材料成型CADCAE综合实践报告
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由以上分析结果可得制件充填均匀，几乎总
是充满，流动前沿温度，气穴等分布合理。熔接
痕较可以接受。但是，冷却水管的冷却效率不高，
其温差只有0.33度，还有就是制件的翘量较，最
大的地方高达1mm，由于该产品是台灯的底座，
需要和壳体进行装配，故精度要求较高。针对以
不足，以下提出解决方案。
④方案二
由方案一可得，产品主要存在的问题有翘曲量过大，冷却回路效率不高。翘曲，可能是由于顶出温度过高，导致收缩温度不均一起的，或者是冷却不均匀引起的。冷去效率不高可能是因为，冷却回路离制件太远。故针对以上可能进行如下改进：
6
如图所示图为所创建的CAD模型图,具体请参见源文件（文件夹taideng）
7
①前处理
对模型进行处理，去掉一些倒角，以便缩短分析时间同时对结果影响不大。网格采用双层面网格，边长为3mm。冷却水道的网格为圆柱状长度为15mm。网格经修改过后，无相交重叠单元，无配向不正确单元，连通性良好，修改后的参数如下
②浇口位置、成型窗口分析
由浇口位置分析可得建议的交口位置在节点10871附近，然后将浇口设置在节点10871进行成型窗口分析，得出：推荐模具温度65度，推荐熔体温度277.96度，推荐注射时间0.4432秒。以下是分析结果：
③
根据上述分析结果，设置分析条件如下：熔体温度720度，开模时间8秒，模具表面温 度65度，开模温度75度，分析类型为填充+保压+翘曲+冷却，冷却水管及浇口形式布置如下图所示。
EMX：Expert Moldbase extension，模具专家系统扩展，是PROE软件的模具设计外挂，是PTC公司合作伙伴BUW公司的产品。EMX可以使设计师直接调用公司的模架，节省模具设计开发周期，节约成本，减少工作量。
5
本实验所用的零件为台灯外壳，主要包括底座下壳、底座上壳、支架、灯罩上壳、灯罩下壳，灯管等，实物图如右图所示
Autodesk Moldflow Insight 2012：Autodesk Moldflow仿真软件具有注塑成型仿真工具，能够帮助验证和优化塑料零件、注塑模具和注塑成型流程。该软件能够为设计人员、模具制作人员、工程师提供指导，通过仿真设置和结果阐明来展示壁厚、浇口位置、材料、几何形状变化如何影响可制造性。从薄壁零件到厚壁、坚固的零件，Autodesk Moldflow的几何图形支持可以帮助用户在最终设计决策前试验假定方案。
②曲面加工
刀具采用6mm圆鼻刀，刀具圆角半径2mm，初加工主轴转速800r/min，精加工主轴1200mm，Z轴最大步进量3mm，切削间距4mm，精加工次数一，精修量1mm
③钻孔加工
刀具采用5mm钻头，主轴转速300R/min
10 总结
通过台灯外壳的CAD建模，进一步熟悉了proe曲面建模、零件组装等基本技能，同时对实体建模技术有了更深层次的理解。此外，通过对CAD建模、CAE分析，也掌握了CAD和CAE如何进行数据对接，如何使用CAD软件来更好的辅助CAE的分析，如何利用CAE分析数据来指导CAD模具设计，同时也初步掌握了利用CAD数据进行CAM模拟加工制造过程。在台灯外壳的CAE分析过程中，也掌握了对一般注塑件的成型分析方法，以及在分析过程中的前处理，后处理过程，并能够根据所学的专业知识对分析的结果做出合理的解释并对成型过程中出现的缺陷提出改进措施，通过对成型工艺的优化来减轻或消除缺陷。
解决方法：由于制件比较薄，而且面积较大，属于平板内制件，从中心进浇会引起较大的翘曲变形。所以，可在制件的边缘部分添加一些筋板，或者使制件壁厚增大。这样不仅可以减小制件的翘曲量，还能使制件充填变得更容易（在此不再进行验证分析）。
8 Proe、EMX模具设计
