)影響，這些影響平均有15％和40％[3]組成。零件的水道分布越接近就會(huì)導(dǎo)致周?chē)钠骄▌?dòng)就越高。因此，這種配置就顯得非常重要，瞬態(tài)傳熱模型是指在靜止的定期狀態(tài)。但即使是這樣，定期的瞬間溫度分析還是將被優(yōu)先考慮在平均周期分析之前。瞬間溫度分析應(yīng)該注意在研究實(shí)踐中的設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)是否用于冷卻的設(shè)計(jì)。無(wú)論零件的質(zhì)量好壞，本設(shè)計(jì)的第一階段也是最重要的階段之一都應(yīng)是熱傳導(dǎo)設(shè)計(jì)。
1.2 成型優(yōu)化技術(shù)
在參考文獻(xiàn)中，各種優(yōu)化程序已經(jīng)被使用，但這些都是以同樣的目標(biāo)為重點(diǎn)。Tang [4] 等人從一個(gè)優(yōu)化的過(guò)程中獲得了最小的梯度和冷卻時(shí)間。Huang試圖獲得在溫度分布均勻狀態(tài)時(shí)的最高生產(chǎn)效率，即最小的冷卻時(shí)間[5]，同時(shí)溫度分布處于均勻狀態(tài)。Lin[6]總結(jié)了3個(gè)實(shí)際的模具設(shè)計(jì)師的目標(biāo)，最冷的部分溫度均勻，達(dá)到理想的模具溫度，以便下一個(gè)零件可以被使用，以減少周期時(shí)間。
多個(gè)循環(huán)之間的一致性的最佳選擇是冷卻系統(tǒng)的最優(yōu)配置。而事實(shí)上，時(shí)間越長(zhǎng)，模具表面之間的型腔和冷卻水道的距離越近，模具的溫度分布也將更高。
相反的是，模具表面之間的型腔和冷卻水道的距離越短距離，更快的熱量變化會(huì)產(chǎn)生聚合物，但模具表面的非均勻溫度可導(dǎo)致部分缺陷。這里首先應(yīng)控制參數(shù)，然后是控制型腔的位置和水道的大小，最后是冷卻液流速和流體溫度。此時(shí)有兩種方法將被引用，第一種為了盡量減少目標(biāo)函數(shù)[4]和[7]而去尋找水道的最佳位置。第二種方法是基于形冷卻線的研究。Lin[6]定義了一種冷卻線代表所在的冷卻通道，這個(gè)冷卻線性表示了位于流道口的最佳條件（在冷卻水道的位置）。Xu [8] 等人進(jìn)一步的研究表明能夠降低冷卻部位的單元，并執(zhí)行每個(gè)冷卻單元的優(yōu)化。
1.3 算法的實(shí)現(xiàn)
為了得出答案，我們要用數(shù)值方法來(lái)計(jì)算。傳熱分析是由邊界元素之一[7]或有限元法[4]組成的。這種分析的第一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是未知數(shù)的數(shù)目計(jì)算低于有限元素分析的數(shù)目的將計(jì)算，只是它的界限是網(wǎng)狀的是一個(gè)問(wèn)題，因此用這種解決方案來(lái)計(jì)算所花費(fèi)的時(shí)間比利用有限元分析要短。然而此方法僅限于某些問(wèn)題上，有限元方法對(duì)于另一些問(wèn)題來(lái)說(shuō)是首選的，因?yàn)槔锩娴臏囟刃枰坝薪?jīng)驗(yàn)的研究來(lái)制定最佳的界限。為了計(jì)算最優(yōu)參數(shù)的最小化目標(biāo)函數(shù)，Tang [4] 等人使用鮑威爾的共軛方向搜索法，馬西 [7] 等人使用在序貫二次規(guī)則的基礎(chǔ)上的梯度方法，它不僅可以找到解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在，而且還確定了線性進(jìn)化方法。Huang [5] 等人通過(guò)遺傳學(xué)算法來(lái)得到解決方案，最后的這種算法試圖解決的范圍包括了很多方面，所以是非常耗時(shí)的。要想模具設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)時(shí)間花費(fèi)達(dá)到最小化，就必須確定方法（共軛梯度）來(lái)達(dá)到一個(gè)可接受的、更迅速的、優(yōu)先的解決方案。
2 研究方法
2.1 目標(biāo)
本文所介紹的方法適用于優(yōu)化的冷卻T形部分（圖1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這種情況在許多論文中可能會(huì)比較容易實(shí)現(xiàn)，尤其是在與Tang[4]等人所做的研究中。
