模具热处理过程与模具导向的并行设计

1、模具热处理与模具导向的并行设计李熊，张红兵 ，阮雪雨 ，罗中华 ，张燕 ( 1.塑性工程部门,上海交通大学，中国，上海200030； 2.材料工程部门，上海工学院，中国，上海200235, 3.金属和材料的先进关键实验室 北京科技大学，中国，北京100083)摘 要 连续式的传统模具设计有很多缺点。众所周知热处理对模具非常重要 。为了克服热处理过程的存在的缺陷，提出了模具的热处理过程和模具的并行设计的新想法。cad/cae热处理和并行设计结合起来构建相关的模型。这些研究能有效提高效率，降低成本并且保证r和d生产产品的质量。 关键字 模具设计；热处理；并行设计 传统的模具设计主要凭经验部分依靠经

2、验，与生产过程是分离的。在设计方案确定之前，模具设计的方案常常被反复修改，由此产生一些不利条件。例如，长的开发周期，高的费用和不确定的实际的效应。由于精度，寿命，开发周期和成本的要求很高，现代的模具设计应将设计和生产结合起来。因此越来越多的先进技术被使用。例如，并行工程，快速生产，合作设计等1-6。模具的热处理与模具设计、制造、装配一样重要，因为它对模具制造，装配和寿命有至关重要影响。模具的设计与制造发展迅速，但是热处理却相当地落后。当模具工业发展的同时，热处理保证必须模具具有良好的制造，装配的特性并要求有一定的抗磨损的性。不合理的热处理会影响模具的制造和装配，如使模具过硬或过软。 传统上热处

3、理过程是根据设计者使用的方法和模具的特性确定的。这会使模具的设计者和热处理工艺的设计者的意愿彼此背离。对于模具的设计者来说不能完全实现热处理过程和了解材料特性，相反热处理工艺的设计者很少熟悉模具的工作环境和模具设计思想。这些分歧将在很大程度上影响模具的发展。因此，如果在早期的设计阶段考虑热处理过程的设计，就能缩短开发周期，降低费用并且使质量稳定并且从连续设计到并行设计的理想化的发展模式也将实现。 并行工程以计算机集成系统为载体，为避免出现错误在开始设计时要考虑各阶段的连续和制造、装配、材料特性等因素。这种并行设计类型没有连续设计中存在的缺陷，这引起对连续设计的一次革命。 在目前的设计中，热处理

4、统一于模具并行发展中，并且系统化的深入研究也在进行中。 1. 并行设计情况下的热处理 并行设计与连续设计大不相同(如图.1)。关于连续设计，设计者主要考虑模具的结构和功能，但很少考虑之后的设计过程，因此以前的错误容易向后延续。同时，各设计部门很少于装配部、财政部、销售部交流，这些问题都会影响模具发展和市场前景。鉴于并行设计中，各部门联系密切，有关部门都参与模具的研发并与顾客一起的交流。这有效消除部门之间的冲突，提高效率并降低费用。 并行设计中热处理过程不是在模具设计方案和工件加工之后才制定，而是在模具设计的同时制定。这种方法对优化热处理过程并且充分发挥材料的潜能是有利的。 热处理工艺分析市场分

5、析（a）市场分析模具设计客户订制模具制造热处理装配尺寸客户合格？ny 概念设计模具设计系统模拟报价客户订制制造工艺分析装配分析成本估算修改模具热处理热处理热处理热处理制造合格？ny （b）(a)连续设计模式 (b)并行设计模式图1 模具开发的连续设计与并行设计系统框架图表制造合格？快速制样品设备cam修改工具和设备模块cad工具设备产品设计3-d模拟产生热处理工艺模块参数输入修改热处理工艺模块cae相似模拟自动网格划分温度场模拟微观结构缺陷分析立体视觉技术后处理器合格？过程输出模块输出n y 数据库n y 图 2 cad/cae热处理的工程系统框架2综合cad/cae热处理的模具设计从图2可以

6、看出工艺设计和模拟热处理是集成框架的核心。信息输以后入透过产品设计模块和热处理过程中产生的经cad热处理模块及cae热处理的模块将自动划分网格零件图，热处理及可能的缺陷出现（如过热，过烧）后，模拟温度场的微观结构分析。热处理工艺优化的依据是立体视觉技术。另外，工具和夹具的计算机辅助设计和计算机辅助制造都统一到这个系统中。 并行设计工程的综合框架能与其他分部分享信息。有利于优化热处理过程并且保该证过程正常进行。 2.1 热处理中的3-d模型和立体视觉技术 关于模具的材料、结构和尺寸的问题，可以通过以3-d模型为基础的热处理快速发现。模具在热处理期间的加热状态的建模和阶段转变状态是可实行的， 因为

