基于Pro/E和Autodesk Moldflow的盒蓋注塑模具設(shè)計(jì)與仿真研究

張作勝

(安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，安徽 合肥 230051)

基于Pro/E和Autodesk Moldflow的盒蓋注塑模具設(shè)計(jì)與仿真研究

張作勝

(安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，安徽 合肥 230051)

文章以Pro/E軟件、Autodesk Moldflow軟件分別作為設(shè)計(jì)和分析平臺(tái)，對(duì)殼類件注塑模具進(jìn)行CAD/CAE集成設(shè)計(jì)，完成了CAD建模、網(wǎng)格劃分、澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的建立、工藝參數(shù)的確定等完整的模型建立過(guò)程，并對(duì)成型過(guò)程進(jìn)行了流動(dòng)、冷卻和翹曲等方面的仿真分析。結(jié)合仿真結(jié)果，分析熔體溫度、保壓時(shí)間、保壓壓力等工藝參數(shù)對(duì)工件翹曲變形的影響，修正模具設(shè)計(jì)，獲得較佳塑件。

Pro/E；模具設(shè)計(jì)；Autodesk Moldflow；塑件

傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)效率較低，往往依靠設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)，一副新模具要花上數(shù)周甚至幾個(gè)月的時(shí)間，并且精度難以保證。模具設(shè)計(jì)加工完后往往需要經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試與修正才能進(jìn)行批量生產(chǎn)[1]。CAD/CAE技術(shù)給模具制造業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的變革，已經(jīng)成為模具技術(shù)發(fā)展的新方向[2]。使用CAD技術(shù)結(jié)合CAE軟件，可大幅度提高模具設(shè)計(jì)效率。本文以盒蓋為載體，基于Pro/ENGINEER的相關(guān)模塊，使用Autodesk Moldflow進(jìn)行分析研究，完成盒蓋模具的仿真分析和模具設(shè)計(jì)。

1 塑件分析

盒蓋塑件三維圖形如圖1所示。塑件總體尺寸為150×79×20mm，壁厚約為2mm，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度等級(jí)為MT4。外表面質(zhì)量要求較高，不允許有澆口痕跡和飛邊。內(nèi)部的凸起和孔，在模具設(shè)計(jì)時(shí)考慮采用動(dòng)定模嵌件或鑲件的形式，內(nèi)倒扣和外倒扣特征采用斜頂脫模。外形尺寸不大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，考慮到塑件表面質(zhì)量要求、經(jīng)濟(jì)性和模具平衡，采用一模兩腔，潛伏式澆口進(jìn)料。

塑件材料為ABS[3]，外觀呈象牙色半透明，或透明顆粒或粉狀，密度為1.05～1.18g/cm，收縮率為0.4%～0.9%，具有良好性能以及良好的成型加工性，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、電子電器、儀器儀表、紡織和建筑等工業(yè)領(lǐng)域，是一種用途極廣的熱塑性工程塑料。

圖1 塑件圖

2 基于Pro/E Plastic Advisor模塊的最佳澆口位置分析

普通澆注系統(tǒng)由主流道、分流道、澆口和冷料穴四部分組成。澆口又稱進(jìn)料口，是連接流道與型腔之間的一段細(xì)短通道，是澆注系統(tǒng)的關(guān)鍵部分[4]。澆口的設(shè)計(jì)直接影響到塑件的質(zhì)量。應(yīng)用PROE WILDFIRE5.0軟件中的Plastic Advisor模塊進(jìn)行快速試模分析，為模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

通過(guò)Plastic Advisor模塊進(jìn)行分析得到如圖2所示。藍(lán)色區(qū)域?yàn)樽罴眩t色區(qū)域?yàn)樽畈?。從圖2中可以看出，塑件的最佳澆口位置在塑件頂面中間，但是設(shè)在此處，塑件的表面質(zhì)量較差，而且模具結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)性差。為此，現(xiàn)將澆口設(shè)在圖2畫圈處，可以滿足塑件質(zhì)量要求，并且模具的結(jié)構(gòu)也不會(huì)復(fù)雜，這與前面“塑件分析”的結(jié)果是一致的。

