齊飛

摘 要：?研究了基于CAD技術(shù)的注塑模具設(shè)計流程，并對模具的工藝參數(shù)進行了分析和優(yōu)化，具體采用 CAD注塑模集成系統(tǒng)實現(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驗對比完成確定，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)計方法進行了探討。

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? ? ? 文獻標志碼： 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)計過程通常大多提供UG、Pro/E等軟件的使用實現(xiàn)各環(huán)節(jié)的細化（包括澆注、冷卻、頂出系統(tǒng)、設(shè)計分型面及型腔布局等），二維圖在完成設(shè)計后即可直接導(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、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，在確保圖樣同模型具備較高關(guān)聯(lián)性的同時提高了出圖速度，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)計模具型腔及系統(tǒng)的實現(xiàn)、二維圖的導(dǎo)出的方法及過程進行了分析，提高模具設(shè)計質(zhì)量及出圖效率[1]。

1 基于CAD的注塑模具設(shè)計流程

注塑成型制品在加工性能、強度、抗腐蝕性等方面具備較強的優(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)計注塑模具結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)時需對諸多因素進行綜合考慮（包括產(chǎn)品、模具、材料、成型工藝等），模具系統(tǒng)通過CAD/CAM模擬軟件的使用實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計過程，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)計注塑模具制品主要由初步分設(shè)計、模擬仿真優(yōu)化、定型設(shè)計等環(huán)節(jié)構(gòu)成，設(shè)計人員分析產(chǎn)品進行初步設(shè)計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)此實現(xiàn)模具初步設(shè)計方案的獲取;然后將方案進行模擬仿真優(yōu)化分析，據(jù)此對優(yōu)化和改進模具零件結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo)完成模具定型設(shè)計方案的獲取。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，通常采用工具鋼（經(jīng)熱處理后）完成模具材料的制造;當需確保凹、凸模的同軸度配合時，為使塑件的質(zhì)量得以有效提高，應(yīng)采用配合零件（即強度足夠的導(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)計澆注系統(tǒng)（通常可劃分為無流道和普通流道）時以塑件工藝性、模具性能等作為重點考慮對象，以流道形式、澆口數(shù)量和位置等作為主要設(shè)計參數(shù)，流道可細分為主流道（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），主流道負責完成注塑模具同機料筒噴嘴的連接，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，具體以實際構(gòu)件的特征為依據(jù)完成相關(guān)設(shè)計，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、排氣和補縮過程。設(shè)計冷卻系統(tǒng)時需以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、效果、均勻性作為重點考慮因素（可視產(chǎn)品的尺寸大小靈活設(shè)計），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)計系統(tǒng)的實例分析

對于不合理的注塑模具初始設(shè)計方案需進一步進行設(shè)計優(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)化目標的獲取，對注塑制品通過工藝參數(shù)的修改實現(xiàn)最佳工藝參數(shù)的獲取[3]。在對模型實用性進行充分考慮的基礎(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)印機上）對CAD/CAE集成軟件的具體應(yīng)用情況進行全面的展現(xiàn)，具體工藝參數(shù)為：PVC材料，注塑機型號為SZ-25/25，模具鋼材料為P4410，1.4秒的注塑時間，保壓壓力40 MPa（時間為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，卡扣與實驗?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)生嚴重影響，因此需對各部位的變形分布情況進行研究，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)果同實驗結(jié)果吻合。

塑料制品的PVC材料具有較高的耐磨性、強度、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、保壓壓力及時間、模具及熔體溫度等）的影響情況進行研究，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 ℃時趨于穩(wěn)定;制品的填充質(zhì)量隨保壓時間的升高而增加，在保壓時間超過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

本文以材料為 ABS的音箱零件如圖6所示。

模具設(shè)計采用NX8.0實現(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)境下需對項目零件進行初始化，確定模具設(shè)計的各項基礎(chǔ)信息（包括材料、文件名、保存路徑、收縮率等），初始化項目前零件需為實體，可使用縫合

工具將片體的零件在建模模塊下縫合為一個實體。（2）接下來對坐標系、工件、型腔布局進行設(shè)置，設(shè)置模具坐標系時需以實體音箱零件中心作為坐標原點，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)計以減少廢料提高生產(chǎn)效率[7]。

（3）對分型面進行設(shè)計，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為依據(jù)完成型腔與型芯區(qū)域的自動計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后分模。然后進行曲面修補操作，采用“體”修補方法能夠為系統(tǒng)自動計算捕捉孔位置，簡化了操作流程。接下來對零件的分型線進行選擇（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

（1） 使用CAD外掛程序燕秀工具箱對零件分模導(dǎo)出的二維圖進行處理，可顯著提高繪圖的工件效率，該工具箱具備設(shè)計三大系統(tǒng)及調(diào)用標準模架等功能，在確定模架規(guī)格尺寸時，對內(nèi)模X、Y的長度可通過點擊屏幕光標進行控制，能夠?qū)δＥ咭?guī)格進行自動計算[9]。

（2） 注塑過程的順利完成取決于澆注系統(tǒng)的設(shè)計，定位環(huán)與唧咀尺寸除常規(guī)尺寸外還能訂做非標產(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，頂出機構(gòu)以位置自由度大的推桿推出機構(gòu)較為常用，采用光標移動測量頂針尺寸，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出水管接頭的確定，光標結(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，標注尺寸后即可進行模具加工[10]，如圖7所示。

5 總結(jié)

傳統(tǒng)的注塑模具設(shè)計大多以來已模具設(shè)計師的設(shè)計和繪圖經(jīng)驗，對設(shè)計師的要求較高，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)方面作為重點研究內(nèi)容，通過CAD作模具后期使工作時間得以顯著縮短，并提高了操作效率，結(jié)合燕秀工具箱實現(xiàn)UG模具三維設(shè)計，模具型腔零件采用一模二腔完成三維設(shè)計，同時提高了CAD二維出圖效率，所設(shè)計的模具有效確保了塑件質(zhì)量。

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（收稿日期： 2019.07.15）