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一種使注射成型冷卻更有效的系統(tǒng)設(shè)計方法
摘 要
對于熱塑性磨模具來說，零件的質(zhì)量和周期在很大程度上由冷卻階段決定。為了盡量減少產(chǎn)生不必要的冷卻翹曲和收縮等缺陷現(xiàn)象，在設(shè)計中需要進行大量的研究。我們在本文中提出了優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的設(shè)計方法，立足于幾何分析之上，指出冷卻線是利用冷卻形態(tài)的概念并且定義了冷卻水道的位置。在這里它們是恒定不變的，我們只用專注于流體溫度沿冷卻線的分布和強度。由于兩方面組成的目標函數(shù)最小化，我們制定的這個溫度分布測定表明必須選出最優(yōu)的這種方法。本文所期待的是收縮零件質(zhì)量以及改善翹曲條件。
關(guān)鍵詞：逆向問題；熱傳導(dǎo)；注塑成型；冷卻設(shè)計
1 引言
熱塑性注塑模具在塑料產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域被廣泛地使用。這個過程基本分為四個階段：模腔填充，塑料固化，冷卻以及推出塑件。在這些階段中，專門為零件的冷卻時間約占了進程總時間的百分之七十。并且塑件的部分質(zhì)量會被這個階段直接影響。因此，必須盡可能均勻地冷卻零件，這樣的話，如凹痕、翹曲、收縮等不良缺陷會減少，而熱殘余應(yīng)力也將會達到最小化。冷卻時間、數(shù)量、位置和水道的大笑的關(guān)鍵因素是最佳進水參數(shù)，對冷卻液溫度和流體之間的傳熱和內(nèi)表面的水道系數(shù)。設(shè)計冷卻系統(tǒng)主要是根據(jù)設(shè)計者的經(jīng)驗，然而新的快速成型工藝的發(fā)展有可能使得在制造形狀復(fù)雜的水道時這個經(jīng)驗顯得不夠用。所以，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計必須歸結(jié)于一個優(yōu)化問題。
1.1 熱傳導(dǎo)分析
用熱傳導(dǎo)注入工件傳輸?shù)难芯渴且粋€非線性問題是由于對溫度參數(shù)的依賴。然而，影響模具的等熱物理參數(shù)，如熱導(dǎo)率和熱容量保持在不變的溫度范圍內(nèi)。此外，聚合物的結(jié)晶作用往往被忽視，以及與模具和零件熱接觸電阻被認為是恒定的。溫度場的演化通常是通過求解傅立葉周期邊界條件方程而得到的，這種演變可分為兩個部分：一個是循環(huán)的一部分，另一個是平均短暫的一部分。由于熱穿透深度并沒有影響到溫度場，循環(huán)部分常常很容易被忽視[3]。許多人用平均循環(huán)來分析，這樣可以簡化微積分，但忽略了周圍的波動影響，這些影響平均有15％和40％[3]組成。零件的水道分布越接近就會導(dǎo)致周圍的平均波動就越高。因此，這種配置就顯得非常重要，瞬態(tài)傳熱模型是指在靜止的定期狀態(tài)。但即使是這樣，定期的瞬間溫度分析還是將被優(yōu)先考慮在平均周期分析之前。瞬間溫度分析應(yīng)該注意在研究實踐中的設(shè)計冷卻系統(tǒng)是否用于冷卻的設(shè)計。無論零件的質(zhì)量好壞，本設(shè)計的第一階段也是最重要的階段之一都應(yīng)是熱傳導(dǎo)設(shè)計。
1.2 成型優(yōu)化技術(shù)
在參考文獻中，各種優(yōu)化程序已經(jīng)被使用，但這些都是以同樣的目標為重點。Tang [4] 等人從一個優(yōu)化的過程中獲得了最小的梯度和冷卻時間。Huang試圖獲得在溫度分布均勻狀態(tài)時的最高生產(chǎn)效率，即最小的冷卻時間[5]，同時溫度分布處于均勻狀態(tài)。Lin[6]總結(jié)了3個實際的模具設(shè)計師的目標，最冷的部分溫度均勻，達到理想的模具溫度，以便下一個零件可以被使用，以減少周期時間。
多個循環(huán)之間的一致性的最佳選擇是冷卻系統(tǒng)的最優(yōu)配置。而事實上，時間越長，模具表面之間的型腔和冷卻水道的距離越近，模具的溫度分布也將更高。