通過(guò)對(duì)部分形態(tài)的分析，兩個(gè)平面Γ1和Γ3分別介紹了侵蝕和擴(kuò)張（冷卻線）部分（圖1）。作為第三類(lèi)的溫度條件，固定的流體溫度是冷卻線Γ3熱傳導(dǎo)的邊界條件。尋找這些流體的溫度是該優(yōu)化的關(guān)鍵所在，避免使用冷卻線方法來(lái)優(yōu)化冷卻水道的數(shù)量和大小。這顯示了在哪些位置是不理想的水道，復(fù)雜的零件在此種情況下具有更好的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵摬糠种械那治g線的位置相對(duì)應(yīng)的最低聚合物固化厚度的冷卻階段更容易得到。
圖1：半T形幾何圖
2.2 目標(biāo)函數(shù)
在冷卻系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計(jì),質(zhì)量應(yīng)該是最重要的一部分。因?yàn)樵谶@一過(guò)程中的最小冷卻時(shí)間是由模具厚度和材料特性所影響的，在給定時(shí)間達(dá)到最高質(zhì)量是很重要的。流體溫度直接影響模具的溫度和組成部分,湍流流動(dòng)的唯一參數(shù)是控制冷卻液溫度。接下來(lái)，流體溫度和周?chē)牧慵?yōu)化分布的測(cè)定是需要優(yōu)化的參數(shù)，作為一個(gè)目標(biāo)函數(shù)S在冷卻期結(jié)束時(shí)生成，第一個(gè)任期S1的目標(biāo)是達(dá)到一個(gè)溫度水平的侵蝕作用。
3 結(jié)論
本章中，開(kāi)發(fā)的一種優(yōu)化方法確定冷卻的溫度分布線獲得均勻溫度場(chǎng)。從而導(dǎo)致部分最小梯度和最小的冷卻時(shí)間。與文獻(xiàn)中的方法相比,可以顯示其效率和效益。值得注意的是它不需要指定一個(gè)預(yù)先冷卻通道的數(shù)量。進(jìn)一步的工作將包括在決定后驗(yàn)所需的最少數(shù)量的渠道相匹配的解決方案最佳的流體溫度曲線。
一種使用設(shè)計(jì)特征和工藝參數(shù)來(lái)估計(jì)模具成本的集成框架
摘 要
模具是一種基本沒(méi)有廢料的生產(chǎn)工具，例如注塑模和壓鑄模。它可能占超過(guò)25%的產(chǎn)品總成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間，特別是當(dāng)訂單數(shù)量很小。結(jié)合一個(gè)科學(xué)家模具成本估算和控制方法，發(fā)展快速和低成本的工具成為至關(guān)重要的問(wèn)題。本文提出了一種集成方法和模具成本估算，基于成本驅(qū)動(dòng)的概念和成本修飾的方法。成本驅(qū)動(dòng)包括腔的幾何特征和核心,由分析成本估算方法估算基本模具成本。成本修飾則包括模具參數(shù)，例如分型線、表面紋理、頂出機(jī)構(gòu)、模具材料和模具制造的總成本。這種方法已經(jīng)在十三個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中測(cè)試過(guò)，平均偏差在0.40%。該模型可以很容易地估算各種模具的成本和實(shí)施成本修飾，通過(guò)自定義使用質(zhì)量功能展開(kāi)方法，這也是在本文中主要描述的。
關(guān)鍵詞：成本估算；壓鑄模具；注射成型；質(zhì)量功能部署。
1 引言
當(dāng)今產(chǎn)品生產(chǎn)周期通常是不到1980年代一半的,由于頻繁的新產(chǎn)品有更多的功能進(jìn)入市場(chǎng)。制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力對(duì)衡量縮短更換模具的市場(chǎng)而言,沒(méi)有劃線質(zhì)量和成本。減少更換模具的一種方法是采用凈形狀附近(NNS)制造工藝,例如注塑,壓鑄等涉及更少的步驟來(lái)獲得所需的形狀。但是，模具（壓鑄或注塑）是一個(gè)NNS生產(chǎn)的基本方要，消耗了成本、時(shí)間和專(zhuān)業(yè)知識(shí)等大量的資源。
一個(gè)典型的壓鑄模具或注塑模具由兩部分構(gòu)成：固定部分和移動(dòng)部分對(duì)接在一起,分開(kāi)在彈射一部分。建設(shè)的一個(gè)典型的冷室壓鑄模具圖1所示。
模具的主要工作部件是型芯和型腔，傳遞所需熔料到幾何腔內(nèi)，這些可能是制造單塊或組合的插入。第二部分包括進(jìn)料系統(tǒng)、脫模系統(tǒng),核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)和緊固件。充料系統(tǒng)的轉(zhuǎn)輪，噴嘴和流道，包括從注射機(jī)噴嘴的熔模腔。噴射機(jī)制用于排出核心或腔的模制品。上面所有的元素被安置在一套模塊,由塊的支持、指導(dǎo)和其他元素支撐。部分零件，包括型芯、型腔和充料系統(tǒng)在工廠專(zhuān)門(mén)制作。其他零件可以從供應(yīng)商獲得標(biāo)準(zhǔn)配件。模具裝配和功能試驗(yàn)可詢(xún)問(wèn)經(jīng)驗(yàn)豐富的工匠與工具設(shè)計(jì)師。
