CAD技術(shù)在塑料模具設(shè)計中的應(yīng)用研究進(jìn)展

李宇新，宋永昌

（開封技師學(xué)院，河南 開封 475000）

塑料模具賦予塑膠制品以完整的結(jié)構(gòu)和精確的尺寸。注塑成型是生產(chǎn)具有特定形狀塑膠制品的常用方法［1］。隨著科技的快速發(fā)展，塑料制品的用途越來越廣，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，更新?lián)Q代的速度越來越快，給生產(chǎn)者和設(shè)計者提出了更高的要求，即不僅要提高生產(chǎn)效率，更要提高設(shè)計效率；不僅要提高產(chǎn)品質(zhì)量，更要提高設(shè)計質(zhì)量。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，過去那種主要靠經(jīng)驗(yàn)和手工的模具設(shè)計時代已經(jīng)逐漸被計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）所取代。將CAD技術(shù)引入塑料模具設(shè)計，已經(jīng)有數(shù)十年的發(fā)展歷史，近年來，CAD技術(shù)在塑料模具設(shè)計中的應(yīng)用更加深入、更加廣泛。本文主要綜述了近年來CAD技術(shù)在塑料模具設(shè)計中的應(yīng)用研究進(jìn)展。

1 UG軟件在模具設(shè)計中的應(yīng)用

1.1 UG軟件的應(yīng)用

UG軟件是美國Siemens PLM Software公司推出的一個基于C語言開發(fā)的產(chǎn)品工程解決方案，它為用戶的產(chǎn)品設(shè)計及加工過程提供數(shù)字化造型和驗(yàn)證手段，其開發(fā)始于1969年，可以輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體及造型的建構(gòu)［2］。UG軟件在塑料模具開發(fā)中占據(jù)重要位置。

李力等［3］基于UG平臺，開發(fā)了適于異型材擠出模具的CAD系統(tǒng)。以平開框制品的擠出模具設(shè)計為例，建立了基于封閉環(huán)識別的曲面快速設(shè)計方法，將封閉環(huán)識別與曲面設(shè)計相結(jié)合，規(guī)范了擠出模具的流道曲面設(shè)計流程，極大地提高了曲面設(shè)計效率，為不同形狀的環(huán)狀曲面設(shè)計提供了通用的解決方案。Li Li等［4］將Visual Studio 2010軟件與UG軟件集成，設(shè)計了塑料異型材擠出模具組的CAD系統(tǒng)。提出了基于特征識別的閉環(huán)識別算法、多閉環(huán)智能識別算法和多閉環(huán)匹配算法，實(shí)現(xiàn)了流道規(guī)則面的自動生成；提出了模具組的整體設(shè)計和自動生成方法，以利于不同結(jié)構(gòu)和工藝孔的高效成形；提出了粒子群優(yōu)化（PSO）算法以獲得零件的最佳位置和規(guī)格；開發(fā)了三個模塊（即整體草圖、整體流道和整體模具組），重點(diǎn)是將自動化設(shè)計方法集成于框架中。模具設(shè)計應(yīng)用結(jié)果表明，開發(fā)的CAD系統(tǒng)不僅提高了擠壓模具的設(shè)計效率，而且提高了設(shè)計質(zhì)量。張瑾婷等［5］針對塑料異型材擠出定型模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計工作量大及準(zhǔn)確性難以保證的問題，以UG軟件為平臺，結(jié)合Visual Studio軟件及面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，開發(fā)了適于塑料異型材擠出模具的CAD系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過定型模智能分節(jié)技術(shù)快速設(shè)計定型模具型腔，采用工藝結(jié)構(gòu)分塊技術(shù)對草圖進(jìn)行分組并記錄特征，利用基于重用庫的水氣路設(shè)計技術(shù)，自動生成定型模冷卻和真空吸附結(jié)構(gòu)，最終成型出完整的定型模結(jié)構(gòu)，提高了定型模設(shè)計效率。衛(wèi)春娟［6］在UG軟件平臺上，采用參數(shù)化建模和UG表達(dá)式方法，構(gòu)建了輪轂軸承保持架注塑模具各模塊的初始模型，完成了三維實(shí)體造型；在VC++6.0編程環(huán)境下，利用Microsoft Access2007軟件創(chuàng)建參數(shù)庫，將UG/Open二次開發(fā)工具、VC++與MFC PDBC數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)巧妙集成于CAD系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了各模塊的參數(shù)化設(shè)計，設(shè)計的模具分型面的平直面與曲面、凸模與凹模均為組合形式，研發(fā)了一套功能全面、人機(jī)交互性強(qiáng)的輪轂軸承保持架注塑模具CAD系統(tǒng)。當(dāng)給定輪轂軸承型號時，可獲得包括保持架在內(nèi)的一系列軸承保持架注塑模的主要零部件，具有自動化和智能化的特點(diǎn)。Li Shan等［7］在UG軟件的CAD/MoldWizard/計算機(jī)輔助制造（CAM）組件平臺上，完成了吹風(fēng)機(jī)殼體注塑模具設(shè)計和數(shù)控加工的全過程，介紹了該注塑模具的CAD/CAM過程，體現(xiàn)了UG平臺相對于傳統(tǒng)方法在注塑模具設(shè)計制造領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢。

