现代模具设计方法讲义-华中科技大学课件

本讲内容提要
– – – – 基于通用CAD系统的模具设计实例 二维专用注射模CAD系统 三维专用注射模CAD系统 MOLDWIZARD实例
基于通用CAD系统的设计实例
建立制品三维模型 定义模具坐标系：WCS 制品放大：scale命令 定义成型镶件

– 定义一个长方体实体 – 定位制品模型
否 是否接受 ? 是
设计： ·推杆 ·滑块、内抽芯 ·内嵌件
MoldWizard设 计顾问
设计计划： ·分型面 ·型腔布置 ·内嵌件 ·推杆 ·浇口 ·冷却 ·电极
否 是否接受 ? 是
修补开发面
设计最后阶段： ·浇口 ·流道 ·冷却 ·电极 ·打孔 ·材料清单 ·装配图
MOLDWIZARD实例
实际操作的分步演示：实例分步演示 实际操作：智能化模具设计系统 MOLDWIZARD 实际操作的连续演示

塑料的应用日益广泛
– 塑料的年产量按体积计算已经超过钢铁和有色 金属年产量的总和

汽车工业实例
– 我国汽车塑料占汽车自重的5%至6%，而国外 已达13%

注塑成型在塑料加工行业中的地位
– 塑料模具约占所有模具（包括金属模）的 38.2%

模具进口的数据:塑胶模具占55.4%
注射模设计制造的特点
小批量、多品种 外部约束条件多 结构复杂且灵活多变 设计关联性 标准化程度高 经验性与试探性强

二十一世纪世界制造加工业的形势
– 设计的多品种、复杂化;快速设计制造技术;降低产 品成本、提高产品质量

CAX技术的优势
– 模具CAX技术可使设计时间缩短50%，制造时间缩 短30%，成本下降10%，塑料原料节省7%，一次 试模成功率提高45%～50%
CAX技术的功能与优势

CAD
– 帮助广大模具设计人员由注塑制品的零件图迅速设计出该制品的 全套模具图，使模具设计师从繁琐、冗长的手工绘图和人工计算 中解放出来
动模
动模板
凸模
动模垫 板
导柱 复位杆 顶出固 定板
动模座 板
拉料杆
顶出板 顶杆
标准模架的建库与选用

模架建库的基本流程
– – – – – 造型生成模架的各个零件图； 为零件图标注尺寸，设置设计变量； 把零件图放入零件库中； 输入零件的标准尺寸数值完成零件数据库； 从零件库中提取零件，并在数据库中查询数 据，完成零件的参数化，得到新的零件； – 完成所有零件的参数化并装配成模架，存入 模架库中。

CAE
– 借助于有限元法、有限差分法和边界元法等数值计算方法 – 分析型腔中塑料的流动、保压和冷却过程，计算制品和模具的应 力分布，预测制品的翘曲变形 – 由此分析工艺条件、材料参数及模具结构对制品质量的影响，达 到优化制品和模具结构、优选成型工艺参数的目的

CAM
– 将模具型腔的几何数据转换为各种数控机床所需的加工指令代码， 取代手工编程
标准模架的建库与选用

模架的调用
模架库 选择模架品种
零件数据库
选择模架系列
零件数据库
选择模架规格
参数化
完成模架设计
图形输出
典型结构与零件设计
拉料杆、主流道衬套及定位圈，侧抽芯 机构以及脱模推出机构，流道系统、冷 却系统也可当作典型结构来处理 参数化设计

浇注系统设计
直边浇口 侧边浇口 耳柄浇口 扇形浇口 膜片浇口 搭接式浇口 环形浇口 盘状浇口 直接浇口 潜伏式浇口 点 浇 口
注射模CAX技术的应用趋势
基于网络的模具CAD/CAE/CAM集成化 系统已开始使用 微机软件在模具行业中发挥着越来越重 要的作用 模具CAD/CAE/CAM系统的智能化程度 正在逐步提高 三维设计与三维分析的应用和结合是当 前注射模技术发展的必然趋势

注射模具基本结构
注射模具基本结构
工程图输出
注射模CAD相关技术概述

参数化设计
– 程序参数化设计 – 交互参数化设计


建模技术
– 线框模型、表面模型、实体模型、特征建模
工程数据库 装配设计技术 人工智能技术
注射模成型零部件的设计
尺寸转换 制品修补 型腔布置 分型线与分型面定义 型芯型腔生成

