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基于專家系統(tǒng)的塑料制品模具材料優(yōu)化選擇
基于專家系統(tǒng)的塑料制品模具材料優(yōu)化選擇方法，不僅提高了材料選擇的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，還有效降低了生產(chǎn)成本，提升了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，以下是小編收集的基于專家系統(tǒng)的塑料制品模具材料優(yōu)化選擇，希望對(duì)大家有幫助。
一、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
依據(jù)系統(tǒng)功能和計(jì)算機(jī)軟件工程思想，專家系統(tǒng)將其最終目標(biāo)展開(kāi)，分解為五個(gè)子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)模塊的功能及實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)如下：
1、用戶信息輸入模塊：以選項(xiàng)方式接受用戶提供的塑料件與模具的初始信息，包括：塑模加工法、塑料件種類、生產(chǎn)批量、塑模工作條件及失效方式，塑料件與塑模特殊性能要求等。
2、材料優(yōu)化推理模塊：根據(jù)用戶輸人的初始信息，用“產(chǎn)生式”方式進(jìn)行基于規(guī)則或給予實(shí)例的推理，優(yōu)化選出塑料模具材料。
3、用戶技術(shù)文件管理模塊：用戶技術(shù)文件由用戶輸入的制品與模具初始信息、優(yōu)化推理結(jié)果及從事實(shí)庫(kù)中提取的所選用塑模材料的技術(shù)資料等信息構(gòu)成。該模塊可對(duì)用戶技術(shù)文件進(jìn)行存取、編輯、修正、顯示、打印輸出等操作。
4、知識(shí)庫(kù)管理模塊：包括規(guī)則庫(kù)、實(shí)例庫(kù)和事實(shí)庫(kù)。規(guī)則庫(kù)和實(shí)例庫(kù)分別是基于規(guī)則和基于實(shí)例推理的“物質(zhì)”基礎(chǔ)，事實(shí)庫(kù)則存放有各種模具材料的化學(xué)成分、物理性能、推薦的熱加工和熱處理工藝參數(shù)及相應(yīng)的力學(xué)性能等技術(shù)資料。該模塊用于進(jìn)行各庫(kù)的維護(hù)、完善和補(bǔ)充。目前知識(shí)庫(kù)中收集的塑料制品用模具材料包含了我國(guó)廣泛應(yīng)用的幾十種模具鋼和各種合金：包括已納人國(guó)、部標(biāo)準(zhǔn)及新研制開(kāi)發(fā)的模具材料。
系統(tǒng)具有兩大功能：塑料制品模具材料優(yōu)化選擇功能和知識(shí)庫(kù)瀏覽功能。知識(shí)庫(kù)相當(dāng)于本簡(jiǎn)明的塑料件模具材料選擇和應(yīng)用手冊(cè)。
二、塑料制品模具材料優(yōu)化選擇的推理
優(yōu)化選材是系統(tǒng)的核心目標(biāo)，由系統(tǒng)推理模塊來(lái)完成，相應(yīng)的推理機(jī)制和推理策略如下。
1、系統(tǒng)的推理過(guò)程
系統(tǒng)的推理分為基于規(guī)則和基于實(shí)例的推理。在知識(shí)庫(kù)擁有其相應(yīng)的知識(shí)源，即規(guī)則庫(kù)和實(shí)例庫(kù)。
2、系統(tǒng)推理的具體實(shí)現(xiàn)
(1) 基于規(guī)則的推理
