基于Moldflow的模具實訓教學課程改革與規(guī)劃

江麗珍， 韓 偉， 梁秋華， 章盼梅

(華南理工大學廣州學院工程訓練中心，廣州510800)

0 引言

隨著工業(yè)4.0的廣泛興起以及智能設計與制造的快速發(fā)展，智能化的模具設計軟件在企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)中已經(jīng)普遍運用，高校的模具實訓也應該將重點轉(zhuǎn)移到“一體化、智能化、自動化”的新技術應用上來［1］，以適應社會對模具技術人員工程能力不斷提升的需求，而目前本科生的注塑模設計實訓教學一般是以PRO/E、UG等CAD軟件的分模設計內(nèi)容為主，至于分模設計產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)方案和注塑生產(chǎn)的效果則無法反饋驗證，學生的設計作業(yè)難以付諸工業(yè)生產(chǎn)制造實踐來判斷效果，教師也不能及時指導幫助學生修正設計錯誤;學生直到畢業(yè)后接觸生產(chǎn)實際時才知道在學校的實訓作業(yè)只是紙上談兵。為適應智能化模具設計制造的不斷發(fā)展，培養(yǎng)學生全面運用CAD/CAE數(shù)字化技術進行模具設計的工程能力［2-4］，許多院校都開始進行模具實訓教學模式改革，我校也進行了一系列有益嘗試。

1 注塑模具設計實訓內(nèi)容調(diào)整規(guī)劃

實踐中將有限的實訓課時重新規(guī)劃，學生以完成Moldflow軟件智能模具設計任務為核心，運用智能模流分析功能，根據(jù)零件的幾何形狀、材料、注塑條件進行模具結(jié)構(gòu)設計，模擬注塑結(jié)果驗證設計方案，分析對比注塑零件的充填參數(shù);通過動態(tài)模擬仿真，學生可以直觀地了解塑料熔體進入型腔時的流動情況［5］，反饋驗證方案并進行優(yōu)化設計，完成工藝分析報告作業(yè)，建立初步的工藝經(jīng)驗。按照這樣的教學改革構(gòu)想，對3天的實訓教學課時進行了工作導向任務分解，具體內(nèi)容見表1。

在以上課程結(jié)構(gòu)規(guī)劃的基礎上，再制定具體的教學大綱和計劃，以典型模具設計任務為目標導向開展模具實訓教學［6］。

2 以典型工作任務引領模具實訓教學

為了在有限的實訓課時內(nèi)使學生盡快掌握智能模具設計及分析，運用了一些典型模具實訓工作任務，引導學生投入設計工作任務實踐情景，通過親身體驗產(chǎn)生工藝經(jīng)驗知識［6］，典型工作任務的設計應能體現(xiàn)注塑模具型腔結(jié)構(gòu)及注塑成形的典型特點，應包含典型分型面選擇、型腔模穴布局和流道形狀及尺寸大小等;如圖1所示為典型注塑模的模具拆裝、Pro/E分模設計和Moldflow模擬分析實訓任務的工作流程，通過這樣的任務模塊組合使學生盡量接近未來的實際工作情景，鼓勵學生投入工作實踐并積累經(jīng)驗。

圖1 工作任務引領的模具實訓教學規(guī)劃模型

由于模具拆裝和Pro/E分模設計的內(nèi)容均屬于長期開設的傳統(tǒng)實訓模塊，在此不再贅述，而重點闡述Moldflow模流分析新模塊的實訓課程規(guī)劃內(nèi)容。

2.1 澆注系統(tǒng)設計及比較分析

澆注系統(tǒng)設計是關系到注塑成敗的首要因素，為使學生掌握澆口位置、澆道形狀和布局設計，規(guī)劃了一模二件的充電器上蓋［7］的澆注系統(tǒng)設計任務，要求學生自行選擇澆口位置、設計澆道形狀和尺寸，再用Moldflow模流分析比較各種方案的優(yōu)劣及科學合理性，需要特別指出的是，智能模具設計軟件已經(jīng)將很多工業(yè)生產(chǎn)中的復雜知識經(jīng)驗轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚碾娔X軟件操作技能，使過去深奧的模具結(jié)構(gòu)設計變得簡單快捷。如圖2所示，Moldflow軟件將澆道的設計變成智能化對話向?qū)У男问?，學生在設計的同時很容易從對話框內(nèi)領會到相關的模具知識。

圖2 Moldflow軟件澆道智能設計對話向?qū)?/p>

圖3所示為2種不同澆口位置選擇產(chǎn)生的充填效果，澆口位置的優(yōu)化明顯改善了填充時的流動情況，通過Moldflow彩色動畫仿真效果，可以明顯判別出選擇何處作為澆口位置比較合理，教師待學生自己實踐之后再推出澆口位置設計的基本工藝原則，比如澆口位置應保證能在充型流動時將氣體壓向排氣口，澆口位置應保證熔體從制件厚端流向薄端，澆口長度應盡可能短等［8］。接下來澆道形狀和布局設計等也按照學生先動手老師再總結(jié)的模式進行，鼓勵學生自己通過不同方案產(chǎn)生的結(jié)果比較分析，得出具體的設計原則和工藝經(jīng)驗。然后教師還可以提出啟發(fā)性研究問題供學生進一步探索，比如變更模穴數(shù)量、加大澆口和流道尺寸、延后澆口凝固時間等，對于塑件的充填補縮效果會產(chǎn)生什么樣的影響。