模具行業(yè)目前由日本、德國(guó)、美國(guó)、加拿大、韓國(guó)、臺(tái)灣、中國(guó)、馬來(lái)西亞、新加坡和印度支配。模具的主要需求包括汽車(chē)、電子、消費(fèi)品和電氣設(shè)備行業(yè)。塑料模具占模具行業(yè)的主要份額，大約60%的廠房屬于全球中小規(guī)模 [1]。模具需求在印度每年就超過(guò)6億美元,年增長(zhǎng)率超過(guò)10%在過(guò)去十年間。在印度，不同類(lèi)型模具所占份額為：板材塑料模具為33％、沖壓模具為31％、壓鑄模具為13％，夾具為13％，模具供應(yīng)商為10％[2]。
圖1 典型的壓鑄模具結(jié)構(gòu)
工具行業(yè)正日益面臨的壓力，減少模具開(kāi)發(fā)的時(shí)間和成本,提供更好的精度和表面粗糙度,提供可行性,以適應(yīng)未來(lái)的設(shè)計(jì)變更和滿(mǎn)足要求,縮短了生產(chǎn)周期。為滿(mǎn)足這些需求,新技術(shù)例如高速加工、淬硬鋼加工、流程建模工具設(shè)計(jì)自動(dòng)化、并行工程、快速原型和快速模具已被應(yīng)用。要成功操作以及保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),有必要建立量化的成本估算的方法。
我們當(dāng)前研究的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一個(gè)系統(tǒng),集成框架開(kāi)發(fā)的快速工具(注塑模具和模具)和壓力壓鑄應(yīng)用程序。依照我們所提出的方法，在未來(lái)一段時(shí)間里，一個(gè)比較合理的系統(tǒng)的成本估算將會(huì)實(shí)現(xiàn)，對(duì)不同模具使用不同的開(kāi)發(fā)路線也是我們要考慮的。
2 以前的作品
用于產(chǎn)品和模具在技術(shù)文獻(xiàn)報(bào)道的成本估計(jì)方法有相當(dāng)大的相似性。這些方法可以歸類(lèi)為:直觀法,類(lèi)比法,分析法, 幾何特征法和基于參數(shù)的方法。
在直觀的方法上，成本估算的準(zhǔn)確性取決于成本評(píng)估師的經(jīng)驗(yàn)和理解的能力。估價(jià)通常是在與模具設(shè)計(jì)師協(xié)商進(jìn)行的。通過(guò)長(zhǎng)期的合作，可以獲得與模具和模具開(kāi)發(fā)成本有關(guān)的估計(jì)，但這種方法仍然是在小作坊和小工廠里的做法。
在類(lèi)比的方法上，模具的成本估計(jì)基于以前的模具制造的RM的相似性系數(shù)。在這項(xiàng)技術(shù)中，模具編碼考慮模具尺寸，模具材料，復(fù)雜性，噴射器和門(mén)控機(jī)制的因素。估價(jià)的人開(kāi)始比較新的模具設(shè)計(jì)與所有以前的設(shè)計(jì)中最接近的匹配。其基本假設(shè)是：類(lèi)似的問(wèn)題也有類(lèi)似的解決方案，再利用上述[3]來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。然而，這種方法，也被稱(chēng)為基于案例的推理，它需要一個(gè)完整的案例庫(kù)和一個(gè)適當(dāng)?shù)臋z索系統(tǒng)。到目前為止，這個(gè)檢索系統(tǒng)并沒(méi)有為模具成本估算作出報(bào)告。
在分析成本估算上，整個(gè)制造業(yè)的活動(dòng)分解成多個(gè)基本任務(wù)，每個(gè)任務(wù)是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算制造成本。例如，一個(gè)用于加工成本的普遍方程：
加工成本=（切割長(zhǎng)度/每分鐘進(jìn)給量）×機(jī)器操作成本
威爾遜（在引言4，第6章，第121頁(yè)）在用于集成車(chē)削和銑削操作中，提出了用于復(fù)雜的幾何因子的數(shù)學(xué)模型：
di =尺寸的特征;
ti =相應(yīng)尺寸的公差;
N =尺寸的總數(shù)量。
這是借助一個(gè)例子之后所解釋的。
另一種方法稱(chēng)為基于活動(dòng)的成本核算（ABC），其所涉及應(yīng)用到制造特定產(chǎn)品的所有步驟的分析方法，在每一步中所涉及去估計(jì)的資源（材料，勞動(dòng)力和能源）。這樣一個(gè)詳細(xì)的方法用于各種過(guò)程，包括克里斯【5】所開(kāi)發(fā)的鑄件。在工具室，這種方法被使用于復(fù)雜型腔幾何形狀的模具的情況下。模具成本的來(lái)源可以分為三類(lèi)：模具的基本成本，功能元件（型芯，型腔鑲塊）的成本和二次元件成本。在每個(gè)類(lèi)別中，需要通過(guò)加工獲得所需的時(shí)間和其幾何形狀作為成本[ 4 ]的參考條件?？梢灶A(yù)期的是，建立和驗(yàn)證成本方程，以及在實(shí)際中運(yùn)用它，都是非常繁瑣的任務(wù)。