在一般正常情況下，塑模型腔的加工大多采用機(jī)械加工或電加工，主要是銑削和高頻脈沖電火花加工，且大多結(jié)合應(yīng)用了數(shù)控技術(shù)。加工后按實(shí)際情況進(jìn)行或不進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。之后是研磨拋光，以利于模具的表面光潔及精度的提高，方便裝配及保證總體精度。我們稱這種方法為傳統(tǒng)加工方法。另外，塑模型腔加工還可能采用特種加工法(快速法)，主要包括冷擠壓成形、超塑性成形、鑄造成形等方法。一般情況下，傳統(tǒng)方法多使用塑料模具鋼，特殊法大多使用有色合金。
在傳統(tǒng)加工法條件下，可據(jù)制品用材種類，質(zhì)量要求，模具工作條件和失效形式，將制品分七大類，形成相應(yīng)的模具鋼選材規(guī)則。
目前，塑模鋼種以國(guó)標(biāo)GB 1099-2000,部標(biāo)JB/J 6057-92，YB/J 0094-1997，YB/J 107-1997，YB/J 129-1997所列25種為主。它們相當(dāng)部分是從國(guó)外引進(jìn)改良的。如行業(yè)經(jīng)常應(yīng)用的3Cr2Mo(或SM3Cr2Mo)鋼相當(dāng)于美國(guó)的ASTM--P20;3Cr2MiMnMo(或SM3Cr-NiMnMo)鋼則相當(dāng)于瑞典的 ASSAB - 718或德國(guó)的GS - 738。我國(guó)研制的則主要 有5M2CrNi3MoA11S; 5CrNiMnMoVSCa(簡(jiǎn)稱 5NiSCa)和8Cr2MnWMoVS等三種。它們?cè)谄浜线m的 制品中獲得良好的應(yīng)用效果。除上述五種國(guó)、部標(biāo) 的塑模專用鋼外，還借用其它國(guó)、部標(biāo)的鋼種來(lái)制塑模。GB 1299-2000合金工具鋼中的冷沖模具鋼和無(wú) 磁鋼可用作最終淬硬的高耐磨塑料模具，如 6Cr4W3Mo2VNb、6W6Mo5Cr4V、5Cr4Mo3SiMnVAI、 7Mn15Cr2Al3V2WMo, Cr4W2MoV鋼等。JB6058-92沖模用鋼中的7Cr-SiMnMoV等可用作微變形高耐磨塑模。文獻(xiàn)[2]還介紹了國(guó)內(nèi)研制并應(yīng)用但仍未納入標(biāo)準(zhǔn)的十多種塑模鋼或新型有色合金。隨著塑模鋼的發(fā)展，本系統(tǒng)還將納入業(yè)已證明良好性能的新材料。
在特殊加工法條件下，塑模選材大體分成三類
(1) 冷擠壓成形。主要用于形狀簡(jiǎn)單的塑料模標(biāo)準(zhǔn)件，其材料多選用低碳鋼或低碳合金鋼，如08、10,15、15Cr、20Cr、12CrNi3A等。因退火后其冷變形抗力低，易于冷擠壓成形，成形后可進(jìn)行滲碳、淬火、回火處理，以提高其表面耐磨性。
(2) 鑄造成形。一般選用鑄造性能良好的材料來(lái)制造塑模，如鋁合金、鋅合金、青銅或鑄鐵，甚至石膏。特別是鋁基合金和鋅基合金，其熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好、制模容易且精確度高。常用的鑄造鋁合金有AI-Si合金類：ZL101 - ZL110(ZL106除外);AI-Cu類：ZL201、202、203;Al-Mg類：ZL301、302;AI-Zn類：ZL401。鑄造鋅合金多用Zn-4Al-3Cu共晶合金，銅合金多選用ZCucr 1及鈹青銅。
(3) 超塑性成形。一般選用共晶或共析合金，且其兩相體積份數(shù)接近且第二相細(xì)小。如Zn-22A1合金，2CuBe2與2CuBe2. 4, T8鋼。另外LC9合金、45號(hào)鋼等可經(jīng)熱處理獲得較細(xì)晶粒，也具有良好超塑性。成形加工時(shí)需在一定的溫度、壓力下，以較低的應(yīng)變速率進(jìn)行擠壓。成形加工還可得到形狀復(fù)雜的塑模。
