齊飛

摘 要：?研究了基于CAD技術(shù)的注塑模具設(shè)計(jì)流程，并對模具的工藝參數(shù)進(jìn)行了分析和優(yōu)化，具體采用 CAD注塑模集成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。完成了最優(yōu)工藝參數(shù)方案的確定，通過UG的CAE 分析模塊的應(yīng)用并以模擬結(jié)果為依據(jù)完成了對注塑件應(yīng)力應(yīng)變分布情況的分析，應(yīng)力最大值及位置通過實(shí)驗(yàn)對比完成確定，為模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案提供參考。最佳注塑制品工藝參數(shù)通過分析相關(guān)工藝參數(shù)獲取，并以音箱零件為例，對注塑模具型腔設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：?注塑模具; CAD/CAE; 工藝參數(shù); 燕秀工具箱

中圖分類號： TQ 320.52? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Design and Simulation of Injection Mould Based on CAD

QI Fei

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Yantai Automobile Engineering Professional College， Yantai， Shandong 265500， China）

Abstract：

This paper mainly studies the design process of injection mould based on CAD technology， and analyzes and optimizes the process parameters of the mould. It is realized by CAD injection mould integration system， and the determination of the optimal process parameter scheme is completed. The application of CAE analysis module and the simulation results are based on the analysis of the stress and strain distribution of the injection molded parts. The maximum stress and position are determined through experimental comparison， which provides a reference for the optimization of the mold structure. The process parameters of the best injection molding products are obtained by analyzing the relevant process parameters， and the design method of the injection mold cavity is discussed by taking the speaker parts as an example.

Key words：

injection mould; CAD/CAE; process parameters; yanxiu toolbox

0 引言

在模具制造中注塑模具占比較大，注塑模具設(shè)計(jì)過程通常大多提供UG、Pro/E等軟件的使用實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)的細(xì)化（包括澆注、冷卻、頂出系統(tǒng)、設(shè)計(jì)分型面及型腔布局等），二維圖在完成設(shè)計(jì)后即可直接導(dǎo)出，生產(chǎn)制造中心據(jù)此完成相應(yīng)模具的加工加工，軟件三維模具（包括UG等）雖具有較全的設(shè)計(jì)功能但導(dǎo)出的二維圖清晰度欠佳，而在由UG軟件完成分型的設(shè)計(jì)、型芯及型腔二維圖的導(dǎo)出后，結(jié)合使用CAD完成模具系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在確保圖樣同模型具備較高關(guān)聯(lián)性的同時(shí)提高了出圖速度，并簡化了模具生產(chǎn)的后期修改流程。本文以音箱零件為例，對快速設(shè)計(jì)模具型腔及系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、二維圖的導(dǎo)出的方法及過程進(jìn)行了分析，提高模具設(shè)計(jì)質(zhì)量及出圖效率[1]。

