Thinkdesign在汽车模具设计上的应用www.tool-tool.com

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一、前言
随着竞争的激烈，汽车产品更新换代速度加快，相应地要求模具行业缩短模具开发周期，今天，随着高强度钢、铝合金及复杂合成材料等新材料的应用，回弹现象是板料成形过程中常见的缺陷，严重影响了模具的开发周期。
艾克斯特多年来一直为制造业提供整体解决方案及服务的专业化公司，2008年收购了意大利think3公司的技术，针对汽车模具行业推出了全球领先的回弹解决方案—ThinkDesign。
ThinkDesign实现回弹补偿过程的自动化,能够在保持原有曲面的质量上对模具型面进行修改，从而大大减少模具设计工程师修改模型的时间，减少模具试模的次数，极大的提高了模具设计能力，降低了模具设计与制造的成本，帮助客户保持领先地位。
ThinkDesign早在1979年就在欧洲诞生了，历经近三十年的发展，它已经帮助全球上万家企业解决了设计生产中存在的问题，在中国的汽车模具行业也拥有大量的用户。本文结合用户的实际案例，来说明ThinkDesign在汽车模具设计上的应用。
二、交互式建模（ISM）技术在快速填补曲面孔洞上的应用
ISM提供了一种灵活的、革命性的建模手段，允许用户直接修改ThinkDesign构建的有参模型或是导入的无参模型，使用过程中用户不用考虑模型的创建顺序及特征参数。
在汽车模具型面设计中，我们首先需要将产品曲面上的孔洞填补起来。ISM提供了一种快速填补孔洞的方式，见图2-1所示，该命令有如下特色：
★ 自动侦测需要填充的孔洞。
★ 孔的边界可以位于多张曲面上。
★ 填充孔面与边界曲面保持同一连接关系。
★ 可以选择多个填充孔为一个建立特征。

图2-1 ISM 快速填充孔洞

三、GSM（全局形状建模）技术在模具型面修改上的应用
GSM为工程师提供了一种简单易用、极具创新的高级建模方式！它是唯一可以在设计的任何阶段对模型进行精确而快速的创建与修改的工具，我们可以在局部或者全局范围应用该技术。下面通过两个具体的实例来说明GSM功能在模具型面设计与修改上的应用。
3.1采用GSM功能修改破面
TD不但提供了IGS、STEP、STL等通用格式的读写支持，而且对于CATIA、UG、Proe等软件，还提供了直接读写接口。当然，在设计过程中，我们避免不了烂面的问题。

图3-1 自动检测开放边

图3-1是ThinkDesign自动检测开放边的工具，我们可以采用GSM功能快速的对其修改，其命令设置步骤如下（命令见图3-2）：
1） 选择需要修改的对象，修改对象可以是点、线、面、实体、网格。
2） 选取需要保留的边界，定义其与相邻曲面的连接关系（G0、G1、G2）。
3） 选取成组对应的匹配对象，匹配对象可以是点、线或者交互式模式。

图3-2 GSM功能快速的修改破面

3.2采用GSM功能修改回弹
图3-3是某车型的顶盖,顶部大面为A面，材料为ST14，料厚0.7mm。在试模过程中发现存在回弹，需要对产品模型做图3-3所示的修改，采用其他软件需要删除曲面后重新构建，其过程费时费力，下面采用ThinkDesign来完成需要修改的两个任务。

图3-3 汽车顶盖

任务一：顶部曲面的修改
其修改命令见图3-4所示，在保持与边界连续性的情况下，交互式的拉动顶面中心点向上移动2mm。修改结果见图3-5，在保证原始A面的情况下对曲面做相应的弹性变形。

图3-4 任务一的修改过程

图3-5任务一的修改结果

任务二：左侧曲面的修改
在模面设计时经常需要根据模拟或试制结果对模具的某一棱边进行一定角度的补偿，这在以往是非常困难的一件事，甚至于有时不得不重新进行模具型面的构建，然而使用GSM棱线扭转命令则可以轻松的扭转模具型面的某一棱边。其修改命令见图3-6所示，该命令有如下特色：
★ 保持曲面的连接关系。
★ 根据棱线自动产生扭转截面，扭转截面可以增减。
★ 可定义各个扭转截面的扭转角度。