相反的是，模具表面之間的型腔和冷卻水道的距離越短距離，更快的熱量變化會產(chǎn)生聚合物，但模具表面的非均勻溫度可導(dǎo)致部分缺陷。這里首先應(yīng)控制參數(shù)，然后是控制型腔的位置和水道的大小，最后是冷卻液流速和流體溫度。此時有兩種方法將被引用，第一種為了盡量減少目標函數(shù)[4]和[7]而去尋找水道的最佳位置。第二種方法是基于形冷卻線的研究。Lin[6]定義了一種冷卻線代表所在的冷卻通道，這個冷卻線性表示了位于流道口的最佳條件（在冷卻水道的位置）。Xu [8] 等人進一步的研究表明能夠降低冷卻部位的單元，并執(zhí)行每個冷卻單元的優(yōu)化。
1.3 算法的實現(xiàn)
為了得出答案，我們要用數(shù)值方法來計算。傳熱分析是由邊界元素之一[7]或有限元法[4]組成的。這種分析的第一個主要優(yōu)點是未知數(shù)的數(shù)目計算低于有限元素分析的數(shù)目的將計算，只是它的界限是網(wǎng)狀的是一個問題，因此用這種解決方案來計算所花費的時間比利用有限元分析要短。然而此方法僅限于某些問題上，有限元方法對于另一些問題來說是首選的，因為里面的溫度需要之前有經(jīng)驗的研究來制定最佳的界限。為了計算最優(yōu)參數(shù)的最小化目標函數(shù)，Tang [4] 等人使用鮑威爾的共軛方向搜索法，馬西 [7] 等人使用在序貫二次規(guī)則的基礎(chǔ)上的梯度方法，它不僅可以找到解決問題的關(guān)鍵所在，而且還確定了線性進化方法。Huang [5] 等人通過遺傳學(xué)算法來得到解決方案，最后的這種算法試圖解決的范圍包括了很多方面，所以是非常耗時的。要想模具設(shè)計的設(shè)計時間花費達到最小化，就必須確定方法（共軛梯度）來達到一個可接受的、更迅速的、優(yōu)先的解決方案。
2 研究方法
2.1 目標
本文所介紹的方法適用于優(yōu)化的冷卻T形部分（圖1）系統(tǒng)設(shè)計。這種情況在許多論文中可能會比較容易實現(xiàn)，尤其是在與Tang[4]等人所做的研究中。
通過對部分形態(tài)的分析，兩個平面Γ1和Γ3分別介紹了侵蝕和擴張（冷卻線）部分（圖1）。作為第三類的溫度條件，固定的流體溫度是冷卻線Γ3熱傳導(dǎo)的邊界條件。尋找這些流體的溫度是該優(yōu)化的關(guān)鍵所在，避免使用冷卻線方法來優(yōu)化冷卻水道的數(shù)量和大小。這顯示了在哪些位置是不理想的水道，復(fù)雜的零件在此種情況下具有更好的優(yōu)勢，因為該部分中的侵蝕線的位置相對應(yīng)的最低聚合物固化厚度的冷卻階段更容易得到。
圖1：半T形幾何圖
2.2 目標函數(shù)
在冷卻系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計,質(zhì)量應(yīng)該是最重要的一部分。因為在這一過程中的最小冷卻時間是由模具厚度和材料特性所影響的，在給定時間達到最高質(zhì)量是很重要的。流體溫度直接影響模具的溫度和組成部分,湍流流動的唯一參數(shù)是控制冷卻液溫度。接下來，流體溫度和周圍的零件優(yōu)化分布的測定是需要優(yōu)化的參數(shù)，作為一個目標函數(shù)S在冷卻期結(jié)束時生成，第一個任期S1的目標是達到一個溫度水平的侵蝕作用。
3 結(jié)論
本章中，開發(fā)的一種優(yōu)化方法確定冷卻的溫度分布線獲得均勻溫度場。從而導(dǎo)致部分最小梯度和最小的冷卻時間。與文獻中的方法相比,可以顯示其效率和效益。值得注意的是它不需要指定一個預(yù)先冷卻通道的數(shù)量。進一步的工作將包括在決定后驗所需的最少數(shù)量的渠道相匹配的解決方案最佳的流體溫度曲線。
一種使用設(shè)計特征和工藝參數(shù)來估計模具成本的集成框架
摘 要