首先对制件的要求进行分析，制件外表面要求光滑，无浇口痕迹。其次制件的外形来看，在设计模具时，制件的留模倾向不确定。此外，制件的尺寸较大，故设计成一模一件。以下是模具设计的示意图，模仁的尺寸为259.605x190.028x40.9，故模架选择350x400mm，提供商futabafg，类型为GCtype，A板厚60mm，B板厚50mm，其余参数采用默，然后进行成形分析，利用分析所得的工艺参数进行模具设计，最后模拟模具的数控加工过程。其中CAD主要包括实体特征的建立、曲面特征的创建、零件装配、模具体积块的创建、EMX模具设计；CAE部分主要包括MOLDFLOW的初步应用，可对底壳进行充填、保压、冷却、分子取向、翘曲、浇口位置等分析，预测可能出现的缺陷，并分析原因，提出解决办法，再以实验来验证所提出解决办法的可行性；CAM部分包括模具型腔的模拟加工、数控代码的生成等
⑧
通过一系列的分析，和不同方案实验数据的综合比较，然后提出改进措施。解决了制件在生产过程中，温度分布不均、冷却效率低等问题，使得制件在成型过程中充填合理，制件在模具中温度分布均匀。虽然没有分析出翘曲变形的主要原因，但是通过DOE分析排除了加工工艺参数的可能，于是，间接推断出制件的翘曲变形是由自身引起的。
关键词：台灯外壳、CAD、CAE、CAM、缺陷
2
21世纪随着PC的普及和应用，CAE技术也得到了飞速发展。CAE技术被广泛地用于日常生活和生产实践中。此项技术在生产中的应用，大大减少了劳动力的投入，同时也节约了生产成本，因此，CAE技术得到了越来越多的重视。与此同时CAM技术也突飞猛进，由于其加工进度高，易于实现自动化生产，因而逐渐代替了传统的加工技术。本实验通过对台灯外壳进行CAD建模，然后进行CAE分析，通过所得结果，调整工艺方案，从而优化生产。并利用分析所得的工艺参数进行模具设计，最后进行计算机模拟模具的加工制造。整个实验包括了台灯外壳CAD、CAE、CAM全过程。
分析类型不变，熔体温度230度，开模时间5秒，模具温度40度，顶出温度50度，冷却回路像制件逼近两毫米，向左偏移5mm，其余条件不变。以下是分析结果
由分析结果可得，通过将模具温度降低之后，熔料的表面粘度增大，流动能力降低，导致充型时间变长，从而导致成型周期延长，由于顶出温度降低之后，在模具中冷却的时间也延长了。除此之外，改进之后，导致流动前沿温度分布发生变化，温度分布不均，两端温度较低，而中间温度较高。改进以后冷却回路的温度差也没有发生太大的变化管内的温度差为0.77度，制件的翘曲变形问题也没有得到改善。
4
Pro/Engineer 5.0：Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。
Mastercam：是美国CNC Software Inc.公司开发的基于PC平台的CAD/CAM软件。它集二维绘图、三维实体造型、曲面设计、体素拼合、数控编程、刀具路径摸拟及真实感摸拟等到功能于一身。它具有方便直观的几何造型 Mastercam提供了设计零件外形所需的理想环境，其强大稳定的造型功能可设计出复杂的曲线、曲面零件。
综上所述，通过本次实践，加深了对材料成型CAD/CAE/CAM的认识，提高了曲面建模、组件装配、CAE分析技能。学会了利用moldflow的成型窗口分析在选择制件成型的最佳参数，也学会了利用DOE分析来帮助解决制件成型过程中产生的缺陷及问题。并通过分析，提出了优化措施，得出了推荐的工艺曲线和相应的成型工艺参数以用于指导生产实践和用于模具的设计，最后利用模具设计所得的结果进行模拟数控加工，并生成数控代码，从而用于指导模具加工过程。
在对台灯外壳CAE分析中，出现了充型时间长、温度分布不均、冷却不均、翘曲变形过大等现象，并提出了改变模具和熔体温度、改变浇注位置、优化冷却系统等措施来改善缺陷，通过再次验证分析发现，虽然大部分问题得到解决，但是制件的翘曲量过大依然无法解决。于是通过DOE分析，得出结论：影起制件的过大翘曲其主要原因并不是成型工艺参数设置不当，于是通过排除法，得出结论，造成制件翘曲变形过大的主要原因是制件的设计不合理，或者是成型方法不当，于是提出改进措施：1、制件壁厚增加。2、在制件边缘部位设置加强筋，以克服制件收缩不均引起的翘曲。
