摘 要：介紹了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)在注射模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，采用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)軟件進(jìn)行注塑成型分析。通過(guò)實(shí)例，闡述了應(yīng)用CAD/CAE軟件進(jìn)行注射模設(shè)計(jì)的流程和利用Pro/E軟件進(jìn)行注射模具設(shè)計(jì)的具體方法，以及運(yùn)用Moldflow軟件進(jìn)行填充、冷卻等分析，得到合理的注射工藝參數(shù)，優(yōu)化了模具結(jié)構(gòu)。采用CAD/CAE技術(shù)可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。
隨著塑料制件的廣泛應(yīng)用，塑料模具的設(shè)計(jì)成為模具工業(yè)中極為重要的一個(gè)方面。由于塑料新品種的不斷出現(xiàn)以及塑料制品在結(jié)構(gòu)、外觀上要求的日益提高，傳統(tǒng)的二維模具設(shè)計(jì)方法難以適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)和集成化技術(shù)的要求，而且模具設(shè)計(jì)是一個(gè)設(shè)計(jì)、修改、再設(shè)計(jì)的反復(fù)迭代不斷優(yōu)化的過(guò)程。對(duì)塑料模進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)的技術(shù)分析，提高了模具設(shè)計(jì)水平，縮短了產(chǎn)品研制周期，對(duì)于注塑模技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
1 計(jì)算機(jī)技術(shù)在注射模中的應(yīng)用
1.1 注射模具CAD
注射模具CAD大多采用Pro/E(Engineer)軟件作為產(chǎn)品及模具設(shè)計(jì)的開發(fā)平臺(tái)，Pro/E軟件是采用參數(shù)化設(shè)計(jì)的、基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，可對(duì)塑料制品進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)。利用Pro/E的Molddesign模塊可進(jìn)行分型面的定義、抽取模具元件生成模具型腔和型芯、澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生成模具成型零件的三維實(shí)體模型，利用Pro/E系統(tǒng)的布局及裝配模塊，可以進(jìn)行模具的頂出系統(tǒng)和三維的總裝配設(shè)計(jì)，并最終利用工程圖模塊生成二維工程圖。其間將使用Pro/E的外掛軟件EMX4.0來(lái)進(jìn)行模具標(biāo)準(zhǔn)元件的導(dǎo)入，以使設(shè)計(jì)更快速，修改更方便。由于注射模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求各部件運(yùn)動(dòng)自如，互不干涉，且對(duì)模具零件的順序動(dòng)作以及行程有嚴(yán)格的控制，Pro/E可對(duì)模具開模、合模以及制品被推出的全過(guò)程進(jìn)行仿真，從而檢查出模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理處，并及時(shí)更正，以減少修模時(shí)間。Pro/E軟件的這些功能模塊在注射模具設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)得更加淋漓盡致。
1.2 注射模具CAE
注射模具計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)主要是利用高分子流變學(xué)、傳熱學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等基本理論，對(duì)塑料成型過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，在模具加工前，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)注塑成型過(guò)程進(jìn)行模擬分析，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熔體的填充、保壓、冷卻等情況，預(yù)測(cè)模具設(shè)計(jì)和成型條件對(duì)制品的影響，發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的缺陷，找出缺陷產(chǎn)生的原因并加以改進(jìn)，為判斷模具設(shè)計(jì)和成型條件是否合理提供科學(xué)的依據(jù)，提高一次試模的成功率，大大縮短了開發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本。塑料成型模擬常采用Moldflow公司的開發(fā)的Moldflow軟件。Moldflow軟件[6，7]包括三部分：1)MoldflowPlastics Advisers(產(chǎn)品優(yōu)化顧問，簡(jiǎn)稱MPA)；2)Moldflow Plastics Insight(注塑成型模擬分析，簡(jiǎn)稱MPI)；3)MoldflowPlasticsXpert(注塑成型過(guò)程控制專家，簡(jiǎn)稱MPX)。運(yùn)用Moldflow軟件可以優(yōu)化塑料制品，得到制品的實(shí)際最小壁厚，優(yōu)化制品結(jié)構(gòu)，降低材料成本，縮短生產(chǎn)周期，保證制品能全部充滿；可以優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，得到最佳的澆口數(shù)量與位置，合理的流道系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)；并對(duì)型腔尺寸、澆口尺寸、流道尺寸和冷卻系統(tǒng)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行試模、修模，大大提高模具質(zhì)量，減少修模次數(shù)；還可以優(yōu)化注塑工藝參數(shù)，確定最佳的注射壓力、保壓壓力、鎖模力、模具溫度、熔體溫度、注射時(shí)間、保壓時(shí)間和冷卻時(shí)間，以注塑出最佳的塑料制品。即運(yùn)用Moldflow軟件對(duì)模具結(jié)構(gòu)、注射工藝參數(shù)、塑料制品等進(jìn)行優(yōu)化分析。
1.3 基于CAD/CAE技術(shù)的注射模設(shè)計(jì)流程
