模具熱處理過程與模具導向的并行設計

1、模具熱處理與模具導向的并行設計李熊，張紅兵 ，阮雪雨 ，羅中華 ，張燕 ( 1.塑性工程部門,上海交通大學，中國，上海200030； 2.材料工程部門，上海工學院，中國，上海200235, 3.金屬和材料的先進關鍵實驗室 北京科技大學，中國，北京100083)摘 要 連續(xù)式的傳統(tǒng)模具設計有很多缺點。眾所周知熱處理對模具非常重要 。為了克服熱處理過程的存在的缺陷，提出了模具的熱處理過程和模具的并行設計的新想法。cad/cae熱處理和并行設計結合起來構建相關的模型。這些研究能有效提高效率，降低成本并且保證r和d生產(chǎn)產(chǎn)品的質量。 關鍵字 模具設計；熱處理；并行設計 傳統(tǒng)的模具設計主要憑經(jīng)驗部分依靠經(jīng)

2、驗，與生產(chǎn)過程是分離的。在設計方案確定之前，模具設計的方案常常被反復修改，由此產(chǎn)生一些不利條件。例如，長的開發(fā)周期，高的費用和不確定的實際的效應。由于精度，壽命，開發(fā)周期和成本的要求很高，現(xiàn)代的模具設計應將設計和生產(chǎn)結合起來。因此越來越多的先進技術被使用。例如，并行工程，快速生產(chǎn)，合作設計等1-6。模具的熱處理與模具設計、制造、裝配一樣重要，因為它對模具制造，裝配和壽命有至關重要影響。模具的設計與制造發(fā)展迅速，但是熱處理卻相當?shù)芈浜蟆．斈＞吖I(yè)發(fā)展的同時，熱處理保證必須模具具有良好的制造，裝配的特性并要求有一定的抗磨損的性。不合理的熱處理會影響模具的制造和裝配，如使模具過硬或過軟。 傳統(tǒng)上熱處

3、理過程是根據(jù)設計者使用的方法和模具的特性確定的。這會使模具的設計者和熱處理工藝的設計者的意愿彼此背離。對于模具的設計者來說不能完全實現(xiàn)熱處理過程和了解材料特性，相反熱處理工藝的設計者很少熟悉模具的工作環(huán)境和模具設計思想。這些分歧將在很大程度上影響模具的發(fā)展。因此，如果在早期的設計階段考慮熱處理過程的設計，就能縮短開發(fā)周期，降低費用并且使質量穩(wěn)定并且從連續(xù)設計到并行設計的理想化的發(fā)展模式也將實現(xiàn)。 并行工程以計算機集成系統(tǒng)為載體，為避免出現(xiàn)錯誤在開始設計時要考慮各階段的連續(xù)和制造、裝配、材料特性等因素。這種并行設計類型沒有連續(xù)設計中存在的缺陷，這引起對連續(xù)設計的一次革命。 在目前的設計中，熱處理

4、統(tǒng)一于模具并行發(fā)展中，并且系統(tǒng)化的深入研究也在進行中。 1. 并行設計情況下的熱處理 并行設計與連續(xù)設計大不相同(如圖.1)。關于連續(xù)設計，設計者主要考慮模具的結構和功能，但很少考慮之后的設計過程，因此以前的錯誤容易向后延續(xù)。同時，各設計部門很少于裝配部、財政部、銷售部交流，這些問題都會影響模具發(fā)展和市場前景。鑒于并行設計中，各部門聯(lián)系密切，有關部門都參與模具的研發(fā)并與顧客一起的交流。這有效消除部門之間的沖突，提高效率并降低費用。 并行設計中熱處理過程不是在模具設計方案和工件加工之后才制定，而是在模具設計的同時制定。這種方法對優(yōu)化熱處理過程并且充分發(fā)揮材料的潛能是有利的。 熱處理工藝分析市場分