在proe模具设计中，掌握了模具分型面的创建，并掌握了利用分型面分割模具工件得到模具体积块的方法。学会了模具浇口和流道的创建、冷却水路的布置及创建。在emx的应用过程中，学会了模具模架的选用，模具零件定义与选用的基本方法。同时也学会了模具零件加工的基本方法，会初步使用MasterCAM对模具进行简单的加工，并生成数控加工代码。
以下为设计的示意图，具体的零件请参照文件夹muju、muren
9 CAM模具制造
通过以上的模具设计过程，得到了产品的凸模，凹模和型芯。此过程对上一步所得到的零件进行模拟的数控加工制造，并产生数控代码。由于水平和时间有限，在此只对动模的型腔进行CAM模拟加工。以下是模拟加工制造过程：
①
刀具采用8mm平底刀，主轴转速700r/min，Z轴最大步进量3mm，精修次数一，精修量0.5mm
⑤方案三
针对方案二存在的问题，在方案三中进一步提出改进措施，主要通过更改如下参数：模具温度60度，顶出时间6秒，熔体温度278度，顶出温度80度。以下是改进之后的分析结果：
由以上分析结果，可得改进之后，制件的充填时间大大的缩短，由原来的1.01s减少到0.53s，几乎缩短了一般。流动前沿的温度分布也比较合理，温差不到一度。此外，冷却回路的温度差也有所提高，说明冷却效果变好。虽然翘曲变形量有所减小，最大的地方由原来的1.016mm变为0.9213mm，但是相对而言，翘曲量仍然很大，不能满足装配要求。通过moldflow分离翘曲原因，发现翘曲主要是由于收缩不均导致的。由于冷却不均导致的翘曲量很小，可以忽略。故，以下针对产品的翘曲变形做专门的分析。
1
本实验通过对外壳进行CAD建模，主要包括实体建模、曲面建模和装配，所用的平台为Pro/E。然后将建立好的CAD模型导入到CAE分析软件中进行成型分析。CAE分析主要包括填充、保压、翘曲等，所用的分析软件为Moldflow2012。通过分析预测其在成型过程中可能出现的缺陷，运用现有专业知识分析成型过程产生缺陷的原因，并通过调整成型工艺来减少缺陷，并应用CAE分析所得的数据作为设计模具的依据，运用EMX创建产品模具图。最后通过MasterCAM模拟模具加工过程，并生成数控加工代码。
⑥
由于以上3次分析中制件翘曲变形过大的问题没有解决，故增加DOE分析，帮助找出制件产生翘曲的原因。分析设置如下：变量：模具表面温度、熔体温度、注射时间，注射压力、保压压力、填充压力、顶出温度。质量：变形（收缩不均）。实验设计：THGUI和面心立方。参数设置如下
⑦分析总结
由以上分析结果可得：在（一）所选的三种影响因素中模具表面温度，和熔体温度对制件翘曲变形影响最大，但是，由所有因素响应曲面图（一）可以看出模具表面温度和熔体温度相互作用，最大只会对制件造成大约0.07mm左右的翘曲量，而制件的翘曲量为1mm，这说明，模具表面温度和熔体温度均不是影响翘曲的主要因素。在（二）所选的5种影响因素中，充填压力对制件的翘曲影响最大，但是，它与其他因素综合作用之后，对制件翘曲造成的影响也只在0.03mm范围内（由所有因素响应曲面图（二）可得）。所以综上所述，模具表面温度、熔体温度、注射时间，注射压力、保压压力、填充压力、顶出温度等都不是造成制件翘曲的主要因素，因此可以排除制件的主要翘曲变形是由注塑工艺引起的。所以，制件产生大的翘曲变形量可能是自身原因。
由以上分析结果可得制件充填均匀，几乎总
是充满，流动前沿温度，气穴等分布合理。熔接
痕较可以接受。但是，冷却水管的冷却效率不高，
其温差只有0.33度，还有就是制件的翘量较，最
大的地方高达1mm，由于该产品是台灯的底座，
