CN100410042C - 基于cad/cae/cam的陶瓷坐便器快速制模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于CAD/CAE/CAM的陶瓷坐便器快速制模方法。包括有如下步骤：1)产品的计算机辅助设计及辅助工程；2)试验产品石膏模具的计算机辅助设计；3)试验产品石膏模的计算机辅助制造；4)浇注试验产品的陶土毛坯；5)烧制试验产品；6)试验产品的冲水性能测试及石膏模的修改；7)由石膏模翻制树脂母模；8)批量翻制石膏工作模。本发明由于通过产品CAD/CAE获得初步理想的坐便器模型后，不加工原始产品模型，而是通过产品石膏模的CAD/CAM环节，用机械化生产代替手工操作，直接由数控机床加工试验产品的石膏工作模。可以节省原始模型制作的时间和费用，缩短产品开发周期，降低开发与生产成本，加快新产品的更新换代；大大提高原始毛坯的形状和尺寸精度，提高产品质量；降低了对制模工人的技术要求，减轻工人劳动强度，改善了工作条件。
Description
1、技术领域：
本发明是一种基于CAD/CAE/CAM的陶瓷坐便器快速制模方法，属于陶瓷制品快速制模方法创新技术。
2、背景技术：
目前，我国陶瓷行业以坐便器为代表的复杂卫生洁具的制模几乎全部由手工完成，其制模流程图如图1所示，在新产品研发过程中，耗时耗资最多的是
“原始陶土毛坯的制作”到“冲水性能测试”通过的阶段。由于完全采用手工方式，根据一个产品概念或原型完成一个原始陶土毛坯的制作需要一个成熟技师大约2个月的时间；而且由于只能通过样板来确定形状尺寸，因此原始毛坯的几何形状、结构尺寸等的精度都较低；整个过程对制造人员的技术依赖程度高。完成原始陶土毛坯制作后，翻制出试验用的石膏模具，并生产试制毛坯烧制试验产品，进行冲水性能和烧制工艺测试。通过测试后，才能制作树脂母模，批量翻制石膏工作模，进行正式生产。但由于对产品的烧制工艺和冲水性能没有相关的基础理论分析，全凭技术人员的经验，而且原始毛坯的精度较低；所以，一般要通过重复多次修改试用石膏工作模具、制作试验产品，才能通过国家标准的冲水性能测试，这个过程需要耗费大量的时间和资金；一个新产品开发需要大约半年到一年的时间和10-20万元的研发费用。
3、发明内容：
本发明的目的在于克服上述缺点而提供一种缩短产品开发周期，降低开发与生产成本，加快新产品的更新换代，提高产品质量的基于计算机辅助制造的陶瓷卫生制品快速制模方法。
本发明的制模流程图如图2所示，本发明基于CAD/CAE/CAM的陶瓷卫生制品快速制模方法包括有如下步骤：
1)产品的计算机辅助设计及辅助工程；
2)试验产品石膏模具的计算机辅助设计；
3)试验产品石膏模的计算机辅助制造；
4)浇注试验产品的陶土毛坯；
5)烧制试验产品；
6)试验产品的冲水性能测试及石膏模的修改；
7)由石膏模翻制树脂母模；
8)批量翻制石膏工作模。
上述步骤1)中产品的计算机辅助设计及辅助工程是根据产品概念或原型快速建立产品的三维数据模型，以对洁具产品的外观和结构等进行预先的评估，检查产品的设计效果；
上述步骤2)中试验产品石膏模具的计算机辅助设计是制造试用石膏工作模的基础，模具CAD有两个方面的关键技术，即模具型腔形状尺寸的确定、陶土毛坯烧制的变形补偿和模具模块拆分；由于陶土坯在烧制过程中将产生收缩和变形，因此必须根据产品CAD的信息将模具型腔相应放大，而且将可能产生变形的大的水平和垂直面应进行反变形处理，以保证产品的最终形状。
上述步骤6)中试验产品的冲水性能测试由计算机进行冲水过程的数值模拟，以预测坐便器的冲水工作性能。
上述步骤2)中试验产品石膏模具的计算机辅助设计自动考虑陶土毛坯的收缩和变形，并通过该模块的设计向导进行分型设计，该专用的设计模块是在商用的三维设计软件二次开发的陶瓷模具的设计向导，再辅助于技术人员的简单指导就能进行陶瓷模具的分块设计，根据该模具模块的CAD数据模型，即可运用CAM生成加工代码，由数控机床直接加工出试制产品的石膏工作模。