1 基于CAD的注塑模具設(shè)計(jì)流程

注塑成型制品在加工性能、強(qiáng)度、抗腐蝕性等方面具備較強(qiáng)的優(yōu)勢，已在眾多行業(yè)取代木和金屬制品，作為最常見的塑料成型方式注塑成型具有簡單易操作、自動化程度較高效率高等優(yōu)勢，塑料制品在未來市場中仍然有較大的發(fā)展空間，由于塑料熔體的流動模式及塑性變形會受到塑料制品結(jié)構(gòu)、熱流變特性直接影響，在設(shè)計(jì)注塑模具結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)時(shí)需對諸多因素進(jìn)行綜合考慮（包括產(chǎn)品、模具、材料、成型工藝等），模具系統(tǒng)通過CAD/CAM模擬軟件的使用實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，這已成為模具行業(yè)提高效率和生產(chǎn)質(zhì)量的有效途徑。設(shè)計(jì)注塑模具制品主要由初步分設(shè)計(jì)、模擬仿真優(yōu)化、定型設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)構(gòu)成，設(shè)計(jì)人員分析產(chǎn)品進(jìn)行初步設(shè)計(jì)需以塑料制品多方面的參數(shù)（包括結(jié)構(gòu)、用途、質(zhì)量等）為依據(jù)，完成塑料材料及模具的的確定（包括型腔及分型面結(jié)構(gòu)、澆注及冷卻系統(tǒng)、脫模方式等），據(jù)此實(shí)現(xiàn)模具初步設(shè)計(jì)方案的獲取;然后將方案進(jìn)行模擬仿真優(yōu)化分析，據(jù)此對優(yōu)化和改進(jìn)模具零件結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo)完成模具定型設(shè)計(jì)方案的獲取。結(jié)合注塑模具（通常包括模具型腔凹模、凸模型芯、兩模具的分型面及接觸面）的使用完成注塑模具制品的加工生產(chǎn)過程，以注塑模具結(jié)構(gòu)及應(yīng)用要求為重點(diǎn)考慮對象完成其分型面的確定，在此基礎(chǔ)上完成凸、凹模的結(jié)構(gòu)和形狀的確定。成型零件的形狀復(fù)雜且要求高精度（對表面粗糙度要求較低）時(shí)，通常采用工具鋼（經(jīng)熱處理后）完成模具材料的制造;當(dāng)需確保凹、凸模的同軸度配合時(shí)，為使塑件的質(zhì)量得以有效提高，應(yīng)采用配合零件（即強(qiáng)度足夠的導(dǎo)套與導(dǎo)柱）。除了塑料制品的材料、形狀外，選擇注塑模具的澆注系統(tǒng)還取決于注塑設(shè)備性能參數(shù)，設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)（通?？蓜澐譃闊o流道和普通流道）時(shí)以塑件工藝性、模具性能等作為重點(diǎn)考慮對象，以流道形式、澆口數(shù)量和位置等作為主要設(shè)計(jì)參數(shù)，流道可細(xì)分為主流道（主要包括弧形、雙傾斜式、傾斜式、垂直式等）和分流道（主要包括有圓形、矩形、梯形和U形等），主流道負(fù)責(zé)完成注塑模具同機(jī)料筒噴嘴的連接，從主流道在型腔注入熔料前以分流道作為過渡部位，澆注過程可通過循環(huán)操作以有效滿足實(shí)際需要。設(shè)置澆口，澆口主要功能在于連接分流道和型腔，具體以實(shí)際構(gòu)件的特征為依據(jù)完成相關(guān)設(shè)計(jì)，塑件制品質(zhì)量會受到澆口位置的直接影響，選擇澆口位置使需有助于充模、排氣和補(bǔ)縮過程。設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)時(shí)需以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、效果、均勻性作為重點(diǎn)考慮因素（可視產(chǎn)品的尺寸大小靈活設(shè)計(jì)），為使冷卻效果均勻，冷卻結(jié)構(gòu)需確保冷卻水道的截面尺寸較大且分布均勻，加強(qiáng)冷卻較厚的澆口和模具部位，冷卻水道需盡可能充足并且出水口和進(jìn)水口溫度相同，控制溫差以提高冷卻效果[2]。

2 注塑模具優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)例分析

對于不合理的注塑模具初始設(shè)計(jì)方案需進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以注塑模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)作為主要優(yōu)化對象，模具結(jié)構(gòu)具體以注塑件表面質(zhì)量和成型結(jié)構(gòu)受到模具的應(yīng)力和應(yīng)變的影響情況為主，以獲取結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化流程（基于設(shè)計(jì)變量）;以工藝參數(shù)影響注塑件成型質(zhì)量的具體情況為主，基于工藝參數(shù)與成型質(zhì)量關(guān)系完成優(yōu)化目標(biāo)的獲取，對注塑制品通過工藝參數(shù)的修改實(shí)現(xiàn)最佳工藝參數(shù)的獲取[3]。在對模型實(shí)用性進(jìn)行充分考慮的基礎(chǔ)上，以采用注塑成型工藝成型的扣件為例，在注塑模具設(shè)計(jì)和優(yōu)化中選取了盒式卡扣件（具有基本圓柱狀，用于復(fù)印機(jī)上）對CAD/CAE集成軟件的具體應(yīng)用情況進(jìn)行全面的展現(xiàn)，具體工藝參數(shù)為：PVC材料，注塑機(jī)型號為SZ-25/25，模具鋼材料為P4410，1.4秒的注塑時(shí)間，保壓壓力40 MPa（時(shí)間為7 s），模具尺寸140×210×265（mm），模具溫度和熔體溫度分別為50 ℃、230 ℃，65 mm厚的動模板，定模板及推板的厚度分別為75、30 mm，墊塊寬高分別為39、65 mm。對盒式卡扣使用UG軟件完成三維建模過程，其網(wǎng)格模型如圖1所示，卡扣與實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呓Y(jié)構(gòu)如圖2所示[4]。