圖2 最佳澆口位置區(qū)域圖

3 基于Pro/E Mold Design模塊的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)分析和Pro/E Plastic Advisor模塊的最佳澆口位置分析的結(jié)果，利用Pro/E Mold Design模塊來(lái)完成盒蓋模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 成型零件和澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

加載盒蓋塑件三維模型，進(jìn)行一模兩腔的布局，設(shè)計(jì)零件分型面，包括外觀分型面和結(jié)構(gòu)分型面。用設(shè)計(jì)好的分型面順序分割體積塊，抽取模具元件。在模具布局模式下，進(jìn)行澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括平衡式的分流道，潛伏式的澆口等，主流道在EMX模塊中創(chuàng)建。

3.2 模架設(shè)計(jì)

根據(jù)前面模仁的設(shè)計(jì)尺寸(定模仁高50mm，動(dòng)模仁高35mm)定義模架尺寸為3340mm(B×L：330×400mm，A:80mm，B:90mm，C:100mm)。在EMX中進(jìn)行模架組件的定義，加載模架。模架加載完畢后，調(diào)入設(shè)計(jì)好的模仁，進(jìn)行相關(guān)的后處理。

3.3 其他機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

盒蓋有8處內(nèi)倒扣特征，需用斜頂?shù)姆绞矫撃5]。頂出方式使用頂桿頂出系統(tǒng)，設(shè)置約20個(gè)頂桿。然后分別在動(dòng)模和定模上創(chuàng)建水線參考線，創(chuàng)建直通式冷卻水線和管塞等冷卻裝置。最后進(jìn)行模具的后期處理，如添加澆口襯套，主流道襯套，螺釘及相關(guān)的特征等等。得到模具總裝圖如圖3所示。

圖3 模具總裝圖

4 Autodesk Moldflow的仿真分析

4.1 澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)建模

將塑件的三維模型導(dǎo)入Autodesk Moldflow，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格是否會(huì)影響后面的分析結(jié)果。本文先使用自動(dòng)劃分網(wǎng)格，然后通過(guò)檢查和修復(fù)得到合理的模型網(wǎng)格[6]。根據(jù)一模兩穴的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行澆注系統(tǒng)建模，接著創(chuàng)建合適的冷卻系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 Autodesk Moldflow建模

4.2 流動(dòng)分析

流動(dòng)分析主要是模擬塑料充填和保壓的過(guò)程，預(yù)測(cè)熔料的流動(dòng)行為。應(yīng)用流動(dòng)分析，可以幫助設(shè)計(jì)人員分析澆注系統(tǒng)是否合理、預(yù)測(cè)鎖模力、注射壓力、流動(dòng)波前溫度、氣穴、結(jié)合線以及填充時(shí)間、溫度和壓力的分布[7]。通過(guò)分析，模具型腔能夠充滿，無(wú)填充不滿情況，注系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，填充時(shí)間良好。熔接線的溫度在135度左右，熔接線形成時(shí)塑料熔體溫度較高，具有較好的熔合性，開(kāi)模后塑件上的熔接線不會(huì)明顯表現(xiàn)出來(lái)。塑件具有平衡的流動(dòng)路徑，在流動(dòng)路徑終端也會(huì)由于排氣不足而產(chǎn)生氣穴。

4.3 冷卻分析

冷卻階段對(duì)制件質(zhì)量的影響非常大,冷卻的好壞直接影響著制件最終的表面質(zhì)量、制件殘余應(yīng)力和結(jié)晶度等。流動(dòng)介質(zhì)和模具進(jìn)行熱交換，流動(dòng)介質(zhì)溫度會(huì)逐漸升高，為了保證冷卻效果，出口和入口處的溫差應(yīng)小于2～3℃。通過(guò)冷卻分析產(chǎn)生的達(dá)到頂出溫度的時(shí)間，零件結(jié)果顯示達(dá)到頂出溫度所需的時(shí)間，此時(shí)間從周期起始時(shí)間起開(kāi)始測(cè)量。經(jīng)分析，冷卻時(shí)間的差值在9.7s左右，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻冷卻。

