模具设计综述

毕业设计（论文）模具设计综述

专业：______机械电子工程___________

姓名：______李政锦__________

模具设计综述、

进入21世纪以来，模具技术已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，因为模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。随着塑料制品复杂程度和精度要求的提高以及生产周期的缩短，主要依靠经验的传统模具设计方法已不能适应市场的要求。模具是生产各种工业产品的重要工艺装备，随着塑胶工业的迅速发展以及塑胶制品在航空、航天、电子、机械、船舶和汽车等部门的推广应用，产品对模具的要求越来越高，传统的模具设计方法以无法适应产品更新换代和提高质量的要求。电脑辅助工程（CAE）技术已成为塑胶产品开发、模具设计及产品加工中这些薄弱环节的最有效的途径。同传统的模具设计相比，CAE技术无论在提高生产率、保证产品质量还是在降低成本、减轻劳动强度等方面，都具有很大优越性。

一、模具的国内外发展史

1、模具的国内发展史

模具技术的起源可以追溯到我国古代。在我国原始社会末期就出现了青铜器，这标志着我国古代采用模型塑造产品的技术已经有了一定的水平，但当时的模型塑造技术主要用在兵器的制造中。

1986年，四川广汉三皇堆发掘的两个发掘出的两个商代祭祀坑出土了近千件精绝伦的珍贵文物，其中有大小不同的青铜器人头像等，这表明我国在商代已经开始使用模具来成型青铜物具。到春秋战国时期，各种农作器具、战争武器的制作，是模具技术的运用渐趋成熟。

1998年底，从秦岭底下宫殿军备库陪葬坑中出土的秦剑、矛、车马等其他军用装备证明：到了秦朝时期，青铜兵器的铸造技术、规模及铸后的加工技术已经到达到了较为先进的水平。

20世纪上半叶，我国工业基础薄弱，模具用的很少。抗战时期，大都是私人开办的模具作坊在加工，制作一些简易模具。模具技术的传承也一般是以有经验的钳工师傅手把手带徒弟的方式进行。抗战胜利后经济萧条。工业水平底下，

汽车工业仅做些维修工作，对模具的需求量都很小。1946年，我国首派四人前往美国冷冲模、料模和夹具的设计与制造。同时向美国订购了一批模具加工的关键设备，并购买了大批电机、电器、仪表生产用的模具图纸和有关资料。但因当时的特殊历史条件，这些设备、资料未得到很好应用。

1949到195年恢复时期，上海、天津等工业城市的机电工业基本恢复正常生产，制造了一些简单的冲压模具和塑料模具。苏联、德国的模具书籍开始进入我国。1955年成立了我国的第一家专业模具生产厂——天津电讯模具厂。1955年底远一机部在哈尔滨电机厂主办了第一期模具培训班。

1962年，为了适应模具生产发展的需要，颁布了我国第一个模具标准：冷冲模零件标准典型结构标准。20世纪80年代后期，随着我国经济的飞速发展，模具工业进入了一个快速发展的新时代，不仅国有模具企业有了很大发展，三资企业、乡镇企业的发展也相当迅速。

虽然我国模具工业发展迅速，20世纪90年代的10年间模具产值的增长率基本稳定在14%到15%。但由于在模具精度、寿命、制造周期及生产能力等方面。我国与国际平均水平和发达国家仍有叫大差距。所以模具的生产仍然供不应求。每年需要大量进口。主缺口集中在精度、大复杂、长寿命模具领域。

进入21世纪后，随着模具行业结构调整和体制改革步伐加大。大型、精度、长寿命、中高档模具及模具标准件发展速度高于一般模具产品；塑料模和压铸模的数量及其生产能力增加；“三资”及私企发展迅速；股份制改革步伐加快，但模具工业发展很不平衡，从地区分布来看，以珠江三角洲和长江三角洲为中心的东南沿海地区发展快于中西部地区，南方的发展快于北方，目前发展最快，模具生产最为集中的省是广东、浙江、上海、安徽和山东等地近几年也较大发展。

2、模具的国外发展史

纵观世界各国模具的发展，可以看出，工业革命推动了工业技术的发展，从而推动了机械、汽车、精密仪器、日用品的发展，使模具这一特殊的工艺装备成为基础工业的主要组成。特别是第一、二次世界大战期间，对大批量的武器及精密器械的需求，更是大大促进了模具技术的迅猛发展。德国正是利用先进的模具技术，在武器装备制造上占有先机，可源源不断地制造出大量的战斗机、坦克和枪械等重型武器，因而能一度掌握着战争的主动权。而战后的日本，也是抓住了模具工业的振兴，在仪器仪表、家用电器等方面，以先进的精密成型技术占领了国际市场，从而使其国力快速增长起来。