图3-6任务二的修改过程

图3-7任务二的修改结果

四、自动回弹补偿（Compensator）在回弹处理上的应用
通常，企业采用试模或CAE两种方法来预防回弹，这两种方法都存在一个耗时费力的问题，那就是如何快速的根据试模或CAE的数据来修改模具型面。
Compensator是基于GSM技术开发的用于进行板料回弹补偿的CAD工具，它提供了上述两种问题的解决方法，其具有如下优点：
★ 它能够实现回弹补偿过程自动化，大大节省修改模具型面的时间。
★ 修改后的型面保持和原先型面相同的曲面拓补结构和曲面质量。
★ 不需要逆向过程
下面通过实例将Compensator的两种解决方法做个说明。
4.1采用实物验证法修改回弹
实物验证法是根据测量实物的点数据来修改3D模型，Compensator的处理步骤如下：
1） 通过三坐标测量仪或白光测量仪获取实物上的点数据，根据ThinkDesign的对齐命令对齐点云和3D 曲面。

图4-1 点云与曲面对齐

2）在ThinkDesign中将点云和3D曲面Mesh。

图4-2 点云mesh

图4-3 曲面mesh

3）通过对比点云和曲面的Mesh自动获取变形数据

图4-4自动获取变形数据

4）应用GSM命令完成产品的回弹修改

图4-5 GSM命令完成产品的回弹修改的结果

4.2采用FEA-MESH修改回弹
将Compensator技术和FEA数据配合使用能够提高模具设计效率，设计师再也不必花费大量时间来重建回弹补偿的曲面，其过程如下：
1） 根据FEA获取initial mesh和springback mesh。
2） 在TD中分别从initial mesh和springback mesh中或取节点信息，要求两种mesh的节点数量一致。
3） 运用Compensator技术自动获取回弹的变形数据以确定位移区域见图4-6所示。

图4-6 自动获取回弹的变形数据

4） 采用GSM功能，根据回弹变形数据自动修改CAD模型。
- 变形参考体为步骤3自动获取的回弹变形数据
- 可以设置回弹比率0-1（当然也可以设置比率>1）。

图4-7根据回弹变形数据自动修改CAD模型

五、结束语
由于篇幅有限，上面只是将ThinkDesign在汽车模具企业的一部分应用做了个简单介绍，在模具设计时，通过ThinkDesign软件的应用，可以加快自由修改的能力，节省修改时间，降低成本。(end)

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按键注塑模具CAD/CAM设计

作者：郝洪艳

塑料制品的广泛应用使注塑模具得到了迅猛发展，对注塑模具设计和制造的要求也越来越高。而传统的手工设计与制造方式已经大大地制约了生产的发展。计算机辅助设计/计算机辅助分析/计算机辅助制造(CAD/CAE/CAM) 技术的发展满足了这种客观实际的要求，并取得了显著的经济效益。本文以按键为研究对象，应用CAE分析软件Moldflow对塑件的注塑成型过程进行分析，确定了最佳浇口位置、浇注系统形式、冷却系统以及成型工艺参数。基于Pro/E软件进行产品的三维分模，确定了型腔和型芯结构，并在此基础上进行了模具主要零件的模拟加工和数控编程。
1 按键结构分析
按键属于小型塑件，成型材料用ABS。如图1所示，其壁厚为1.6mm，其外形尺寸为22.4 mmx 9.4mm X 7.25mm。按键外形结构比较复杂，四周都有圆角过渡。要求塑件表面美观、光洁、无明显熔接痕、银丝和流痕，同时不产生明显的翘曲变形。塑件两侧都带有侧孔，需采用侧抽芯机构。可设置侧型芯，利用侧滑块和斜导柱驱动，便于分型。另外，为了从成型零件上顺利脱出塑件，必须在塑件内外表面沿脱模方向设计足够的脱模斜度。塑件的转角处应尽可能采用圆弧过渡，以增加塑件的强度和改善充模流动性，同时增加美观程度。

图1 按键产品图

2 按键CAE分析
将利用Pro/E创建好的按键三维模型通过IGES文件转换格式导入到Moldflow中进行往塑成型过程模拟分析。前置处理过程需要对模型进行网格划分并选择成型材料。
2.1 最佳浇口位置分析及确定
注塑成型时，首先要确定浇口的位置，浇口位置对制品质量有着直接的影响，它应开设在塑件断面较厚的部位，使熔体由厚断面流入薄断面，而且开设的位置应能避免塑件表面产生熔接痕，最后还应有利于型腔中的气体排出。最佳浇口位置如图2所示。