7、相转变热力学，相转变动力学，相压力，热应力，热传输，水动力学等的计算已经被突破。例如，等量/局部加热复杂的型腔和非对称模具的3d 热传导算法模型，和微观结构转变的marc软件模式被使用。计算机能提供任意时间的温度、微观结构和压力信息，并通过联合温度领域，微观结构领域以及压力领域以3d形式展示的整个转变程序。如果这种特性可以被连接，计算机可能预测各种各样的部分特性。 2.2 热处理工艺设计 由于模具在热处理期间的特别对强度，硬度，表面粗糙和变形有不同的要求，这些参数包括淬火介质类型、淬火温度和回火的温度和时间选择的选择要正确，并且无论表面用淬火还是化学的热处理，参数必须确定合适。完全通过计算机确

8、定参数是很困难的。自从近几十年来计算机技术迅速发展，许多计算量大的难题已经被解决。通过模拟与估量热处理后期性能、成本的要求，优化热处理过程并不困难。 性能要求工作环境材料数 据选择热处理工艺的模件热处理工艺数据性能数据输 出费用估算合格?合格？yynn图.3热处理数据库2.3 热处理的数据库 热处理数据库如图.3所示。数据库是确定热处理过程的基础。通常，热处理数据库被分成材料数据库和过程数据库。通过材料和过程预测性能是一个不容易变更的趋势。虽然建立性能数据库很难，但是通过一系列试验建立数据库是必要的。材料数据库包括钢的等级，化学成分，材料特性和国内外同等级数据统计。过程数据库包括热处理标准，种

9、类，热持续时间和冷却的速度。基于数据库，热处理过程可以通过向标准推断制定。2.4 热处理的工具和设备 在热处理工艺确定之后，cad/cae工具系统和设备把关于设计和制造的信息转存到数字控制装置。通过快速调整工具的样品，可以判断工具和夹具的可靠性。网络转存整个程序，其中没有人为干涉。3 关键技术 3.1 温度，微观结构，压力和特性的联合 热处理程序是一个温度，微观结构，压力相互作用的程序。三个因素都会影响性能（如图.4）。在加热和冷却期间，当微观结构改变时，热压力和转变将形成。转变，温度，微观结构和温度微观结构和应力特性彼此相互作用。四个因素相互作用的研究已经迅速发展，但是仍未建立普遍的数学模型

10、。很多模型适合试验，但是它们不能应用到实践中。大多数模型的难题用解析法解决，且数值法也被应用，因此计算结果不是很精确。尽管如此，比较经验方法与定性分析法，计算机的热处理模拟更胜一筹。 图.4 热处理过程3.2 建立和综合模型 模具的发展与设计，制造，热处理，装配，维护等有关。它们应拥有数据库和模型，通过实体模型关系彼此联系。通过建立和利用动态的推论机制，可以达到优化设计的目的。在产品模型和其他模型之间的建立关系。如果部分模型改变，产品模型也将改变。实际上，它属于数据与模具的关系。在热处理之后模型统一到系统中，与其他模型的紧密联系，不再是一个独立的单位。搜索之后，通过对热处理数据库的计算和推理，

11、建立被几何模型、制造模式、成本和性能等制约因素的热处理程序。如果不遵守约束，系统将发出解释的警告。通信网络连结全部设计细节。 3.3成员的管理和协调 复杂的模具设计在项目组中需要密切合作。因为每名成员对模具发展缺少全面考虑，他们需要被管理与协调。首先，每个项目组应该确定自己的控制状态和资源需求，并了解波动的运行程序的要求以避免冲突。第二，应制定发展计划和显视器机制。如果发展受妨碍，问题可以被及时解决。良好的管理和协调有助于传达信息，提高效率并且减少浪费。同时这对激发创造性，清除冲突并且充分利用资源有好处。 4 结论 （1）cad/cae热处理技术已经被集成到并行设计中，为模具及热处理作图，提高效率并及时发现问题和明显的冲突。 （2）模具发展在相同的平台上进行。当热处理过程建立时，设计者能获得相关的信息并且在平台上把自身信息转到其他设计部门。（3）制定出正确的发展计划表并及时调整，能极大缩短开发周期并且降低成本。 参考文献：1 周雄辉,彭晶弘.模具设计与制造的理论与技术m.上海:上海交通大学出版社,2000(中国).2 kang m,pars s.计算机集成的模具与制造j.3 yau ht,menoch. 并行工艺设计和后整理加工尺寸检验的复杂曲面的模具制造 j. 产品研究杂志,1993, 31(11): 2709-2725.