5、析（a）市場分析模具設計客戶訂制模具制造熱處理裝配尺寸客戶合格？ny 概念設計模具設計系統(tǒng)模擬報價客戶訂制制造工藝分析裝配分析成本估算修改模具熱處理熱處理熱處理熱處理制造合格？ny （b）(a)連續(xù)設計模式 (b)并行設計模式圖1 模具開發(fā)的連續(xù)設計與并行設計系統(tǒng)框架圖表制造合格？快速制樣品設備cam修改工具和設備模塊cad工具設備產(chǎn)品設計3-d模擬產(chǎn)生熱處理工藝模塊參數(shù)輸入修改熱處理工藝模塊cae相似模擬自動網(wǎng)格劃分溫度場模擬微觀結構缺陷分析立體視覺技術后處理器合格？過程輸出模塊輸出n y 數(shù)據(jù)庫n y 圖 2 cad/cae熱處理的工程系統(tǒng)框架2綜合cad/cae熱處理的模具設計從圖2可以

6、看出工藝設計和模擬熱處理是集成框架的核心。信息輸以后入透過產(chǎn)品設計模塊和熱處理過程中產(chǎn)生的經(jīng)cad熱處理模塊及cae熱處理的模塊將自動劃分網(wǎng)格零件圖，熱處理及可能的缺陷出現(xiàn)（如過熱，過燒）后，模擬溫度場的微觀結構分析。熱處理工藝優(yōu)化的依據(jù)是立體視覺技術。另外，工具和夾具的計算機輔助設計和計算機輔助制造都統(tǒng)一到這個系統(tǒng)中。 并行設計工程的綜合框架能與其他分部分享信息。有利于優(yōu)化熱處理過程并且保該證過程正常進行。 2.1 熱處理中的3-d模型和立體視覺技術 關于模具的材料、結構和尺寸的問題，可以通過以3-d模型為基礎的熱處理快速發(fā)現(xiàn)。模具在熱處理期間的加熱狀態(tài)的建模和階段轉變狀態(tài)是可實行的， 因為

7、相轉變熱力學，相轉變動力學，相壓力，熱應力，熱傳輸，水動力學等的計算已經(jīng)被突破。例如，等量/局部加熱復雜的型腔和非對稱模具的3d 熱傳導算法模型，和微觀結構轉變的marc軟件模式被使用。計算機能提供任意時間的溫度、微觀結構和壓力信息，并通過聯(lián)合溫度領域，微觀結構領域以及壓力領域以3d形式展示的整個轉變程序。如果這種特性可以被連接，計算機可能預測各種各樣的部分特性。 2.2 熱處理工藝設計 由于模具在熱處理期間的特別對強度，硬度，表面粗糙和變形有不同的要求，這些參數(shù)包括淬火介質類型、淬火溫度和回火的溫度和時間選擇的選擇要正確，并且無論表面用淬火還是化學的熱處理，參數(shù)必須確定合適。完全通過計算機確

8、定參數(shù)是很困難的。自從近幾十年來計算機技術迅速發(fā)展，許多計算量大的難題已經(jīng)被解決。通過模擬與估量熱處理后期性能、成本的要求，優(yōu)化熱處理過程并不困難。 性能要求工作環(huán)境材料數(shù) 據(jù)選擇熱處理工藝的模件熱處理工藝數(shù)據(jù)性能數(shù)據(jù)輸 出費用估算合格?合格？yynn圖.3熱處理數(shù)據(jù)庫2.3 熱處理的數(shù)據(jù)庫 熱處理數(shù)據(jù)庫如圖.3所示。數(shù)據(jù)庫是確定熱處理過程的基礎。通常，熱處理數(shù)據(jù)庫被分成材料數(shù)據(jù)庫和過程數(shù)據(jù)庫。通過材料和過程預測性能是一個不容易變更的趨勢。雖然建立性能數(shù)據(jù)庫很難，但是通過一系列試驗建立數(shù)據(jù)庫是必要的。材料數(shù)據(jù)庫包括鋼的等級，化學成分，材料特性和國內外同等級數(shù)據(jù)統(tǒng)計。過程數(shù)據(jù)庫包括熱處理標準，種