在基于特征的方法上，模具的幾何特征（缸，槽，孔，筋，等）作為成本動(dòng)因所使用。模具制造的成本估計(jì)使用經(jīng)驗(yàn)公式或工具，如基于知識(shí)的系統(tǒng)和動(dòng)脈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。陳、劉[ 6 ]用特征識(shí)別的方法來(lái)評(píng)估一個(gè)新的注塑產(chǎn)品的成本效益的設(shè)計(jì)。他們認(rèn)為，一個(gè)產(chǎn)品是一套功能和特征關(guān)系的聚集。，這些功能的關(guān)系轉(zhuǎn)換成模具相關(guān)成本評(píng)估的一部分功能。Chin和Wong用決策表的知識(shí)來(lái)估算注塑模具的成本。
在參數(shù)成本估算上，技術(shù)，物理或功能的參數(shù)作為成本估價(jià)的基礎(chǔ)。這種方法允許一個(gè)產(chǎn)品的特征（設(shè)計(jì)工程師可利用的）以經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的技術(shù)價(jià)值形式存在。Sandarac和maslekar [ 8 ]利用回歸模型方法在注塑模具成本估算下使用逆向技術(shù)。Lowe和Walshe[9]利用注塑模具制造作為參考資料，模具費(fèi)用估計(jì)采用線性回歸方式來(lái)進(jìn)行分析。
總之, 成本相似法和成本函數(shù)法（成本因素）是兩種模具成本估算的方法。
在其他的方面上，在工具室里,新模具和以前的模具開(kāi)發(fā)之間的相似性是用來(lái)作為參考。直觀和類(lèi)比的方法，屬于這一類(lèi)的。在廣泛使用的直觀的方法中，成本評(píng)估師可能不會(huì)只站在一個(gè)角度上來(lái)確定所有的風(fēng)險(xiǎn)因素，因此，類(lèi)比方法用于估算模具基本成本和其他次要成本是很容易的，也是很成功的。然而，在（型芯和型腔）功能元件的情況下，要分組成為其幾何形狀，得出加工順序,將成為比較困難的任務(wù)，并且得到的產(chǎn)品與設(shè)計(jì)時(shí)的產(chǎn)品會(huì)有所不同。
在第二種方法上，模具成本之間的相關(guān)性及其驅(qū)動(dòng)程序都以數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)表達(dá)。分析方法，基于活動(dòng)的成本核算，基于特征的方法和參數(shù)計(jì)算方法屬于這一范疇。雖然分析以及估計(jì)的方法適用于簡(jiǎn)單零件的加工費(fèi)用，但是難以適用于復(fù)雜幾何的模具，因?yàn)樗鼈兊闹圃毂容^困難。同樣，基于特征的成本估計(jì)也是難以適用于復(fù)雜模具，因?yàn)槟壳暗奶卣髯R(shí)別的分類(lèi)和算法不能處理相對(duì)復(fù)雜的模具。此外，這些技術(shù)可能無(wú)法考慮裝配約束條件的影響，比如表面粗糙度要求、模具的試模和其他因素。參數(shù)化的成本核算方法的功能就像一個(gè)黑盒子功能一樣，通過(guò)關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)參數(shù)與數(shù)量有限的模具的總成本，這是很難證明或解釋的結(jié)果。
Menges和Mohren為了注塑模具成本估算開(kāi)發(fā)了一種的綜合辦法，把相似的注塑模具以及同類(lèi)結(jié)構(gòu)構(gòu)件組合在一起，而且確定了每個(gè)小組的代價(jià)函數(shù)。成本組成部分為腔模具、模架、基本功能零部件和特殊功能零件。腔模具和電火花電極加工的機(jī)械加工成本是由機(jī)械加工時(shí)間和加工工序所決定，以及像分型面、分型線、表面質(zhì)量、削減核心、公差精度、加工難度系數(shù)和腔數(shù)量等因素也決定了每小時(shí)的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。模架被假設(shè)是標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件。如流道、熱流道系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和推出系統(tǒng)的基本功能零件成本估算，要按個(gè)數(shù)來(lái)估計(jì)。含有特殊功能零件，如側(cè)向分型抽芯、三板模模具、側(cè)凸輪和退扣式設(shè)備的成本是在使用設(shè)備的基礎(chǔ)上增加實(shí)際費(fèi)用，其中有一個(gè)局限性是，對(duì)深腔類(lèi)零件的平均加工時(shí)間估計(jì)不夠準(zhǔn)確所造成的結(jié)果，如復(fù)雜形狀模具要求不同的機(jī)械加工方法，像粗加工，邊角料加工。主要是因?yàn)榍邢鞯毒叩某叽绱笮?，幾何形狀限制，定向和設(shè)置的原因。