近年来，信息产业、汽车及其配件、塑料制品等工业的快速发展，对模具水平的要求越来越高，需求量也越来越大。电子、汽车、电机、电器、仪表、家电和通讯等产品中，60%-90%的零件需要用模具成型。国民经济的五大支柱产业，

即机械、电子、汽车、石化和建筑的发展，都要求模具工业的发展与之相适应。模具设计及制造水平，决定了产品质量、效益、和新产品的开发能力。模具生产水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平的高低的重要标志。各个发达及发展中国家，都把模具工业作为支柱产业，无论从发展规模，还是从年产值上都站有相当的比重。

在欧美等工业发达国家，模具工业被成为“点铁成金”的“磁力工业”，其发展速度超过了新兴的电子工业，以实现了模具专业化、标准化和商业化，因而深受赞誉。在美国工业界认为“模具工业是美国工业的基石”；在日本模具工业被称为“进入富裕社会的原动力”；在德国模具工业被冠以“金属加工业中的帝王”称号；欧洲的其他一些国家则更加直接地宣称“模具就是黄金”。我国模具权威人士认为“模具是印钞机”。可见模具工业在世界各国经济发展中都具有重要的地位。

模具技术具有数千年的悠久历史，在人类社会的发展中发挥了巨大作用。现在，人类社会已经进入21世纪，模具技术将以它特有的魅力和活力与时俱进，继续向前发展。

二、模具设计的发展现状

1．用三维实体模型取代中心层模型

传统的注塑成形仿真软件基于制品的中心层模型。用户首先要将薄壁塑料制品抽象成近似的平面和曲面，这些面被称为中心层。在这些中心层上生成二维平面三角网格，利用这些二维平面三角网格进行有限元计算，并将最终的分析结果在中面上显示。而注塑产品模型多采用三维实体模型，由于两者模型的不一致，二次建模不可避免。但由于注塑产品的形状复杂多样、千变万化，从三维实体中抽象出中心层面是一件十分困难的工作，提取过程非常繁琐费时，因此设计人员对仿真软件有畏难情绪，这已成为注塑成形仿真软件推广应用的瓶颈。

HSCAE 3D主要是接受三维实体/表面模型的STL文件格式。现在主流的CAD/CAM系统，如UG、Pro/ENGINEER、 CATIA和SolidWorks等，均可输出质量较高的STL格式文件。这就是说，用户可借助任何商品化的CAD/CAE系统生成所需制品的三维几何模型的STL格式文件，HSCAE 3D可以自动将该STL文件转化为有限元网格模型，通过表面配对和引入新的边界条件保证对应表面的协调流动，实现基于三维实体模型的分析，并显示三维分析结果，免去了中心层模拟技术中先抽象出中心层，再生成网格这一复杂步骤，突破了仿真系统推广应用的瓶颈，大大减轻了用户建模的负担，降低了对用户的技术要求，对用户的培训时间

也由过去的数周缩短为几小时。

2．有限元、有限差分、控制体积方法的综合运用

注塑制品都是薄壁制品，制品厚度方向的尺寸远小于其他两个方向的尺寸，温度等物理量在厚度方向的变化又非常大，若采用单纯的有限元或有限差分方法势必造成分析时间过长，无法满足模具设计与制造的实际需要。我们在流动平面采用有限元法，厚度方向采用有限差分法，分别建立与流动平面和厚度方向尺寸相适应的网格并进行耦合求解，在保证计算精度的前提下使得计算速度满足工程的需要，并采用控制体积法解决了成形中的移动边界问题。对于内外对应表面存在差异的制品，可划分为两部分体积，并各自形成控制方程，通过在交接处进行插值对比保证这两部分的协调。

3．数值计算与人工智能技术的结合

优选注塑成形工艺参数一直是广大模具设计人员关注的问题，传统的CAE 软件虽然可以在计算机上仿真出指定工艺条件下的注塑成形情况，但无法自动对工艺参数进行优化。CAE软件使用人员必须设置不同的工艺条件进行多次CAE分析，并结合实际经验在各方案之间进行比较，才能得出较满意的工艺方案。同时，在对零件进行CAE分析后，系统会产生有关该方案的大量信息(制品、工艺条件、分析结果等)，其中分析结果往往以各种数据场的形式出现，要求用户必须具备分析和理解CAE分析结果的能力，所以传统的CAE软件是一种被动式的计算工具，无法提供给用户直观、有效的工程化结论，对软件使用者的要求过高，影响了CAE系统在更大范围内的应用和普及。针对以上不足，HSCAE 3D软件在原有CAE 系统准确的计算功能基础上，把知识工程技术引入系统的开发中，利用人工智能所具有的思维和推理能力，代替用户完成大量信息的分析和处理工作，直接提供具有指导意义的工艺结论和建议，有效解决了CAE系统的复杂性与用户使用要求的简单性之间的矛盾，缩短了CAE系统与用户之间的距离，将仿真软件由传统的“被动式”计算工具提升为“主动式”优化系统。HSCAE 3D系统主要将人工智能技术应用于初始工艺方案设计、CAE分析结果的解释和评价、分析方案的改进与优化3个方面。在基于知识的仿真系统中主要采用的优化方法：