模具是一種基本沒有廢料的生產(chǎn)工具，例如注塑模和壓鑄模。它可能占超過25%的產(chǎn)品總成本和開發(fā)時間，特別是當訂單數(shù)量很小。結(jié)合一個科學(xué)家模具成本估算和控制方法，發(fā)展快速和低成本的工具成為至關(guān)重要的問題。本文提出了一種集成方法和模具成本估算，基于成本驅(qū)動的概念和成本修飾的方法。成本驅(qū)動包括腔的幾何特征和核心,由分析成本估算方法估算基本模具成本。成本修飾則包括模具參數(shù)，例如分型線、表面紋理、頂出機構(gòu)、模具材料和模具制造的總成本。這種方法已經(jīng)在十三個工業(yè)生產(chǎn)中測試過，平均偏差在0.40%。該模型可以很容易地估算各種模具的成本和實施成本修飾，通過自定義使用質(zhì)量功能展開方法，這也是在本文中主要描述的。
關(guān)鍵詞：成本估算；壓鑄模具；注射成型；質(zhì)量功能部署。
1 引言
當今產(chǎn)品生產(chǎn)周期通常是不到1980年代一半的,由于頻繁的新產(chǎn)品有更多的功能進入市場。制造業(yè)競爭力對衡量縮短更換模具的市場而言,沒有劃線質(zhì)量和成本。減少更換模具的一種方法是采用凈形狀附近(NNS)制造工藝,例如注塑,壓鑄等涉及更少的步驟來獲得所需的形狀。但是，模具（壓鑄或注塑）是一個NNS生產(chǎn)的基本方要，消耗了成本、時間和專業(yè)知識等大量的資源。
一個典型的壓鑄模具或注塑模具由兩部分構(gòu)成：固定部分和移動部分對接在一起,分開在彈射一部分。建設(shè)的一個典型的冷室壓鑄模具圖1所示。
模具的主要工作部件是型芯和型腔，傳遞所需熔料到幾何腔內(nèi)，這些可能是制造單塊或組合的插入。第二部分包括進料系統(tǒng)、脫模系統(tǒng),核心執(zhí)行機構(gòu)和緊固件。充料系統(tǒng)的轉(zhuǎn)輪，噴嘴和流道，包括從注射機噴嘴的熔模腔。噴射機制用于排出核心或腔的模制品。上面所有的元素被安置在一套模塊,由塊的支持、指導(dǎo)和其他元素支撐。部分零件，包括型芯、型腔和充料系統(tǒng)在工廠專門制作。其他零件可以從供應(yīng)商獲得標準配件。模具裝配和功能試驗可詢問經(jīng)驗豐富的工匠與工具設(shè)計師。
模具行業(yè)目前由日本、德國、美國、加拿大、韓國、臺灣、中國、馬來西亞、新加坡和印度支配。模具的主要需求包括汽車、電子、消費品和電氣設(shè)備行業(yè)。塑料模具占模具行業(yè)的主要份額，大約60%的廠房屬于全球中小規(guī)模 [1]。模具需求在印度每年就超過6億美元,年增長率超過10%在過去十年間。在印度，不同類型模具所占份額為：板材塑料模具為33％、沖壓模具為31％、壓鑄模具為13％，夾具為13％，模具供應(yīng)商為10％[2]。
圖1 典型的壓鑄模具結(jié)構(gòu)
工具行業(yè)正日益面臨的壓力，減少模具開發(fā)的時間和成本,提供更好的精度和表面粗糙度,提供可行性,以適應(yīng)未來的設(shè)計變更和滿足要求,縮短了生產(chǎn)周期。為滿足這些需求,新技術(shù)例如高速加工、淬硬鋼加工、流程建模工具設(shè)計自動化、并行工程、快速原型和快速模具已被應(yīng)用。要成功操作以及保持競爭優(yōu)勢,有必要建立量化的成本估算的方法。
我們當前研究的目標是開發(fā)一個系統(tǒng),集成框架開發(fā)的快速工具(注塑模具和模具)和壓力壓鑄應(yīng)用程序。依照我們所提出的方法，在未來一段時間里，一個比較合理的系統(tǒng)的成本估算將會實現(xiàn)，對不同模具使用不同的開發(fā)路線也是我們要考慮的。
2 以前的作品
用于產(chǎn)品和模具在技術(shù)文獻報道的成本估計方法有相當大的相似性。這些方法可以歸類為:直觀法,類比法,分析法, 幾何特征法和基于參數(shù)的方法。
在直觀的方法上，成本估算的準確性取決于成本評估師的經(jīng)驗和理解的能力。估價通常是在與模具設(shè)計師協(xié)商進行的。通過長期的合作，可以獲得與模具和模具開發(fā)成本有關(guān)的估計，但這種方法仍然是在小作坊和小工廠里的做法。
