譚安平,譚 平,尹小燕
(成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院,四川 樂山 614000)
“中國制造2025”和“工業(yè)4.0”倡導(dǎo)以智能制造為核心,將信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能生產(chǎn)工藝等引入制造行業(yè)中[1]。模具生產(chǎn)作為制造業(yè)的重要組成部分,CAD、 CAM、 CNC、 EDM、線切割等各種設(shè)計、制造、測量技術(shù)都需要全面提升。另外,有限元分析和模具CAE逐漸被引入到大型模具制造中。實(shí)踐證明: CAE數(shù)值模擬對模具設(shè)計有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用,可大大減少修模次數(shù)并降低模具報廢的概率[2-5]。
為了適應(yīng)智能制造的發(fā)展要求,我校對材料成型專業(yè)本科生的模具實(shí)訓(xùn)課程進(jìn)行了教學(xué)改革。在模具CAD的基礎(chǔ)上,增加了模具CAE軟件(如Moldflow、 DYNAFORM、 DEFORM、 procast等)的教學(xué)與應(yīng)用。本文以模流分析軟件Moldflow為例,闡述了成都理工大學(xué)在注塑模設(shè)計實(shí)訓(xùn)課程的改革措施、方法及經(jīng)驗(yàn)。
模具CAE越來越受到模具廠家的重視,這是智能制造發(fā)展的需要。傳統(tǒng)的模具開發(fā)全靠工程師的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計,設(shè)計完成后,無法檢驗(yàn)?zāi)>咴O(shè)計的合理性,只能通過開模+試模來檢驗(yàn),如有產(chǎn)品缺陷則進(jìn)行模具修改并試模,如此反復(fù)直到產(chǎn)品合格。這不但使模具成本成倍增加,還大大延長了模具的開發(fā)周期。
采用CAE開發(fā)模式,模具的合理性通過有限元分析進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證過程在計算機(jī)中進(jìn)行,大大降低了試模成本,縮短了開發(fā)周期。傳統(tǒng)的模具開發(fā)模式和現(xiàn)代化智能制造的CAE開發(fā)模式流程圖對比如圖1所示。
(a) 模具的傳統(tǒng)開發(fā)模式流程
(b) 基于CAE開發(fā)模式流程
目前全國大部分高校的材料成型及控制工程本科專業(yè)的“塑料成型工藝及模具設(shè)計”“沖壓工藝及冷沖模設(shè)計”“鑄造工藝學(xué)及模具設(shè)計”等模具類課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)一般是以UG,PRO/E等CAD軟件的模具設(shè)計內(nèi)容為主,至于模具結(jié)構(gòu)的合理性和模具生產(chǎn)制件的效果則無法反饋驗(yàn)證,學(xué)生的設(shè)計無法用實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行檢驗(yàn),教師也不能及時指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計修正。
大部分學(xué)生在進(jìn)行模具設(shè)計時學(xué)習(xí)興趣較低、創(chuàng)新能力不足,不知道“為什么要這樣設(shè)計”。另外,學(xué)生在設(shè)計過程中抱著僥幸的心理,認(rèn)為自己設(shè)計的圖紙不會拿去加工,不會付諸實(shí)際生產(chǎn),無法進(jìn)行實(shí)踐檢驗(yàn),設(shè)計得好壞與否無關(guān)緊要。
將模具CAE引入模具專業(yè)課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)中,主要目的和意義在于: 運(yùn)用軟件進(jìn)行計算和動態(tài)仿真,在計算機(jī)上模擬真實(shí)的成型過程,驗(yàn)證學(xué)生的設(shè)計是否合理,修正設(shè)計的不足之處,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生CAD/CAE協(xié)同應(yīng)用、綜合運(yùn)用的工程實(shí)踐能力,為畢業(yè)后進(jìn)入企業(yè)參加模具項(xiàng)目開發(fā)打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。