運(yùn)用CAD/CAE軟件設(shè)計(jì)注射模的具體步驟如下。(1)應(yīng)用Pro/E軟件完成制品的造型。(2)成型方案確定后，可進(jìn)行澆口分析，得出最佳澆口位置。(3)模具初始方案的設(shè)計(jì)，包括型腔數(shù)目、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)。(4)在模具初始方案確定后，用Moldflow軟件進(jìn)行流動(dòng)、保壓、冷卻和翹曲等分析，以確定合適的澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。如果分析結(jié)果不能滿足生產(chǎn)要求，那么可根據(jù)用戶的要求修改注射制品的結(jié)構(gòu)或修改模具的設(shè)計(jì)方案。(5)在完成CAE分析和方案評(píng)價(jià)后，可用Pro/E軟件進(jìn)行模具的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(6)模擬模具開模、推件、合模的過(guò)程，并進(jìn)行模具的干涉檢查。(7)加工信息的提取，用CAM軟件進(jìn)行數(shù)控加工模擬和自動(dòng)生成型腔、型芯的NC代碼。如需要，完成三維圖向二維工程圖的轉(zhuǎn)換。
2 應(yīng)用實(shí)例
2.1 Pro/E平臺(tái)下注射模CAD
圖1是采用Pro/E軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的某模具廠的塑料制品三維圖，材料為ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)。按照模具設(shè)計(jì)流程，利用Pro/E的Molddesign模塊進(jìn)行塑件三維實(shí)體設(shè)計(jì)，根據(jù)塑件的材料和特點(diǎn)，確定成型方案為一模四腔，對(duì)模具初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括確定收縮率，確定分模方向以及分型面設(shè)計(jì)，抽取模具元件生成模具型腔和型芯，設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)等。進(jìn)行澆口分析、流動(dòng)、冷卻、翹曲等CAE分析，CAE分析后判斷是否對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，修改后進(jìn)行詳細(xì)的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行模具開啟和干涉檢查，最后導(dǎo)入模具專家系統(tǒng)形成完整的裝配圖。
2.2 應(yīng)用Moldflow軟件進(jìn)行注塑成型分析
在Pro/E中造型后，產(chǎn)品信息及模具有關(guān)信息可通過(guò)*.stl格式文件傳入Moldflow中，進(jìn)行最佳澆口分析，在Moldflow中選擇塑料牌號(hào)及合適的注射溫度、注射壓力和注塑機(jī)后即可進(jìn)行流動(dòng)、冷卻、翹曲等分析。
2.2.1 最佳澆口分析
在模具設(shè)計(jì)之前應(yīng)該分析塑料件的澆口位置，但無(wú)論采用什么形式的澆口，開設(shè)的位置對(duì)塑件的成型性能及成型質(zhì)量影響很大，因此合理選擇澆口位置是提高塑件成型質(zhì)量的1個(gè)重要環(huán)節(jié)，采用Moldflow軟件進(jìn)行最佳澆口分析，依據(jù)分析結(jié)果設(shè)置澆口位置，從而避免由于澆口位置不當(dāng)可能引起的制件缺陷。在Moldflow軟件環(huán)境下，進(jìn)行網(wǎng)格的劃分-調(diào)整網(wǎng)格的合理性-進(jìn)行型腔布局-設(shè)置分析內(nèi)容以及分析參數(shù)(Bestgatelocation)選擇成型材料設(shè)置注射參數(shù)等。圖2所示為分析得到的最佳澆口位置。根據(jù)分析結(jié)果可知圖2中箭頭所指處即為最佳澆口位置，由Moldflow分析出來(lái)的結(jié)果直接利用到澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)如圖3所示。
2.2.2 填充分析
填充分析結(jié)果主要用于查看制件的填充行為是否合理，填充是否平衡，能否完成對(duì)制件的完全填充等?？梢愿鶕?jù)動(dòng)態(tài)的填充時(shí)間結(jié)果查看填充階段的熔體流動(dòng)行為，以便更好地判斷填充流動(dòng)行為是否合理。
圖4所示為充模時(shí)間的分析結(jié)果。結(jié)果顯示：充填時(shí)間為1.2720s(簡(jiǎn)頭所示)，填充行為合理。
填充分析的最終目的是為了獲得最佳澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，填充分析的結(jié)果表明圖3所示的澆注系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)是可行的。
2.2.3 冷卻分析
用Moldflow對(duì)模具的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過(guò)冷卻分析結(jié)果判斷冷卻效果的優(yōu)劣，根據(jù)冷卻效果計(jì)算出冷卻時(shí)間的長(zhǎng)短，確定成型周期所用的時(shí)間。在獲得均勻冷卻的基礎(chǔ)上優(yōu)化冷卻管道布局，盡量縮短冷卻時(shí)間，從而縮短單個(gè)制品的成型周期，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。制件冷卻時(shí)，只能做到塑件大體均勻冷卻，圖5為制件的冷卻方案和溫度分布。從圖5可以看出，制件的大部分位置都已達(dá)到預(yù)定的頂出溫度(60℃)(箭頭所示)。表明冷卻水道布置比較合理，制件的冷卻方案可行。
2.2.4 翹曲分析
通過(guò)翹曲分析可以判定采用的塑料是否會(huì)出現(xiàn)變形，為了減少翹曲缺陷，在模具設(shè)計(jì)時(shí)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)塑料的收縮率和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成了控制變形量的主要措施。圖6是塑件總體翹曲，翹曲變形最小0.0037mm，最大0.7273mm。最大翹曲部位在制件一端自由處(箭頭所示)，絕大部分是由收縮率引起的。經(jīng)過(guò)CAE分析，該設(shè)計(jì)方案已能滿足制品質(zhì)量要求。
3 結(jié)語(yǔ)
應(yīng)用Pro/E軟件中的Moldesign模塊進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使傳統(tǒng)的模具二維設(shè)計(jì)向三維實(shí)體模型的模具設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，加快了設(shè)計(jì)進(jìn)程，縮短了設(shè)計(jì)周期。利用Moldflow軟件對(duì)塑件進(jìn)行填充、冷卻、翹曲等過(guò)程的模擬分析，有助于模具設(shè)計(jì)人員不斷優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和注塑工藝參數(shù)，從而縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，減少開發(fā)費(fèi)用，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。