尺寸转换
考虑到成型部位不同尺寸受以上各种因素 影响的程度不同，应将尺寸分为以下五类 并分别采用不同的尺寸计算公式 把塑料制品的所有尺寸采用同一收缩率进 行整体缩放，再对关键尺寸进行修正 CAD系统应参数化功能

① ② ④ ③ ②
⑤
制品修补

存在于零件表面上开放的孔和槽在分型前都要 求被“封闭”
平面修补 实体补丁 实体修补
注射模CAE

塑料熔体充模流动的控制方程
(bu ) (bv ) 0 x y
u P ( ) 0 z z x
v P ( ) 0 z z y
塑料制品造型
注射制品的几何造型 成型部分零件的生成 标准模架选择 典型零件与结构设计 模具零件图的生成 常规计算和校核

尺 寸 转 换 成型方案设计
CAE分析评价 是否合理？ Y 成型零件生成
N
是否调用标 准模架？ Y 调用标准模架 流 道 设 计
N
非标准模架设计
典型结构设计
冷却系统设计
– – – – 广义牛顿定律 质量守恒定律 动量守恒定律 热力学第一定律
注射模CAE

塑料熔体充模流动的简化和假设
– 熔体的充模流动可视为扩展层流，z向的速 度分量可忽略不计，且认为压力不沿z向变 化。 – 充模过程中熔体压力不是很高，因此可视熔 体为未压缩流体。 – 由于熔体粘性较大，相对于粘性剪切应力而 言，惯性力和质量力都很小，可忽略不计。 – 在充模过程中，熔体温度变化不大，可认 为比热容和导热系数是常数。 – 熔体前沿采用平面流前模型。

注射模设计技术的发展阶段

手工作坊设计阶段
通用CAD系统设计阶段
– 二十世纪70年代～ 80年代


专用注射模CAD系统注射模设计阶段
– 二十世纪90年代
采用CAX技术的必要性

传统方法的不足
– 传统开发方法主要是尝试法,开发过程中要反复试模 和修模，导致生产周期长、费用高，产品质量难以 得到保证
三维专用注射模CAD系统

成型零件的关联设计
三维专用注射模CAD系统

Moldwizard应用的一般流程
最初准备阶段 MoldWizard设计功能
创建合适的实 体模型
初始化： ·项目名称 ·加载产品 ·尺寸单位
定义分型面
观察评估： ·出模斜度 ·分型情况
加入标准模架 确定： ·拔模方向 ·收缩率 ·成型镶件
计算机技术在注射模中的应用
塑料制品的设计 模具结构设计 模具开合模运动仿真 注塑过程数值分析 数控加工

CAD的发展概况
经历了从二维到三维、从简单的线框造 型系统到复杂的曲面实体混合造型的转 变 国际上占主流地位的CAD软件主要有 Pro/E、I-DEAS、UGII等 国内较有影响的CAD系统有CAXA、高 华CAD、HSC3.0、开目CAD、InteSolid、 金银花
是
否 是 重新分组？
否
模拟结束
结构零件强度与刚度校核

校核准则
– 保证模具型腔不出现溢料 – 保证制品尺寸不超差 – 保证制品脱模顺利

计算方法
– 叠加法计算 – 三维有限元变形分析 – 典型剖面的二维分析
结构零件强度与刚度校核

叠加法计算
– 基本加载情况 – 叠加计算：并联方式、串联方式
第四讲 注射模CAD的应用
制品修补
曲面修补
边界修补 片体补丁 现有曲面修补
4
3 1 2 5
扩展曲面修补
型腔布置
型腔布置的形式比较固定，如矩型、圆 周型、H型等 通过对常用结构形式进行总结并参数化 后提供给用户选择 同时系统还应提供重定位功能，允许用 户对单个或多个型腔位置进行修改

分型线与分型面定义

分型面的确定应遵循下面的原则：
第二讲 注射模CAX技术概述

本讲内容提要
– – – – – – – – – 注射模的重要性 注射模设计制造的特点 注射模设计技术的发展阶段 采用CAX技术的必要性 CAX技术的概念 计算机技术在注射模中的应用领域 CAD的发展概况 CAE的发展概况 注射模CAD/CAE/CAM技术的应用现状
注射模的重要性

