基于Creo-Plastic Advisor的注塑模具模流分析與模具設(shè)計*

溫成卓，張 熒

(云南機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650203)

計算機輔助設(shè)計和輔助分析軟件的應(yīng)用可以有效提高產(chǎn)品設(shè)計效率和準(zhǔn)確度，降低設(shè)計成本。Creo是美國參數(shù)技術(shù)公司(PTC)推出的設(shè)計軟件版本，在目前的三維設(shè)計軟件中占有重要的地位，解決了在可用性、可操作性、技術(shù)鎖定和裝配管理等方面積累已久的難題，成為當(dāng)今機械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域最成功的應(yīng)用軟件之一，受到業(yè)內(nèi)人士的廣泛認(rèn)可和推廣[1]。Creo針對塑料產(chǎn)品設(shè)計和注塑模具，開發(fā)了一整套模流分析系統(tǒng)，即Plastic Advisor(塑料顧問)，使用Creo的Plastic Advisor功能對塑料產(chǎn)品進行填充分析，能夠使模具設(shè)計者在塑料產(chǎn)品設(shè)計和注塑模具設(shè)計初期對產(chǎn)品進行可行性評估和優(yōu)化模具設(shè)計，從而提高設(shè)計效率，減少設(shè)計缺陷，降低設(shè)計成本[2]。本文以遙控器前蓋為例，詳細(xì)闡述了應(yīng)用Creo對塑件進行模流分析的方法和過程。根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計澆注系統(tǒng)，優(yōu)化注塑參數(shù)完成模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 建立遙控器前蓋三維模型

以某電子產(chǎn)品的遙控器前蓋為例，建立塑件三維模型。該塑件外表面曲面較多，并分布著顯示屏孔、按鍵孔、紅外線發(fā)射孔及螺釘安裝孔。塑件內(nèi)表面有4個安裝柱和2個卡扣。應(yīng)用Creo零件設(shè)計功能模塊創(chuàng)建遙控器前蓋的三維實體模型(見圖1)。

2 遙控器前蓋模流分析

2.1 最佳澆口位置分析

注塑件的澆口位置、形狀和數(shù)量的選擇對塑料的填充效果及塑件產(chǎn)品的成型質(zhì)量有較大的影響。對于不同形狀的塑件，澆口位置的合理選擇應(yīng)綜合眾多因素，這也成為模具設(shè)計者面對的重要問題和難題。Plastic Advisor的最佳澆口位置分析功能有效地解決了這一難題，通過分析可以準(zhǔn)確地得到適用于不同塑件的最佳澆口位置[3]。分析步驟如下。

1)在Creo中打開遙控器前蓋三維實體模型，點擊“文件→另存為→Plastic Advisor”功能，選擇實體模型后，模型將自動加載到Plastic Advisor中。

2)在窗口工具欄中選擇“Analysis Wizard”選項，選擇“Gate Location”進行最佳澆口位置分析，分析時應(yīng)指定塑料材料、模具溫度、最大注射壓力等參數(shù)。軟件根據(jù)模型的形狀和模型物理參數(shù)分析計算出最佳澆口區(qū)域，分析結(jié)果云圖(見圖2)中圓圈部分為最佳澆口可選區(qū)域，但并未給出確定的澆口位置，需在最佳澆口區(qū)域內(nèi)手動設(shè)置多個澆口點進行測試分析，達到最佳效果后確定澆口點位置(見圖2)。

2.2 塑料填充分析

選定澆口位置后，對塑件進行填充分析，分析中所用到的工藝參數(shù)是在對塑件進行最佳澆口位置分析時設(shè)定的。分析結(jié)果包括填充時間、注射壓力、波前流動溫度、壓力降等[4]。具體操作步驟如下。

1)進入分析選擇界面，選擇“Plastic Filling”選項，按“完成”開始填充過程模擬(見圖3)，模擬過程可以直觀地看到塑料在塑件中的流動狀態(tài)和填充過程。