需要和壳体进行装配，故精度要求较高。针对以
不足，以下提出解决方案。
④方案二
由方案一可得，产品主要存在的问题有翘曲量过大，冷却回路效率不高。翘曲，可能是由于顶出温度过高，导致收缩温度不均一起的，或者是冷却不均匀引起的。冷去效率不高可能是因为，冷却回路离制件太远。故针对以上可能进行如下改进：
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如图所示图为所创建的CAD模型图,具体请参见源文件（文件夹taideng）
7
①前处理
对模型进行处理，去掉一些倒角，以便缩短分析时间同时对结果影响不大。网格采用双层面网格，边长为3mm。冷却水道的网格为圆柱状长度为15mm。网格经修改过后，无相交重叠单元，无配向不正确单元，连通性良好，修改后的参数如下
②浇口位置、成型窗口分析
由浇口位置分析可得建议的交口位置在节点10871附近，然后将浇口设置在节点10871进行成型窗口分析，得出：推荐模具温度65度，推荐熔体温度277.96度，推荐注射时间0.4432秒。以下是分析结果：
③
根据上述分析结果，设置分析条件如下：熔体温度720度，开模时间8秒，模具表面温 度65度，开模温度75度，分析类型为填充+保压+翘曲+冷却，冷却水管及浇口形式布置如下图所示。
EMX：Expert Moldbase extension，模具专家系统扩展，是PROE软件的模具设计外挂，是PTC公司合作伙伴BUW公司的产品。EMX可以使设计师直接调用公司的模架，节省模具设计开发周期，节约成本，减少工作量。
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本实验所用的零件为台灯外壳，主要包括底座下壳、底座上壳、支架、灯罩上壳、灯罩下壳，灯管等，实物图如右图所示
Autodesk Moldflow Insight 2012：Autodesk Moldflow仿真软件具有注塑成型仿真工具，能够帮助验证和优化塑料零件、注塑模具和注塑成型流程。该软件能够为设计人员、模具制作人员、工程师提供指导，通过仿真设置和结果阐明来展示壁厚、浇口位置、材料、几何形状变化如何影响可制造性。从薄壁零件到厚壁、坚固的零件，Autodesk Moldflow的几何图形支持可以帮助用户在最终设计决策前试验假定方案。
②曲面加工
刀具采用6mm圆鼻刀，刀具圆角半径2mm，初加工主轴转速800r/min，精加工主轴1200mm，Z轴最大步进量3mm，切削间距4mm，精加工次数一，精修量1mm
③钻孔加工
刀具采用5mm钻头，主轴转速300R/min
10 总结
通过台灯外壳的CAD建模，进一步熟悉了proe曲面建模、零件组装等基本技能，同时对实体建模技术有了更深层次的理解。此外，通过对CAD建模、CAE分析，也掌握了CAD和CAE如何进行数据对接，如何使用CAD软件来更好的辅助CAE的分析，如何利用CAE分析数据来指导CAD模具设计，同时也初步掌握了利用CAD数据进行CAM模拟加工制造过程。在台灯外壳的CAE分析过程中，也掌握了对一般注塑件的成型分析方法，以及在分析过程中的前处理，后处理过程，并能够根据所学的专业知识对分析的结果做出合理的解释并对成型过程中出现的缺陷提出改进措施，通过对成型工艺的优化来减轻或消除缺陷。
解决方法：由于制件比较薄，而且面积较大，属于平板内制件，从中心进浇会引起较大的翘曲变形。所以，可在制件的边缘部分添加一些筋板，或者使制件壁厚增大。这样不仅可以减小制件的翘曲量，还能使制件充填变得更容易（在此不再进行验证分析）。
8 Proe、EMX模具设计
