黑崎龍少
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模具专业毕业设计模式的实践与探讨以模具专业学生的毕业设计模式的改革为例，探讨计算机技术在模具专业学生毕业设计中的应用范围、步骤及结果，明确指出了模具设计理论同先进设计方法相结合在模具专业学生毕业设计教学环节的重要性和必然性。 关键词：模具设计 毕业设计 计算机技术 1 引言 模具是一种技术密集、资金密集型产品，在我国国民经济巾的地位也非常重要。模具工业已被我国正式确定为基础产业，并在“十五”中列为重点扶持产业。由于新技术、新材料、新工艺的不断发展，促使模具技术不断进步，对人才的知识、能力、素质的要求也在不断提高。 根据社会发展对模具专业学生的新要求以教学生的实际情况，探圳大学工程技术学院对99级模具设计方向学生的毕业设计的进行了较大的改节，并取得了较好的效果。 2 模具专业学生培养目标 深圳大学模具设计专业隶属于深圳大学工程技术学院机械制造及其自动化专业，主要是从事注射模的设计与制造。为了明确本方向的培养目标，我们对珠江三角洲，特别是深圳周边地区模具企业进行了比较广泛的社会调查，调查结果表明，用人单位要求毕业生有较高的思想品质和道德修养，爱岗敬业和较好的与人协调共事能力，要求毕业生基础理论扎实，着重基本技能的掌握和再学习能力，要求毕业生熟练掌握外语，有一定的计算机软件应用和开发能力。 根据调查结果分析，我们把模具专业人才培养的规格定位于：面向各类型企业，培养爱岗敬业，具备机械及各类模具设计与制造基础知识，具有较强的再学习能力和创造能力，能在模具生产第一线从事模具设计制造、技术开发、应用研究和经营销售的应用型工程技术和管理人才。据此把拓宽专业口径，课程体系合理，教学内容优化、实验研究能力强，社会适应面宽，作为本方向教学的基本指导思想，将模具设计理论、实践与及计算机应用融合为一体。 3 计算机技术在注射模中的应用领域 塑料产品从设计到成型生产是一个十分复杂的过程，它包括塑料制品设计、模具结构设计、模具加工制造和塑件生产等几个工要方面。它需要产品设计师．模具设计师、模具加工工艺师及熟练操作工人协同努力来完成，它是一个设计、修改、再设计的反复迭代、不断优化的过程。传统的手工设计已越来越难以满足市场激烈竞争的需要。计算机技术的运用，正在各方面取代传统的手工设计方式，并取得了显著的经济效益。计算机技术在注射模中的应用主要表现在以下几个方面： (1)塑料制品的设计：基于特征的三维造型软件为设计者提供了方便的设计平台，而且制品的质量、体积等各种物理参数为后续的模具设计和分析打下了良妤的基础。 (2)结构分析：利用有限元分析软件可以对制品的强度、应力等进行分析，改善制品的结构设计。 (3)模具结构设计：根据塑料制品的形状、精度、大小、工艺要求和生产批量，模具设计软件会提供相应的设计步骤、参数选择．计算公式以及标准模架等，最后给出全套模几结构设计图。 (4)模具开合模运动仿真：运用CAD技术可对模具开模、合模以及制品被推出的全过程进行仿真，从而检查出模具结构设计的不合理处，并及时更正，以减少修模时间。 (5)注射过程数值分析：采用CAE方法可以模拟塑料熔体在模腔中的流动与保压过程，其结果对改进模具浇注系统及调整注塑工艺参数有着重要的指导意义，同时还可检验模具的刚度和强度、制品的翘曲性、模壁的冷却过程等。 (6)数控加工：利用数控编程软件可模拟刀具在三维曲面上的实时加工过程并显示有关曲面的形状数据，同时还可自动生成数控线切割指令、曲面的三轴，五轴数控铣削刀具轨迹等。 目前，国际上占主流地位的注射模CAD软件有Pro/E、I-DEAS、UGⅡ、SolidWorks等；结构分析软件有MSC、Analysis等；注射过程数值分析软件有MoldFlow等；数控加工软件有MasterCAM、Cimatron等。 