2)在主界面工具欄“分析結(jié)果”菜單中可以查看填充時間、注射壓力、波前流動溫度、表層取向等分析結(jié)果。

填充時間分析結(jié)果可以看出塑料熔體在填充過程中是否同時填充整個模具型腔，有助于理解熔接線與氣孔的形成，分析結(jié)果如圖4所示，圖中紅色為最先填充區(qū)域，藍(lán)色為最后填充區(qū)域，總填充時間為1.06 s。

注射壓力和壓力降是查看填充質(zhì)量的重要指標(biāo)，注射壓力過高可導(dǎo)致過保壓現(xiàn)象，壓力降的大小決定填充可行性。分析結(jié)果如圖5和圖6所示。

波前流動溫度反應(yīng)了材料流動前沿的溫度情況。溫度最小值用藍(lán)色表示，最大值用紅色表示，分析結(jié)果如圖7所示。通過該分析可以看出前沿溫度較高且分布均勻。波前流動溫度分析可為模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)置提供參考。

表層取向分析用于預(yù)測模型的機械特性，在表層取向的方向上，同一向表示沖擊力較高。當(dāng)方向不一致時，形成充填分流，易形成氣孔等缺陷。分析結(jié)果如圖8所示。

2.3 冷卻質(zhì)量與縮痕分析

利用Plastic Advisor的塑件冷卻質(zhì)量分析(Cooling Quality)和縮痕分析(Sink Marks)功能可以獲得塑件表面溫度、整體冷卻質(zhì)量等分析結(jié)果?？梢愿鶕?jù)分析結(jié)果確定冷卻通道與模型表面之間的最佳距離，從而設(shè)計一個良好的模具冷卻系統(tǒng)?？s痕分析結(jié)果用來表示縮痕、凹坑在模型中產(chǎn)生的位置。常見的縮痕一般發(fā)生在造型厚實部分以及加強筋、轂、內(nèi)部圓角等處。圖9所示為縮痕分析結(jié)果，可以看出縮痕發(fā)生在安裝柱根部、卡扣界面突變處。除此之外，Plastic Advisor還可對塑件的焊接線位置和氣孔位置進行分析。通過分析可以在模型上顯示焊接線、熔接線及氣孔產(chǎn)生的位置。圖10所示為焊接線、氣孔分析結(jié)果。

3 遙控器前蓋模具設(shè)計

通過上述模流分析可知，塑件在充模過程中存在的問題不大，在安裝柱根部和卡扣處有縮痕和熔接線，但對遙控器外觀和質(zhì)量影響不大。可以通過設(shè)置過渡圓角、適當(dāng)增大壁厚的方式對模型進行優(yōu)化。外殼材料選用ABS，密度為1.05 g/cm3，壁厚為2 mm，通過Creo的質(zhì)量分析功能可以獲得模型的體積為35.73 cm3，質(zhì)量為37.52 g。模具采用一模一腔的設(shè)計形式。

3.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計

澆注系統(tǒng)指注塑機噴嘴流出的高壓塑料熱熔體到達模腔所流經(jīng)的通道，其作用是將熱熔體引流至模腔，傳遞壓力到模腔內(nèi)的各個方向，使熔體充滿模腔內(nèi)的各個角落，獲得組織密實、外形清晰、尺寸穩(wěn)定的塑件。澆注系統(tǒng)設(shè)計的好壞對塑件成型質(zhì)量尤為關(guān)鍵。為了使模具結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，同時縮短熔體流程，提高進料速度和成型質(zhì)量，澆口的設(shè)計采用直接澆口方式。澆口位置根據(jù)Plastic Advisor的最佳澆口位置分析結(jié)果確定(見圖2)。

主流道是承接熱熔塑料從注塑機噴嘴到分流道的一段流道，它與注塑機噴嘴在同一軸線上，且垂直于分型面。為了便于將流道凝料從主流道中拔出，將主流道設(shè)計成圓錐結(jié)構(gòu)，錐角在2°～4°之間，內(nèi)表面粗糙度為Ra(0.4～0.8) μm，主流道長度為50 mm。為了便于模具的加工、拆卸和熱處理，采用澆口套鑲嵌于模板中的澆口套式主流道結(jié)構(gòu)(見圖11)，直接利用澆口套的臺肩作為模具的定位環(huán)。定位環(huán)與定模的座板中心孔配合精度采用H11/h11，配合長度取8 mm，這樣設(shè)計是為了保證模具主流道與注塑機噴嘴的對中性。