其次，計(jì)算中似乎沒(méi)有考慮二次曲面加工的成本（尤其是嵌入式型腔或型芯），模具材料成本的影響（直接影響切削工具的選擇和加工時(shí)間），標(biāo)準(zhǔn)模架的二次加工（為了適應(yīng)型腔、側(cè)型芯和配件，專(zhuān)用噴射器機(jī)械和熱流道噴射器等），還有的在成本估算過(guò)程中過(guò)分關(guān)注額外的加工費(fèi)用。這種方法在使用過(guò)程中平均每5-8個(gè)變量中會(huì)使用超過(guò)15-20個(gè)分析變量，這就需要建立統(tǒng)計(jì)分析模型和提供研究機(jī)會(huì)來(lái)計(jì)算。
一般來(lái)說(shuō)，在開(kāi)發(fā)工具中的單一模具類(lèi)型（如注塑模具或壓鑄模具），上述所給的方法只能提供相對(duì)準(zhǔn)確的估計(jì)。模具制造仍被認(rèn)為以技能和經(jīng)驗(yàn)為導(dǎo)向的制造業(yè)，而且它本身是不重復(fù)。因此，這就需要制定一個(gè)通用的模具成本估算模式，可以方便的為不同類(lèi)型的模具和復(fù)雜的加工過(guò)程來(lái)實(shí)施估價(jià)，以適應(yīng)成本估價(jià)人的決策。我們提出了一種成本模型可以適應(yīng)以上的要求，基于成本動(dòng)因的概念和成本估價(jià)。成本動(dòng)因取決于零件幾何形狀和加工時(shí)間。成本估價(jià)取決于零件的復(fù)雜性，而且可以自定義使用質(zhì)量功能部署方法來(lái)計(jì)算，這也是本文所要討論的重點(diǎn)。
3 模具成本估算的框架
一個(gè)典型的注塑模具汽車(chē)零部件（假設(shè)模具壽命為25萬(wàn)件）的成本構(gòu)成如圖2 [11]所示。這表明，模具成本（41％）在總成本中占很大一部分的份額，因此，必須精確地估算模具的成本。用于其它應(yīng)用（加壓模鑄，鍛造，金屬板工具等）當(dāng)中的模具成本也反應(yīng)了相似的問(wèn)題。模具成本包含了模具材料、模具設(shè)計(jì)與制造中的費(fèi)用。在這些模具成本中，模具制造成本占了最大的份額，而且是我們工作的核心。我們提出的模具成本估算模型的結(jié)構(gòu)如圖3所示。在這種方法中，所有的幾何特征都映射到機(jī)械加工特征中，這是通過(guò)分析成本作為成本動(dòng)因和它們的成本的計(jì)算方法。模具的復(fù)雜性等因素被認(rèn)為是影響成本估價(jià)的其他因素。從此以后，這種模具將被用來(lái)代表注塑及壓鑄模具。
3.1 成本驅(qū)動(dòng)因素：型芯和型腔特征
基于特征的設(shè)計(jì)，一部分是依照幾何特征（如整體，孔，槽和肋）中的某一空間特征和功能關(guān)系的建造，編輯和操作。該部分特征用于生成模具型腔的特點(diǎn)，表1中表明了在零件和模具間的特征圖譜。模具特征被分析用來(lái)確定模具的幾何尺寸、制造工藝和相對(duì)制造成本。從本質(zhì)上講，型腔大小和形狀復(fù)雜的特征會(huì)對(duì)模具制造方法的選擇有細(xì)微差別，如成本驅(qū)動(dòng)的選擇。制造方法以一維、二維等方面用來(lái)代表工具的運(yùn)轉(zhuǎn)或工件軸的X，Y，Z，A，B和C方向，以取得所需的幾何結(jié)構(gòu)。用于特性制造的相對(duì)成本（基本模具成本），應(yīng)基于我們的經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)有足夠的模具設(shè)計(jì)和成本數(shù)據(jù)不可用時(shí)，這是很有用的。更精確的成本估算可以與分析成本方法相結(jié)合，以為后期加工提供便利。
模具制造成本的幾何結(jié)構(gòu)可以按公式1來(lái)計(jì)算。使用預(yù)先決定的技術(shù)參數(shù)如每分鐘（S）和機(jī)械小時(shí)率。機(jī)床加工每小時(shí)的加工費(fèi)用總和得出基本模具成本：
Lf=總的特征切割長(zhǎng)度（f= 1到n）
S =相應(yīng)進(jìn)給速度（毫米/分）
Mf=相應(yīng)的機(jī)器速率（小時(shí)/ 60）
If=加工復(fù)雜因素I
n=特征數(shù)量。