首先对制件的要求进行分析，制件外表面要求光滑，无浇口痕迹。其次制件的外形来看，在设计模具时，制件的留模倾向不确定。此外，制件的尺寸较大，故设计成一模一件。以下是模具设计的示意图，模仁的尺寸为259.605x190.028x40.9，故模架选择350x400mm，提供商futabafg，类型为GCtype，A板厚60mm，B板厚50mm，其余参数采用默，然后进行成形分析，利用分析所得的工艺参数进行模具设计，最后模拟模具的数控加工过程。其中CAD主要包括实体特征的建立、曲面特征的创建、零件装配、模具体积块的创建、EMX模具设计；CAE部分主要包括MOLDFLOW的初步应用，可对底壳进行充填、保压、冷却、分子取向、翘曲、浇口位置等分析，预测可能出现的缺陷，并分析原因，提出解决办法，再以实验来验证所提出解决办法的可行性；CAM部分包括模具型腔的模拟加工、数控代码的生成等
⑧
通过一系列的分析，和不同方案实验数据的综合比较，然后提出改进措施。解决了制件在生产过程中，温度分布不均、冷却效率低等问题，使得制件在成型过程中充填合理，制件在模具中温度分布均匀。虽然没有分析出翘曲变形的主要原因，但是通过DOE分析排除了加工工艺参数的可能，于是，间接推断出制件的翘曲变形是由自身引起的。
关键词：台灯外壳、CAD、CAE、CAM、缺陷
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21世纪随着PC的普及和应用，CAE技术也得到了飞速发展。CAE技术被广泛地用于日常生活和生产实践中。此项技术在生产中的应用，大大减少了劳动力的投入，同时也节约了生产成本，因此，CAE技术得到了越来越多的重视。与此同时CAM技术也突飞猛进，由于其加工进度高，易于实现自动化生产，因而逐渐代替了传统的加工技术。本实验通过对台灯外壳进行CAD建模，然后进行CAE分析，通过所得结果，调整工艺方案，从而优化生产。并利用分析所得的工艺参数进行模具设计，最后进行计算机模拟模具的加工制造。整个实验包括了台灯外壳CAD、CAE、CAM全过程。
分析类型不变，熔体温度230度，开模时间5秒，模具温度40度，顶出温度50度，冷却回路像制件逼近两毫米，向左偏移5mm，其余条件不变。以下是分析结果
由分析结果可得，通过将模具温度降低之后，熔料的表面粘度增大，流动能力降低，导致充型时间变长，从而导致成型周期延长，由于顶出温度降低之后，在模具中冷却的时间也延长了。除此之外，改进之后，导致流动前沿温度分布发生变化，温度分布不均，两端温度较低，而中间温度较高。改进以后冷却回路的温度差也没有发生太大的变化管内的温度差为0.77度，制件的翘曲变形问题也没有得到改善。
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Pro/Engineer 5.0：Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。
Mastercam：是美国CNC Software Inc.公司开发的基于PC平台的CAD/CAM软件。它集二维绘图、三维实体造型、曲面设计、体素拼合、数控编程、刀具路径摸拟及真实感摸拟等到功能于一身。它具有方便直观的几何造型 Mastercam提供了设计零件外形所需的理想环境，其强大稳定的造型功能可设计出复杂的曲线、曲面零件。
综上所述，通过本次实践，加深了对材料成型CAD/CAE/CAM的认识，提高了曲面建模、组件装配、CAE分析技能。学会了利用moldflow的成型窗口分析在选择制件成型的最佳参数，也学会了利用DOE分析来帮助解决制件成型过程中产生的缺陷及问题。并通过分析，提出了优化措施，得出了推荐的工艺曲线和相应的成型工艺参数以用于指导生产实践和用于模具的设计，最后利用模具设计所得的结果进行模拟数控加工，并生成数控代码，从而用于指导模具加工过程。
