基于专家系统的塑料制品模具材料优化选择

秋之收

基于专家系统的塑料制品模具材料优化选择[/B][/TD][/TR][TR][TD][/SIZE][/TD][/TR][TR][TD]作者：袁云龙[/TD][/TR]塑料制品的种类、材料众多，成型条件、形状复杂程度、表面质量等要求差别很大。因此，成型模具材料选择较为复杂，模具设计人员一般难以综合各种因素来进行模具材料的优化选择。本文开发的塑料制品模具材料优化选择专家根据用户提出的塑料制品特点、生产批量以及模具工作条件和失效方式等容易确定的初始信息，遵循“满足使用要求、发挥材料潜力、经济技术合理”的原则，提出尽量合理的选材建议，并给出被选材料的化学成分、物理性能、力学性能、热加工与热处理工艺及性能等技术资料，且由用户初始信息、系统选材建议及被选材料技术资料构成用户技术文件。
( ~, J* ~3 e3 @
# y; F4 \9 ~/ a% B% H; i1 W: a- I一、系统的总体设计

! r" t; s% F9 i" u5 Z) C0 y: N依据系统功能和计算机软件工程思想，专家系统将其最终目标展开，分解为五个子系统。如图1 所示。各子系统模块的功能及实现的目标如下：

[/ALIGN]1、用户信息输入模块：以选项方式接受用户提供的塑料[/COLOR]件与模具的初始信息，包括：塑模加工法、塑料[/COLOR]件种类、生产批量、塑模工作条件及失效方式，塑料[/COLOR]件与塑模特殊性能要求等。

2、材料优化推理模块：根据用户输人的初始信息，用“产生式”方式进行基于规则或给予实例的推理，优化选出塑料[/COLOR]模具材料。

3、用户技术文件管理模块：用户技术文件由用户输入的制品与模具初始信息、优化推理结果及从事实库中提取的所选用塑模材料的技术资料等信息构成。该模块可对用户技术文件进行存取、编辑、修正、显示、打印输出等操作。
- P3 h; Z+ E  h% |
) _3 T. _6 F! s' W' e- p7 f4、知识库管理模块：包括规则库、实例库和事实库。规则库和实例库分别是基于规则和基于实例推理的“物质”基础，事实库则存放有各种模具材料的化学成分、物理性能、推荐的热加工和热处理工艺参数及相应的力学性能等技术资料。该模块用于进行各库的维护、完善和补充。目前知识库中收集的塑料[/COLOR]制品用模具材料包含了我国广泛应用的几十种模具钢和各种合金：包括已纳人国、部标准及新研制开发的模具材料。

系统具有两大功能：塑料[/COLOR]制品模具材料优化选择功能和知识库浏览功能。知识库相当于本简明的塑料[/COLOR]件模具材料选择和应用手册。

9 \. f$ ?" b& |, ~& G5 T二、塑料[/COLOR]制品模具材料优化选择的推理

优化选材是系统的核心目标，由系统推理模块来完成，相应的推理机制和推理策略如下。

1、系统的推理过程

6 n# t7 Q3 k2 ]系统的推理分为基于规则和基于实例的推理。在知识库拥有其相应的知识源，即规则库和实例库，系统的推理过程见图2。

[/ALIGN]2、系统推理的具体实现
* ]6 K! o, Y% j* ]" `
+ p/ K' k: E: Q5 K, n* p  [(1) 基于规则的推理

在一般正常情况下，塑模型腔的加工大多采用机械加工或电加工，主要是铣削和高频脉冲电火花[/COLOR]加工，且大多结合应用了数控技术。加工后按实际情况进行或不进行热处理强化。之后是研磨抛光，以利于模具的表面光洁及精度的提高，方便装配及保证总体精度。我们称这种方法为传统加工方法。另外，塑模型腔加工还可能采用特种加工法（快速法），主要包括冷挤压成形、超塑性成形、铸造[/COLOR]成形等方法。一般情况下，传统方法多使用塑料[/COLOR]模具钢，特殊法大多使用有色合金。
; R+ c5 d; d) z/ e% a
在传统加工法条件下，可据制品用材种类，质量要求，模具工作条件和失效形式，将制品分七大类，形成相应的模具钢选材规则。