上述步骤3)中试验产品石膏模的制造由数控机床加工完成。
本发明摒弃手工制模方法，首先通过产品CAD/CAE获得理想的洁具模型后，不加工原始洁具毛坯，而是通过试验产品石膏模的CAM环节，直接加工试验产品的石膏工作模，因此，其不仅可以节省原始毛坯制作的时间和费用，缩短产品开发周期，降低开发与生产成本，加快新产品的更新换代，而且节省原始毛坯制作的费用；并能大大提原始毛坯的形状和尺寸精度，提高产品质量。本发明是一种方便实用的基于CAD/CAE/CAM的陶瓷卫生制品快速制模方法。
4、附图说明：
图1为现有技术的制模流程图；
图2为本发明的制模流程图。
5、具体实施方式：
本发明的制模流程图如图2所示，本发明基于CAD/CAE/CAM的陶瓷卫生制品快速制模方法包括有如下步骤：
1)产品的计算机辅助设计及辅助工程(CAD/CAE)；
2)试验产品石膏模具的计算机辅助设计(CAD)；
3)试验产品石膏模的计算机辅助制造(CAM)；
4)浇注试验产品的陶土毛坯；
5)烧制试验产品；
6)试验产品的冲水性能测试及石膏模的修改；
7)由石膏模翻制树脂母模；
8)批量翻制石膏工作模。
上述步骤1)中产品CAD能根据产品概念或原型快速建立产品的三维数据模型，可以对洁具产品的外观和结构等进行预先的评估，检查产品的设计效果；产品CAD是实现产品数字化制造的基础，它贯穿洁具产品整个研发周期的各个环节，从概念设计、结构设计、工艺设计到石膏工作模和树脂母模的设计与制造。运用产品CAD，能更方便实现产品类型和产品结构的标准化，建立实用的产品信息库。
卫生洁具的产品类型分为坐便器、蹲便器、小便器、洗面器、浴缸及其它类型等设计的功能模块。每个模块为设计人员提供了一个建模和修改向导，用于构建和修改参数化的洁具CAD模型。参数化CAD模型由一系列的几何特征构成，这些特征组合根据对同类洁具的不同形状结构特征进行充分的分析抽象后确定，既能表达同类洁具形状结构变化的多样性，又能根据一个合理的确定的流程建模。建模流程根据特征之间的相互关系和特征建立的先后顺序分解为若干子过程，坐便器建模子过程有水包设计、坐圈设计、水箱设计、进水孔道设计、排污管设计、底座设计等。每一子过程构建模型的部分特征结构——特征部件，特征部件之间通过全局参数或局部参数关联。特征部件由通过特征轮廓线构建的相关特征组成，轮廓线根据行业标准和相关经验确立优化的形状和尺寸，一般由三次B样条曲线表示；这种曲线能保证有丰富的形状变化，又便于特征的建立与修改。通过建模和修改向导能快速构建和修改所设计的产CAD模型。
上述步骤1)中产品CAE是计算机技术和工程分析技术相结合形成的先进技术，它运用计算力学、计算数学和数字仿真技术等对设计产品的性能进行分析。CAE技术是现代产品设计中创造价值的中心环节，已逐渐成为企业实现创新设计的最主要保障之一。
冲水性能是部分洁具产品(特别是坐便器)质量的关键部分，它包含两个方面，即洁具壁面污物的冲刷效果和洁具的排污能力。冲刷效果跟壁面的水流速度和持续时间相关，而排污能力跟水的流速、流态、虹吸现象及其对固体污物的作用方式相关。坐便器冲水过程是一种复杂流道流体与固体混合的非稳态流动，而且包含固定与自由的复杂边界条件。对于这种复杂的流体流动过程，虽然可以建立相应的数学力学模型，但要获得精确的解析解是不可能的，只能采用数值方法进行分析。