添加S、Pb, Se、Ca等合金元素的易切削塑模鋼可以較大地提高其機(jī)加工效率從而加快制模速度，有關(guān)內(nèi)容在“傳統(tǒng)加工法”結(jié)合討論。
應(yīng)用新的塑模材料。 上述特殊快速加工法的塑模一般僅適合某些制品的要求，且模具壽命偏低。
選擇塑模加工方法作為規(guī)則推理的第一步，而根據(jù)相關(guān)的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)是進(jìn)行規(guī)則推理的第二步，其結(jié)果是給出幾種至近十種的鋼種或合金。還需根據(jù)制品的特殊要求，如鏡面性、尺寸精度等及模具的特殊要求如易切削性、補(bǔ)焊性等進(jìn)行第三步規(guī)則推理，從而在第二步推薦的一類材料中選擇出一兩種更適合實(shí)際要求的塑模材料。
(2) 基于實(shí)例的推理
其“物質(zhì)”，基礎(chǔ)是在系統(tǒng)實(shí)例庫(kù)中存放的塑模材料特別是新材料具體應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的實(shí)例。除了匯集成書的之外，大部分實(shí)例從近年的科技刊物等收集而來(lái)。它按鋼號(hào)分類并搜索，每個(gè)實(shí)例由標(biāo)題和簡(jiǎn)要內(nèi)容組成，并給出文獻(xiàn)出處。實(shí)例推理除單純用于發(fā)現(xiàn)新塑模材料及嘗試應(yīng)用外，大部分以其實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)進(jìn)一步支持規(guī)則推理選擇到的材料的合理性。
三、應(yīng)用舉例
在中文Windows2000系統(tǒng)下啟動(dòng)專家系統(tǒng)，用戶可通過(guò)系統(tǒng)的導(dǎo)航信息進(jìn)行操作。若選擇“瀏覽”，功能，并點(diǎn)擊“事實(shí)庫(kù)”“規(guī)則庫(kù)”，“實(shí)例庫(kù)”按鈕，便可以進(jìn)入相應(yīng)的瀏覽界面，并可記錄打印感興趣的內(nèi)容，此時(shí)本系統(tǒng)類似一本簡(jiǎn)明的塑模材料選擇與應(yīng)用手冊(cè)。選擇，“優(yōu)化”功能，便可以進(jìn)行塑模材料優(yōu)化選擇操作。
例如，設(shè)某中型尼龍塑料構(gòu)一件要求較高的強(qiáng)度和相當(dāng)高的精度和鏡面性，生產(chǎn)批量為50-100萬(wàn)件，且希望塑模的生產(chǎn)制造工藝過(guò)程不太復(fù)雜，并有較好的焊補(bǔ)性和易切削性，硬度約HRC40，為此試用專家系統(tǒng)的優(yōu)化選材功能以求得到合適的塑模材料。在點(diǎn)擊大規(guī)則推理優(yōu)化界面的塑模制品加工法的“傳統(tǒng)加工法”后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入中規(guī)則推理頁(yè)面即七大類塑料制品及批量頁(yè)面。再點(diǎn)擊第4類制品即包含尼龍類的工程塑料，且生產(chǎn)批量在50-100件時(shí)，系統(tǒng)則按前推產(chǎn)生式推理規(guī)則給出一批適合的鋼種：H13+S、5CiNiMnMoVSCa(簡(jiǎn)稱5NiSCa)、滲碳合金鋼(含12Cr2Ni2、12CrNi3、20CrMnTi、20Cr2Ni4等)成形后滲碳淬火，而這些鋼種一般都能符合制品質(zhì)量及生產(chǎn)批量的要求。