图2 最佳浇口位置

2.2 浇注系统的建立
根据分析所得的最佳浇口位置与塑件的使用要求，本设计采用点浇口，如图3所示。这类浇口由于前后两端存在较大的压力差，能增大塑料熔体的剪切速率并产生较大的剪切热，从而导致熔体的表面钻度下降，流动性增加，有利于型腔的充填。

图3 浇注系统模拟

2.3 充填分析模拟
图4所示为充模时间分析结果。从图4可以看出，填充时间为1.695s,熔体几乎同时到达模腔两端，可以满足要求。

图4 充填分析模拟

2.4 冷却分析模拟
注塑模具可作为一种热交换器，如果冷却介质不能及时有效的带走必须带走的热量，不能实现均一的快速冷却，则在一个成型周期内就不能维持热平衡，会使塑件内部产生应力而导致变形或开裂，从而无法进行稳定的模塑成型。因此，冷却分析是必要的。根据塑件形状及综合考虑模具其他零部件的设置，设计了如图5 所示的冷却系统。从图5可以看出，冷却水进出口温度相差0.06℃，满足冷却水温差小于2.5℃的要求。冷却系统对塑件温度的影响如图6所示，塑件表面温度基本一致，冷却较均匀，有利于提高塑件的形状精度。

图5 冷却水进出口温度模拟

2.5 翘曲分析模拟
图7所示为总体变形量及各个方向变形情况。从图7可以看出，总体和X方向上的变形较大，而Y和Z方向上则变形相对较小。

图7 翘曲分析模拟

2.6 型腔内的压力分布
图8所示为熔体充满型腔瞬间的型腔压力分布。从图8可以看出，压力分布较为均匀。

图8 型腔内的压力分布

2.7 锁模力
图9为锁模力时间曲线。从图9可以看出，所需最大锁模力约为0.5226t，故可根据此值选择合适注射机以获得足够的锁模力。

3 基于Pro/E的三维分模
由于塑件的曲面较多，直接根据产品工程图进行模具设计比较困难，因此，利用Pro/E进行三维分模，生成三维型腔和型芯，可以免去传统设计方法中模具设计员对复杂型腔、型芯的二维和三维的空间想象，可以降低设计难度和模具加工难度，并可提高模具的设计精度。
三维分模的步骤如下:
(1)创建模具模型。图10所示为调入到Pro/E模具型腔中的塑件，本模具采用一模两腔。

一模两腔

(2)创建毛坯。用拉伸的方式创建出80mmX 48mm X 40mm的毛坯。
(3)设置收缩率。按键塑件精度要求一般，原材料选取ABS塑料材料，其收缩率范围较小，按全尺寸收缩，设置收缩率为0.016。
(4)创建分型面。
(5)浇注系统的设计。
(6)创建浇铸件。首先以分型面分割模具体积块，分割出侧型芯体积块以及主型芯和型腔体积块，并抽取模具元件，最后创建浇铸件。

(7)加入冷却系统。最终的三维分模爆炸图。
4 模具型腔的数控加工
将生成的模具型腔导人到MasterCAM软件中，设置好加工参数和刀具加工路径后，利用MasterCAM软件系统所提供的零件加工模拟功能，能够观察切削加工的过程，检测工艺参数的设置是否合理，零件在数控实际加工中是否存在干涉等，最终生成刀位文件，通过后置处理器生成NC代码。
5 结论
模具CAD/CAE/CAM技术是模具技术发展的一个重要里程碑。在模具开发中应用Pro/E软件建立产品实体模型，应用CAE技术对注塑成型过程进行模拟分析，进而优化工艺参数与模具结构，同时根据产品模型生成模具型芯、型腔。采用CAM软件编程加工可有效缩短制造周期、提高生产效率、解决制造瓶颈。通过CAD/CAE/CAM技术可以提高产品质量，缩短产品开发周期、有效地降低设计和开发成本，从而提升企业市场竞争的能力。(end)

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铝挤压模具真空淬火工艺www.tool-tool.com