在類比的方法上，模具的成本估計基于以前的模具制造的RM的相似性系數(shù)。在這項技術(shù)中，模具編碼考慮模具尺寸，模具材料，復(fù)雜性，噴射器和門控機制的因素。估價的人開始比較新的模具設(shè)計與所有以前的設(shè)計中最接近的匹配。其基本假設(shè)是：類似的問題也有類似的解決方案，再利用上述[3]來解決實際問題。然而，這種方法，也被稱為基于案例的推理，它需要一個完整的案例庫和一個適當?shù)臋z索系統(tǒng)。到目前為止，這個檢索系統(tǒng)并沒有為模具成本估算作出報告。
在分析成本估算上，整個制造業(yè)的活動分解成多個基本任務(wù)，每個任務(wù)是一個經(jīng)驗公式計算制造成本。例如，一個用于加工成本的普遍方程：
加工成本=（切割長度/每分鐘進給量）×機器操作成本
威爾遜（在引言4，第6章，第121頁）在用于集成車削和銑削操作中，提出了用于復(fù)雜的幾何因子的數(shù)學(xué)模型：
di =尺寸的特征;
ti =相應(yīng)尺寸的公差;
N =尺寸的總數(shù)量。
這是借助一個例子之后所解釋的。
另一種方法稱為基于活動的成本核算（ABC），其所涉及應(yīng)用到制造特定產(chǎn)品的所有步驟的分析方法，在每一步中所涉及去估計的資源（材料，勞動力和能源）。這樣一個詳細的方法用于各種過程，包括克里斯【5】所開發(fā)的鑄件。在工具室，這種方法被使用于復(fù)雜型腔幾何形狀的模具的情況下。模具成本的來源可以分為三類：模具的基本成本，功能元件（型芯，型腔鑲塊）的成本和二次元件成本。在每個類別中，需要通過加工獲得所需的時間和其幾何形狀作為成本[ 4 ]的參考條件。可以預(yù)期的是，建立和驗證成本方程，以及在實際中運用它，都是非常繁瑣的任務(wù)。
在基于特征的方法上，模具的幾何特征（缸，槽，孔，筋，等）作為成本動因所使用。模具制造的成本估計使用經(jīng)驗公式或工具，如基于知識的系統(tǒng)和動脈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。陳、劉[ 6 ]用特征識別的方法來評估一個新的注塑產(chǎn)品的成本效益的設(shè)計。他們認為，一個產(chǎn)品是一套功能和特征關(guān)系的聚集。，這些功能的關(guān)系轉(zhuǎn)換成模具相關(guān)成本評估的一部分功能。Chin和Wong用決策表的知識來估算注塑模具的成本。
在參數(shù)成本估算上，技術(shù)，物理或功能的參數(shù)作為成本估價的基礎(chǔ)。這種方法允許一個產(chǎn)品的特征（設(shè)計工程師可利用的）以經(jīng)濟數(shù)據(jù)的技術(shù)價值形式存在。Sandarac和maslekar [ 8 ]利用回歸模型方法在注塑模具成本估算下使用逆向技術(shù)。Lowe和Walshe[9]利用注塑模具制造作為參考資料，模具費用估計采用線性回歸方式來進行分析。
總之, 成本相似法和成本函數(shù)法（成本因素）是兩種模具成本估算的方法。
在其他的方面上，在工具室里,新模具和以前的模具開發(fā)之間的相似性是用來作為參考。直觀和類比的方法，屬于這一類的。在廣泛使用的直觀的方法中，成本評估師可能不會只站在一個角度上來確定所有的風險因素，因此，類比方法用于估算模具基本成本和其他次要成本是很容易的，也是很成功的。然而，在（型芯和型腔）功能元件的情況下，要分組成為其幾何形狀，得出加工順序,將成為比較困難的任務(wù)，并且得到的產(chǎn)品與設(shè)計時的產(chǎn)品會有所不同。
在第二種方法上，模具成本之間的相關(guān)性及其驅(qū)動程序都以數(shù)學(xué)函數(shù)來表達。分析方法，基于活動的成本核算，基于特征的方法和參數(shù)計算方法屬于這一范疇。雖然分析以及估計的方法適用于簡單零件的加工費用，但是難以適用于復(fù)雜幾何的模具，因為它們的制造比較困難。同樣，基于特征的成本估計也是難以適用于復(fù)雜模具，因為目前的特征識別的分類和算法不能處理相對復(fù)雜的模具。此外，這些技術(shù)可能無法考慮裝配約束條件的影響，比如表面粗糙度要求、模具的試模和其他因素。參數(shù)化的成本核算方法的功能就像一個黑盒子功能一樣，通過關(guān)聯(lián)的設(shè)計參數(shù)與數(shù)量有限的模具的總成本，這是很難證明或解釋的結(jié)果。