本发明建立了坐便器冲水模拟过程的数值分析模型及边界条件，及验证数值模型的试验方法。冲水过程数值分析有两种类型。一种是纯流体流动的数值分析，采用计算流体力学方法进行，即应用有限体积法或有限元方法对冲水过程进行数值计算，获得洁具冲水流场中流速、压力的分布情况，根据壁面水流速度和持续时间确定其冲刷效果，根据流态、流速和压降等相关信息评估排污能力。另一种是流固耦合数值分析，即运用基于任意拉格朗日-欧拉描述的有限单元法或有限元有限体积结合的方法分析冲水过程，获得水的流动和污物的运动规律，对冲水性能进行评估。通过数值分析，可以让设计人员在洁具产品制造之前直观地了解所设计产品的冲水性能，确定产品结构是否需要修改，并提供模型修改的相关信息等。应用产品CAD进行模型修改后，可以进一步进行数值分析，经过这种的“设计-分析-再设计-再分析”的循环过程，可以优化产品的结构，提高产品质量，减少对产品原型和试验用模具的反复修改，降低应用实际洁具的产品样品进行冲水性能试验测试及分析所需的时间与成本。
上述步骤2)中模具CAD是制造试用石膏工作模的基础。模具CAD有两个方面的关键技术，即模具型腔形状尺寸的确定、陶土毛坯烧制的变形补偿和模具模块拆分。由于陶土坯在烧制过程中将产生收缩和变形，因此必须根据产品CAD的信息将模具型腔相应放大，而且将可能产生变形的大的水平和垂直面应进行反变形处理，以保证产品的最终形状。同时由于洁具的结构复杂，为了在陶土毛坯灌浆成型后方便拆模，必需根据分模形式、抽芯方式将模具拆分成若干模块。本发明在商用的三维设计软件二次开发了陶瓷模具的设计向导，再辅助于技术人员的简单指导就能进行陶瓷模具的分块设计。根据该模具模块的CAD数据模型，即可运用CAM生成加工代码，由数控机床直接加工出试制产品的石膏工作模。
产品参数化CAD、坐便器冲水模拟过程的数值分析模型及边界条件，及验证数值模型的试验方法以及模具的CAD/CAM是本发明的核心，也是坐便器新产品研发的核心，在本方案中，不加工原始坐便器毛坯，而是通过步骤2)的模具CAD和步骤3)的试验产品石膏模的CAM环节，直接加工试用石膏工作模。本方案中不需要制作原始毛坯，可以节省新产品开发的时间和费用。
上述步骤6)中如果试验产品未能通过冲水性能测试，，仍可对试验产品石膏模进行修改，修改后回到步骤4)。
Claims (4)
1. 一种基于CAD/CAE/CAM的陶瓷坐便器快速制模方法，其特征在于包括有如下步骤：
1)产品的计算机辅助设计及辅助工程；
2)试验产品石膏模具的计算机辅助设计；
3)试验产品石膏模的计算机辅助制造；
4)浇注试验产品的陶土毛坯；
5)烧制试验产品；
6)试验产品的冲水性能测试及石膏模的修改；
7)由石膏模翻制树脂母模；
8)批量翻制石膏工作模；
上述步骤1)中产品的计算机辅助设计及辅助工程是根据产品概念或原型快速建立产品的三维数据模型，以对洁具产品的外观和结构等进行预先的评估，检查产品的设计效果；
上述步骤2)中试验产品石膏模具的计算机辅助设计是制造试用石膏工作模的基础，模具CAD有两个方面的关键技术，即模具型腔形状尺寸的确定、陶土毛坯烧制的变形补偿和模具模块拆分；由于陶土坯在烧制过程中将产生收缩和变形，因此必须根据产品CAD的信息将模具型腔相应放大，而且将可能产生变形的大的水平和垂直面应进行反变形处理，以保证产品的最终形状。
2. 根据权利要求1所述的基于CAD/CAE/CAM的陶瓷坐便器快速制模方法，其特征在于上述步骤6)中试验产品的冲水性能测试由计算机进行冲水过程的数值模拟，以预测坐便器的冲水工作性能。
3. 根据权利要求1所述的基于CAD/CAE/CAM的陶瓷坐便器快速制模方法，其特征在于上述步骤2)中试验产品石膏模具的计算机辅助设计，专用的设计模块自动考虑陶土毛坯的收缩和变形，并通过该模块的设计向导进行分型设计；该专用的设计模块是在商用的三维设计软件二次开发的陶瓷模具的设计向导，再辅助于技术人员的简单指导就能进行陶瓷模具的分块设计，根据该模具模块的CAD数据模型，即可运用CAM生成加工代码，由数控机床直接加工出试制产品的石膏工作模。
4. 根据权利要求1所述的基于CAD/CAE/CAM的陶瓷坐便器快速制模方法，其特征在于上述步骤3)中试验产品石膏模的制造由数控机床加工完成。
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