系統(tǒng)隨之按提示進(jìn)入規(guī)則推理的第三頁(yè)面，即按制品和模具的特殊性要求作小規(guī)則推理。表3給出了上述鋼種的制造過(guò)程及難易程度、鏡面性、表面耐磨性、尺寸精度等性能的比較。根據(jù)客戶初始信息要求，雖然低碳合金鋼耐磨性最高，但工藝過(guò)程復(fù)雜、變形大而不符合制品及生產(chǎn)要求。H13十S鋼與5NiSCa大部分性能相似，因預(yù)硬后才加工，不必考慮熱處理變形，尺寸精度高，且添加了S元素，使切削性提高。但H13僅加S影響了其鏡面性，而5NiSCa除加S外還加Ca,它使原單一硫系條狀硫化物變成了紡錘狀硫化物，改善了切削加工性和：圖案花紋蝕刻性能，并提高了等向性能，且其焊補(bǔ)性也好。在頁(yè)面的“幫助”按鈕下，將出現(xiàn)上述相關(guān)說(shuō)明的內(nèi)容。為此，可以試選擇5NiSCa,它是我國(guó)自行研制的新塑模鋼。
之后，進(jìn)行實(shí)例推理。按鋼種可檢索出其多個(gè)應(yīng)用實(shí)例。其中在L310透明窗模具應(yīng)用中，其壽命為進(jìn)口P20同類模具壽命的2.5倍;在制造磁帶盒內(nèi)盒模具時(shí)平均壽命達(dá)200萬(wàn)件，超過(guò)進(jìn)口的同類模具。而且這類塑料模具有透明性高、拋光花紋蝕刻性和焊補(bǔ)性好等優(yōu)點(diǎn)。為了用戶便于了解5NiSCa的化學(xué)成分熱加工熱處理工藝及其機(jī)械性能;可從系統(tǒng)事實(shí)庫(kù)中調(diào)出該鋼的技術(shù)數(shù)據(jù)。如球化退火：在760～780℃加熱保溫、2h，660℃等溫6h，硬度≤230HB。在880℃作預(yù)硬淬火，硬度61- 63HRC，并給出了按預(yù)硬硬度而采用的回火溫度的數(shù)據(jù)：在保溫2h條件下回火溫度從575至650℃，則回火硬度從HRC46逐漸降低至HRC34。應(yīng)用“存入文檔”功能，可把實(shí)例推理內(nèi)容與5NiSCa技術(shù)數(shù)據(jù)及前述的用戶初始信息、規(guī)則推理結(jié)果等內(nèi)容，自動(dòng)裝入動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中。
最后，系統(tǒng)給出如表4所示的用戶技術(shù)文檔，除了給用戶對(duì)這類制品的模具材料有一個(gè)盡量合理的建議外，也方便用戶對(duì)該模具的冷熱加工的參數(shù)選擇。
四、結(jié)論
由于塑料制品成型模具選擇的復(fù)雜性材料，模具設(shè)計(jì)人員面對(duì)眾多的模具材料難以綜合各種因素來(lái)進(jìn)行優(yōu)化選擇，特別是經(jīng)驗(yàn)不足的設(shè)計(jì)人員又面對(duì)新的模具。本專家系統(tǒng)采用了多重規(guī)則推理和實(shí)例推理方法來(lái)選擇塑模材料，使模具材料優(yōu)化選擇逐步深人而趨合理。系統(tǒng)操作結(jié)果以用戶技術(shù)文檔形式輸出。系統(tǒng)以導(dǎo)航方式引導(dǎo)用戶進(jìn)行操作，使系統(tǒng)使用方便、快捷。系統(tǒng)中的“幫助”，對(duì)推理因果進(jìn)行了詳細(xì)討論說(shuō)明，使得系統(tǒng)透明可信。
本系統(tǒng)可通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的擴(kuò)展，不斷補(bǔ)充新材料來(lái)加以完善。例如，優(yōu)選材料還應(yīng)包括非調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)電渣重?zé)捇蚍勰┓ㄉa(chǎn)的超純塑模鋼等其他類型的材料。還要不斷地及時(shí)收人國(guó)內(nèi)研究和從國(guó)外引進(jìn)的新材料。使專家系統(tǒng)能與時(shí)俱進(jìn)，及時(shí)跟蹤和應(yīng)用新的塑模材料。
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