在幾門模具課程中,選取了比較有代表性的注塑模為例,模具CAE軟件采用了針對塑料成型的模流分析專用軟件Moldflow,結(jié)合成都理工大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)本科生的特點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)室條件等,對“塑料成型工藝及模具設(shè)計”這門課的實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)大綱進(jìn)行了修訂,重新分配了教學(xué)學(xué)時。
計劃總學(xué)時為48學(xué)時,由于增加了24學(xué)時的模具CAE實(shí)訓(xùn),原學(xué)時安排調(diào)整如下: 模具設(shè)計由原來的32學(xué)時壓縮至24學(xué)時;設(shè)計說明書編寫由原來的16學(xué)時調(diào)整為0,時間安排至課余時間。為了留給學(xué)生充足的課余時間編寫設(shè)計說明書及模流分析報告、完善設(shè)計圖紙,提交作業(yè)時間延后2周。學(xué)時分配表及階段劃分如表1所示。
表1 塑料模設(shè)計實(shí)訓(xùn)課時調(diào)整
案例教學(xué)法是指以案例為教材,在教師的指導(dǎo)下,運(yùn)用多種方式使學(xué)生獨(dú)立思考,從而達(dá)到教學(xué)目的的一種教學(xué)方法。它要求根據(jù)教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)目的和要求,以案例所提供的材料和問題為中心進(jìn)行分析研究,提出見解,做出判斷和決策,以提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力[6-7]。
本實(shí)訓(xùn)課程安排在機(jī)房上課,教師講授時間較多。以某個產(chǎn)品作為案例,從CAE前處理、模流分析、到UG分模及各種模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計都需要做詳細(xì)的講解。學(xué)生分組拿到不同的產(chǎn)品,依據(jù)案例流程進(jìn)行實(shí)訓(xùn),會有比較好的效果。本文以某手機(jī)殼為例進(jìn)行案例講解。
CADdoctor是一種支持CAD系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的工具,旨在消除互操作性問題,界面如圖2所示。它解決了因CAD軟件之間的差異而阻礙平滑數(shù)據(jù)流的問題。
圖2 CADdoctor界面
CADdoctor可以對3D數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù),經(jīng)過CADdoctor處理過的3D數(shù)據(jù)導(dǎo)入Moldflow中,Moldflow修網(wǎng)格的時間可以節(jié)省80%以上。圖3為數(shù)據(jù)修復(fù)前后的對比圖。
(a) 修復(fù)前
(b) 修復(fù)后
將CADdoctor修復(fù)之后的產(chǎn)品3D數(shù)據(jù)導(dǎo)入Moldflow中進(jìn)行網(wǎng)格劃分并進(jìn)行網(wǎng)格修復(fù),使網(wǎng)格的自由邊和重合邊均為0,連通區(qū)域?yàn)?,最大縱橫比小于15,網(wǎng)格匹配率大于90%。Moldflow界面及修復(fù)之后的手機(jī)殼有限元網(wǎng)格模型如圖4所示。
圖4 Moldflow界面及有限元網(wǎng)格模型
澆口是分流道與型腔之間最狹窄短小的部分。澆口的形式、大小、數(shù)量及位置的確定在很大程度上決定了制品質(zhì)量的好壞,也影響成型周期的長短。熔接痕、氣穴、翹曲變形等缺陷都是澆口設(shè)計不當(dāng)所造成的[8]。
制件外表面質(zhì)量要求比較高,因此澆口不能設(shè)置在外表面。在Moldflow軟件中外表面的節(jié)點(diǎn)作為限制性澆口節(jié)點(diǎn)(見圖5)。設(shè)置分析序列為澆口位置,工藝設(shè)置為1個澆口,模擬完成后得到最佳澆口位置如圖6所示。
圖5 外表面節(jié)點(diǎn)設(shè)置為限制性澆口節(jié)點(diǎn)
圖6 最佳澆口區(qū)域(藍(lán)色區(qū)域)
根據(jù)模擬所得到的最佳澆口位置,創(chuàng)建了一模兩件的澆注系統(tǒng),由于澆口不能設(shè)置在外表面,采用了潛伏式澆口,如圖7所示。
圖7 采用了潛伏式澆口的澆注系統(tǒng)