黃浪［8］基于UG平臺，采用特征識別、基于事例的推理等方式，構(gòu)建了基于特征的定型模具案例庫，將其融合于定型模具CAD建模系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了定型模具設(shè)計流程的規(guī)范化、特征的標(biāo)準(zhǔn)化，減少了對工程師經(jīng)驗(yàn)的依賴；在定型模具三維模型轉(zhuǎn)為工程圖領(lǐng)域，采用數(shù)字化設(shè)計手段，提出了基于四板塊模型的定型模具工程圖自動標(biāo)注法，增強(qiáng)了利用三維制圖軟件平臺出工程圖的可操作性。

1.2 UG軟件與Moldflow軟件的聯(lián)合應(yīng)用

吳文群［9］將CAD/計算機(jī)輔助工程（CAE）/CAM技術(shù)用于對講機(jī)外殼模具設(shè)計，采用UG8.0軟件創(chuàng)建了對講機(jī)外殼三維實(shí)體模型。根據(jù)對講機(jī)外殼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及要求，為了從模具型腔中順利取出成型模具，將內(nèi)側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)與4面?zhèn)认虺樾緳C(jī)構(gòu)相結(jié)合，采用CAD技術(shù)完成了模具裝配圖和零件圖的繪制；利用Moldflow軟件的MPI/FOW模塊對制品的成型溫度、翹曲變形量、充填時間和壓力等進(jìn)行了CAE分析，通過正交試驗(yàn)對優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行了成型驗(yàn)證，獲得了合理的模具結(jié)構(gòu)和成型工藝參數(shù)。張麗［10］以麥克風(fēng)電池后蓋為研究對象，以UG軟件為工具，在對麥克風(fēng)電池后蓋的模型、澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)等進(jìn)行分型設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過塑料制件模架及其相關(guān)模具元件的設(shè)計，得到模具的三維裝配圖；再利用Moldflow軟件對塑件型腔的填充過程及注塑成型過程進(jìn)行數(shù)值模擬和仿真，優(yōu)化模具的澆注及冷卻系統(tǒng)；最后，將塑件的最大翹曲變形量作為指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)考察熔體溫度、模具溫度、注射時間、保壓時間和保壓壓力等因素對成型產(chǎn)品質(zhì)量的影響，得到最優(yōu)的工藝參數(shù)。深圳市圣豐模具塑膠有限公司［11］設(shè)計了一種基于UG軟件和Moldflow軟件的塑料外殼注塑數(shù)控模具，解決了現(xiàn)有的塑料外殼注塑數(shù)控模具中過濾網(wǎng)直接焊接于進(jìn)料斗中導(dǎo)致的拆裝不便的問題。以塑件翹曲變形量為優(yōu)化目標(biāo)，采用正交試驗(yàn)對熔體溫度、模具溫度、注射時間、保壓時間和保壓壓力等因素進(jìn)行了水平優(yōu)化組合，獲得最優(yōu)工藝參數(shù)組合。柳州通為機(jī)械有限公司［12］發(fā)明了一種基于Moldflow軟件的汽車盒體件注塑模具制造方法。該方法利用HyperMesh軟件快速產(chǎn)生網(wǎng)格指標(biāo)優(yōu)良的模型，利用Moldflow軟件對冷卻方案進(jìn)行優(yōu)化，基本解決了汽車盒體件的尺寸精度和表面飛邊問題，避免了重新開模帶來的成本和時間上的損失；隨后通過預(yù)測刀具變形，對誤差進(jìn)行補(bǔ)償，在加工過程中，通過視覺檢測加工誤差，進(jìn)一步對加工進(jìn)行補(bǔ)償；通過兩次的誤差補(bǔ)償，提高了汽車注塑模具復(fù)雜曲面的加工精度；對模具選材和熱處理進(jìn)行了合理優(yōu)化，延長了模具使用壽命，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本。