9、類，熱持續(xù)時間和冷卻的速度?；跀?shù)據(jù)庫，熱處理過程可以通過向標準推斷制定。2.4 熱處理的工具和設備 在熱處理工藝確定之后，cad/cae工具系統(tǒng)和設備把關于設計和制造的信息轉存到數(shù)字控制裝置。通過快速調整工具的樣品，可以判斷工具和夾具的可靠性。網(wǎng)絡轉存整個程序，其中沒有人為干涉。3 關鍵技術 3.1 溫度，微觀結構，壓力和特性的聯(lián)合 熱處理程序是一個溫度，微觀結構，壓力相互作用的程序。三個因素都會影響性能（如圖.4）。在加熱和冷卻期間，當微觀結構改變時，熱壓力和轉變將形成。轉變，溫度，微觀結構和溫度微觀結構和應力特性彼此相互作用。四個因素相互作用的研究已經(jīng)迅速發(fā)展，但是仍未建立普遍的數(shù)學模型

10、。很多模型適合試驗，但是它們不能應用到實踐中。大多數(shù)模型的難題用解析法解決，且數(shù)值法也被應用，因此計算結果不是很精確。盡管如此，比較經(jīng)驗方法與定性分析法，計算機的熱處理模擬更勝一籌。 圖.4 熱處理過程3.2 建立和綜合模型 模具的發(fā)展與設計，制造，熱處理，裝配，維護等有關。它們應擁有數(shù)據(jù)庫和模型，通過實體模型關系彼此聯(lián)系。通過建立和利用動態(tài)的推論機制，可以達到優(yōu)化設計的目的。在產(chǎn)品模型和其他模型之間的建立關系。如果部分模型改變，產(chǎn)品模型也將改變。實際上，它屬于數(shù)據(jù)與模具的關系。在熱處理之后模型統(tǒng)一到系統(tǒng)中，與其他模型的緊密聯(lián)系，不再是一個獨立的單位。搜索之后，通過對熱處理數(shù)據(jù)庫的計算和推理，

11、建立被幾何模型、制造模式、成本和性能等制約因素的熱處理程序。如果不遵守約束，系統(tǒng)將發(fā)出解釋的警告。通信網(wǎng)絡連結全部設計細節(jié)。 3.3成員的管理和協(xié)調 復雜的模具設計在項目組中需要密切合作。因為每名成員對模具發(fā)展缺少全面考慮，他們需要被管理與協(xié)調。首先，每個項目組應該確定自己的控制狀態(tài)和資源需求，并了解波動的運行程序的要求以避免沖突。第二，應制定發(fā)展計劃和顯視器機制。如果發(fā)展受妨礙，問題可以被及時解決。良好的管理和協(xié)調有助于傳達信息，提高效率并且減少浪費。同時這對激發(fā)創(chuàng)造性，清除沖突并且充分利用資源有好處。 4 結論 （1）cad/cae熱處理技術已經(jīng)被集成到并行設計中，為模具及熱處理作圖，提高效率并及時發(fā)現(xiàn)問題和明顯的沖突。 （2）模具發(fā)展在相同的平臺上進行。當熱處理過程建立時，設計者能獲得相關的信息并且在平臺上把自身信息轉到其他設計部門。（3）制定出正確的發(fā)展計劃表并及時調整，能極大縮短開發(fā)周期并且降低成本。 參考文獻：1 周雄輝,彭晶弘.模具設計與制造的理論與技術m.上海:上海交通大學出版社,2000(中國).2 kang m,pars s.計算機集成的模具與制造j.3 yau ht,menoch. 并行工藝設計和后整理加工尺寸檢驗的復雜曲面的模具制造 j. 產(chǎn)品研究雜志,1993, 31(11): 2709-2725.