多孔復(fù)雜型腔塑件注塑模具CAD/CAE數(shù)字化研究*

郭永環(huán) 范希營(yíng)

(江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116)

隨著模具行業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)技術(shù)已不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)要求。要想獲得高精度、優(yōu)質(zhì)的多孔復(fù)雜型腔塑件，最有效的手段就是采用計(jì)算機(jī)輔助模具設(shè)計(jì)UG軟件，并與最優(yōu)越的CAD/CAM/CAE一體化技術(shù)緊密結(jié)合。模具CAD/CAM/CAE一體化技術(shù)已成為模具設(shè)計(jì)制造行業(yè)發(fā)展以及趕上世界模具行業(yè)更新?lián)Q代步伐的最有效手段之一［1－3］。

我國(guó)未來(lái)模具技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可歸納為以下幾點(diǎn):

在我國(guó)要全面推廣應(yīng)用CAD/CAM/CAE技術(shù)。由于社會(huì)對(duì)產(chǎn)品需求的品種越來(lái)越多，對(duì)產(chǎn)品精度要求越來(lái)越高，形狀各異，因此為最大限度地滿足產(chǎn)品對(duì)注塑模具的要求，要大力發(fā)展模具CAD/CAM/CAE技術(shù);要盡快提高模具的標(biāo)準(zhǔn)化程度。如果設(shè)計(jì)模具過(guò)程中大量采用非標(biāo)設(shè)計(jì)，勢(shì)必會(huì)延長(zhǎng)模具制造周期，因此為了降低模具制造成本，應(yīng)盡快提高模具的標(biāo)準(zhǔn)化程度;發(fā)展高效、快速、精密化的模具制造技術(shù)，以不斷提高模具業(yè)的制造手段;采用逆向工程技術(shù)，以縮短模具的研制周期;進(jìn)行自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)是模具加工的必然趨勢(shì)［4－6］。

目前，亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)是塑料模具成型過(guò)程的各種模擬分析、熱傳導(dǎo)冷卻過(guò)程分析、凝固及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。本文將針對(duì)多孔復(fù)雜型腔塑件進(jìn)行注塑模具CAD/CAE數(shù)字化研究，利用Moldflow軟件對(duì)塑件進(jìn)行模流分析，以期縮短模具的設(shè)計(jì)周期。

1 塑料制件的三維建模

如圖1所示為多孔復(fù)雜型腔塑件結(jié)構(gòu)示意圖，該塑件是由較多的自由曲面組成，尺寸較大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在長(zhǎng)度方向兩側(cè)各有3個(gè)螺釘孔和4個(gè)插槽，還附帶一個(gè)下凸的曲面。塑件外凸表面上有5大、4小通孔，附帶有插槽及側(cè)向通孔。塑件寬度方向一側(cè)帶有一個(gè)上凸圓弧曲面及下凹槽。塑件的內(nèi)凹表面上有4個(gè)螺釘孔和2個(gè)插槽，加強(qiáng)筋14個(gè)。模具設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮側(cè)抽芯機(jī)構(gòu);模具制造時(shí)，還要考慮模具的整體結(jié)構(gòu)。此塑件要將模具設(shè)計(jì)成組合式結(jié)構(gòu)，以便降低模具的制造難度及成本，縮短模具的開發(fā)周期。生產(chǎn)類型為大批量生產(chǎn)(工作時(shí)間5個(gè)月，月產(chǎn)量2萬(wàn)件)，生產(chǎn)方式為注塑成型。

2 澆注方案及型腔的布局

根據(jù)澆口的位置、模板的尺寸，優(yōu)先采用的直線形型腔布局轉(zhuǎn)換成H形。此種布局可以改善部分工藝上的缺陷，如:流道過(guò)長(zhǎng)、流動(dòng)阻力過(guò)大、注塑溫度和壓力降低太大等，另一方面還節(jié)約模具的材料，降低模具成本。

將塑料制件通過(guò)UG建立的三維模型導(dǎo)出，并將導(dǎo)出格式設(shè)置為iges文檔，最后將制件的iges文檔導(dǎo)入Pro/ENGINEER軟件中塑料顧問(wèn)模塊(Plastic Advisor)的分析模塊，對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)有限元?jiǎng)澐?，并?duì)自動(dòng)劃分后不規(guī)則元進(jìn)行修復(fù)、完善，建立玻璃模型。澆口設(shè)計(jì)主要包括澆口的數(shù)目、位置、形狀和尺寸的設(shè)計(jì)。在選擇定成型方案前，借助Moldflow軟件對(duì)塑料制件進(jìn)行最佳澆口位置的預(yù)分析，進(jìn)行流動(dòng)分析，并結(jié)合塑件的型腔布局及模架的選用，最終確定了最佳澆口位置如圖2所示。該澆注方案成型能力好，澆口易去除，澆注系統(tǒng)中的凝料少，最終采用3個(gè)內(nèi)側(cè)澆口的設(shè)計(jì)。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求及客戶的需求量，最終確定型腔數(shù)為6，可采用均衡的對(duì)稱布置方式，如圖3所示。由UG注塑模向?qū)Р季挚芍?，此種布局滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。在保證塑件制品質(zhì)量的同時(shí)，保證了注塑機(jī)與生產(chǎn)能力的匹配性，提高了生產(chǎn)效率，為企業(yè)帶來(lái)了更好的經(jīng)濟(jì)效益。

