基于Pro/E中塑性顧問(wèn)的電池盒后蓋的塑性分析

余熳燁

摘要：模具CAE技術(shù)在模具設(shè)計(jì)與制造中應(yīng)用日益廣泛，以Pro/Engineer軟件的CAE輔助分析工具為平臺(tái)，對(duì)電池盒后蓋零件進(jìn)行塑料充填模擬分析，分析結(jié)果為模具設(shè)計(jì)提出較好的建議，避免出現(xiàn)缺陷，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。Pro/E軟件的CAD/CAM/CAE集成系統(tǒng)使其在注塑模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)尤為明顯。

關(guān)鍵詞：Pro/E；塑性顧問(wèn)；CAE；塑性分析；模具設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP317 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）07-1694-05

1 概述

在塑料加工行業(yè)中約有95%的產(chǎn)品靠模具生產(chǎn)[1]，為降低塑件缺陷，提高塑件質(zhì)量，降低廢品率，塑料注射成型CAE商品化軟件應(yīng)用日益廣泛。該文運(yùn)用Pro/E軟件中的CAE分析輔助工具——塑性顧問(wèn)（Plastic Advisor）對(duì)電池盒后蓋零件進(jìn)行模擬分析，利用分析結(jié)果對(duì)模具設(shè)計(jì)過(guò)程提出有效建議。

2 CAE技術(shù)應(yīng)用的必要性

注射成型時(shí)，塑料在型腔中的流動(dòng)和成型，與材料的性能、塑件的形狀尺寸、成型溫度、成型速度、成型壓力、成型時(shí)間、模腔表面情況和模具設(shè)計(jì)等系列因素有關(guān)[2-4]。因此，針對(duì)形狀復(fù)雜、質(zhì)量和精度要求較高的塑件，特別是新產(chǎn)品試制，對(duì)于一個(gè)具有豐富經(jīng)驗(yàn)的工藝和模具設(shè)計(jì)人員來(lái)講，也很難保證第一次設(shè)計(jì)出來(lái)的模具就能生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。生產(chǎn)實(shí)際表明在試制過(guò)程中，常常需要反復(fù)調(diào)試和修改模具，有時(shí)甚至需要在總結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上重新進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，這樣將導(dǎo)致產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，成本高，影響產(chǎn)品的更新?lián)Q代。而應(yīng)用CAE技術(shù)，可以使新設(shè)計(jì)的塑件和模具一次試模成功率增大，解決諸如塑件翹曲變形、尺寸不穩(wěn)定和模具加工周期長(zhǎng)等問(wèn)題，并降低加工成本。

CAE是用計(jì)算機(jī)對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的形狀、制圖、分析、實(shí)驗(yàn)等一系列綜合的工程作業(yè)，塑料模設(shè)計(jì)和制造的CAE是從狹義出發(fā)，主要是在設(shè)計(jì)模具之前對(duì)熔料的熱、流動(dòng)、物理性能和應(yīng)力分析進(jìn)行模擬。將工程設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、分析、文件生成以及制造貫穿于產(chǎn)品研制過(guò)程的每個(gè)環(huán)節(jié)，以指導(dǎo)和預(yù)測(cè)產(chǎn)品在構(gòu)思和設(shè)計(jì)階段的行為。

大型三維軟件Pro/Engineer 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)。Pro/E的模具行業(yè)解決方案基于集成制造技術(shù)和并行工程技術(shù)，可以應(yīng)用于各種模具的設(shè)計(jì)和制造[5-7]。其模具設(shè)計(jì)模塊與其基礎(chǔ)模塊一起為塑料模具設(shè)計(jì)人員提供快速創(chuàng)建和修改完整模具零部件的功能。Pro/E提供了注塑模具設(shè)計(jì)模塊（Pro/MOLDESIGN）、注塑模具設(shè)計(jì)專(zhuān)家（EMX），能大大縮短模具設(shè)計(jì)人員花費(fèi)在創(chuàng)造、指定和細(xì)化模架等部件的時(shí)間，提高工作效率。Pro/E還提供了CAE分析輔助工具——塑性顧問(wèn)（Pro/Plastic Advisor），主要用來(lái)分析塑料在模具內(nèi)的流動(dòng)情況、溫度分布及制品質(zhì)量等[8，9]。掌握這些分析方法將減少設(shè)計(jì)者在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中造成的一些不必要的失誤，從而提高模具設(shè)計(jì)的可靠性。該文以電池盒后蓋零件為實(shí)例對(duì)Pro/E的塑性顧問(wèn)模塊進(jìn)行介紹和應(yīng)用。

本電池盒后蓋零件最小壁厚為0.5mm，塑件最大外型尺寸為20mm，塑件的整體尺寸不大，塑料熔體流程不大，屬于薄壁小型塑件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 Pro/Plastic Advisor的數(shù)值模擬及分析

