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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)的競爭力，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，希望對大家有幫助。
一、系統(tǒng)的總體設(shè)計
依據(jù)系統(tǒng)功能和計算機軟件工程思想，專家系統(tǒng)將其最終目標(biāo)展開，分解為五個子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)模塊的功能及實現(xiàn)的目標(biāo)如下：
1、用戶信息輸入模塊：以選項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)果及從事實庫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、知識庫管理模塊：包括規(guī)則庫、實例庫和事實庫。規(guī)則庫和實例庫分別是基于規(guī)則和基于實例推理的“物質(zhì)”基礎(chǔ)，事實庫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)行各庫的維護(hù)、完善和補充。目前知識庫中收集的塑料制品用模具材料包含了我國廣泛應(yīng)用的幾十種模具鋼和各種合金：包括已納人國、部標(biāo)準(zhǔn)及新研制開發(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)化選擇功能和知識庫瀏覽功能。知識庫相當(dāng)于本簡明的塑料件模具材料選擇和應(yīng)用手冊。
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)推理模塊來完成，相應(yīng)的推理機制和推理策略如下。
1、系統(tǒng)的推理過程
系統(tǒng)的推理分為基于規(guī)則和基于實例的推理。在知識庫擁有其相應(yīng)的知識源，即規(guī)則庫和實例庫。
2、系統(tǒng)推理的具體實現(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)。加工后按實際情況進(jìn)行或不進(jìn)行熱處理強化。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)于美國的ASTM--P20;3Cr2MiMnMo(或SM3Cr-NiMnMo)鋼則相當(dāng)于瑞典的 ASSAB - 718或德國的GS - 738。我國研制的則主要 有5M2CrNi3MoA11S; 5CrNiMnMoVSCa(簡稱 5NiSCa)和8Cr2MnWMoVS等三種。它們在其合適的 制品中獲得良好的應(yīng)用效果。除上述五種國、部標(biāo) 的塑模專用鋼外，還借用其它國、部標(biāo)的鋼種來制塑模。GB 1299-2000合金工具鋼中的冷沖模具鋼和無 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，其熔點低、流動性好、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際要求的塑模材料。
(2) 基于實例的推理
其“物質(zhì)”，基礎(chǔ)是在系統(tǒng)實例庫中存放的塑模材料特別是新材料具體應(yīng)用經(jīng)驗的實例。除了匯集成書的之外，大部分實例從近年的科技刊物等收集而來。它按鋼號分類并搜索，每個實例由標(biāo)題和簡要內(nèi)容組成，并給出文獻(xiàn)出處。實例推理除單純用于發(fā)現(xiàn)新塑模材料及嘗試應(yīng)用外，大部分以其實際應(yīng)用情況來進(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)下啟動專家系統(tǒng)，用戶可通過系統(tǒng)的導(dǎo)航信息進(jìn)行操作。若選擇“瀏覽”，功能，并點擊“事實庫”“規(guī)則庫”，“實例庫”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，此時本系統(tǒng)類似一本簡明的塑模材料選擇與應(yīng)用手冊。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)一件要求較高的強度和相當(dāng)高的精度和鏡面性，生產(chǎn)批量為50-100萬件，且希望塑模的生產(chǎn)制造工藝過程不太復(fù)雜，并有較好的焊補性和易切削性，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)則推理頁面即七大類塑料制品及批量頁面。再點擊第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，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，且其焊補性也好。在頁面的“幫助”按鈕下，將出現(xiàn)上述相關(guān)說明的內(nèi)容。為此，可以試選擇5NiSCa,它是我國自行研制的新塑模鋼。
之后，進(jìn)行實例推理。按鋼種可檢索出其多個應(yīng)用實例。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)盒模具時平均壽命達(dá)200萬件，超過進(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性好等優(yōu)點。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械性能;可從系統(tǒng)事實庫中調(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，自動裝入動態(tài)數(shù)據(jù)庫中。
最后，系統(tǒng)給出如表4所示的用戶技術(shù)文檔，除了給用戶對這類制品的模具材料有一個盡量合理的建議外，也方便用戶對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)計人員面對眾多的模具材料難以綜合各種因素來進(jìn)行優(yōu)化選擇，特別是經(jīng)驗不足的設(shè)計人員又面對新的模具。本專家系統(tǒng)采用了多重規(guī)則推理和實例推理方法來選擇塑模材料，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”，對推理因果進(jìn)行了詳細(xì)討論說明，使得系統(tǒng)透明可信。
本系統(tǒng)可通過數(shù)據(jù)庫的擴(kuò)展，不斷補充新材料來加以完善。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。還要不斷地及時收人國內(nèi)研究和從國外引進(jìn)的新材料。使專家系統(tǒng)能與時俱進(jìn)，及時跟蹤和應(yīng)用新的塑模材料。
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