為了達(dá)到成本估算，在計(jì)算加工復(fù)雜因素時(shí)，沒(méi)必要考慮到每個(gè)特征（過(guò)程工程師將會(huì)選擇制造過(guò)程和相應(yīng)的生產(chǎn)工藝，同時(shí)要考慮到幾何尺寸公差）的所有方面。機(jī)械小時(shí)率早已經(jīng)考慮到了這些影響。其他因素的影響，如設(shè)置的參數(shù)、工具的數(shù)量和它們的序列號(hào)，這依靠幾何的復(fù)雜程度（表面，他們的取向和特殊關(guān)系）。所以，我們?cè)诠?中引入一種加工工藝的常數(shù)“K”。在電火花拋光和機(jī)床加工中，K值的變化范圍從0.05至0.5。
因此，加工復(fù)雜性因素的一個(gè)特征可以給出：
例如，考慮到一個(gè)直徑20+0.018毫米和深度16±0.010毫米為特征的圓形整體。在這種情況下，直徑20是一種主要尺寸和公差0.018毫米可以通過(guò)鉸孔操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，這有必要只考慮到深度，即16±0.010毫米。鉸孔操作通常是在電腦數(shù)值控制立式加工中心或鏜床上執(zhí)行的。設(shè)置的參數(shù)有一種，刀具的參數(shù)可以有四種情況（中心鉆，定心鉆，鉆頭和鉸刀）。因此，加工過(guò)程常數(shù)被認(rèn)為是0.2。因此，以上所述特征加工的復(fù)雜計(jì)算公式如下：
3.2 成本估算：模具復(fù)雜因素
在注塑模具和壓鑄模具的制造中，有很多模具復(fù)雜性的因素，有一些因素是不能影響總成本以及被認(rèn)為成本估算。這些因素包含分型面的復(fù)雜程度、側(cè)型芯的存在、表面粗糙度和質(zhì)地、噴射器機(jī)械和模具材料。從我們的經(jīng)驗(yàn)確定了表2-4，作為基本的模具成本（來(lái)源于方程3）的百分比，這里有它們成本估算費(fèi)用的詳細(xì)解釋。
3.2.1 分型面的復(fù)雜性
在注塑模具和壓鑄模具的設(shè)計(jì)中，選擇最合適的分型面是一項(xiàng)很重要的步驟。許多研究人員報(bào)告不同的算法來(lái)選擇一個(gè)分型面，分別就模具型腔的零件，易于制造和美學(xué)方向而論。由于受機(jī)械加工復(fù)雜性（因?yàn)榍邢鞯毒邘缀涡螤畹募s束）和模具裝配時(shí)間的影響，一個(gè)復(fù)雜零件的加工會(huì)大大增加制造成本。一個(gè)空間的分型面讓它很難被分成兩等分。有時(shí)候，它導(dǎo)致的結(jié)果是再次加工，這是沒(méi)有經(jīng)過(guò)基于特征的方法。考慮到這些不確定因素，模具分型面復(fù)雜性因素被分為三個(gè)等級(jí)：直分型面、一般分型面和自由分型面。直分型面不會(huì)施加任何額外費(fèi)用，然而，一般分型面和自由分型面的成本將分別會(huì)多出10～20％和20～40％，這些安排在后面的部分中討論。
3.2.2 側(cè)型芯的存在
產(chǎn)品的側(cè)面包括側(cè)孔或側(cè)凹，阻礙了從模具中的推出。為了能成型這樣的產(chǎn)品，需要這樣一種側(cè)向分型的機(jī)構(gòu)，它們應(yīng)在推出產(chǎn)品前使用。側(cè)向分型和抽芯機(jī)構(gòu)需要的零件有導(dǎo)柱、導(dǎo)軌、側(cè)滑塊和液壓氣動(dòng)執(zhí)行器等，它們會(huì)增加額外的費(fèi)用。如果產(chǎn)品的幾何形狀要求的內(nèi)抽芯的數(shù)量存在于不同的方向，那么型芯尺寸和成本就會(huì)大大增加，從而模具加工及裝配時(shí)間也會(huì)大大增加。雖然側(cè)型芯的加工費(fèi)用已經(jīng)在成本估算中確定過(guò)了，但由于復(fù)雜的附加配件，二次加工會(huì)在所難免。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)這個(gè)成本估算（γc）的相應(yīng)值在表2中。
3.2.3 表面粗糙度和紋理
模具表面通常是拋光表面粗糙度Ra至0.2～0.8um，一些表面紋理可能被添加到模具的成型零件中，增加了一些外觀或功能要求。這需要像電火花毛化、照片蝕刻工藝和表面專(zhuān)業(yè)處理等措施，增加了模具制造商的工作。因此，拋光和紋理處理會(huì)增加額外的成本，根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，這里的成本估算值（γp）分別列于表3中。
3.2.4 推出機(jī)構(gòu)
對(duì)于模具的推出機(jī)構(gòu)，其零件包括一個(gè)簡(jiǎn)單的頂針或推件板機(jī)構(gòu)，或一個(gè)復(fù)雜的液壓氣動(dòng)執(zhí)行的機(jī)構(gòu)。推出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)取決于工件的幾何形狀和生產(chǎn)所需的效率。此外，推出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致更大的型芯尺寸來(lái)容納滑塊、推件板、驅(qū)動(dòng)器，推出機(jī)構(gòu)等多種零件。因此，頂出機(jī)構(gòu)的總成本增加費(fèi)用要根據(jù)其類(lèi)型而定。這個(gè)成本估算（γe）值列于表4中。