在模具設(shè)計(jì)中，采用組合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，將成型零件模設(shè)計(jì)成拼鑲結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化成型零件的加工和降低調(diào)模難度，降低模具制造成本。

3 注塑模具計(jì)算機(jī)輔助工程分析(CAE)

借助Moldflow注塑模具分析軟件，在注塑之前對(duì)制件的注塑過(guò)程進(jìn)行模流分析。對(duì)塑件成型過(guò)程中的注射壓力、時(shí)間、溫度、澆注系統(tǒng)、氣泡、熔接痕、填充時(shí)間和充型能力等進(jìn)行分析。這樣可以提前知道制件注塑成型后的缺陷，氣泡、熔接痕產(chǎn)生的位置，注射所需的壓力、時(shí)間和溫度等。最終確定最佳的注射壓力、注射時(shí)間、模具溫度、熔體溫度、澆口位置及流道等。優(yōu)化了塑料制品、注塑工藝參數(shù)、注塑模具的設(shè)計(jì)，確定最佳的注塑工藝方案。借助Moldflow注塑模具分析軟件，可以快速成型出優(yōu)質(zhì)的塑料制品，提高了模具的質(zhì)量，縮短了模具的調(diào)模周期及模具的開發(fā)周期。

圖4為塑件填充時(shí)間分析結(jié)果。從分析結(jié)果來(lái)看，此塑件的澆注方案設(shè)計(jì)比較合理，填充時(shí)間短，充型較為均勻，縮短了制件的成型周期及生產(chǎn)周期。

在塑件熔融溫度和注塑時(shí)間、注塑壓力一定的基礎(chǔ)上，模溫對(duì)制件的影響較小，塑件的填充質(zhì)量較好。如圖5所示。

從圖6注射壓力分析結(jié)果來(lái)看，塑件的最大注射壓力值為79.04 MPa，而注塑機(jī)的最大注射壓力值為165 MPa，可知注塑機(jī)的注射壓力滿足塑件注塑成型的要求，注射機(jī)選擇合理。

在塑料制品成型中，當(dāng)熔融體由分流狀態(tài)再次合流時(shí)便會(huì)形成熔接線。熔接線多產(chǎn)生在多澆口或有嵌件的制件中，是注射成型常見的缺陷之一［7－8］，它是注塑件的薄弱環(huán)節(jié)，不但影響制品的外觀，而且易于產(chǎn)生應(yīng)力集中，影響制件的總體強(qiáng)度［9］，并且在對(duì)制品涂漆等后處理時(shí)，熔接線位置較難處理，所以應(yīng)盡量縮短熔接痕的長(zhǎng)度和避免出現(xiàn)在制品嚴(yán)重的受力部分［10－11］。在進(jìn)行注塑分析時(shí)，熔接線的形成是難以避免的，所以只能根據(jù)具體的成型條件、熔接線的位置來(lái)決定其是否合理。從分析圖7結(jié)果中可以看出，由澆注方案所形成的熔接線，其位于制件上表面，雖然會(huì)影響制品的外觀，但是長(zhǎng)度較短且所在位置不在制件應(yīng)力集中的位置，成型后可用涂漆后處理解決制品外觀的缺陷。采用其他的澆注方案時(shí)，所形成的熔接線位于制件的下表面，雖然不影響制件的表面質(zhì)量，但是其形成的熔接線部分位于制件的拐角、邊緣處，而這個(gè)位置是制件易產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域，屬于制件的薄弱區(qū)。所以只能采用此種較合理的澆注方案。

在注塑成型過(guò)程中，若模具排氣不合理，澆注系統(tǒng)、模腔內(nèi)的氣體和熔體分解放出的氣體受壓將產(chǎn)生很大的壓力，阻止了熔融塑料的快速充型，甚至?xí)B入塑件內(nèi)部，給塑件造成氣孔和裂紋等。特別是精密、優(yōu)質(zhì)塑件，在快速注塑成型工藝中，對(duì)注塑模具的排氣要求很高。從圖8中可以明顯地看出，在注塑成型過(guò)程中，塑件表面產(chǎn)生了大量氣泡，此時(shí)需要采用排氣方式。由于此塑件成型零件是采用較多的鑲塊組合而成的，單分型面脫模，可直接采用配合間隙進(jìn)行排氣(分型面、推桿間隙等排氣方式)，所以不必開設(shè)專門的排氣槽。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)本文以MOLDWIZARD技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)模具進(jìn)行3D優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)模具快捷CAD設(shè)計(jì)。在后續(xù)工作中還應(yīng)利用UG中的CAM模塊對(duì)成型零件進(jìn)行虛擬加工，簡(jiǎn)化、優(yōu)化成型零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低后續(xù)型芯、型腔加工難度，以及降低模具制造成本，便于獲得高精度、高質(zhì)量的成型零件，以確保模具設(shè)計(jì)的一次成功。

(2)通過(guò)模流分析，可獲得多孔復(fù)雜型腔塑件充模過(guò)程的注射壓力、溫度、時(shí)間和成型能力。通過(guò)大量數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)，預(yù)知不合理的澆注系統(tǒng)、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，還能對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化，有效降低實(shí)際生產(chǎn)中的廢品率。分析模流變化對(duì)塑件成型過(guò)程影響的主要因素，提高塑模成型過(guò)程熱傳導(dǎo)、凝固過(guò)程分析及產(chǎn)生的缺陷預(yù)見能力的方法，優(yōu)化型腔布局與流道設(shè)計(jì)。

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