2 Moldflow軟件在模具設(shè)計中的應(yīng)用

Moldflow軟件在塑料模具設(shè)計及制品中的應(yīng)用主要有3種方式［13］：（1）模流分析。采用Moldflow軟件對注塑過程中基體的流動過程及其產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行全面考慮，因此在Moldflow軟件中就可以進(jìn)行填充、保壓、冷卻、翹曲、纖維取向等分析。（2）聯(lián)合Moldflow軟件和Abaqus軟件進(jìn)行模流分析和結(jié)構(gòu)分析。因?yàn)樽⑺苤破返慕Y(jié)構(gòu)分析并不能依靠一般注塑的CAE進(jìn)行，還需要其他更合適的結(jié)構(gòu)分析軟件，Abaqus軟件采用業(yè)內(nèi)公認(rèn)的功能最強(qiáng)的通用優(yōu)秀有限元法，有限元法是一種為求解偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)值技術(shù)，Abaqus軟件與Moldflow軟件直接接口進(jìn)行模流分析和結(jié)構(gòu)分析，已成為預(yù)測和驗(yàn)證短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的有效手段。（3）聯(lián)合Moldflow軟件、Abaqus軟件、Digimat軟件進(jìn)行模流分析和結(jié)構(gòu)分析。在借助Moldflow軟件得到結(jié)構(gòu)中纖維的分布及方向信息后，采用Digimat軟件完成纖維方向數(shù)據(jù)的映射，應(yīng)用Abaqus軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的有限元分析。然而，上述3種方法又各自存在一些問題：第一種方法，由于Moldflow軟件不是專業(yè)的結(jié)構(gòu)分析軟件，只能對簡單模型進(jìn)行一些簡單的結(jié)構(gòu)分析，有時不能獲得想要的分析結(jié)果；第二種方法雖然可以對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，但是要求Abaqus軟件和Moldflow軟件的版本完全匹配，對用戶硬件的要求也較為苛刻，并且這種映射方法對于分析模型的網(wǎng)格有嚴(yán)格要求，靈活性不高，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，映射成功率不高，同時成型分析和結(jié)構(gòu)分析采用的材料性能沒有相關(guān)性，分析精度不高；第三種方法借助Digimat軟件構(gòu)建材料細(xì)觀本構(gòu)模型，根據(jù)材料包含的兩相直接推測出材料本構(gòu)，實(shí)際工藝制作的材料的力學(xué)性能與預(yù)測的結(jié)果并不一致，將預(yù)測的本構(gòu)模型帶入到結(jié)構(gòu)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析并不準(zhǔn)確。

2.1 Moldflow軟件的應(yīng)用

Moldflow軟件是一款塑料注塑成型仿真工具，用于驗(yàn)證和優(yōu)化塑料零件、注塑模具和注塑成型流程，幫助用戶在設(shè)計決策前完善模具設(shè)計方案和產(chǎn)品設(shè)計方案。

江蘇師范大學(xué)［14］公開了一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的注塑工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其步驟為：（1）基于Moldflow軟件進(jìn)行翹曲分析；（2）以翹曲變形量最小為目標(biāo)，運(yùn)用Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計方法從多個工藝參數(shù)中篩選出影響產(chǎn)品質(zhì)量的顯著性因素作為設(shè)計變量，并采用Box-Behnken Design試驗(yàn)設(shè)計方法合理設(shè)計試驗(yàn)方案；（3）采用基于改進(jìn)型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PSO算法優(yōu)化纖維增強(qiáng)復(fù)合材料塑件的注塑工藝。該方法能夠在減少試驗(yàn)次數(shù)的前提下優(yōu)化注塑成型的工藝參數(shù)，達(dá)到減少翹曲變形量、提高注塑制品質(zhì)量的目的。