3.2.5 模具材料
注塑模具和壓鑄模具的材料應(yīng)具有的機(jī)械性能有：高硬度、熱變形小，高抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。常用的注塑模具和壓鑄模具的工具鋼有P20和P18號(hào)，En-24、A3、D1、D2，H11和H13這些材料比一般鋼材要昂貴。在該模具材料成本的基礎(chǔ)上，直接應(yīng)用模架（在總成本模式考慮時(shí)）。由于對(duì)刀具壽命的影響，模具材料的特點(diǎn)也影響到了制造成本。最近的發(fā)展是淬硬模具鋼，這表明表面精度和表面粗糙度不能改善高速加工。以碳鋼熱作模具鋼模具材料為例，在十多個(gè)案例的平均研究在基礎(chǔ)上，模具材料因子（γm）可提高2-10％的基本模具費(fèi)用。
4 建立成本估算
由表2-4中可以看出，一個(gè)模具或模具總成本的各種因素的影響是相互聯(lián)系的。而在表中給出的數(shù)值是根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)得出的，它們無(wú)法在其他地方適用，除非他們有一個(gè)龐大的案例庫(kù)，用以驗(yàn)證相同的案例。因此要進(jìn)行成本估算必須定制一個(gè)單獨(dú)的工具庫(kù)。
自定義的使用成本估算方法之一是運(yùn)用多元回歸分析。這包括收集歷史資料、建立回歸系數(shù)或成本估算關(guān)系（CER）。然而，在商業(yè)工具庫(kù)中設(shè)立的多元回歸分析可能無(wú)法模擬真實(shí)的情況，因?yàn)橹圃熳⑺苣＞吆蛪鸿T模具的工具種類(lèi)繁多，以及需要計(jì)算大量的歷史。
我們提出另一種基于質(zhì)量功能展開(kāi)的方法來(lái)建立成本估算，以克服上述限制（質(zhì)量功能展開(kāi)）方法。
QFD的基礎(chǔ)理論是項(xiàng)目實(shí)物模型，并建立由不同模具參數(shù)因素來(lái)考慮成本。用戶(hù)必須評(píng)估作為參考的基本成本，以及裝配模具參數(shù)（分型面的復(fù)雜性，表面粗糙度等）的影響。這提高了總成本估算的準(zhǔn)確性。表5說(shuō)明了模具參數(shù)及其相關(guān)費(fèi)用在開(kāi)發(fā)QFD的基礎(chǔ)成本模式時(shí)應(yīng)考慮的因素。該方法所涉及的步驟如下：
1．識(shí)別主要的模具參數(shù)，包括基本模具和模具特色制造等。
2．把模具參數(shù)不同層次的復(fù)雜等級(jí)加以分類(lèi)（QFD的列參數(shù)）。
3．除了基本模具制造成本，確定模具成本要素（質(zhì)量功能配置行）等。
4．確定占基本模具成本的百分比中較大的成本要素。比如，分型面加工成本是基本模具成本的10%，因此，成本估價(jià)一般是0.1。
5．考慮到發(fā)展關(guān)系矩陣的復(fù)雜性，使用1-9的數(shù)值范圍（1=弱，3=中，9 =強(qiáng)）。
6．構(gòu)建相關(guān)矩陣，使用0.1-1.0的數(shù)值范圍（0.1 =弱，0.3=中，0.9 =強(qiáng)）。
7．為使矩陣的關(guān)系正?；瑧?yīng)使用沃瑟曼方法。正規(guī)化矩陣的歸一系數(shù)由以下方程式[12]給出：
8．計(jì)算每個(gè)重要的模具技術(shù)參數(shù)。
9. 技術(shù)參數(shù)可以被用為各自的成本估算。注塑模具和壓鑄模具成本估算的全部方法論用第五部分的工業(yè)應(yīng)用實(shí)例來(lái)說(shuō)明。
圖4 壓鑄組件的模具
5 工業(yè)應(yīng)用實(shí)例
圖4顯示了一個(gè)鋁制零件吊扇使用，以及相應(yīng)的壓模嵌入件。風(fēng)扇組件的生產(chǎn)采用冷室加壓模鑄法工藝。模具設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)存在相當(dāng)?shù)碾y度在于一些零件組成小的幾何特征和分裂分型面。電腦數(shù)值控制電火花加工工藝被用來(lái)做來(lái)制造型芯和型腔，并插入模具H13的材料中。模架、噴射器和螺絲均購(gòu)自標(biāo)準(zhǔn)件的供應(yīng)商。
5.1 基本模具制造成本