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摘要：复杂断面铝挤压模具经真空淬火与电加工后淬火表层经再回火处理后模具寿命提高两倍。
一、问题
本公司是为全国铝型材行业500吨—5500吨挤压机专门制造挤压模具的专业公司。每年此模具淬火近100吨，氮化近30吨。模具加工工艺如下：
1、加工路线
粗加工(单面留0.2—0.5mm余量)→淬火→精加工，电加工→打光，装配试模→氮化。
2、热处理
(1)材料：4Cr5MoSiV1(H13)。
(2)技术要求：HRC48—52。
(3)热处理工艺与设备：
1020℃加热，油冷，580℃、550℃两次回火。设备为75KW盐炉，90KW气体渗碳炉保护加热，井式回火炉回火。模具试模后在我厂或用户方氮化处理，方法为普通气体氮化，工艺为570℃、6小时氮化处理，氮化层深度为0.06—0.08mm，氮化层硬度为HV900。
用以上方法处理一般断面模具，挤压杆，积压筒均可保证在使用中不塌不裂。硬度有的也可放宽为HRC<46—53>。这种情况下挤压寿命主要取决于氮化质量和次数。
但是近几年来随着工业飞速发展，各种复杂断面电子工业用散热片，电机外壳等型材大量需求，如图1示。这种复杂断面的模具约占总量的四分之一左右。

图1 复杂断面铝型材

这些型材在挤压时挤压比很大，流动成型阻力大，模具的某些工作断面承受极大的剪切应力，如图2，图3示。模具的悬牙，悬桥在挤压中早期出现倒牙，塌桥(HRC<46>)或断牙，断桥(HRC53)即使硬度在合格范围内挤压寿命也不高，怎么解决这个难题？当然选用进口钢材，例如瑞典8407或日本SKD61，寿命可能提高，但进口料价格80元/kg，比国产料16元/kg高出几倍，这样一来在模具价格上用户不肯接受，所以这是一个课题。(挤压模具材料费在模具成本中比例较大)。

图二：散热片平模模具

图3：电机壳凸模模具

还有这种情况：在氮化时或挤压前预热时(温度490℃— 520℃)偶尔有跑温现象发生，这时模具硬度下降，不能再使用，必须重淬，但这时模具已配合成型，间隙0.02mm左右，如重淬变形是个难题，如不重淬将造成批量报废，损失较大。这也是生产中遇到的一个课题，针对以上问题，三年来我们采取了以下方法，取得了良好效果，介绍如下。
二、真空油淬与真空低压气淬
1、真空油淬
工艺如图4示：

图4：真空油淬、回火工艺曲线

由于真空炉比盐炉，气体渗碳炉保护加热有以下明显优点：
(1)加热升温有两次等温，升温十分缓慢，热应力很小。
(2)真空加热恒温时温差小，故加热十分均匀，工艺过程由微机控制，所以各炉次的工艺一致性好，并可避免人工操作带来的误差。
(3)冷却时真空淬火油洁净，同时有油揽拌，故冷却比较均匀。
(4)真空加热时可脱去钢中有害气体，表面没有脱碳或渗碳。
所以真空淬火模具硬度十分均匀，通过回火后硬度可严格控制在HRC49—52范围内，模具的各个断面强度均匀而且有所提高，所以模具寿命有明显提高。
2、真空低压气淬
对跑温返淬成型模具，我们采用低压气淬，在冷室中回充氮气约7×10 pa，风扇搅拌如图5示：

图5：真空低压气淬工艺曲线

通过多炉生产实践证明，采用此工艺，截面厚度≤50mm，注意松散摆放，均可淬硬到技术要求，补救可百分之百成功，变形十分微小。
三、电加工后表面淬火层再回火处理
模具经电加工后，尤其是电脉冲加工，在金属表层会形成15μ-30μ淬火组织，如图6示：

图6 H13电加工后金相组织 x500

在复杂断面悬牙两侧存在硬而脆的淬火层，在挤压时在极大剪切应力作用下会形成微细裂纹，逐步扩展而形成掉牙的一个因素，所以我们增加了电加工后530℃-560℃，2小时再回火处理，避免表面氧化；这样就杜绝了早期掉牙现象产生。
四、结论
1、复杂断面挤压模具经真空淬火与电加工后再回火处理，使模具使用寿命提高2倍，杜绝掉牙，断桥现象产生。
2、跑温模具可采用低压气淬补救。
3、真空炉虽一次投资高，热处理价格也比常规热处理提高一倍，但对复杂端面模具而言，非其莫属，经济效益明显。
4、ψ730mm气体保护加热时，严格控制滴量，否则，脱碳严重，在检验硬度时增加困难，严重增碳时因加工量小会影响以后的氮化效果，当然有条件的话，使用大型真空炉油淬或高压气淬，效果最佳。 (end)

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