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1 注射成型 CAD CAE CAM 集成系統(tǒng) 中國 華中科技大學 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 CAD CAE CAM 集成系統(tǒng) 在 CAD CAE 階段 注塑件的圖紙可與模 具零件交互轉換 同時 根據用戶需求 可以進行機械檢驗 運行平衡分析 流動分析 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控磁帶 實踐表明 該 系統(tǒng)是模具設計與制造的有用工具 注射成型是當今工業(yè)最重要的聚合物加工方法之一 在復雜零件的大批量生產中 它具有以低成本獲得高精度的優(yōu)點 在相當長的一段時間里 經驗 直覺與反復試驗已 成為模具設計 制造及成型操作的關鍵因素 而這些方法已越來越低效且其成本也越來 越高 尤其是當其應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 大部分這些問題已通過結合 CAD CAE CAM 的最新技術進展成功的解決了 近年來越來越多注射成型中的 CAD CAE CAM 集成系統(tǒng)已被研發(fā)并被傳遞到了西方工 業(yè)國家 如美國 AC 一 Teeh 公司的 C 一 M3 1 德國 IKV 公司開發(fā)的模具計算機輔助設計軟 件 加拿大 McCill 大學的 MCKAM 和澳大利亞 MoldFlow 公司開發(fā)的二維流動軟件 通過使 用這些軟件包 注射成型零件的生產力及其數量能夠提高 同時也縮短了其啟動時間 自 1980 以來中國的注射成型 CAD CAE CAM 技術已取得了飛速發(fā)展 我國作為這一 領域的先驅 已經學習和開發(fā)注射成型 CAD CAE CAM 技術多年 通過五年的發(fā)展和實踐 證明 一個注射成型 CAD CAE CAM 集成系統(tǒng) HSC 1 1 已被開發(fā)并且成功的被許多工廠所采用 系統(tǒng)描述 HSC 1 1 是建立在個人電腦如 PC386 和 PC486 上的 其 理想的內存大于等于 4 MB 而其外部存儲容量超過 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) 境下開發(fā)和運行的 在該系統(tǒng)中 AutoCAD 10 0 只作為一個圖形編輯和繪圖軟件 編程采用 的是標準 Fortran 語言和 AutoLISP 77 除了幾個圖形驅動程序外 計算機中所有系統(tǒng)的軟 件是獨立的 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 個基于用戶需求的設計功能模塊 系統(tǒng)中的所有模 塊都是由一個名為 控制面板 或 控制菜單 的主控程序監(jiān)控 用戶可以通過控制面板命 令顯示在屏幕上的菜單來調用任何模塊 而數據以數據文件的形式自動的從一個模塊交 2 換到另一個模塊中 圖 3 所示為 HSC 1 1 數據流程圖 HSC 1 1 軟件要求 圖 2 HSC 1 1 功能模塊 3 HSC 1 1 數據流動表 CAD 功能模塊 CAD 模塊的任務是高效的把注射成型零件的圖紙轉換成模具零件圖紙 并為模擬和數 控模塊提供所需數據 由于復雜型腔 一個曲面造型程序已包絡在圖形輸入中了 故平 面 曲面和雙三次曲面可以輕松地創(chuàng)建 曲面的點坐標可由零件圖尺寸和先前輸入點坐 標的程序來計算 當零件圖紙的表面一個又一個的創(chuàng)建時 零件的尺寸通過互動尺寸將 轉換成型腔和型芯 而型腔和型芯的數據都將被記錄下來作為為模具設計和模擬用 一種由中國人民共和國機電部發(fā)出的包含 10 種模具標準件套的據庫已經設立了 每 一套模具類包含 13 系列 因此 有 31150 套模具組合完全在數據庫中 一旦腔布局確定 所有的標準模具零件可以通過互動尺寸自動選擇 該系統(tǒng)為用戶設計熱流道系統(tǒng) 編輯型腔和型芯結構 布置頂針腳和冷卻水道提供 了一個功能組 