3.1 澆口位置分析

在Plastic Advisor應(yīng)用程序環(huán)境下，可以完成制品最佳澆口位置的模擬分析，從而保證在設(shè)計(jì)模具的澆注系統(tǒng)時(shí)能選擇合適的澆口位置，保證熔體的順利充模，而后續(xù)的其他分析均需要在設(shè)置好澆口位置之后才能進(jìn)行。在進(jìn)行Plastic Advisor模擬時(shí)，需對(duì)熔體材料及成型工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，具體的最佳設(shè)置參數(shù)，要根據(jù)選用的材料及注塑機(jī)等來(lái)綜合分析決定。本零件設(shè)置的參數(shù)為：材料類(lèi)型（pp）、模具溫度（50℃）、澆注溫度（240℃）、注射壓力（120Mpa）。Plastic Advisor運(yùn)行分析出來(lái)的結(jié)果如圖2所示，Plastic Advisor在分析結(jié)果中以不同顏色表示在該區(qū)域設(shè)置澆口的合理程度，藍(lán)色為最佳，紅色為最差。

根據(jù)分析結(jié)果，本圖深色為較差設(shè)置位置，應(yīng)將澆口位置設(shè)置在塑件外表面和內(nèi)表面中心部位，但是綜合考慮設(shè)計(jì)和制造等因素，應(yīng)將澆口設(shè)在下圖的“此處”的位置，如圖3所示，該處為一平面，去除澆口較方便，且容易加工，便于設(shè)計(jì)。

3.2 塑料流動(dòng)分析

利用Plastic Advisor進(jìn)行塑料流動(dòng)分析，可以很好地預(yù)測(cè)熔融塑料在模具中的流動(dòng)情況，針對(duì)分析得到的不利結(jié)果，可以在模具設(shè)計(jì)時(shí)做出相應(yīng)的改進(jìn)。

定義成型工藝參數(shù)，包括模具溫度、熔體溫度及注射機(jī)最大壓力，Plastic Advisor則可以得出塑料流動(dòng)過(guò)程的各個(gè)因素分析結(jié)果，包括充填時(shí)間、注射壓力、壓降、質(zhì)量分析等。本次分析中，參數(shù)設(shè)置如圖4所示，得出的分析結(jié)果概要如圖5所示。分析結(jié)果概要顯示了該塑件在給定的成型條件下能充滿(mǎn)，但塑件的質(zhì)量不是很好以及成型過(guò)程的一些參數(shù)，如注射時(shí)間為0.21秒等。

塑料流動(dòng)分析結(jié)果還可以查看塑件填充度，如圖6所示。由結(jié)果可得知該塑件在該環(huán)境條件下，很容易注塑填充。（塑件綠色為很容易填充，黃色為較難填充，紅色為難填充，透明為不能填充。）查看塑件的注射質(zhì)量分析，如圖7所示。注射質(zhì)量分析結(jié)果可知分析的塑件在設(shè)置的參數(shù)條件下，填充的塑件各個(gè)不同區(qū)域的質(zhì)量。 由圖7可知，本例中電池盒后蓋零件的充填質(zhì)量基本滿(mǎn)足要求，但也有提高的空間（淺色為質(zhì)量較差區(qū)域），可通過(guò)改進(jìn)工藝參數(shù)等方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。（PlasticAdvisor顯示結(jié)果塑件綠色為高質(zhì)量，黃色為可能出現(xiàn)問(wèn)題，紅色為會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，透明為不能填充。）

3.3 冷卻質(zhì)量分析

模具設(shè)置冷卻裝置的目的，一是防止塑料制件脫模時(shí)變形；二是縮短成型周期；三是保證塑料制件的質(zhì)量。為使冷卻裝置可以達(dá)到其目的，對(duì)制件進(jìn)行冷卻質(zhì)量分析，可以模擬制件的冷卻效果、表面溫度變化、冷卻時(shí)間等因素，可以協(xié)助用戶(hù)對(duì)不合理造型進(jìn)行修改，避免因冷卻方法而造成的變形。

將電池盒后蓋零件導(dǎo)入后進(jìn)行冷卻質(zhì)量分析，得到的冷卻分析結(jié)果概要如圖8所示，零件的各個(gè)區(qū)域冷卻質(zhì)量結(jié)果如圖9所示。分析概要顯示該塑件冷卻有困難，從而導(dǎo)致脫模有困難，并且列出了塑件表面溫度變化和冷卻時(shí)間變化的范圍。而由結(jié)果圖，可得知塑件在該環(huán)境條件下，冷卻的質(zhì)量大部分為高質(zhì)量，倒鉤和凹孔位置冷卻質(zhì)量較差，即圖上深色部分區(qū)域。（PlasticAdvisor分析結(jié)果，綠色為冷卻質(zhì)量高，黃色的冷卻質(zhì)量居中，紅色部分為冷卻質(zhì)量較差。）由圖10冷卻時(shí)間變化結(jié)果可以清楚看到塑件各個(gè)區(qū)域的所需冷卻時(shí)間。