4.4 翹曲分析

翹曲變形分析可以預(yù)測(cè)翹曲量和翹曲的區(qū)域，而且能明確分析出翹曲的原因，即是由分子取向產(chǎn)生的翹曲，還是由不同區(qū)域之間的收縮不均導(dǎo)致的制品翹曲或是由不均勻冷卻導(dǎo)致的翹曲，分析翹曲變形的數(shù)值與原因，有助于我們修改模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化工藝參數(shù)，從而控制塑件的變形[8]。

在預(yù)設(shè)的工藝條件下，對(duì)本塑件進(jìn)行翹曲分析，總變形量為0.6782mm，變形主要發(fā)生在X方向上。如圖5、圖6所示。

圖5 總體翹曲

圖6 X方向上的翹曲

圖7 冷卻不均勻引起的翹曲

圖8 收縮不均引起的翹曲

圖9 分子取向引起的翹曲

根據(jù)圖7、圖8、圖9可知，由冷卻不均勻引起的翹曲，其最大值為0.0367mm,不是引起翹曲的主要原因。由收縮不均勻引起的翹曲，其最大值為0.6552mm,是引起翹曲的最主要原因。由分子取向因素引起的翹曲，其最大值為0.1011mm，不是引起翹曲的主要原因,但也有較大影響。

注塑成形過(guò)程中翹曲變形的控制方法有三種：“一是通過(guò)修改工件的幾何形狀與結(jié)構(gòu)，來(lái)減少翹曲變形；二是通過(guò)改變注塑模具的結(jié)構(gòu)，減少翹曲變形；三是調(diào)整注塑工藝參數(shù)，來(lái)抑制翹曲變形的發(fā)生”[9]。根據(jù)制件要求，未標(biāo)注的尺寸公差按GB/T 14486-1993校核，制件X方向尺寸79mm，在65～80mm范圍內(nèi)，且制件精度要求為MT4，故允許的公差范圍為0.64mm，變形量0.6782mm稍大，會(huì)影響塑件的尺寸精度。因此應(yīng)采用修改冷卻水道和調(diào)整工藝條件的方法來(lái)解決翹曲的問(wèn)題。增加兩條冷卻水道，降低熔體溫度，增加冷卻時(shí)間和保壓時(shí)間，增大保壓壓力，重新進(jìn)行分析，對(duì)冷卻系統(tǒng)和工藝參數(shù)進(jìn)行了修改后,翹曲最大值減小到0.5145mm,在塑件公差允許的范圍內(nèi)，滿足要求。

通過(guò)多次更改工藝參數(shù)，重新分析的結(jié)果表明對(duì)翹曲影響較大的因素主要有熔體溫度、冷卻時(shí)間影響，其次是保壓壓力和保壓時(shí)間，模具溫度和注射時(shí)間的影響最小。在滿足塑件要求的前提下改變模具結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)注塑模具的澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)也會(huì)影響塑件的翹曲變形。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)例，利用Pro/E和Moldflow軟件進(jìn)行模具設(shè)計(jì)和塑件成型過(guò)程仿真分析，得到影響殼類零件的翹曲變形的主要原因是收縮不均勻，其次是分子取向。在不改變模具結(jié)構(gòu)的情況下，可以適當(dāng)降低熔體溫度，增加冷卻時(shí)間和保壓時(shí)間，增大保壓壓力，以減少翹曲變形,獲得最佳塑件。

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[2] 左雪，張文謙.基于Pro/E和MoldFlow的鼠標(biāo)上蓋注射模具優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34(8):104—106.

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(責(zé)任編輯：文涵)

Taking the Pro/E software as the designing platform and Moldflow software as the analyzing platform respectively, the paper finished CAD/CAE integration design of shell parts injection mold. It had completed the CAD modeling, meshing, gating system and cooling system building, the determination of process parameters, analysis of the forming process flow, cooling and warping. Combined with the simulation results, the influences of melt temperature, holding time, pressure that on the work-piece warping deformation, fixing mold design are analyzed to obtain better plastic parts.

Pro/E; mold design; Autodesk Moldflow; plastic parts

2015—11—18

張作勝(1981—)，男，山東莒南人，安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，研究方向：模具CAD/CAE。

TP391.72

A

1672—9536(2016)01—0016—04