溫成卓，張 熒

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

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助分析軟件的應(yīng)用可以有效提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確度，降低設(shè)計(jì)成本。Creo是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司(PTC)推出的設(shè)計(jì)軟件版本，在目前的三維設(shè)計(jì)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(jī)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(duì)塑料產(chǎn)品設(shè)計(jì)和注塑模具，開(kāi)發(fā)了一整套模流分析系統(tǒng)，即Plastic Advisor(塑料顧問(wèn))，使用Creo的Plastic Advisor功能對(duì)塑料產(chǎn)品進(jìn)行填充分析，能夠使模具設(shè)計(jì)者在塑料產(chǎn)品設(shè)計(jì)和注塑模具設(shè)計(jì)初期對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可行性評(píng)估和優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，從而提高設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)缺陷，降低設(shè)計(jì)成本[2]。本文以遙控器前蓋為例，詳細(xì)闡述了應(yīng)用Creo對(duì)塑件進(jìn)行模流分析的方法和過(guò)程。根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)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(jì)。

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(gè)安裝柱和2個(gè)卡扣。應(yīng)用Creo零件設(shè)計(jì)功能模塊創(chuàng)建遙控器前蓋的三維實(shí)體模型(見(jiàn)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(duì)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(duì)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(jì)者面對(duì)的重要問(wèn)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(guò)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(kāi)遙控器前蓋三維實(shí)體模型，點(diǎn)擊“文件→另存為→Plastic Advisor”功能，選擇實(shí)體模型后，模型將自動(dòng)加載到Plastic Advisor中。

2)在窗口工具欄中選擇“Analysis Wizard”選項(xiàng)，選擇“Gate Location”進(jìn)行最佳澆口位置分析，分析時(shí)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(jì)算出最佳澆口區(qū)域，分析結(jié)果云圖(見(jiàn)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(dòng)設(shè)置多個(gè)澆口點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試分析，達(dá)到最佳效果后確定澆口點(diǎn)位置(見(jiàn)圖2)。

2.2 塑料填充分析

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

1)進(jìn)入分析選擇界面，選擇“Plastic Filling”選項(xiàng)，按“完成”開(kāi)始填充過(guò)程模擬(見(jiàn)圖3)，模擬過(guò)程可以直觀地看到塑料在塑件中的流動(dòng)狀態(tài)和填充過(guò)程。

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

填充時(shí)間分析結(jié)果可以看出塑料熔體在填充過(guò)程中是否同時(shí)填充整個(gè)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(shí)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(guò)高可導(dǎo)致過(guò)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(dòng)溫度反應(yīng)了材料流動(dòng)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(guò)該分析可以看出前沿溫度較高且分布均勻。波前流動(dòng)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(cè)模型的機(jī)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(shí)，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(jì)一個(gè)良好的模具冷卻系統(tǒng)?？s痕分析結(jié)果用來(lái)表示縮痕、凹坑在模型中產(chǎn)生的位置。常見(jiàn)的縮痕一般發(fā)生在造型厚實(shí)部分以及加強(qiáng)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(duì)塑件的焊接線位置和氣孔位置進(jìn)行分析。通過(guò)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(jì)

通過(guò)上述模流分析可知，塑件在充模過(guò)程中存在的問(wèn)題不大，在安裝柱根部和卡扣處有縮痕和熔接線，但對(duì)遙控器外觀和質(zhì)量影響不大?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)置過(guò)渡圓角、適當(dāng)增大壁厚的方式對(duì)模型進(jìn)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(guò)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(jì)形式。

3.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)指注塑機(jī)噴嘴流出的高壓塑料熱熔體到達(dá)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(gè)方向，使熔體充滿模腔內(nèi)的各個(gè)角落，獲得組織密實(shí)、外形清晰、尺寸穩(wěn)定的塑件。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞對(duì)塑件成型質(zhì)量尤為關(guān)鍵。為了使模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，同時(shí)縮短熔體流程，提高進(jìn)料速度和成型質(zhì)量，澆口的設(shè)計(jì)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(jiàn)圖2)。

主流道是承接熱熔塑料從注塑機(jī)噴嘴到分流道的一段流道，它與注塑機(jī)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(jì)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(zhǎng)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(jiàn)圖11)，直接利用澆口套的臺(tái)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(zhǎng)度取8 mm，這樣設(shè)計(jì)是為了保證模具主流道與注塑機(jī)噴嘴的對(duì)中性。

3.2 側(cè)向分型滑塊設(shè)計(jì)

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

首先，通過(guò)曲面復(fù)制功能依次選擇側(cè)凹頭特征位置曲面，并通過(guò)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(jiàn)圖12)。

然后，利用滑塊分型面對(duì)模具型芯進(jìn)行實(shí)體分割。按照“模具→元件→實(shí)體分割”的操作流程，選擇“按參考零件切割”選項(xiàng)和“創(chuàng)建新元件”的移除材料選項(xiàng)完成滑塊頭創(chuàng)建與分割[5-6](見(jiàn)圖13)。當(dāng)分割曲面邊緣與型芯實(shí)體存在縫隙時(shí)會(huì)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(guò)型芯實(shí)體邊緣，這種方法可以有效解決分割失敗問(wèn)題。

最后，在“EMX工具”中選擇滑塊定義功能，對(duì)滑塊機(jī)構(gòu)及零件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，完成滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。注意在EMX中滑塊標(biāo)準(zhǔn)件的加載過(guò)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(dòng)方向，Z軸的正方向應(yīng)與模具的開(kāi)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(jì)

選用Creo的“EMX模具專家系統(tǒng)”專業(yè)插件進(jìn)行模架設(shè)計(jì)，EMX內(nèi)擁有豐富的模架數(shù)據(jù)庫(kù)，包含許多著名模具廠商的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)要求修改細(xì)節(jié)參數(shù)，便捷地設(shè)計(jì)出理想的模具，大大提高了注塑模具的設(shè)計(jì)、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(xiàng)中“新建模具項(xiàng)目”，通過(guò)“裝配模型”選項(xiàng)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(jìn)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(jìn)行下一步插入模架操作。在“EMX常規(guī)”選項(xiàng)中加載定模板、動(dòng)模板等模架組件。根據(jù)模具的設(shè)計(jì)尺寸，在“模架定義”窗口中對(duì)模架零件參數(shù)進(jìn)行修改[10](見(jiàn)圖15)。最后，在“EMX工具”→“元件狀態(tài)”選項(xiàng)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(jì)(見(jiàn)圖16)。

4 結(jié)語(yǔ)

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