3.2 側(cè)向分型滑塊設(shè)計

遙控器前端有凹進去的紅外線發(fā)射孔，因此需要進行側(cè)向分型滑塊設(shè)計。設(shè)計的主要過程包括側(cè)凹面滑塊頭設(shè)計和側(cè)向分型機構(gòu)設(shè)計。

首先，通過曲面復(fù)制功能依次選擇側(cè)凹頭特征位置曲面，并通過合并復(fù)制曲面和延伸曲面邊界的功能制作出側(cè)向滑塊分型面(見圖12)。

然后，利用滑塊分型面對模具型芯進行實體分割。按照“模具→元件→實體分割”的操作流程，選擇“按參考零件切割”選項和“創(chuàng)建新元件”的移除材料選項完成滑塊頭創(chuàng)建與分割[5-6](見圖13)。當(dāng)分割曲面邊緣與型芯實體存在縫隙時會出現(xiàn)分割失敗的狀況，通常采用將合并延伸后的曲面多延伸一段距離，使其超過型芯實體邊緣，這種方法可以有效解決分割失敗問題。

最后，在“EMX工具”中選擇滑塊定義功能，對滑塊機構(gòu)及零件的參數(shù)進行設(shè)置，完成滑塊機構(gòu)設(shè)計。注意在EMX中滑塊標(biāo)準(zhǔn)件的加載過程中需要確定參考坐標(biāo)系，并且坐標(biāo)系的X軸正方向應(yīng)指向滑塊的移動方向，Z軸的正方向應(yīng)與模具的開模方向一致[7]?；瑝K標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)設(shè)置和加載結(jié)果如圖14所示。

3.3 模架設(shè)計

選用Creo的“EMX模具專家系統(tǒng)”專業(yè)插件進行模架設(shè)計，EMX內(nèi)擁有豐富的模架數(shù)據(jù)庫，包含許多著名模具廠商的產(chǎn)品，設(shè)計者可以根據(jù)自己的設(shè)計要求修改細(xì)節(jié)參數(shù)，便捷地設(shè)計出理想的模具，大大提高了注塑模具的設(shè)計、定制和細(xì)化模架組件的效率[8-9]。安裝好EMX插件后，在EMX插件選項中“新建模具項目”，通過“裝配模型”選項導(dǎo)入遙控器成型零件的裝配模型，然后將模具的基準(zhǔn)平面與模架的基準(zhǔn)平面進行“重合”設(shè)置，注意只有裝配界面中顯示“完全約束”的狀態(tài)才算裝配成功，可以進行下一步插入模架操作。在“EMX常規(guī)”選項中加載定模板、動模板等模架組件。根據(jù)模具的設(shè)計尺寸，在“模架定義”窗口中對模架零件參數(shù)進行修改[10](見圖15)。最后，在“EMX工具”→“元件狀態(tài)”選項中選擇加載導(dǎo)向元件、定位銷、冷卻、滑塊組件、頂桿等模架配件，完成遙控器前蓋的模具設(shè)計(見圖16)。

4 結(jié)語

應(yīng)用Creo的Plastic Advisor功能對遙控器前蓋塑件進行了最佳澆口位置、塑料填充、冷卻質(zhì)量、縮痕等分析。通過分析結(jié)果的研究對塑件的材料、造型設(shè)計及注塑參數(shù)進行優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，在Creo中對遙控器前蓋進行了澆注系統(tǒng)、模具側(cè)向分型滑塊和模架設(shè)計。通過此方法可以提高模具設(shè)計和開發(fā)的效率，降低設(shè)計成本，可為其他類似的模具設(shè)計提供借鑒和參考。