圖3 不同澆口位置選擇產(chǎn)生的充填效果

2.2 冷卻系統(tǒng)設計及分析

冷卻系統(tǒng)的設計在注塑模具設計中占有重要的技術地位，高效的冷卻回路可以減少冷卻時間，提高產(chǎn)量，均勻冷卻可以使殘留應力降低，有利于保證塑件的尺寸精度與穩(wěn)定性［9］。但初次接觸模具設計者往往難以形象想象模具內(nèi)部冷卻回路的情況，而Moldflow模流分析軟件具有強大的模具熱能分析功能，使得注塑模具冷卻系統(tǒng)設計簡便易學。如圖4所示，Moldflow智能設計向?qū)Э梢宰寣W生自行設計一個簡單回路模型，這個模型并非最終的冷卻回路但卻具有很強的對話導向功能，直觀地引導學生結(jié)合注塑零件的幾何形狀進一步細化設計回路的空間布局走向，從而理解注塑模凹凸模腔內(nèi)部冷卻回路布局。

圖4 冷卻系統(tǒng)智能設計功能向?qū)?/p>

教師在布置任務時應提醒學生認識到冷卻系統(tǒng)的重要性［9］，在滿足模具結(jié)構(gòu)設計的情況下盡量多開設冷卻水道;要使模具凹模與型芯的各個部位的溫度基本保持一致，以便型腔內(nèi)的塑料熔體能同時凝固。如圖5所示，要求學生完成具體的冷卻回路設計，從壓力損失分析出發(fā)，比較選擇回路的彎頭數(shù)目應該設置多少為合理，以及采用多少條冷卻管道、采用多大的冷卻管直徑等具體工藝參數(shù)設定，使學生認識模具內(nèi)部冷卻水循環(huán)流動的情況。在此基礎上，還可以指導學生探討模具冷卻回路的后續(xù)加工和注塑操作等工藝問題，比如設計塑件壁厚均勻的模具時，應盡可能使所有的冷卻管道孔到各處型腔表面的距離相等，進、出口水管接頭的位置應盡可能設在模具的同一側(cè)，一方面方便一次裝夾加工，另一方面便于注塑生產(chǎn)時進口、出口水管接頭的安裝。通過這些探索研究，使學生進一步增加生產(chǎn)實景認識，增加工藝經(jīng)驗。

圖5 模具冷卻回路設計實例應用

2.3 注塑模具工藝應用模擬分析

模具注塑生產(chǎn)時必須將工藝參數(shù)的選擇原則與模具型腔結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)因素配套綜合考慮，才能得到合格的注塑件，因此生產(chǎn)中模具工程師在初次試模時都會撰寫一份工藝報告，詳細說明該套模具注塑生產(chǎn)時的注塑工藝參數(shù)組合，如圖6所示的速度、壓力和充填時間等。Moldflow模流分析技術可以全面分析模具設計方案的注塑生產(chǎn)過程，縮減試模時間、節(jié)省開模成本和資源、改善產(chǎn)品品質(zhì)、縮短產(chǎn)品上市的準備周期、降低不良率［10］。因此教學中應當充分利用Moldflow模流智能技術，引導學生自主解決模具設計、工藝參數(shù)設定及注塑工藝缺陷問題，驗證分析模具設計方案的工藝合理性，模擬完成模具工程師的工藝設計改進工作。

圖6 模具應用工藝參數(shù)

在這個環(huán)節(jié)中，要求學生將自己轉(zhuǎn)變成工程師的工作崗位情景，運用Moldflow智能模擬功能，選擇工藝項目進行動畫模擬，對不同的學生分別布置不同參數(shù)設置的作業(yè)，要求學生分別完成諸如充填速度、鎖模力和模具溫度控制等工藝報告，引導學生在完成報告的過程中熟悉注塑模具的工藝技術，提升技術能力，具體內(nèi)容如表2所示。

表2 模具應用工藝報告表

3 教師的作用及角色轉(zhuǎn)變

“任務驅(qū)動法”教學的核心在于學生成為模具設計方案確定及工藝實施的主體，教師將轉(zhuǎn)變?yōu)槟＞咴O計工作任務的組織者、分配者和檢查者［11-12］。設計規(guī)劃將智能軟件功能與學生技能相結(jié)合的教學方案，使學生可通過比較分析注塑生產(chǎn)效果的基礎上主動修改自己的設計方案，并做出科學合理的選擇，從而得到應用能力的提升。由于學生各自產(chǎn)生了不同的設計方案及反饋驗證效果，在實踐中還可以鼓勵學生主動上臺介紹自己的設計方案，相互間進行方案比較辯述，比較各種模具布局以及澆注系統(tǒng)設計工藝方案的優(yōu)劣，使學生的主動性得到充分的發(fā)揮。能使學生真正成為學習的主角，教師的角色可以模擬設計部門的主管布置設計任務，在實訓的后期則可以模擬客戶，挑選分析最佳設計方案，對各種方案進行點評分析，具體的實訓教學流程如圖7所示。

4 結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)代教育學理論，工程應用技術的實訓課程是依據(jù)特定職業(yè)所需的知識能力結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的一種具有特定技術功能、特定練習任務模塊的組合［11］。模具實訓教學需要根據(jù)不斷發(fā)展的新技術，改革教學模塊組合方式，不再局限于測繪和設計模具結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)方式，而是通過應用Moldflow智能模擬分析軟件讓學生接觸更多的模具知識，使每個學生都能參與到模擬任務中動手操作，提高應用智能分析設計軟件的能力［13-15］。該教改項目目前已在2個年級機械專業(yè)本科生中實踐，普遍反映效果良好。

圖7 實訓教學工作流程