Menges和Mohren為了注塑模具成本估算開發(fā)了一種的綜合辦法，把相似的注塑模具以及同類結(jié)構(gòu)構(gòu)件組合在一起，而且確定了每個小組的代價函數(shù)。成本組成部分為腔模具、模架、基本功能零部件和特殊功能零件。腔模具和電火花電極加工的機械加工成本是由機械加工時間和加工工序所決定，以及像分型面、分型線、表面質(zhì)量、削減核心、公差精度、加工難度系數(shù)和腔數(shù)量等因素也決定了每小時的收費標準。模架被假設(shè)是標準構(gòu)件。如流道、熱流道系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和推出系統(tǒng)的基本功能零件成本估算，要按個數(shù)來估計。含有特殊功能零件，如側(cè)向分型抽芯、三板模模具、側(cè)凸輪和退扣式設(shè)備的成本是在使用設(shè)備的基礎(chǔ)上增加實際費用，其中有一個局限性是，對深腔類零件的平均加工時間估計不夠準確所造成的結(jié)果，如復(fù)雜形狀模具要求不同的機械加工方法，像粗加工，邊角料加工。主要是因為切削刀具的尺寸大小，幾何形狀限制，定向和設(shè)置的原因。
其次，計算中似乎沒有考慮二次曲面加工的成本（尤其是嵌入式型腔或型芯），模具材料成本的影響（直接影響切削工具的選擇和加工時間），標準模架的二次加工（為了適應(yīng)型腔、側(cè)型芯和配件，專用噴射器機械和熱流道噴射器等），還有的在成本估算過程中過分關(guān)注額外的加工費用。這種方法在使用過程中平均每5-8個變量中會使用超過15-20個分析變量，這就需要建立統(tǒng)計分析模型和提供研究機會來計算。
一般來說，在開發(fā)工具中的單一模具類型（如注塑模具或壓鑄模具），上述所給的方法只能提供相對準確的估計。模具制造仍被認為以技能和經(jīng)驗為導(dǎo)向的制造業(yè)，而且它本身是不重復(fù)。因此，這就需要制定一個通用的模具成本估算模式，可以方便的為不同類型的模具和復(fù)雜的加工過程來實施估價，以適應(yīng)成本估價人的決策。我們提出了一種成本模型可以適應(yīng)以上的要求，基于成本動因的概念和成本估價。成本動因取決于零件幾何形狀和加工時間。成本估價取決于零件的復(fù)雜性，而且可以自定義使用質(zhì)量功能部署方法來計算，這也是本文所要討論的重點。
3 模具成本估算的框架
一個典型的注塑模具汽車零部件（假設(shè)模具壽命為25萬件）的成本構(gòu)成如圖2 [11]所示。這表明，模具成本（41％）在總成本中占很大一部分的份額，因此，必須精確地估算模具的成本。用于其它應(yīng)用（加壓模鑄，鍛造，金屬板工具等）當中的模具成本也反應(yīng)了相似的問題。模具成本包含了模具材料、模具設(shè)計與制造中的費用。在這些模具成本中，模具制造成本占了最大的份額，而且是我們工作的核心。我們提出的模具成本估算模型的結(jié)構(gòu)如圖3所示。在這種方法中，所有的幾何特征都映射到機械加工特征中，這是通過分析成本作為成本動因和它們的成本的計算方法。模具的復(fù)雜性等因素被認為是影響成本估價的其他因素。從此以后，這種模具將被用來代表注塑及壓鑄模具。
3.1 成本驅(qū)動因素：型芯和型腔特征
基于特征的設(shè)計，一部分是依照幾何特征（如整體，孔，槽和肋）中的某一空間特征和功能關(guān)系的建造，編輯和操作。該部分特征用于生成模具型腔的特點，表1中表明了在零件和模具間的特征圖譜。模具特征被分析用來確定模具的幾何尺寸、制造工藝和相對制造成本。從本質(zhì)上講，型腔大小和形狀復(fù)雜的特征會對模具制造方法的選擇有細微差別，如成本驅(qū)動的選擇。制造方法以一維、二維等方面用來代表工具的運轉(zhuǎn)或工件軸的X，Y，Z，A，B和C方向，以取得所需的幾何結(jié)構(gòu)。用于特性制造的相對成本（基本模具成本），應(yīng)基于我們的經(jīng)驗。當有足夠的模具設(shè)計和成本數(shù)據(jù)不可用時，這是很有用的。更精確的成本估算可以與分析成本方法相結(jié)合，以為后期加工提供便利。