8 h( Q, N. `7 O; p目前，塑模钢种以国标GB 1099-2000,部标JB/J 6057-92，YB/J 0094-1997，YB/J 107-1997，YB/J 129-1997所列25种为主。它们相当部分是从国外引进改良的。如行业经常应用的3Cr2Mo（或SM3Cr2Mo）钢相当于美国的ASTM--P20;3Cr2MiMnMo（或SM3Cr-NiMnMo）钢则相当于瑞典的 ASSAB - 718或德国的GS - 738。我国研制的则主要 有5M2CrNi3MoA11S; 5CrNiMnMoVSCa（简称 5NiSCa）和8Cr2MnWMoVS等三种。它们在其合适的 制品中获得良好的应用效果。除上述五种国、部标 的塑模专用钢外，还借用其它国、部标的钢种来制塑模。GB 1299-2000合金工具钢中的冷冲模具钢和无 磁钢可用作最终淬硬的高耐磨塑料[/COLOR]模具，如 6Cr4W3Mo2VNb、6W6Mo5Cr4V、5Cr4Mo3SiMnVAI、 7Mn15Cr2Al3V2WMo, Cr4W2MoV钢等。JB6058-92冲模用钢中的7Cr-SiMnMoV等可用作微变形高耐磨塑模。文献[2]还介绍了国内研制并应用但仍未纳入标准的十多种塑模钢或新型有色合金。随着塑模钢的发展，本系统还将纳入业已证明良好性能的新材料。
, K. N* `, U  J  l* @+ p! v& H; n
3 L5 k& C' k5 h9 q在特殊加工法条件下，塑模选材大体分成三类
1 }* j+ @2 r8 B# ]& w; |
7 d: ]# w, O2 S1 u$ L(1) 冷挤压成形。主要用于形状简单的塑料[/COLOR]模标准件，其材料多选用低碳钢或低碳合金钢，如08、10,15、15Cr、20Cr、12CrNi3A等。因退火后其冷变形抗力低，易于冷挤压成形，成形后可进行渗碳、淬火、回火处理，以提高其表面耐磨性。
8 [6 F2 {; m/ Y" j' T
% H+ i2 |( d' y1 N. p7 U7 [(2) 铸造[/COLOR]成形。一般选用铸造[/COLOR]性能良好的材料来制造塑模，如铝合金、锌合金、青铜或铸铁，甚至石膏。特别是铝基合金和锌基合金，其熔点低、流动性好、制模容易且精确度高。常用的铸造[/COLOR]铝合金有AI-Si合金类：ZL101 - ZL110（ZL106除外）；AI-Cu类：ZL201、202、203；Al-Mg类：ZL301、302；AI-Zn类：ZL401。铸造[/COLOR]锌合金多用Zn-4Al-3Cu共晶合金，铜合金多选用ZCucr 1及铍青铜。
: H; W) N9 Y, ]% `
(3) 超塑性成形。一般选用共晶或共析合金，且其两相体积份数接近且第二相细小。如Zn-22A1合金，2CuBe2与2CuBe2. 4, T8钢。另外LC9合金、45号钢等可经热处理获得较细晶粒，也具有良好超塑性。成形加工时需在一定的温度、压力下，以较低的应变速率进行挤压。成形加工还可得到形状复杂的塑模。
# J5 n; V; w: H5 d5 r
添加S、Pb, Se、Ca等合金元素的易切削塑模钢可以较大地提高其机加工效率从而加快制模速度，有关内容在“传统加工法”结合讨论。
8 h6 a9 d0 {- f9 Z+ m  W
2 @# {3 }2 F1 s应用新的塑模材料。 上述特殊快速加工法的塑模一般仅适合某些制品的要求，且模具寿命偏低。

选择塑模加工方法作为规则推理的第一步，而根据相关的行业经验是进行规则推理的第二步，其结果是给出几种至近十种的钢种或合金。还需根据制品的特殊要求，如镜面性、尺寸精度等及模具的特殊要求如易切削性、补焊性等进行第三步规则推理，从而在第二步推荐的一类材料中选择出一两种更适合实际要求的塑模材料。

(2) 基于实例的推理
9 M6 v+ T' s; H: S, l
+ W# U3 ^6 S# @8 q/ n* r其“物质”，基础是在系统实例库中存放的塑模材料特别是新材料具体应用经验的实例。除了汇集成书的之外，大部分实例从近年的科技刊物等收集而来。它按钢号分类并搜索，每个实例由标题和简要内容组成，并给出文献出处。实例推理除单纯用于发现新塑模材料及尝试应用外，大部分以其实际应用情况来进一步支持规则推理选择到的材料的合理性。