分析序列設(shè)為成型窗口,模擬后可以得到初步的工藝參數(shù),如最佳注射時間、最佳成型區(qū)域、流動前沿溫度、鎖模力等初步工藝參數(shù)。根據(jù)初步工藝參數(shù)可以在后續(xù)模擬中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,并在軟件中選擇注射機(jī)。對于大型復(fù)雜的產(chǎn)品,可以設(shè)置多段注射。
模具冷卻系統(tǒng)的合理性直接決定了制件成型的質(zhì)量。模具冷卻系統(tǒng)不合理會造成不均勻冷卻,表現(xiàn)為凸模和凹模的表面溫度不一致,這會使塑件的上、下表面產(chǎn)生熱應(yīng)力及熱變形,產(chǎn)品變形時會向較熱的一側(cè)彎曲,使制件發(fā)生翹曲變形。冷卻水路建模如圖8所示。
圖8 冷卻水路的創(chuàng)建
運(yùn)用模流分析軟件Moldflow可以模擬真實(shí)的注射過程,得到如充填時間、v/p切換壓力、保壓時間,保壓壓力,冷卻時間、冷卻液溫度、翹曲變形量等分析結(jié)果,對這些分析結(jié)果進(jìn)行評判,可以得到完整的工藝參數(shù)、材料選擇方案、澆口位置/大小方案、翹曲變形、熔接痕及困氣等解決方案。
充填等值線與困氣位置疊加的模擬結(jié)果如圖9所示。圖中出現(xiàn)困氣的位置在模具設(shè)計時需注意加強(qiáng)排氣,開排氣槽或使用組合型芯排氣。另外,等值線比較密集的部位表明此處填充阻力大,疏密程度不一致的地方可能存在塑件表面質(zhì)量缺陷,可嘗試調(diào)整料溫和模溫解決。由于Moldflow模擬結(jié)果比較多,這里選取部分有代表性的結(jié)果參數(shù),評估及優(yōu)化策略如表2所示。
圖9 充填等值線與困氣位置疊加分析
表2 Moldflow部分分析結(jié)果評估及優(yōu)化策略
將模具CAE引入實(shí)訓(xùn)課程之后,模具設(shè)計的大部分內(nèi)容是不需要更改的,比如分模、模架加載、推出機(jī)構(gòu)、脫模機(jī)構(gòu)和抽芯機(jī)構(gòu)等。UG分模界面及分模結(jié)果如圖10所示。
(a) UG分模界面及分型導(dǎo)航器
(b) 分模結(jié)果
調(diào)整大綱后,由于模具設(shè)計要以CAE的優(yōu)化方案作為指導(dǎo),這幾個方面需要CAE確認(rèn)后才能設(shè)計: ①澆注系統(tǒng);②冷卻系統(tǒng);③排氣機(jī)構(gòu);④產(chǎn)品壁厚。
首先,需CAE確認(rèn)的澆注系統(tǒng)包括澆口的類型、進(jìn)澆的位置、流道及澆口的長度和大小等參數(shù)。對于本案例,按照Moldflow的最佳澆口方案,模具設(shè)計的澆注系統(tǒng)如圖11所示。
圖11 模具設(shè)計的澆注系統(tǒng)
其次,需CAE確認(rèn)的冷卻系統(tǒng)主要包括冷卻管道的布置形式、管道直徑及介質(zhì)、介質(zhì)溫度等參數(shù)。對于復(fù)雜的模具,實(shí)際設(shè)計的管道往往與Moldflow中預(yù)先設(shè)計的管道差別較大,這時需要將實(shí)際管道導(dǎo)入Moldflow中對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。
再次,需CAE確認(rèn)的排氣系統(tǒng)主要是針對Moldflow成型中的困氣位置設(shè)計的排氣槽和拼塊式型芯。
最后,產(chǎn)品壁厚一般不作調(diào)整。在調(diào)整澆口、冷卻系統(tǒng)、工藝參數(shù)均不能解決產(chǎn)品表面質(zhì)量和翹曲變形等問題時,才需要調(diào)整產(chǎn)品壁厚。
Moldflow作為重要的塑料模CAE軟件,輔助模具設(shè)計師優(yōu)化流道系統(tǒng)與模具結(jié)構(gòu),協(xié)助產(chǎn)品設(shè)計師從工藝的角度改進(jìn)產(chǎn)品形狀,如今正在被各大模具廠商所重視并利用。高等院校是輸出人才的重要搖籃地,應(yīng)與時俱進(jìn),與企業(yè)接軌,將模具CAE作為教學(xué)改革的重要環(huán)節(jié),使模具CAD與CAE整合起來,培養(yǎng)出高素質(zhì)的模具人才,為社會服務(wù)。材料專業(yè)的學(xué)生也會更具競爭力,在就業(yè)市場上立于不敗之地,實(shí)現(xiàn)自我價值。我院進(jìn)行教學(xué)改革已經(jīng)有2年了,教學(xué)情況和學(xué)生知識掌握情況良好。其中一屆本科生已經(jīng)畢業(yè),就業(yè)良好。另外,CAE實(shí)訓(xùn)也加強(qiáng)了部分考研學(xué)生的科研能力,為其以后的學(xué)習(xí)及科研打下良好的基礎(chǔ)。