用鑄造一個(gè)CAD的模型被用來(lái)輸入作為設(shè)計(jì)模具的基礎(chǔ)。為了估算基本模具成本，模具加工特征和相應(yīng)的過(guò)程應(yīng)縮進(jìn)。然后，加工費(fèi)用要使用均衡器3來(lái)估算。模具特色加工和它的臨界尺寸（我的尺寸特性）和相應(yīng)的尺寸公差（尺寸公差的維度）是被考慮在復(fù)雜性因素的計(jì)算。結(jié)果表明見(jiàn)表6。用以下的價(jià)格（印度盧比，1盧比≈0.02美元）：
5.2 成本估算
這個(gè)例子中模具的主要特征復(fù)雜性考慮如下：
1.直分型面（簡(jiǎn)單）；
2.兩面圓形孔洞分割（錯(cuò)配幾率）；
3.12個(gè)頂針（直徑最小為3毫米，最大為8毫米）；
4.模具材料為H13（需要淬火，回火，很難加工）；
5.表面粗糙度Ra<0.4um（需要拋光）；
6.方芯數(shù)：無(wú)；
7.芯數(shù)管腳：12 +1（校準(zhǔn)是關(guān)鍵）。
模型的開(kāi)發(fā)按照第4部分所討論的展開(kāi)。這八個(gè)成本要素在表7中所示的其余幾欄有所展示。有關(guān)鑒定人的費(fèi)用的決定在第二欄中給出，模具的成本百分比也有給出。例如，成本評(píng)估師認(rèn)為分型面的加工是相關(guān)基本模具成本的10％，加工型腔和型芯的費(fèi)用是基礎(chǔ)零件的9％。分析了模具設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并且個(gè)別參數(shù)的成本示意利用1-9規(guī)律來(lái)完成關(guān)系矩陣。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，沒(méi)有考慮相關(guān)聯(lián)矩陣。表8代表了正常化關(guān)系QFD的矩陣，對(duì)于不同的成本估算，加入了相應(yīng)列的系數(shù)。
各種模具參數(shù)（成本估算）模具總成本的影響，給出如下：
分型面因子（γ聚苯乙烯）= 5.8％
頂出機(jī)構(gòu)因子（γe）=18.4％
型芯個(gè)數(shù)因子（γc）=13.6％
拋光因子（γ）=14.1％
模具材料因子（γm）=17.8％。
6 成本模式的檢查
對(duì)研究所開(kāi)發(fā)的13個(gè)工業(yè)用例成本模式進(jìn)行檢查，包含7個(gè)注塑模具，3個(gè)壓鑄模具，2個(gè)擠出模具和1個(gè)壓縮模具。過(guò)去四年時(shí)間里，這些都是在印度的中央機(jī)械開(kāi)發(fā)工程研究所中進(jìn)行的，每個(gè)案例遵照的方法有：
1．零部件功能的檢查
圖5比較成本偏差
2．特征映射：轉(zhuǎn)換功能，把零部件加工為有一定功能的模具。
3．模具成本估算方法的基本方程3。
4．使用第4節(jié)所討論的QFD成本模型來(lái)估算成本。
5．模具的基本成本估計(jì)，二次零件（CS）的成本和型芯、型腔的材料成本。
圖5直觀地顯示了復(fù)雜模具的使用方法，可以準(zhǔn)確的估算成本，更重要的是，更精確的計(jì)算能得出更好的計(jì)算結(jié)果。單獨(dú)的工具庫(kù)可以建立自己的評(píng)級(jí)，很容易得出成本估算。
7 結(jié)論
模具開(kāi)發(fā)時(shí)，各零部件的成本計(jì)算的記載并不是都那么詳細(xì)。傳統(tǒng)的成本估算方法取決于有經(jīng)驗(yàn)的模具制造商，卻不適用于現(xiàn)代的估算案例，特別是當(dāng)模具具有比較高的復(fù)雜性時(shí)。在這項(xiàng)工作中，利用特性法、成本計(jì)算法，使參數(shù)化形成為一種混合型模具成本估算模型。這個(gè)成本模型可以比較容易的應(yīng)用于現(xiàn)在的估算領(lǐng)域。一個(gè)質(zhì)量功能展開(kāi)方法已提出來(lái)進(jìn)行模具成本的估算。在13個(gè)工業(yè)實(shí)例中已經(jīng)驗(yàn)證了費(fèi)用模式，包括注塑模具和壓鑄模具，平均偏差僅為0.40％，最大偏差為7.6％。
在小工廠中不易實(shí)現(xiàn)此種系統(tǒng)成本模式的方法。再者，特性識(shí)別和定制成本估算需要一些具有專(zhuān)業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的人來(lái)進(jìn)行評(píng)級(jí)。自動(dòng)化集成水平的提高，加強(qiáng)了具有特征識(shí)別功能的電腦數(shù)據(jù)庫(kù)，可以使上面提到的問(wèn)題得以解決，并能提高該模式的效率成本，這也是目前要研究的方向
在此，作者要感謝印度孟買(mǎi)的工具和儀表制造商協(xié)會(huì)（TAGMA），分享了對(duì)印度模具制造業(yè)狀況的信息。也感謝該集團(tuán)的制造技術(shù)部、機(jī)械工程研究所Cantral杜爾加布爾人員的合作，大家共同見(jiàn)證該集團(tuán)的模具開(kāi)發(fā)和制造的不斷提升。