3.4 透氣分析

在流體澆注到模具中會(huì)有反轉(zhuǎn)或沖擊型腔，此時(shí)在型腔中會(huì)留住空氣或氣泡。這將導(dǎo)致在零件表面生成疤痕，為了消除此種現(xiàn)象，一般要在模具的逃氣位置安置透氣孔。在Plastic Advisor中塑件經(jīng)過(guò)塑料流動(dòng)分析完成后，可以查看透氣分析結(jié)果。電池盒后蓋的透氣分析如圖11所示，圖中小圓圈即為建議安置透氣孔的位置。

3.5 分析報(bào)告

在完成塑件的塑性分析后，Plastic Advisor還可以創(chuàng)建生成分析報(bào)告書(shū)，包括所做分析的內(nèi)容，使分析過(guò)程更為系統(tǒng)，完整。本例零件創(chuàng)建生成的分析報(bào)告書(shū)如圖12所示，通過(guò)左側(cè)的導(dǎo)航可以查看各個(gè)分析內(nèi)容結(jié)果。

從Plastic Advisor分析結(jié)果看，綜合模具設(shè)計(jì)和制造等各方面，澆口的位置選擇還是比較好的，如果澆口設(shè)計(jì)在塑件的外表面中間部分，澆口凝料不容易去除，且會(huì)影響塑件的外表美觀；如果將澆口設(shè)置在內(nèi)表面中間部分，在設(shè)計(jì)上就要將整套模具設(shè)計(jì)成雙分型面的，增加了設(shè)計(jì)難度和制造成本。

在模具溫度（50℃）、澆注溫度（240℃）、注射壓力（120Mpa）特定的工藝參數(shù)條件下，PP塑料熔體是很容易注塑填充型腔的，注塑填充的效果大部分是高質(zhì)量的，只是存在少數(shù)部分可能會(huì)存在問(wèn)題，可改進(jìn)注射工藝參數(shù)。可通過(guò)Plastic Advisor模擬在不同的注射工藝參數(shù)條件下，塑料的充填情況，經(jīng)過(guò)比較分析，得出較優(yōu)參數(shù)，降低缺陷率。

塑件的冷卻效果大部分為高質(zhì)量，存在冷卻效果較差的部分，調(diào)整冷卻時(shí)間由15s調(diào)高至40s，依然存在紅色冷卻效果較差部分，由此進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將冷卻水路開(kāi)在冷卻效果較差的部位附近，加強(qiáng)冷卻效果。

塑件的透氣分析透氣孔的建議位置基本均位于分型面上，可以利用模具零件的配合間隙排氣，因而無(wú)需特意設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)。

4 結(jié)論

Pro/E軟件是全方位的3D產(chǎn)品專(zhuān)業(yè)CAD/CAM/CAE軟件，為注塑模具設(shè)計(jì)提供了完整的解決方案，包括模具元件的設(shè)計(jì)和裝配，塑料模具型腔的設(shè)計(jì)以及模架設(shè)計(jì)和塑性模擬分析。Pro/Plastic Advisor可以較好地模擬塑料的充填情況，預(yù)測(cè)材料在成型過(guò)程中可能產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷，獲得最佳工藝方案和工藝參數(shù)，為模具設(shè)計(jì)提供有效建議，縮短產(chǎn)品制造周期，降低成本。Pro/E的集成CAD/CAM/CAE系統(tǒng)使到模具設(shè)計(jì)、分析和制造各個(gè)的過(guò)程的模型數(shù)據(jù)無(wú)需轉(zhuǎn)換則可在Pro/E里面直接完成，相對(duì)于利用其他CAE軟件進(jìn)行分析，避免了軟件之間出現(xiàn)因數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換造成的模型數(shù)據(jù)缺失的問(wèn)題。利用Pro/Plastic Advisor進(jìn)行塑件的塑性模擬分析的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)尤為明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1] 錢(qián)應(yīng)平，劉小鵬. Pro/E軟件在注射模具設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用[J]，湖北工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，19（3）.

[2] 吳崇峰.實(shí)用注塑模CAD/CAE/CAM技術(shù)[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2000.

[3] 喻祖建，李鋼.模具設(shè)計(jì)與制造專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)模具CAE課程之我見(jiàn)[J].科技信息，2009（28）.

[4] 屈華昌.塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)（修訂版）[M].北京：高等教育出版社，2007.

[5] 尹飛鴻.有限元法基本原理及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2010.

[6] 紀(jì)愛(ài)敏.機(jī)械CAE分析原理及工程實(shí)踐[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[7] 周偉文，謝龍漢.Pro/ENGINEER Wildfire4.0 三維造型實(shí)例圖解[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[8] 張磊，謝龍漢，朱圣曉.Pro/ENGINEER Wildfire4.0 模具設(shè)計(jì)實(shí)例圖解[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[9] 張根華，黃利，安向東.精通Pro/ENGINEER Wildfire5.0中文版模具設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2011.