基于CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)的注塑成型工藝研究

張玉華 馬 琰 蘇 君

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基于CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)的注塑成型工藝研究

張玉華 馬 琰 蘇 君

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南南陽473000）

在分析CAD/CAE/CAM一體化系統(tǒng)理論基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有的UG、華塑CAE、MasterCAM和NC編程軟件對(duì)注塑產(chǎn)品的成型工藝過程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)注塑模具CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)的應(yīng)用，不僅提高了模具制造精度和產(chǎn)品質(zhì)量，也縮短了設(shè)計(jì)與制造周期，使計(jì)算機(jī)技術(shù)和制造技術(shù)相互結(jié)合、相互滲透，真正實(shí)現(xiàn)模具工業(yè)的信息現(xiàn)代化，對(duì)整個(gè)模具制造業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

注塑件 注塑成型工藝 CAD/CAE/CAM一體化 應(yīng)用

隨著制造業(yè)和塑料工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的注塑成型工藝已經(jīng)無法滿足人們對(duì)注塑產(chǎn)品高質(zhì)量、高性能的要求[1,2]。近年來模具及塑料加工領(lǐng)域得到迅猛發(fā)展，應(yīng)用注塑模CAE技術(shù)，對(duì)成型加工過程進(jìn)行數(shù)值模擬[3],研究加工條件的變化規(guī)律，預(yù)測注塑件的結(jié)構(gòu)與性能，選擇制品、模具設(shè)計(jì)及工藝條件的最佳方案,不僅提高了注塑件的精度和質(zhì)量，也加速產(chǎn)品更新?lián)Q代和新產(chǎn)品的開發(fā)[4]。

注塑模CAD/CAE/CAM一體化系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)整體，整套系統(tǒng)與企業(yè)的技術(shù)、人才相結(jié)合，決定了企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。三者集成形成一體化技術(shù)，將徹底改變傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)制造方式,對(duì)模具制造業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。本文以某一模具注塑產(chǎn)品為例，利用UG、華塑CAE、MasterCAM和NC編程軟件對(duì)注塑模具的設(shè)計(jì)、分析、制造（CAD/CAE/CAM）一體化過程進(jìn)行研究，使計(jì)算機(jī)技術(shù)和制造技術(shù)相互結(jié)合和相互滲透，真正實(shí)現(xiàn)模具工業(yè)的信息現(xiàn)代化。

1 工藝過程

在分析CAD/CAE/CAM系統(tǒng)理論基礎(chǔ)上，對(duì)注塑件的模具設(shè)計(jì)、工程分析與加工制造一體化技術(shù)進(jìn)行研究。其研究內(nèi)容如下：

（1）利用Auoto CAD2007/UG NX6.0軟件對(duì)注塑件進(jìn)行造型，華塑CAE 3D 7.5軟件對(duì)塑件進(jìn)行成形工藝性分析，確定模具設(shè)計(jì)初始方案。

（2）根據(jù)模具設(shè)計(jì)理論，運(yùn)用三維模具設(shè)計(jì)軟件UG NX6.0完成零件的產(chǎn)品造型和模具結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)（包括型腔布局、分型面、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)）。

（3）應(yīng)用華塑CAE 3D 7.5軟件對(duì)澆注、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)初始方案進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化，通過分析結(jié)果結(jié)合模具設(shè)計(jì)要求對(duì)模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改良、細(xì)化，確定最終注塑模模型。

（4）在最終注塑模模型的基礎(chǔ)上，通過MasterCAM和NC編程軟件生成零件數(shù)控加工代碼，在MasterCAM或斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件上完成注塑模具的數(shù)控模擬加工。

2 注塑產(chǎn)品CAD/CAE/CAM一體化的設(shè)計(jì)過程

2.1 建立塑件CAD模型

利用AuotoCAD2007/UG NX6.0軟件建立塑件模型，如圖1所示。材料為ABS，收縮率為0.5%，要求產(chǎn)品表面光潔無毛刺、無縮痕，年生產(chǎn)批量50萬件。

圖1 注塑件圖

2.2 塑件CAE分析

注塑件主要從材料、體積、拔模斜度和厚度等方面進(jìn)行CAE分析。由圖2可知，塑件采用ABS塑料，塑性好，流動(dòng)性好，具有較高的強(qiáng)度和硬度。塑件周界尺寸為（119×70.1×22.8）mm，尺寸適中，易于成型。利用NX8.5分析塑件的體積可知，該塑件體積為27 219.613 mm3。塑件體積適中，易于充模。