對于具有復(fù)雜曲面的產(chǎn)品，在注塑過程中，液體原料只能通過外部的壓力和液體流動注滿模腔，而模腔內(nèi)空間較狹窄，且處于密封環(huán)境，很難形成要求的復(fù)雜曲面，降低了產(chǎn)品質(zhì)量；由于產(chǎn)品表面為復(fù)雜曲面，完成定型后，在產(chǎn)品頂出時比較麻煩，需要操作人員的經(jīng)驗(yàn)和技巧，增加了操作人員負(fù)擔(dān)。為此，海鵬輝精密工業(yè)（深圳）有限公司［15］公開了一種基于Moldflow軟件的復(fù)雜曲面注塑模具，不僅注塑原料能夠均勻注入模具內(nèi)部，而且定型后的產(chǎn)品可以快速頂出，避免了對曲面造成的損害，不僅提高了產(chǎn)品質(zhì)量，而且操作方便，減輕了操作人員負(fù)擔(dān)。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中因頂出時汽車保險杠的倒扣部位黏接斜頂而使汽車保險杠各部位不能同時頂出，出現(xiàn)汽車保險杠頂出不平衡、使汽車保險杠受損的問題，常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院［16］公開了一種基于Moldflow軟件的保險杠注塑模具及制品翹曲變形量控制方法。該模具包括定模板、定模、動模、動模板、澆口通道、頂桿以及斜頂。其中，定模與動模之間有制品容腔；制品容腔中部向定模方向凸起，兩邊形成有倒扣部位，頂桿適于向定模方向頂起制品，斜頂對稱布置于動模兩側(cè)的倒扣部位處；斜頂?shù)囊欢伺c動模板固定連接，另一端適于沿倒扣部位邊緣的傾斜角度方向作往復(fù)運(yùn)動。采用該方法可以避免保險杠頂出時斜頂與倒扣部位出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，降低制品形變程度，解決Moldflow軟件預(yù)設(shè)參數(shù)與實(shí)際注塑成型參數(shù)不一致的問題，提高分析的準(zhǔn)確度，降低制品的翹曲變形率。

保險杠注塑成型工藝參數(shù)包含填充時間、填充壓力、保壓壓力、保壓時間、冷卻時間等，每個產(chǎn)品的成型工藝均不同，同一產(chǎn)品不同注塑機(jī)上的成型工藝也不一樣。這就需要針對每個產(chǎn)品在每臺設(shè)備上找到合適的成型工藝參數(shù)，以穩(wěn)定生產(chǎn)出高品質(zhì)的產(chǎn)品。東風(fēng)汽車集團(tuán)股份有限公司［17］公開了一種基于Moldflow軟件的汽車保險杠注塑成型工藝方法、計算機(jī)設(shè)備及計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，包括：通過對注塑材料和注塑模具進(jìn)行分析，確定填充時間；根據(jù)填充時間得到推薦的螺桿速率曲線，并通過對該曲線的計算，生成實(shí)際螺桿速率曲線；通過實(shí)際螺桿速率曲線進(jìn)行填充分析和保壓計算，得到保壓時間和保壓壓力；根據(jù)記錄的注塑時間、填充時間和保壓時間，確定冷卻時間。該方法具有操作方便、無需大量數(shù)模模型計算、試模成本低等優(yōu)點(diǎn)。

針對生產(chǎn)的塑料渦輪可能會出現(xiàn)發(fā)白、翹曲、開裂等問題，江蘇博云塑業(yè)股份有限公司［18］提供了一種渦輪模流分析方法與渦輪注塑方法，包括對用于注塑渦輪的目標(biāo)材料進(jìn)行測試，獲取目標(biāo)材料的特性參數(shù)，根據(jù)材料特性參數(shù)生成對應(yīng)的預(yù)設(shè)格式文件，并導(dǎo)入模流分析工具中。將渦輪的3D模型導(dǎo)入模流分析工具，并設(shè)置注塑參數(shù)，模流分析工具根據(jù)預(yù)設(shè)格式文件以及注塑參數(shù)對渦輪的3D模型進(jìn)行模流分析，獲取模流分析結(jié)果，通過采用模流分析的方式，輸入相應(yīng)參數(shù)，模擬渦輪的整個注塑過程，并且對注塑結(jié)果進(jìn)行分析，避免傳統(tǒng)方式耗時較長、工作效率低下等問題，在一定程度上降低了時間和資金成本。

2.2 Moldflow軟件和Abaqus軟件聯(lián)合應(yīng)用

西北工業(yè)大學(xué)［19］公開了一種針對玻璃纖維增強(qiáng)材料并基于Abaqus軟件和Moldflow軟件的結(jié)構(gòu)分析方法，主要是通過運(yùn)行腳本的方式將Moldflow軟件得到的纖維取向信息映射到Abaqus軟件的結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格中。該方法不需要借助第三方軟件即可靈活快捷地完成兩款軟件之間的信息傳遞，但是對于在Abaqus軟件中如何設(shè)置材料參數(shù)，得到精確的材料本構(gòu)模型則沒有說明。