最后能夠生成所有的模具零件圖 包括動模裝配圖 定模裝配圖和模具 總裝配圖 圖 4 所示為上海第九無線電廠生產的彩電開關插座的模具裝配圖 4 模具總裝圖 CAE 功能模塊 CAE 模塊包括 CAD 與 CAE 模塊間的界面 模板的機械檢驗 運動平衡分析 流動和冷 卻仿真 在這些 CAE 模塊的幫助下 模具結構設計得到了改善 同時我們能在模具制造 前解決注射成型零件在注射過程中可能出現(xiàn)的缺陷 如降解 注射量不足 熔接痕位置 不當 通過 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 生成有限元網格模型的送料系統(tǒng) 用戶使用該界面 還可以選擇聚合物 冷卻液 模具 材料和設置如注射溫度 注射時間 冷卻液溫度等成型工藝條件 該界面從數據庫中讀 取材料的屬性數據 并將網格結構 材料性能及成型工藝條件寫入作為如下介紹 CAE 模 塊輸入的數據文件中 目前 該系統(tǒng)使用二維有限元法 FEM 來分析模板的強度及其一個典型的模具截面 的剛度 而基于三維有限元法的分析程序也正在開發(fā)中 為了保證在一模多腔生產中獲得同等質量的注射成型零件 每個型腔應在相同的壓 力和溫度下同時填充 這就要求澆注系統(tǒng)是平衡的 在 HSC 1 1 中其平衡能夠通過調 整流道尺寸和用戶初步設計階段設計的最不可能平衡的澆口的尺寸來獲得 5 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 將經典赫爾蕭流擴展至非彈性流體中來獲得 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 和 了 Z 的平均偏導數 p Cp 和 K 分別表示熔體的密度 比熱和導電率 同時 b 表示的是 半板厚度 因為注射成型零件的厚度尺寸通常比其模具 A B 板的厚度小的多 故在解決此問題 時 我們采用了一種強大的數值方案 即采用有限元與有限差分混合法 在該方案的實 施過程中 平面統(tǒng)籌以有限元法來描述 同時 塑件壁厚方向的變量分布和時間導數是 以有限差分來表達的 我們采用體積控制法推導出了有限元法及跟蹤了熔體前端的流動 通過使用該流動仿真 用戶能夠獲取如壓力 流速 溫度分布 總壓降及夾緊力等對送 料系統(tǒng)設計和優(yōu)化工藝條件很有幫助的信息 此外 用戶還能夠通過改變澆口的數量和 位置來促進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建立并證明是可靠和有效的 基于 穩(wěn)態(tài)冷卻仿真 三維瞬態(tài)冷卻仿真已經研制成功 一種新的邊界元法已通過此模塊 以 消除數值機構一體化 有了這個組件 用戶可以計算腔與道之間的換熱 減少了冷卻時 間并降低了模具與注塑成型零件表面的預熱溫度 CAE 模塊的所有執(zhí)行結果可以以等高線圖 陰影彩色圖像和各種曲線圖動態(tài)顯示 以 幫助用戶提高他們的設計效率 6 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 對于數控線切割 機床和數控銑床 其刀具路徑的數控磁盤是通過使用后置處理來生成的 目前 僅有數 控線切割的功能在實踐中有采用 而我國工廠通過使用 HSC 1 1 系統(tǒng)已設計和制造了許 多注射模具 結論 HSC 1 1 是一個集成 CAD CAE CAM 的注射成型系統(tǒng) 除少數圖形驅動器程序外 計 算機系統(tǒng)的其他所有程序是獨立的 這就確保了系統(tǒng)良好的可移植性 同時 系統(tǒng)模塊 化結構 也保證了系統(tǒng)中每一個模塊具有良好的延展性及維修性 實踐表明 HSC 1 1 是 一個強大的模具設計和制造工具 它可以幫助工程師以較低的模具成本獲得較好的模具 質量 因此 HSC 1 1 在模具行業(yè)中的運用已越來越廣泛了 7 References 1 WANG K K Polymer Plastics Technology Engineering 1980 1 p 75 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