模具制造成本的幾何結(jié)構(gòu)可以按公式1來計算。使用預(yù)先決定的技術(shù)參數(shù)如每分鐘（S）和機械小時率。機床加工每小時的加工費用總和得出基本模具成本：
Lf=總的特征切割長度（f= 1到n）
S =相應(yīng)進給速度（毫米/分）
Mf=相應(yīng)的機器速率（小時/ 60）
If=加工復(fù)雜因素I
n=特征數(shù)量。
為了達到成本估算，在計算加工復(fù)雜因素時，沒必要考慮到每個特征（過程工程師將會選擇制造過程和相應(yīng)的生產(chǎn)工藝，同時要考慮到幾何尺寸公差）的所有方面。機械小時率早已經(jīng)考慮到了這些影響。其他因素的影響，如設(shè)置的參數(shù)、工具的數(shù)量和它們的序列號，這依靠幾何的復(fù)雜程度（表面，他們的取向和特殊關(guān)系）。所以，我們在公式1中引入一種加工工藝的常數(shù)“K”。在電火花拋光和機床加工中，K值的變化范圍從0.05至0.5。
因此，加工復(fù)雜性因素的一個特征可以給出：
例如，考慮到一個直徑20+0.018毫米和深度16±0.010毫米為特征的圓形整體。在這種情況下，直徑20是一種主要尺寸和公差0.018毫米可以通過鉸孔操作來實現(xiàn)。因此，這有必要只考慮到深度，即16±0.010毫米。鉸孔操作通常是在電腦數(shù)值控制立式加工中心或鏜床上執(zhí)行的。設(shè)置的參數(shù)有一種，刀具的參數(shù)可以有四種情況（中心鉆，定心鉆，鉆頭和鉸刀）。因此，加工過程常數(shù)被認為是0.2。因此，以上所述特征加工的復(fù)雜計算公式如下：
3.2 成本估算：模具復(fù)雜因素
在注塑模具和壓鑄模具的制造中，有很多模具復(fù)雜性的因素，有一些因素是不能影響總成本以及被認為成本估算。這些因素包含分型面的復(fù)雜程度、側(cè)型芯的存在、表面粗糙度和質(zhì)地、噴射器機械和模具材料。從我們的經(jīng)驗確定了表2-4，作為基本的模具成本（來源于方程3）的百分比，這里有它們成本估算費用的詳細解釋。
3.2.1 分型面的復(fù)雜性
在注塑模具和壓鑄模具的設(shè)計中，選擇最合適的分型面是一項很重要的步驟。許多研究人員報告不同的算法來選擇一個分型面，分別就模具型腔的零件，易于制造和美學(xué)方向而論。由于受機械加工復(fù)雜性（因為切削刀具幾何形狀的約束）和模具裝配時間的影響，一個復(fù)雜零件的加工會大大增加制造成本。一個空間的分型面讓它很難被分成兩等分。有時候，它導(dǎo)致的結(jié)果是再次加工，這是沒有經(jīng)過基于特征的方法?？紤]到這些不確定因素，模具分型面復(fù)雜性因素被分為三個等級：直分型面、一般分型面和自由分型面。直分型面不會施加任何額外費用，然而，一般分型面和自由分型面的成本將分別會多出10～20％和20～40％，這些安排在后面的部分中討論。
3.2.2 側(cè)型芯的存在
產(chǎn)品的側(cè)面包括側(cè)孔或側(cè)凹，阻礙了從模具中的推出。為了能成型這樣的產(chǎn)品，需要這樣一種側(cè)向分型的機構(gòu)，它們應(yīng)在推出產(chǎn)品前使用。側(cè)向分型和抽芯機構(gòu)需要的零件有導(dǎo)柱、導(dǎo)軌、側(cè)滑塊和液壓氣動執(zhí)行器等，它們會增加額外的費用。如果產(chǎn)品的幾何形狀要求的內(nèi)抽芯的數(shù)量存在于不同的方向，那么型芯尺寸和成本就會大大增加，從而模具加工及裝配時間也會大大增加。雖然側(cè)型芯的加工費用已經(jīng)在成本估算中確定過了，但由于復(fù)雜的附加配件，二次加工會在所難免。根據(jù)我們的經(jīng)驗這個成本估算（γc）的相應(yīng)值在表2中。
3.2.3 表面粗糙度和紋理