2.3 Moldflow軟件、Abaqus軟件、Digimat軟件聯(lián)合應(yīng)用

株洲時代新材料科技股份有限公司［13］提出了一種短纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)多尺度仿真方法，包括材料本構(gòu)構(gòu)建和短纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料復(fù)雜產(chǎn)品有限元分析。該方法針對短纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的硬化模量、硬化指數(shù)和屈服強(qiáng)度分析方法，考慮注塑成型工藝引起的材料各向異性，構(gòu)建精確的材料本構(gòu)模型，并實(shí)現(xiàn)有限元分析，尤其對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)具有普遍適用性。短纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料受成型工藝的影響，呈現(xiàn)各向異性特性，在仿真中很難精確模擬。采用該方法，可以獲得相對精確的材料本構(gòu)模型，并建立完整的強(qiáng)度分析流程?？梢?，UG軟件與Molodflow軟件的聯(lián)合逐漸成為塑料模具設(shè)計的主流和發(fā)展方向。

3 Pro/E軟件在模具設(shè)計中的應(yīng)用

Pro/E軟件也是一款重要的塑料模具設(shè)計平臺。Li Honglin等［20］采用Pro/E軟件中的Mold Cavity功能模具和EMX軟件中的模架，給出了成型零件的設(shè)計程序，利用給出的方法設(shè)計了鼠標(biāo)底蓋模具。結(jié)果表明，模具一體化3D設(shè)計在減輕勞動強(qiáng)度、提高設(shè)計效率和質(zhì)量方面具有顯著的優(yōu)勢。Miao Naiming等［21］針對傳統(tǒng)模具設(shè)計的不足，以上蓋注塑產(chǎn)品為例，以Pro/E中的Plastic Advisor分析軟件為平臺，詳細(xì)描述了塑料產(chǎn)品的注射成型過程和成型模擬方法。分析結(jié)果可為優(yōu)化模具設(shè)計、提高塑料制品質(zhì)量、減少成型缺陷、降低生產(chǎn)成本和縮短生產(chǎn)周期提供有益指導(dǎo)。Matin等［22］介紹了一個面向知識、參數(shù)化、模塊化、基于特征的集成化模具CAD/CAE系統(tǒng)。該系統(tǒng)將Pro/E軟件與專門開發(fā)的用于注射成型參數(shù)計算、模具設(shè)計和模具元件選擇的模塊集成在一起。系統(tǒng)界面使用參數(shù)化和基于CAD/CAE特征的數(shù)據(jù)庫來簡化設(shè)計、編輯和審閱過程。介紹了CAD/CAE集成注塑模具設(shè)計系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和部分輸出結(jié)果，該系統(tǒng)主要用于設(shè)計長度和寬度大于產(chǎn)品高度的普通型號模具。孫筠［23］以Pro/E軟件完成模具組裝、模型檢驗(yàn)及建立分模面等設(shè)計任務(wù)。以3D塑料打氣筒的模具設(shè)計為例，在Pro/E軟件裝配設(shè)計模塊中完成了零件成品設(shè)計，將完成的零件成品進(jìn)行組裝，從模具厚度是否均勻、拔模角度是否合理等方面對模型進(jìn)行檢驗(yàn)，通過不斷修改曲面特征完成分模面設(shè)計，以設(shè)計完成的分模面將模具裝配模型分為公模和母模后進(jìn)行開模仿真，完成了3D塑料打氣筒的模具設(shè)計。得到的3D塑料充氣筒模具模型以及塑料充氣筒模型符合要求，證明Pro/E軟件可以用于復(fù)雜塑料產(chǎn)品模具的設(shè)計。

綜上所述，CAD技術(shù)在塑料加工及高分子成型過程中發(fā)揮著越來越重要的作用［24-25］，而模具及其設(shè)計是高分子原料與成品之間的紐帶。

4 結(jié)語

沒有高質(zhì)量、高效率的模具設(shè)計，就沒有高質(zhì)量、高效率的高分子產(chǎn)品加工業(yè)。軟件技術(shù)的快速發(fā)展，為塑料模具的設(shè)計提供了更多的選擇，尤其是不同軟件的不同模塊的集成，為塑料模具的設(shè)計搭建了更加豐富的平臺。從發(fā)展的角度看，UG軟件與Molodflow軟件的聯(lián)合逐漸成為塑料模具設(shè)計的主流和發(fā)展方向。