( B( S* K/ d+ f三、应用举例

在中文Windows2000系统下启动专家系统，用户可通过系统的导航信息进行操作。若选择“浏览”，功能，并点击“事实库”“规则库”，“实例库”按钮，便可以进入相应的浏览界面，并可记录打印感兴趣的内容，此时本系统类似一本简明的塑模材料选择与应用手册。选择，“优化”功能，便可以进行塑模材料优化选择操作。
* C" p2 W/ n9 ~1 U7 [5 M9 _# K/ @
$ y7 c. N: f+ S+ f& f; b: e( s. B例如，设某中型尼龙塑料[/COLOR]构一件要求较高的强度和相当高的精度和镜面性，生产批量为50-100万件，且希望塑模的生产制造工艺过程不太复杂，并有较好的焊补性和易切削性，硬度约HRC40，为此试用专家系统的优化选材功能以求得到合适的塑模材料。在点击大规则推理优化界面的塑模制品加工法的“传统加工法”后，系统转入中规则推理页面即七大类塑料[/COLOR]制品及批量页面。再点击第4类制品即包含尼龙类的工程塑料[/COLOR]，且生产批量在50-100件时，系统则按前推产生式推理规则给出一批适合的钢种：H13+S、5CiNiMnMoVSCa（简称5NiSCa）、渗碳合金钢（含12Cr2Ni2、12CrNi3、20CrMnTi、20Cr2Ni4等）成形后渗碳淬火，而这些钢种一般都能符合制品质量及生产批量的要求。
/ Q' L3 K% t1 ]& M' Q6 I
系统随之按提示进入规则推理的第三页面，即按制品和模具的特殊性要求作小规则推理。表3给出了上述钢种的制造过程及难易程度、镜面性、表面耐磨性、尺寸精度等性能的比较。根据客户初始信息要求，虽然低碳合金钢耐磨性最高，但工艺过程复杂、变形大而不符合制品及生产要求。H13十S钢与5NiSCa大部分性能相似，因预硬后才加工，不必考虑热处理变形，尺寸精度高，且添加了S元素，使切削性提高。但H13仅加S影响了其镜面性，而5NiSCa除加S外还加Ca,它使原单一硫系条状硫化物变成了纺锤状硫化物，改善了切削加工性和：图案花纹蚀刻性能，并提高了等向性能，且其焊补性也好。在页面的“帮助”按钮下，将出现上述相关说明的内容。为此，可以试选择5NiSCa,它是我国自行研制的新塑模钢。

[/ALIGN]之后，进行实例推理。按钢种可检索出其多个应用实例。其中在L310透明窗模具应用中，其寿命为进口P20同类模具寿命的2.5倍；在制造磁带盒内盒模具时平均寿命达200万件，超过进口的同类模具。而且这类塑料[/COLOR]模具有透明性高、抛光花纹蚀刻性和焊补性好等优点。为了用户便于了解5NiSCa的化学成分热加工热处理工艺及其机械性能；可从系统事实库中调出该钢的技术数据。如球化退火：在760～780℃加热保温、2h，660℃等温6h，硬度≤230HB。在880℃作预硬淬火，硬度61- 63HRC，并给出了按预硬硬度而采用的回火温度的数据：在保温2h条件下回火温度从575至650℃，则回火硬度从HRC46逐渐降低至HRC34。应用“存入文档”功能，可把实例推理内容与5NiSCa技术数据及前述的用户初始信息、规则推理结果等内容，自动装入动态数据库中。

[/ALIGN]最后，系统给出如表4所示的用户技术文档，除了给用户对这类制品的模具材料有一个尽量合理的建议外，也方便用户对该模具的冷热加工的参数选择。
8 e  W0 f1 G' @: K" e% T4 h
四、结论

由于塑料[/COLOR]制品成型模具选择的复杂性材料，模具设计人员面对众多的模具材料难以综合各种因素来进行优化选择，特别是经验不足的设计人员又面对新的模具。本专家系统采用了多重规则推理和实例推理方法来选择塑模材料，使模具材料优化选择逐步深人而趋合理。系统操作结果以用户技术文档形式输出。系统以导航方式引导用户进行操作，使系统使用方便、快捷。系统中的“帮助”，对推理因果进行了详细讨论说明，使得系统透明可信。
" z6 e. Z: ~4 ~5 ?
9 j5 @2 q( o0 w+ b本系统可通过数据库的扩展，不断补充新材料来加以完善。例如，优选材料还应包括非调质结构钢，经电渣重炼或粉末法生产的超纯塑模钢等其他类型的材料。还要不断地及时收人国内研究和从国外引进的新材料。使专家系统能与时俱进，及时跟踪和应用新的塑模材料。