(1)基于实例推理的优化。主要应用于具有离散取值空间的成形工艺初始设计。制品形状和浇注系统结构采用编码方式，而尺寸信息采用特征参数描述。在对以往成功工艺设计的收集和抽象的基础上，建立以框架形式描述的实例库索引和检索机制。

(2)基于人工神经网络的优化。对工艺设计中如注射时间、注射温度这样具有连续取值空间的参数，采用基于人工神经网络的方法来优化。利用优化目标函数并在一定的优化策略下，得到优化系统确认的最优参数。

(3)基于规则推理的优化。主要用于对分析结果的解释和评价。本系统所建立的专家系统规则库是以注塑模领域的专家知识为基础的，涵盖了有关短射、流动平衡、熔体降解、温差控制、保压时间、许可剪切应力、剪切速率、锁模力等方面的知识，在对计算结果进行分析和提炼的基础上，驱动专家系统进行推理，对成形方案进行分析评价，并给出具体的优化改进建议。

4．制品与流道系统的三维流动保压集成分析

流道系统一般采用圆柱体单元，而制品采用的是三角形单元，HSCAE 3D 系统采用半解析法解决混合单元的集成求解问题，这样，HSCAE 3D系统不仅能分析一模一腔大型复杂的制品，而且能够分析一模多腔小型精密制品，大大拓宽了系统的使用范围。目前HSCAE 3D系统是世界上先进的能够分析一模多腔流动平衡问题的三维仿真软件。

5．塑料制品熔合纹预测的高效算法

熔合纹对制品的强度、外观等有重要影响，准确预测熔合纹位置是仿真软件的难题。HSCAE 3D系统通过节点特征模型方法大大提高了熔合纹预测的准确性和效率，其准确度达到国际同类产品的先进水平。并利用神经网络方法对熔合纹的影响程度作出定性评价，为用户对成形质量的评估提供了直接的判断依据。

三、模具设计发展的趋势

1、全3D化，主要是指从模仁到模座，再到最后的零件加工图，全部用三维软件设计设计完成。

Pro/E,UG以及SolidWorks的不断进步都使的整套模具全3D设计不再很费时间，全3D设计给模具结构的审查带来了很大的方便，降低了模具设计的失误率。间接的降低了模具的开发成本，缩短了模具的开发周期。

2、多人协调同步设计，主要是指一个人以上参与，共同的设计一套模具。

传统的设计模式下，一套模具的设计是以一个工程师为主的。首先画好组立图，再拆3D模仁，最后标尺寸。标尺寸阶段可以几个人一起做。随着市场竞争的加剧，模具开发周期越来越短，要求设计阶段也要更加快速。这就要求模具设计从一开始就要分工协作，同步进行。比如一个人拆3D模仁，另一个人可以同时改产品的脱模斜度和尺寸公差。3D拆的过程中，另一个人又可以同时设计3D模座。标尺寸的部分就更不用说了。

3、全参数化

模具设计的更改是不可避免的，模具参数化设计给设计更改带来了很大的方便性。是提高效率的设计利器。

4、替代式设计

针对于改良性开发的产品，替代式设计因为以设计完成的模具图档为参考，可以更快的完成模具设计。这种设计方法与传统的套图有很大的区别。因为继承了之前的结构，所以设计方案会更成熟，少出错。使得模具设计也不再依赖于某个人的能力，为企业降低了用人成本，给新员工提供了上升空间。

四、总结

进入21世纪，在经济全球化的新形势下，随着资本、技术和劳动力市场的重新整合，我国装备制造业在加入WTO以后，将成为世界装备制造业的基地。而在现代制造业中，无论哪一行业的工程装备，都越来越多地采用由模具工业提供的产品。为了适应用户对模具制造的高精度、短交货期、低成本的迫切要求，模具工业正广泛应用现代先进制造技术来加速模具工业的技术进步，满足各行各业对模具这一基础工艺装备的迫切需求。