4 模具专业毕业设计模式 模具专业的学生要求综合知识和实践能力较强，它既是学生大学四年所学的机械制图、工程材料、公差配合与技术测量、塑料成型工艺与设备等技术基础课、专业课的综合应用，又需要学生了解大量的实践经验。 通过毕业设计，应使学生在下述基本能力上得到培养和锻炼：①塑料制品的设计及成型工艺的选择；②一般塑料制品成型模具的设计能力；③塑料制品的质量分析及工艺改进、塑料模具结构改进设计的能力；④了解模具设计的常用商业软件以及同实际设计的结合， 以往的毕业设计严格来说只能算是模具设计这门课的课程设计；老师指定一个塑料产品，有时甚至连产品模型图都交给学生，学生按照谍本上的模具设计步骤一步步做下去，由于没有实践经验，学校也不可能将学生的设计变成实际产品，因此，设计的合不合理，学生不知道，即使有经验的老师指不出不合理处，学生也没有感性认识，只能是纸上谈兵。学生踏人社会，从事实际产品设计，往往会发现无从下手，即使设计出来也是废纸一张，通常都要通过1到2年的时间才能入门。因此，学生常会感叹：在学校什么也没学到这不能不说是我们教育的失败。 为了改变这种状况，在99级的毕业设计中，我们采取将模具设计内容同CAD/CAM/CAE紧密结合在一起，学生通过先进的软件仿真，可以随时发现自己在每一步设计中的不合理处，会找出各种解决方案让设计趋于合理，同时掌握了最先进的设计，加上及分析技术，提高了学生的学习兴趣和创新能力，使毕业设计真正成为了学生实际工作前的一次全过程模拟。设计流程如图1所示。为了保证毕业设计的质量，我们专门成立了一个 由4名老帅组成的模具设计指导小组，每个老师负责设计流程的一个步骤。此次参加模具设计毕业课题的学生共15人，我们分成5组，每组3人。 首先在布置毕业设计题目时，不给出具体的塑件制品，只是告诉学生要做一个开关按钮，学生根据自己的兴趣，确定自己的设计产品：游戏机手柄按钮、眼镜盒开关按钮、电灯墙壁开关按钮以及鼠标按钮等。通过市场调研、查阅大量的文献资料，确定自己塑件的外形及内部结构。采用三维造型软件Pro/E设计出塑件的内外结构，用AutoCAD绘出二维图，在结构设计过程中，运用结构分析软件MSCPatran分析按钮受力后的结构强度、刚度及应力等，对结构进行不断修正，学生会发现机械设计、工业产品设计、材料力学、理论力学等课程的知识在这个阶段都有所体现，对以前所学课程也是一个综合应用的过程。图2为某学牛设计的游戏机按钮装配图及爆炸图，图3为按钮对角两点受力时的最大变形和最大应力图。塑料制品设计完成后，进行模具结构设计，采用的是Prom/E下的模具设计模块对产品建立工件进行分型、分割、抽取得到型芯、型腔文件；通过专家模座系统EMX(Pro/E,系统外挂程序之一)建立标准模座零件及滑块、斜销等其它附件。这个过程实际上并没有结束，它要同后续的注塑过程数值分析紧密联系起来，所采用的注射流动分析软件是MoldFlow，根据熔体在浇注系统和型腔中的流动过程的动态图，改进模具浇注系统、调整注射工艺参数，使模具各系统的设计达到最佳。图4为分析出的最佳浇注位置以及采用圆形排列的流道方式进行注塑，最后注塑出来的结果。图5为按钮模具的装配图及爆炸图。模具结构完成后，进行数控加工，我们采用的是MasterCAM8.0加工软件，完成模具的虚拟加工过程，并自动编制数控加工的NC代码，利用仿真模块可以查看加工完后工件的合理性。 最后学生要提供详细的设计说明书以及完整的二维、三维图纸。在论文撰写阶段和答辩过程中，学生还采用了ACDSee图像软件，用来截取设计图像并辅助介绍整个设计过程；采用Office软件用来做文字的处理，写出分析报告。 每位学生在整个设计完成后，都必须对自己的没计 过程及结果做一个总结，提出本设计的创新与特色在何处。例如在建模部分或流道设计部分，同时也要考虑设计中存在问题以及相应的解决方法，从大多数学生的总结来看，学生迫切体会到了实践经验的欠缺，因此，在下一届学生的毕业设计中我们力争多请企业的设计人员同学生交流，多让学生接触到实际的设计、生产过程， 至此，学生完成了一个项目的全过程：塑料制品设计--模具设汁--模具加工．学生可以在计算机上看到自己设计、加工出来的最终产品，体会到成功的感觉。5 结束语 通过对此次毕业设计模式的改革，学生既对大学四年课程的学习做了—个总结，同时又掌握了最流行的、同社会实际最靠近的设计、加工方法。因此，本届模具专业方向的毕业生受到了社会的欢迎，深圳某大型台资公司模具部一次意愿接受本校的毕业生5名．取得了很好的社会效益。 (end)