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前言：思考题


注射模零部件的组成、功能、工作过程 简述计算机技术在注射模中的应用领域 简要说明采用CAD技术进行模具结构详细设计 的流程 简要说明MoldWizard的功能、特点及其应用 流程 简述注射模CAE所应用的粘性流体力学的基本 方程 简述基于“中心层”模型的CAE软件在应用中 的局限性 简述注射模流动模拟软件分析结果的指导作用
注射模具基本结构
第三讲 注射模CAD的开发原理

本讲内容提要
– – – – – – – – 注射模设计的主要内容 应用注射模CAD系统进行模具设计的流程 注射模CAD相关技术概述 注射模成型零部件的设计 标准模架的建库与选用 典型结构与零件设计 模具工作过程运动仿真 结构零件强度与刚度校核
注射模设计的主要内容
– 分型面应开在塑料产品最大轮廓处； – 由于浇口和分流道经常处于分型面上，选择分型面 要考虑便于浇注系统的设计； – 避免在制品的光亮平滑处或圆弧过渡处开设分型面， 以免留下溢料痕迹； – 尽量避免使用侧向抽芯和分型机构； – 分型面的选择应有利于开模时将产品留在动模一侧， 以便脱模，简化模具结构； – 对同轴度要求高的塑件，最好将要求同轴的部位放 在分型面的同侧； – 尽量将抽芯距离长的方向放在动定模的开模方向， 避免侧向长距抽芯； – 分型面选择应使模具结构简单。
基于通用CAD系统的设计实例

成型镶件的分型与型芯型腔生成
– 布尔运算挖出镶件内的型腔 – 自行构造分模所需的复杂曲面 – 零件分割功能
基于通用CAD系统的设计实例
型腔布置：Transformations 模架设计

– 所有零件组件一一造型 – 装配设计

典型零件与结构设计
– 查阅手册来选择合理的零件类型和参数 – 零件造型

– 实例top_cover2(v1.1).avi – 实例case2(v1.1).avi – 实例product3(v1.1).avi
第五讲 注射模CAE

本讲内容提要
– – – – CAE的基本原理 基于实体/表面模型的分析 CAE的应用 系统介绍、实例演示、操作培训
注射模CAE

粘性流体力学的基本方程
浇口类型
圆边浇口
面 浇 口
侧向抽芯机构设计
模具工作过程运动仿真
运动仿真程序设计流程
调出注塑模具 零件回到 起点 设置运动分组 零件回到起 点 设置运动组件 运动参数 否 零件回到起点 否 是 重设参数？ 是否干涉？ 否 运动完成？ 否 重新开始运动 是 重新模拟？ 是 停止运动 是 停止运动 开始运动 重置运动参数？ 零件回到 起点
模具设计方法--注塑模部分
华中科技大学 周华民 2005年10月
前言：教学内容

理论课
– – – – – 第一讲 注射模的结构 第二讲 注射模CAD/CAE/CAM概述 第三讲 注射模CAD开发的基本原理 第四讲 注射模CAD应用 第五讲 注射模CAE的原理与应用

实践课
– CAD软件的实际操作应用 – CAE软件的实际操作应用
分型线与分型面定义

根据分型线创建分型面
– 逐个创建片体 – 缝合所创建的分型片体
型芯型腔生成

首先使用实体模型的差操作，将制品模 型从其包围盒中减去，得到一个含有空 腔的模型。将前面所得的缝合曲面来修 剪该空腔模型便可得型芯、型腔模型。
标准模架的建库与选用

装配模型的定义：装配树
定模固 定板 定模 定位圈 主流道 衬套 凹模 定模板 树根 导套 冷却水 管

CAE的发展概况
一维流动分析 – 基于三维有限元模型的三维分析

国内外商品化软件简介
– – – – 澳大利亚MOLDFLOW公司的MF系列软件 美国AC-TECH公司的C-MOLD系列软件 华中科技大学的HSC系列软件 郑州大学的Z-MOLD系列软件
基于通用CAD系统的设计实例
二维专用注射模CAD系统
三维专用注射模CAD系统

UG公司推出的 Moldwizard系统
– – – – – – 支持注射模具设计全过程 适合于注塑制品的曲面造型功能 基于知识的设计自动化 齐全、开放的标准库 成型零件的关联设计 强大、方便、实用的辅助功能:Product Design Advisor