模具在注塑件成型過程中會因受到液態(tài)塑料流體的擠壓作用而產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，如果變形過大則會對注塑件質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此需對各部位的變形分布情況進(jìn)行研究，具體測量過程中需觀察模具型腔和型芯表面，在出現(xiàn)最大變形量的位置粘貼應(yīng)變片，具體安裝位置如圖3所示（第3測量點(diǎn)附近），本文測量結(jié)果為最大應(yīng)變268.12 μm[5]。

將制品的成形過程在注塑模CAD集成系統(tǒng)中模擬以驗(yàn)證變形分布情況，對模具結(jié)構(gòu)通過劃分四面體網(wǎng)格及加載型腔載荷處理，然后對已設(shè)置載荷和約束模型通過NXNASTRAN求解器（UG自帶）的使用完成靜力學(xué)求解過程，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變分布情況的獲取，位置為動模板底面中央，動、定模模具變形分析結(jié)果如圖4所示。最大變形量為263.118 μm，模擬結(jié)果同實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

塑料制品的PVC材料具有較高的耐磨性、強(qiáng)度、抗疲勞性能、熔料的流動性好、成型周期短等優(yōu)勢，本文對盒式卡扣成型重量受到主要參數(shù)（包括注塑速率、保壓壓力及時(shí)間、模具及熔體溫度等）的影響情況進(jìn)行研究，以便獲取最優(yōu)成型工藝參數(shù)[6]。具體影響情況示意圖如圖5所示。

卡扣塑料制品的填充質(zhì)量同注塑速率、保壓壓力、熔體溫度呈正比，但增長趨勢雖時(shí)間推移會逐步變緩;制品的填充質(zhì)量隨模具溫度升高而增加，在模具溫度超過 50 ℃時(shí)趨于穩(wěn)定;制品的填充質(zhì)量隨保壓時(shí)間的升高而增加，在保壓時(shí)間超過6秒后趨于穩(wěn)定。分析結(jié)果確定了最優(yōu)的工藝參數(shù)組合為10.6 cm3 /s的注塑速率，保壓壓力1.7×108 Pa（時(shí)間為6 s），模具和熔體溫度分別為50 ℃ 、290 ℃。

3 UG三維分模設(shè)計(jì)

本文以材料為 ABS的音箱零件如圖6所示。

模具設(shè)計(jì)采用NX8.0實(shí)現(xiàn)，其外形尺寸為118x49x11 mm，分模的全部操作采用Moldwizard完成。

（1）首先在Moldwizard環(huán)境下需對項(xiàng)目零件進(jìn)行初始化，確定模具設(shè)計(jì)的各項(xiàng)基礎(chǔ)信息（包括材料、文件名、保存路徑、收縮率等），初始化項(xiàng)目前零件需為實(shí)體，可使用縫合

工具將片體的零件在建模模塊下縫合為一個(gè)實(shí)體。（2）接下來對坐標(biāo)系、工件、型腔布局進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置模具坐標(biāo)系時(shí)需以實(shí)體音箱零件中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，XY平面需同分型面重合，Z軸正方向同零件脫模方向一致，通常使用經(jīng)驗(yàn)值設(shè)置工件尺寸（即型腔型芯尺寸的設(shè)置），采用一模兩腔設(shè)計(jì)以減少廢料提高生產(chǎn)效率[7]。

（3）對分型面進(jìn)行設(shè)計(jì)，模具加工難易程度、外觀、配模及制件結(jié)構(gòu)等受到分型面的直接影響，分模步驟為：UG首先以塑件的拔模角度與方向?yàn)橐罁?jù)完成型腔與型芯區(qū)域的自動計(jì)算并以不同顏色顯示，位于該音箱零件中間的長型大槽需先修補(bǔ)后分模。然后進(jìn)行曲面修補(bǔ)操作，采用“體”修補(bǔ)方法能夠?yàn)橄到y(tǒng)自動計(jì)算捕捉孔位置，簡化了操作流程。接下來對零件的分型線進(jìn)行選擇（是產(chǎn)生分型面的基礎(chǔ)），音箱零件底面四周環(huán)線為其分型線，分型線受到零件兩端略向下的影響被分成了多段，因此需手工提取，然后基于分型線通過創(chuàng)建面與拉伸面命令完成分型面的獲取。再通過UG工程圖命令將導(dǎo)出IGS型腔型芯圖完成在二維圖中的創(chuàng)建及二維圖導(dǎo)出（CAD格式）[8]。