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通过对课程塑料模具制造的过程我了解了以下下内容：1、产品设计；2、模具设计（用软件分模，选用模架及标准件并设计滑块）；3、工艺安排；4、按工艺顺序进行加工；5、钳工装配（主要配分型面）；6、试模。下面主要讲述上面每个过程的重点和要注意的问题。 、产品设计 这个过程中我们应注意的问题有：不能随意改变产品的结构（用户特殊要求除外）；不能随意改变产品大小（用户特殊要求除外）；在交图前应检查各尺寸是否正确及是否注明产品材料。 、模具设计 （一）首先必须要拟定模具结构形式： A、分型面位置确定：分型面应选在塑件的最大截面处；不影响塑件外观质量，尤其是对外观有明确要求的塑件，更要注意分型面对外观影响；有利于保证塑件的精度要求；有利于模具加工，特别是型腔加工；有利于浇注系统、排气系统、冷却系统的设置；便于塑件的脱模，尽量使塑件开模时留在动模一边(有的塑件需要定模推出的例外)；尽量减小塑件在合模平面上的投影面积，以减小所需锁模力；便于嵌件的安装；长型芯应置于开模方向。 B、型腔数量的确定：型腔数量主要是根据塑件的质量、投影面积、几何形状（有无抽心）、塑件精度、批量大小以及经济效益来确定，这些条件互相制约的，在确定设计方案时，须进行协调，以保证满足其主要条件。 C、型腔排列方式、模具结构形式的确定：型腔的排列涉及模具尺寸、浇注系统的设计、浇注系统的平衡、抽芯机构的设计、镶件及型芯的设计以及温度调节系统的设计。以上这些问题又与分型面及浇口的位置有关，所以在具体设计过程中，要进行必要的调整，以达到比较完善的设计结构。1）中大型塑件或带有侧向分型与抽芯（几个方向分型或抽芯）、且抽芯机构在动模时的小型精密塑件采用单型腔单分型面模具；2）塑件外观质量、尺寸精度要求高而采用点浇口时，用单型腔多分型面模具；3）尺寸精度要求一般的中小型塑件用多型腔单分型面或多型腔多分型面模具。 （二）塑料模具钢的选用： A、塑料模具钢的性能要求（1）要求材料有较高的硬度、好的耐磨性，其型面硬度应为30~60HRC，淬硬性>55HRC，有足够的硬化深度，材料中心部位有足够强韧性，以免脆断、塑性变形等。（2）要求材料具有一定的抗热性，能在150~250 C的温度下长期工作，且不氧化、不变形，尺寸稳定性良好。（3）要求材料具有一定的耐腐蚀性。（4）要求材料的焊接性能、锻造工艺性能良好。 B.、塑料模具钢的选用 冷压成型塑料模具多以低碳钢为主，型号可选用20、20Cr、12CrNi3A、40rC或DTI等。切削成型塑料模具，多以调质钢为主，先进行调质处理后再后再加工，型号可选用40、50、3Cr2Mo、4Cr3MoSiV、5CrNiMo、4Gr5MoSiV1或 4Cr5W2SiV1等。磨损强烈的热塑性和热固性塑料模具选用冷作模具钢制造，如Cr12、9Mn2V、Cr6 WV或7 Cr Mo NiMo等。高级塑料模具可选用超低碳马氏体时效钢，如18Ni（250）、18Ni（300）或18Ni（350）等。 （三）模架及标浇口设置所要考虑的因素： A、浇口的设置应达到平衡充模 B、浇口应位于厚壁处 C、浇口应远离薄壁特征 D、浇口的设置应实现同向流动 E、必要时增加浇口以减少充模压力 F、增加浇口以防止过保压 G、所用模具的类型，是2板式还是3板式模具？ H、热流道还是冷流道，或者混合流道 I、所希望的浇口类型，如边缘浇口、潜伏式浇口等 J、由于制件的功能而对浇口位置的限制 没有固定的原则来决定浇口应该或不应该设在制件的什么位置。设计师不同，他所认可的浇口最佳位置可能不同。本节将讨论浇口位置设计的一些原则，与制件充模流动分析相关的人员应对这些原则予以重视。 （四）模架及准件的选用： 在设计模具时，应尽可能地选用标准模架和标准件（包括通用标准件及模具专用标准件两大类，通用标准件如紧固件等，模具专用标准件如定位圈、浇口套、推杆、推管、导柱、导套、模具专用弹簧、冷却及加热元件），因为标准件有很大一部分随时可在市场上买到，这对缩短制造周期，降低制造成本极其有利。模架尺寸确定之后，对模具有关零件要进行必要的强度或刚度计算，以校核所选模架是否适当，尤其是对大型模具，这一点尤为重要。 、工艺安排前我们应先对塑料成型工艺的可行性分析： （1）接受设计任务（塑件产品零件工作图，若是实物零件，应绘制成二维工程图），在产品零件工作图上应注明所用塑料的品种、批量大小、尺寸精度与技术条件，产品的功用及工作条件。 （2）对产品图纸或提供的样品进行详细地分析和消化，注意检查以下项目。 A、产品尺寸精度及其图纸尺寸的正确性； B、脱模斜度是否合理； C、塑件厚度及其均匀性； D、塑料种类及其收缩率； E、塑件表面颜色及表面质量要求。 （3）了解该塑件材料的机械性能和物理性能，以及与注射工艺有关的参数。 （4）审核塑件的成型工艺性，讨论壁厚、肋板、圆角、表面粗糙度、尺寸精度、表面修饰、脱模斜度和嵌件安放的可行性，如果产品结构设计的成型工艺性不佳，可与设计者商榷，在不影响产品性能的前提下，由设计者对产品结构进行修改，以满足注塑成型工艺的需要。 （5）计算塑件的体积和质量。 、按工艺顺序进行机加。在模塑公司模具加工中心，加工模具主要有以下几种方法：车床加工、铣床加工、磨床加工、CNC加工、放电加工、线切割加工等。 几种模具加工方法的比较： 1）、车床加工 加工精度： 0.02mm 加工特性：适合孔、台阶、槽等一系列成型加工，可加工范围比较广。 2）、铣床加工 加工精度： 0.02mm 加工特性：适合孔、台阶、槽等一系列成型加工。 3）、磨床加工 加工精度： 0.001~ 0.005mm 加工特性:适合圆弧、斜面、槽等精密成型加工 4）、CNC加工 加工精度： 0.01mm 加工特性：适合公母模座、3D模仁及各类电极的粗精加工。 5）、放电加工 加工精度： 0.002~ 0.01mm 加工特性:适合于加工槽类、孔类及复杂成型类工件，可镜面加工。 6）、线切割加工 加工精度： 0.002~ 0.005mm 加工特性：加工精度高、光洁性好、操作方便，可加工上下异形工件。 、在模具制造过程中装配主要由钳工来完成 装配技术分为“分离”和“集成”两种类型。集成装配：A、焊接 B、固定 C、粘接 D、嵌入技术 E、90度角卡扣；分离装配包括： A、小于90度角卡扣 B、螺扣装配 C、中心装配 D、压机装配。压件装配：压件装配可以使塑料组件在最低的成本下进行高强度装配。例如对卡扣装配来说，由于应力松弛，高压装配的拉力强度随着时间的流逝而减少（见图3）。设计计算必须把它考虑进去。另外，必须作使用温度周期变化的试验，以保证设计的可行性；螺纹装配：螺纹装配由分离型、组合型螺杆或整体螺杆嵌件的运用组成。材料的挠曲模量给螺件的合理装配提供了指导。 例如， 带螺纹的螺丝的弯曲模量可以达到2800Mpa。如果需要使用公制的螺丝，或者螺纹装配需要多次来完成，这就需要采用金属的细纹嵌件。 、试模前我们应该了解该塑料件的机械性能和物理性能，以及与注射工艺有关的相关参数。公司里用的塑料最多就是聚丙烯(PP)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）。除此之外，我们还要确定成型设备。 (1)常用塑料的特性： （一）聚丙烯(PP) 聚丙烯（PP）作为热塑塑料聚合物于1957年开始商品化生产，是有规立构聚合物中的第一个。其历史意义更体现在，它一直是增长最快的主要热塑性塑料，1991年它的世界总产量达到240亿磅。它在热塑性塑料领域内有十分广泛的应用，特别是在纤维和长丝、薄膜挤压、注塑加工等方面。 化学和性质 PP是以金属有机有规立构催化剂（Ziegler－Natta型），使丙烯单体在控制的温度和压力条件下合成的。因所用催化剂和聚合工艺不同，所得聚合物的分子结构有三种不同类型的立体化学结构，数量也不一样。这三种结构是指等规聚合物、间规聚合物和无规聚合物。在等规聚丙烯（最常见的商品形式）中，甲基原子团都处在聚合物骨架的同一侧，这一结构很容易形成结晶态。等规形式的结晶性赋予它良好的抗溶剂和抗热性能。在前十年期间所用的催化剂技术使非等规异构体的生成达到最少程度，消除了对无价值的无规组分进行分离的必要性，简化了生产步骤。 （二）苯乙烯树脂ABS 三元聚合物ABS从本世纪40年代开始商业化，销量逐年增长，现已成为全球销量最大的工程热塑性塑料，仅美国的销量就于1989年超过了12亿磅。在大宗商品塑料与高性能工程热塑性塑料之间，ABS占据了独特的“过渡”聚合物的位置。 化学和性质 ABS的多能性来自于它的三个单体结构单元——丙烯睛、丁二烯和苯乙烯。每个组分都为最终聚合物提供了一套不同的有用的性能。丙烯睛主要提供了耐化学性和热稳定性；丁二烯提供了初度和冲击强度；苯乙烯组分则为ABS提供了硬度和可加工性。 有三种生产工艺——乳液法、连续本体法或悬浮法，任一种工艺方法所制得的ABS原料中的苯乙烯含量均为50％甚至更高。通常至少两种工艺结合使用，以使最终产物最佳化。ABS树脂属于两相体系：苯乙烯一丙烯睛共聚物（SAN）为连续相，丁二烯衍生橡胶为弹性体分散相。 实际上还有少量苯乙烯和丙烯睛在丁二烯橡胶上发生共聚合反应（接枝），本来不相容的硬SAN和橡胶相容起来。因此，人们可把ABS看作是第一个在商业上取得成功的聚合物合金之一。 （三）丙烯酸-苯乙烯-丙烯睛（简称ASA） ASA聚合物是无定形材料，可以采用挤塑和注塑加工制成对气候影响有极好抵抗力的产品。三元共聚物ASA的机械性能通常类似于ABS树脂，不同的是ASA的性能受室外气候的影响要比ABS树脂小得多。 化学和性能 三元共聚物ASA可以用拥有专利权的专利反应工艺，或接枝工艺来生产。在反应法中，ASA是通过在苯乙烯和丙烯睛（SAN）的聚合反应过程中接技一种丙烯酸酯弹性体而制得，弹性体细粉末均匀地分散入并接校在SAN分子链上。 ASA杰出的耐候性来自于丙烯酸酯弹性体。对许多塑料而言，在日光辐射特别是在光谱的紫外线一端辐射与大气中氧气共同作用下，会发生脆化和变黄。ASA部件发生这种变化所需的时间比其它塑料长得多。 (2)选择成型设备： 根据成型设备的种类来进行模具，因此必须熟知各种成型设备的性能、规格、特点。例如对于注射机来说，在规格方面应当了解以下内容：注射容量、锁模压力、注射压力、模具安装尺寸、顶出装置及尺寸、喷嘴孔直径及喷嘴球面半径、浇口套定位圈尺寸、模具最大厚度和最小厚度、模板行程等，具体见相关参数。 要初步估计模具外形尺寸，判断模具能否在所选的注射机上安装和使用。 通过这么长时间的学习，运用塑料模具设计、机械制图、公差与技术测量、机械原理及零件、模具材料及热处理、模具制造工艺等先修课程的知识，分析和解决塑料模具设计问题，进一步巩固、加深和拓宽所学的知识；使我逐步树立正确的设计思想，增强创新意识和竞争意识，基本掌握塑料模具设计的一般规律，培养出了分析问题和解决问题的能力；通过计算、绘图和运用技术标准、规范、设计手册等有关设计资料，进行塑料模具设计全面的基本枝能训练，为毕业打下一个良好的基础。
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