模具表面通常是拋光表面粗糙度Ra至0.2～0.8um，一些表面紋理可能被添加到模具的成型零件中，增加了一些外觀或功能要求。這需要像電火花毛化、照片蝕刻工藝和表面專業(yè)處理等措施，增加了模具制造商的工作。因此，拋光和紋理處理會增加額外的成本，根據(jù)我們的經(jīng)驗，這里的成本估算值（γp）分別列于表3中。
3.2.4 推出機構(gòu)
對于模具的推出機構(gòu)，其零件包括一個簡單的頂針或推件板機構(gòu)，或一個復(fù)雜的液壓氣動執(zhí)行的機構(gòu)。推出機構(gòu)的設(shè)計取決于工件的幾何形狀和生產(chǎn)所需的效率。此外，推出機構(gòu)的設(shè)計可能導(dǎo)致更大的型芯尺寸來容納滑塊、推件板、驅(qū)動器，推出機構(gòu)等多種零件。因此，頂出機構(gòu)的總成本增加費用要根據(jù)其類型而定。這個成本估算（γe）值列于表4中。
3.2.5 模具材料
注塑模具和壓鑄模具的材料應(yīng)具有的機械性能有：高硬度、熱變形小，高抗壓強度和抗拉強度。常用的注塑模具和壓鑄模具的工具鋼有P20和P18號，En-24、A3、D1、D2，H11和H13這些材料比一般鋼材要昂貴。在該模具材料成本的基礎(chǔ)上，直接應(yīng)用模架（在總成本模式考慮時）。由于對刀具壽命的影響，模具材料的特點也影響到了制造成本。最近的發(fā)展是淬硬模具鋼，這表明表面精度和表面粗糙度不能改善高速加工。以碳鋼熱作模具鋼模具材料為例，在十多個案例的平均研究在基礎(chǔ)上，模具材料因子（γm）可提高2-10％的基本模具費用。
4 建立成本估算
由表2-4中可以看出，一個模具或模具總成本的各種因素的影響是相互聯(lián)系的。而在表中給出的數(shù)值是根據(jù)我們的經(jīng)驗得出的，它們無法在其他地方適用，除非他們有一個龐大的案例庫，用以驗證相同的案例。因此要進行成本估算必須定制一個單獨的工具庫。
自定義的使用成本估算方法之一是運用多元回歸分析。這包括收集歷史資料、建立回歸系數(shù)或成本估算關(guān)系（CER）。然而，在商業(yè)工具庫中設(shè)立的多元回歸分析可能無法模擬真實的情況，因為制造注塑模具和壓鑄模具的工具種類繁多，以及需要計算大量的歷史。
我們提出另一種基于質(zhì)量功能展開的方法來建立成本估算，以克服上述限制（質(zhì)量功能展開）方法。
QFD的基礎(chǔ)理論是項目實物模型，并建立由不同模具參數(shù)因素來考慮成本。用戶必須評估作為參考的基本成本，以及裝配模具參數(shù)（分型面的復(fù)雜性，表面粗糙度等）的影響。這提高了總成本估算的準確性。表5說明了模具參數(shù)及其相關(guān)費用在開發(fā)QFD的基礎(chǔ)成本模式時應(yīng)考慮的因素。該方法所涉及的步驟如下：
1．識別主要的模具參數(shù)，包括基本模具和模具特色制造等。
2．把模具參數(shù)不同層次的復(fù)雜等級加以分類（QFD的列參數(shù)）。
3．除了基本模具制造成本，確定模具成本要素（質(zhì)量功能配置行）等。
4．確定占基本模具成本的百分比中較大的成本要素。比如，分型面加工成本是基本模具成本的10%，因此，成本估價一般是0.1。
5．考慮到發(fā)展關(guān)系矩陣的復(fù)雜性，使用1-9的數(shù)值范圍（1=弱，3=中，9 =強）。
6．構(gòu)建相關(guān)矩陣，使用0.1-1.0的數(shù)值范圍（0.1 =弱，0.3=中，0.9 =強）。
7．為使矩陣的關(guān)系正?；?，應(yīng)使用沃瑟曼方法。正規(guī)化矩陣的歸一系數(shù)由以下方程式[12]給出：
8．計算每個重要的模具技術(shù)參數(shù)。
9. 技術(shù)參數(shù)可以被用為各自的成本估算。注塑模具和壓鑄模具成本估算的全部方法論用第五部分的工業(yè)應(yīng)用實例來說明。
圖4 壓鑄組件的模具
5 工業(yè)應(yīng)用實例
圖4顯示了一個鋁制零件吊扇使用，以及相應(yīng)的壓模嵌入件。風扇組件的生產(chǎn)采用冷室加壓模鑄法工藝。模具設(shè)計與開發(fā)存在相當?shù)碾y度在于一些零件組成小的幾何特征和分裂分型面。電腦數(shù)值控制電火花加工工藝被用來做來制造型芯和型腔，并插入模具H13的材料中。模架、噴射器和螺絲均購自標準件的供應(yīng)商。
