摘 要：介紹了計算機輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)在注射模具設(shè)計中的應(yīng)用，采用計算機輔助工程(CAE)軟件進行注塑成型分析。通過實例，闡述了應(yīng)用CAD/CAE軟件進行注射模設(shè)計的流程和利用Pro/E軟件進行注射模具設(shè)計的具體方法，以及運用Moldflow軟件進行填充、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)計質(zhì)量。
隨著塑料制件的廣泛應(yīng)用，塑料模具的設(shè)計成為模具工業(yè)中極為重要的一個方面。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)計是一個設(shè)計、修改、再設(shè)計的反復(fù)迭代不斷優(yōu)化的過程。對塑料模進行計算機輔助設(shè)計(CAD)和計算機輔助工程(CAE)的技術(shù)分析，提高了模具設(shè)計水平，縮短了產(chǎn)品研制周期，對于注塑模技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
1 計算機技術(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)計的開發(fā)平臺，Pro/E軟件是采用參數(shù)化設(shè)計的、基于特征的實體模型化系統(tǒng)，設(shè)計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，可對塑料制品進行三維造型設(shè)計。利用Pro/E的Molddesign模塊可進行分型面的定義、抽取模具元件生成模具型腔和型芯、澆注系統(tǒng)的設(shè)計、冷卻系統(tǒng)設(shè)計、生成模具成型零件的三維實體模型，利用Pro/E系統(tǒng)的布局及裝配模塊，可以進行模具的頂出系統(tǒng)和三維的總裝配設(shè)計，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來進行模具標(biāo)準(zhǔn)元件的導(dǎo)入，以使設(shè)計更快速，修改更方便。由于注射模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求各部件運動自如，互不干涉，且對模具零件的順序動作以及行程有嚴格的控制，Pro/E可對模具開模、合模以及制品被推出的全過程進行仿真，從而檢查出模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理處，并及時更正，以減少修模時間。Pro/E軟件的這些功能模塊在注射模具設(shè)計中的優(yōu)勢體現(xiàn)得更加淋漓盡致。
1.2 注射模具CAE
注射模具計算機輔助工程技術(shù)主要是利用高分子流變學(xué)、傳熱學(xué)、數(shù)值計算方法和計算機圖形學(xué)等基本理論，對塑料成型過程進行數(shù)值模擬，在模具加工前，通過計算機對整個注塑成型過程進行模擬分析，準(zhǔn)確預(yù)測熔體的填充、保壓、冷卻等情況，預(yù)測模具設(shè)計和成型條件對制品的影響，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，為判斷模具設(shè)計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，簡稱MPA)；2)Moldflow Plastics Insight(注塑成型模擬分析，簡稱MPI)；3)MoldflowPlasticsXpert(注塑成型過程控制專家，簡稱MPX)。運用Moldflow軟件可以優(yōu)化塑料制品，得到制品的實際最小壁厚，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)；并對型腔尺寸、澆口尺寸、流道尺寸和冷卻系統(tǒng)尺寸進行優(yōu)化，在計算機上進行試模、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、注射時間、保壓時間和冷卻時間，以注塑出最佳的塑料制品。即運用Moldflow軟件對模具結(jié)構(gòu)、注射工藝參數(shù)、塑料制品等進行優(yōu)化分析。
1.3 基于CAD/CAE技術(shù)的注射模設(shè)計流程
運用CAD/CAE軟件設(shè)計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，可進行澆口分析，得出最佳澆口位置。(3)模具初始方案的設(shè)計，包括型腔數(shù)目、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)管道設(shè)計。(4)在模具初始方案確定后，用Moldflow軟件進行流動、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)計方案。(5)在完成CAE分析和方案評價后，可用Pro/E軟件進行模具的詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計。(6)模擬模具開模、推件、合模的過程，并進行模具的干涉檢查。(7)加工信息的提取，用CAM軟件進行數(shù)控加工模擬和自動生成型腔、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)用實例
2.1 Pro/E平臺下注射模CAD
圖1是采用Pro/E軟件進行設(shè)計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)計流程，利用Pro/E的Molddesign模塊進行塑件三維實體設(shè)計，根據(jù)塑件的材料和特點，確定成型方案為一模四腔，對模具初始結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，包括確定收縮率，確定分模方向以及分型面設(shè)計，抽取模具元件生成模具型腔和型芯，設(shè)計澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)等。進行澆口分析、流動、冷卻、翹曲等CAE分析，CAE分析后判斷是否對模具結(jié)構(gòu)進行修改，修改后進行詳細的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后進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*.stl格式文件傳入Moldflow中，進行最佳澆口分析，在Moldflow中選擇塑料牌號及合適的注射溫度、注射壓力和注塑機后即可進行流動、冷卻、翹曲等分析。
2.2.1 最佳澆口分析
在模具設(shè)計之前應(yīng)該分析塑料件的澆口位置，但無論采用什么形式的澆口，開設(shè)的位置對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個重要環(huán)節(jié)，采用Moldflow軟件進行最佳澆口分析，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，進行網(wǎng)格的劃分-調(diào)整網(wǎng)格的合理性-進行型腔布局-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分析出來的結(jié)果直接利用到澆注系統(tǒng)設(shè)計上，設(shè)計的澆注系統(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，能否完成對制件的完全填充等。可以根據(jù)動態(tài)的填充時間結(jié)果查看填充階段的熔體流動行為，以便更好地判斷填充流動行為是否合理。
圖4所示為充模時間的分析結(jié)果。結(jié)果顯示：充填時間為1.2720s(簡頭所示)，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，填充分析的結(jié)果表明圖3所示的澆注系統(tǒng)布局設(shè)計是可行的。
2.2.3 冷卻分析
用Moldflow對模具的冷卻系統(tǒng)進行分析，通過冷卻分析結(jié)果判斷冷卻效果的優(yōu)劣，根據(jù)冷卻效果計算出冷卻時間的長短，確定成型周期所用的時間。在獲得均勻冷卻的基礎(chǔ)上優(yōu)化冷卻管道布局，盡量縮短冷卻時間，從而縮短單個制品的成型周期，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。制件冷卻時，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
通過翹曲分析可以判定采用的塑料是否會出現(xiàn)變形，為了減少翹曲缺陷，在模具設(shè)計時，準(zhǔn)確預(yù)測塑料的收縮率和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計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CAE分析，該設(shè)計方案已能滿足制品質(zhì)量要求。
3 結(jié)語
應(yīng)用Pro/E軟件中的Moldesign模塊進行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，使傳統(tǒng)的模具二維設(shè)計向三維實體模型的模具設(shè)計轉(zhuǎn)變，加快了設(shè)計進程，縮短了設(shè)計周期。利用Moldflow軟件對塑件進行填充、冷卻、翹曲等過程的模擬分析，有助于模具設(shè)計人員不斷優(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)費用，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。