塑件的底面為平面，分型面設(shè)計(jì)比較容易，塑件內(nèi)部由通孔，需設(shè)計(jì)側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)。該塑件內(nèi)、外表面均有一定的拔模斜度角，拔模斜度角為3°，保證塑件能夠順利脫模，如圖3所示。

圖2 注塑件CAE分析

圖3 注塑件拔模分析

通過對(duì)塑件的厚度分析可知，該塑件平均厚度為1.71 mm，如圖4所示，厚度適中，易于成型。但局部厚度達(dá)到3 mm以上，可能會(huì)造成塑件翹曲較大、冷卻慢等缺陷。

圖4 注塑件的厚度云圖分析

通過以上分析，確定該注塑產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)的初始方案：為保證模具平衡，提高生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)成一模兩腔帶側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)的注射模。

2.3 成形工藝過程的CAE分析及模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1）分型面的選擇

為了分型簡單，加工方便，分型面一般選擇在塑件的最大邊緣處。由于塑件底面為平面，故可把分型面設(shè)計(jì)在塑件的底面，如圖5所示。

圖5 分型面的選擇及其三維模型

2）澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆口是澆注系統(tǒng)的關(guān)鍵，不同的澆口位置直接決定塑件的質(zhì)量和模具制造成本。結(jié)合模具設(shè)計(jì)理論，該注塑模一模兩腔，可選擇潛伏式澆口來保證塑件外觀無澆痕，模具能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化脫模。華塑CAE 3D 7.5依據(jù)塑件材料、形狀和相關(guān)工藝參數(shù)準(zhǔn)確分析出該塑件澆口的最佳位置。網(wǎng)格劃分后對(duì)澆口最佳位置進(jìn)行分析，如圖6所示，確定CAD澆口最優(yōu)設(shè)計(jì)位置為塑件上表面靠近中心不影響塑件外觀形狀的區(qū)域。

圖6 CAE澆口優(yōu)化位置及CAD澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3）推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)制品分析可知，塑件內(nèi)部有多處加強(qiáng)筋，須在模具結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)推出機(jī)構(gòu)，采用推桿推出機(jī)構(gòu)不僅保證塑件受力均勻，且塑件不易于變形。通過華塑CAE 3D 7.5軟件分析得出推桿可頂出位置如圖7（a）所示。推出機(jī)構(gòu)的平面布局和三維模型如圖7（b）、7（c）所示，推桿的位置對(duì)稱布局且位于平面區(qū)域，可保證塑件的外觀形狀和表面質(zhì)量。

(a) 推桿可頂出區(qū)域

(b) 推出機(jī)構(gòu)的平衡布局

(c) 推出機(jī)構(gòu)的三維模型

4）排氣槽設(shè)計(jì)

注塑成型過程中，型腔內(nèi)未及時(shí)排除的氣體被已熔的塑料包裹在型腔內(nèi)會(huì)形成氣穴，影響塑件的質(zhì)量和性能。為了將型腔內(nèi)的氣體排出得到較好的塑件產(chǎn)品，首先通過華塑CAE軟件分析氣穴產(chǎn)生的主要位置，如圖8（a）所示，塑件存在較多的氣穴，氣穴主要集中在塑件的邊緣部位即圖中的A區(qū)域。除可利用分型面和推桿進(jìn)行排氣外，在塑件邊緣處設(shè)計(jì)排氣槽也有利于減少氣穴，提高塑件的質(zhì)量，排氣槽的位置如圖8（b）所示的B區(qū)域。

(a) 氣穴集中區(qū)域（A區(qū)域）

(b) 排氣槽位置（B區(qū)域）

圖8 CAE氣穴分析及CAD排氣槽的設(shè)計(jì)位置

5）側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

注塑模設(shè)計(jì)中常用的側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)有斜推桿、斜導(dǎo)柱和斜滑塊側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)。由于該塑件內(nèi)部有通孔，需要設(shè)計(jì)斜頂桿機(jī)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 斜頂桿側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

6）冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模具設(shè)計(jì)成功與否關(guān)鍵在于冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。合理的冷卻系統(tǒng)不僅可縮短生產(chǎn)周期，降低成本，還能減少或避免塑件因熱應(yīng)力產(chǎn)生的翹曲變形，提高產(chǎn)品質(zhì)量[5,6]。