5.1 基本模具制造成本
用鑄造一個CAD的模型被用來輸入作為設(shè)計模具的基礎(chǔ)。為了估算基本模具成本，模具加工特征和相應(yīng)的過程應(yīng)縮進。然后，加工費用要使用均衡器3來估算。模具特色加工和它的臨界尺寸（我的尺寸特性）和相應(yīng)的尺寸公差（尺寸公差的維度）是被考慮在復(fù)雜性因素的計算。結(jié)果表明見表6。用以下的價格（印度盧比，1盧比≈0.02美元）：
5.2 成本估算
這個例子中模具的主要特征復(fù)雜性考慮如下：
1.直分型面（簡單）；
2.兩面圓形孔洞分割（錯配幾率）；
3.12個頂針（直徑最小為3毫米，最大為8毫米）；
4.模具材料為H13（需要淬火，回火，很難加工）；
5.表面粗糙度Ra<0.4um（需要拋光）；
6.方芯數(shù)：無；
7.芯數(shù)管腳：12 +1（校準是關(guān)鍵）。
模型的開發(fā)按照第4部分所討論的展開。這八個成本要素在表7中所示的其余幾欄有所展示。有關(guān)鑒定人的費用的決定在第二欄中給出，模具的成本百分比也有給出。例如，成本評估師認為分型面的加工是相關(guān)基本模具成本的10％，加工型腔和型芯的費用是基礎(chǔ)零件的9％。分析了模具設(shè)計的復(fù)雜性，并且個別參數(shù)的成本示意利用1-9規(guī)律來完成關(guān)系矩陣。為了簡化計算，沒有考慮相關(guān)聯(lián)矩陣。表8代表了正?；P(guān)系QFD的矩陣，對于不同的成本估算，加入了相應(yīng)列的系數(shù)。
各種模具參數(shù)（成本估算）模具總成本的影響，給出如下：
分型面因子（γ聚苯乙烯）= 5.8％
頂出機構(gòu)因子（γe）=18.4％
型芯個數(shù)因子（γc）=13.6％
拋光因子（γ）=14.1％
模具材料因子（γm）=17.8％。
6 成本模式的檢查
對研究所開發(fā)的13個工業(yè)用例成本模式進行檢查，包含7個注塑模具，3個壓鑄模具，2個擠出模具和1個壓縮模具。過去四年時間里，這些都是在印度的中央機械開發(fā)工程研究所中進行的，每個案例遵照的方法有：
1．零部件功能的檢查
圖5比較成本偏差
2．特征映射：轉(zhuǎn)換功能，把零部件加工為有一定功能的模具。
3．模具成本估算方法的基本方程3。
4．使用第4節(jié)所討論的QFD成本模型來估算成本。
5．模具的基本成本估計，二次零件（CS）的成本和型芯、型腔的材料成本。
圖5直觀地顯示了復(fù)雜模具的使用方法，可以準確的估算成本，更重要的是，更精確的計算能得出更好的計算結(jié)果。單獨的工具庫可以建立自己的評級，很容易得出成本估算。
7 結(jié)論
模具開發(fā)時，各零部件的成本計算的記載并不是都那么詳細。傳統(tǒng)的成本估算方法取決于有經(jīng)驗的模具制造商，卻不適用于現(xiàn)代的估算案例，特別是當模具具有比較高的復(fù)雜性時。在這項工作中，利用特性法、成本計算法，使參數(shù)化形成為一種混合型模具成本估算模型。這個成本模型可以比較容易的應(yīng)用于現(xiàn)在的估算領(lǐng)域。一個質(zhì)量功能展開方法已提出來進行模具成本的估算。在13個工業(yè)實例中已經(jīng)驗證了費用模式，包括注塑模具和壓鑄模具，平均偏差僅為0.40％，最大偏差為7.6％。
在小工廠中不易實現(xiàn)此種系統(tǒng)成本模式的方法。再者，特性識別和定制成本估算需要一些具有專業(yè)知識和經(jīng)驗的人來進行評級。自動化集成水平的提高，加強了具有特征識別功能的電腦數(shù)據(jù)庫，可以使上面提到的問題得以解決，并能提高該模式的效率成本，這也是目前要研究的方向
在此，作者要感謝印度孟買的工具和儀表制造商協(xié)會（TAGMA），分享了對印度模具制造業(yè)狀況的信息。也感謝該集團的制造技術(shù)部、機械工程研究所Cantral杜爾加布爾人員的合作，大家共同見證該集團的模具開發(fā)和制造的不斷提升。