在对台灯外壳CAE分析中，出现了充型时间长、温度分布不均、冷却不均、翘曲变形过大等现象，并提出了改变模具和熔体温度、改变浇注位置、优化冷却系统等措施来改善缺陷，通过再次验证分析发现，虽然大部分问题得到解决，但是制件的翘曲量过大依然无法解决。于是通过DOE分析，得出结论：影起制件的过大翘曲其主要原因并不是成型工艺参数设置不当，于是通过排除法，得出结论，造成制件翘曲变形过大的主要原因是制件的设计不合理，或者是成型方法不当，于是提出改进措施：1、制件壁厚增加。2、在制件边缘部位设置加强筋，以克服制件收缩不均引起的翘曲。
在proe模具设计中，掌握了模具分型面的创建，并掌握了利用分型面分割模具工件得到模具体积块的方法。学会了模具浇口和流道的创建、冷却水路的布置及创建。在emx的应用过程中，学会了模具模架的选用，模具零件定义与选用的基本方法。同时也学会了模具零件加工的基本方法，会初步使用MasterCAM对模具进行简单的加工，并生成数控加工代码。
以下为设计的示意图，具体的零件请参照文件夹muju、muren
9 CAM模具制造
通过以上的模具设计过程，得到了产品的凸模，凹模和型芯。此过程对上一步所得到的零件进行模拟的数控加工制造，并产生数控代码。由于水平和时间有限，在此只对动模的型腔进行CAM模拟加工。以下是模拟加工制造过程：
①
刀具采用8mm平底刀，主轴转速700r/min，Z轴最大步进量3mm，精修次数一，精修量0.5mm
⑤方案三
针对方案二存在的问题，在方案三中进一步提出改进措施，主要通过更改如下参数：模具温度60度，顶出时间6秒，熔体温度278度，顶出温度80度。以下是改进之后的分析结果：
由以上分析结果，可得改进之后，制件的充填时间大大的缩短，由原来的1.01s减少到0.53s，几乎缩短了一般。流动前沿的温度分布也比较合理，温差不到一度。此外，冷却回路的温度差也有所提高，说明冷却效果变好。虽然翘曲变形量有所减小，最大的地方由原来的1.016mm变为0.9213mm，但是相对而言，翘曲量仍然很大，不能满足装配要求。通过moldflow分离翘曲原因，发现翘曲主要是由于收缩不均导致的。由于冷却不均导致的翘曲量很小，可以忽略。故，以下针对产品的翘曲变形做专门的分析。
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本实验通过对外壳进行CAD建模，主要包括实体建模、曲面建模和装配，所用的平台为Pro/E。然后将建立好的CAD模型导入到CAE分析软件中进行成型分析。CAE分析主要包括填充、保压、翘曲等，所用的分析软件为Moldflow2012。通过分析预测其在成型过程中可能出现的缺陷，运用现有专业知识分析成型过程产生缺陷的原因，并通过调整成型工艺来减少缺陷，并应用CAE分析所得的数据作为设计模具的依据，运用EMX创建产品模具图。最后通过MasterCAM模拟模具加工过程，并生成数控加工代码。
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由于以上3次分析中制件翘曲变形过大的问题没有解决，故增加DOE分析，帮助找出制件产生翘曲的原因。分析设置如下：变量：模具表面温度、熔体温度、注射时间，注射压力、保压压力、填充压力、顶出温度。质量：变形（收缩不均）。实验设计：THGUI和面心立方。参数设置如下
⑦分析总结
由以上分析结果可得：在（一）所选的三种影响因素中模具表面温度，和熔体温度对制件翘曲变形影响最大，但是，由所有因素响应曲面图（一）可以看出模具表面温度和熔体温度相互作用，最大只会对制件造成大约0.07mm左右的翘曲量，而制件的翘曲量为1mm，这说明，模具表面温度和熔体温度均不是影响翘曲的主要因素。在（二）所选的5种影响因素中，充填压力对制件的翘曲影响最大，但是，它与其他因素综合作用之后，对制件翘曲造成的影响也只在0.03mm范围内（由所有因素响应曲面图（二）可得）。所以综上所述，模具表面温度、熔体温度、注射时间，注射压力、保压压力、填充压力、顶出温度等都不是造成制件翘曲的主要因素，因此可以排除制件的主要翘曲变形是由注塑工艺引起的。所以，制件产生大的翘曲变形量可能是自身原因。