本文中注塑模具模型的冷卻系統(tǒng)為冷卻管道直徑Φ8，冷卻介質(zhì)為水，溫度為25℃，入口雷諾數(shù)為10 000。

為了控制模具的溫度，提高塑件的質(zhì)量，動(dòng)模、定模中均設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)。注塑模的冷卻系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)為直通式冷卻水道，如圖10(a)所示。通過華塑CAE軟件分析發(fā)現(xiàn)，型腔型芯溫度分配不均勻，型芯溫差較大，塑件翹曲較大，最大翹曲為1.43 mm，如圖10(b)所示，需改善冷卻水道。經(jīng)研究重新設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)，改善后的冷卻系統(tǒng)采用循環(huán)冷卻方式，如圖10(c)所示，避開了推桿的位置，型腔型芯溫度分配比較均勻，溫差不大，同時(shí)也減少了塑件的翹曲，最大翹曲減少了1.00 mm，保證了塑件的質(zhì)量，如圖10(d)所示。

圖10 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其CAE分析結(jié)果

2.4 注塑模具成型加工（CAM）

對(duì)優(yōu)化后的注塑模模型進(jìn)行注塑模CAM成形加工。在UGNX6.0中提取相關(guān)加工信息，通過IGES或DXF傳入MasterCAM軟件中進(jìn)行模擬加工。

以型芯為主模擬加工過程，型芯粗加工采用分層銑削的方式，如圖11(a)所示，創(chuàng)建毛坯，型芯毛坯六面平整，尺寸為（160×130×35）mm，材料為P20，型芯的底面通過拉伸方式產(chǎn)生，高度應(yīng)超過鑲塊最高面2 mm作為加工余量，以保證最高面的加工余量。型芯粗加工之后，型芯的工作表面精度還未達(dá)到設(shè)計(jì)精度，需進(jìn)行半精加工（如圖11(b)、12(c)所示和精加工（如圖11(c)、(d)、(e)所示）。刀具選用平刀Φ8 mm，轉(zhuǎn)速4 000 r/min，進(jìn)給速度3 500 mm/min?？紤]到上表面的形狀未在一個(gè)水平面上，用FIXED CONTOUR模塊中的兩種驅(qū)動(dòng)方法區(qū)域銑削和邊界加工，對(duì)型芯上表面的側(cè)壁和復(fù)雜曲面進(jìn)行加工。刀具選用Φ8 mm球刀，余量為0，轉(zhuǎn)速5 000 r/min，進(jìn)給速度1 800 mm/min。

圖11 型芯的CAM加工工藝

3 結(jié)語

CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)（即現(xiàn)有AuotoCAD2007/UG NX6.0、華塑CAE 3D 7.5、MasterCAM和NC編程軟件集成為一體）在注塑成形工藝過程中的應(yīng)用研究表明：

（1）華塑CAE軟件對(duì)已建立的塑件CAD模型進(jìn)行分析對(duì)注塑模模具設(shè)計(jì)方案的確定提供依據(jù)，減少了模具設(shè)計(jì)人員在初期階段的分析工作，提高了工作效率。

（2）通過華塑CAE軟件對(duì)成型工藝參數(shù)分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，細(xì)化模具結(jié)構(gòu)，避免了在設(shè)計(jì)階段過于依賴經(jīng)驗(yàn)，不能充分利用現(xiàn)有軟件，提高了設(shè)計(jì)精度和制品質(zhì)量，同時(shí)也減少了試模和修模次數(shù)。

（3）在UGNX6.0中提取加工信息，通過MasterCAM軟件生成數(shù)控加工代碼進(jìn)行模擬加工，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)和制造技術(shù)相互結(jié)合和相互滲透，真正實(shí)現(xiàn)模具工業(yè)的信息現(xiàn)代化。

[1] 王鵬駒.塑料模具技術(shù)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[2] 曹宏深,趙仲治.塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[3] 劉國亮.CAD/CAE集成注塑工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].塑料,2010,39(3):121-123.

[4] 陳樂平,陳健,陳罡等.基于響應(yīng)面法和CAE的注塑件翹曲變形優(yōu)化[J].塑料,2013,42(3):92-95.

[5] 王瑋.注塑模具冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)[D].上海:上海交通大學(xué),2013.

[6] 楊虎振.基于CAE技術(shù)的注塑制品翹曲變形研究[D].江蘇:江蘇大學(xué),2008.