4 二維裝配圖設(shè)計(jì)

（1） 使用CAD外掛程序燕秀工具箱對零件分模導(dǎo)出的二維圖進(jìn)行處理，可顯著提高繪圖的工件效率，該工具箱具備設(shè)計(jì)三大系統(tǒng)及調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)模架等功能，在確定模架規(guī)格尺寸時(shí)，對內(nèi)模X、Y的長度可通過點(diǎn)擊屏幕光標(biāo)進(jìn)行控制，能夠?qū)δＥ咭?guī)格進(jìn)行自動計(jì)算[9]。

（2） 注塑過程的順利完成取決于澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，定位環(huán)與唧咀尺寸除常規(guī)尺寸外還能訂做非標(biāo)產(chǎn)品。將定位環(huán)與唧咀插入選擇模架中心線上，三者重合位置的線條自動消失。通過偏移線條設(shè)計(jì)分流道與澆口，頂出系統(tǒng)的完整可確保開模的順暢性，頂出機(jī)構(gòu)以位置自由度大的推桿推出機(jī)構(gòu)較為常用，采用光標(biāo)移動測量頂針尺寸，頂針放置在塑件的受力處以便能對塑件安全頂出。X、Y坐標(biāo)通過燕秀工具箱“圓工具”命令能夠微調(diào)成整數(shù)以降低小數(shù)帶來的模具加工難度。為確保冷卻效果冷卻系統(tǒng)大多采用“幾”字型的冷卻水路，利用“水路”工具完成水路直徑及進(jìn)出水管接頭的確定，光標(biāo)結(jié)合鍵盤空格鍵即可畫出水路。在此基礎(chǔ)上獲取音箱零件完整模具的透視圖，標(biāo)注尺寸后即可進(jìn)行模具加工[10]，如圖7所示。

5 總結(jié)

傳統(tǒng)的注塑模具設(shè)計(jì)大多以來已模具設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)和繪圖經(jīng)驗(yàn)，對設(shè)計(jì)師的要求較高，且修改困難不利于工作效率的提高，本文主要結(jié)合使用了UG與CAD軟件，針對注塑模具的設(shè)計(jì)流程以模具制品、結(jié)構(gòu)及優(yōu)化分析、澆注及冷卻系統(tǒng)方面作為重點(diǎn)研究內(nèi)容，通過CAD作模具后期使工作時(shí)間得以顯著縮短，并提高了操作效率，結(jié)合燕秀工具箱實(shí)現(xiàn)UG模具三維設(shè)計(jì)，模具型腔零件采用一模二腔完成三維設(shè)計(jì)，同時(shí)提高了CAD二維出圖效率，所設(shè)計(jì)的模具有效確保了塑件質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 仲陽.注塑模具設(shè)計(jì)與制造標(biāo)準(zhǔn)化體系的研究[J].設(shè)備管理與維修，2018（10）：15-16.

[2] 劉志英，王曉峰.基于CAD/CAM的顯示器前面板注塑模具設(shè)計(jì)與數(shù)控加工[J].塑料工業(yè)，2018（12）：315-317.

[3] 王波.基于CAD/CAM軟件的模具設(shè)計(jì)與制造[J]. 機(jī)械制造與自動化， 2015（2）：36-39.

[4] 王昌儒，陳再良.汽車二次成型塑料配件模流分析[J].制造業(yè)自動化，2018（1）：57-60.

[5] 陳開源，程國飛.基于Moldflow的手電筒注塑模組合型腔流動平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 塑料. 2017（1）：68-71.

[6] 查東，匡唐清，劉文文，等.模流分析在電飯煲上蓋注塑模設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 塑料， 2017（3）：103-108.

[7] 呂承錦.CAE塑膠模流分析的新選擇[J].現(xiàn)代制造， 2009（7）：34-35.

[8] 楊素華，肖國華，卞平.軸套蓋內(nèi)環(huán)槽抽芯機(jī)構(gòu)及注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 中國塑料， 2017（11）：130-136.

[9] 王靜，周來水，畢建平，等.基于模糊與規(guī)則推理的注塑模具頂針智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)[J].塑料科技，2018（2）：88-92.

[10] 張春彬，張織璇.基于UG的電吹風(fēng)圓扁風(fēng)口塑件工業(yè)造型與注塑模具設(shè)計(jì)[J].工程塑料應(yīng)用，2019（2）：82-87.

（收稿日期： 2019.07.15）