CAD_CAE技术在注射模设计中的应用.pdf

收稿日期 2008 07 24 修改稿收到日期 2009 06 15 作者简介 刘细芬 女 广西南宁人 副教授 现主要从事材 料成型方面的研究 发表论文数篇 E mail liuxifen2000 163 com 基金项目 广西工学院科学基金 院科自0840113 CAD CAE技术在注射模设计中的应用 刘细芬 张帆 广西工学院机械工程系 广西 柳州 545006 摘要 介绍了计算机辅助设计 CAD 技术在注射模具设计中的应用 采用计算机辅助工程 CAE 软件进行注塑成型分 析 通过实例 阐述了应用 CAD CAE 软件进行注射模设计的流程和利用 Pro E 软件进行注射模具设计的具体方法 以及 运用 M oldflow 软件进行填充 冷却等分析 得到合理的注射工艺参数 优化了模具结构 采用 CAD CAE 技术可以缩短产 品的开发周期 提高设计质量 关键词 注射模 计算机辅助设计 计算机辅助工程 软件 Application of CAD CAE Technology to Injection Mould Design Liu Xifen Zhang Fan Department of Mechnical Engineering Guangxi University of T echnology Liuzhou Guangxi 545006 Abstract The application of CAD technology to injection mould design and the analysis of injection molding by CAE software are introduced The process using CAD CAE software to design injection mould and the specific method for the design of injection mould using Pro E software are presented by example By the analysis of filling and cooling with Mold flow software reasonable injection moulding parameters are obtained and the structure of the mould is optimized T he period of product development is shortened and the quality of product design is improved by CAD CAE technology Key words plastics injection mould computer aided design computer aided engineering software 随着塑料制件的广泛应用 塑料模具的设 计成为模具工业中极为重要的一个方面 由于 塑料新品种的不断出现以及塑料制品在结构 外 观上要求的日益提高 传统的二维模具设计方法 难以适应现代化生产和集成化技术的要求 而且 模具设计是一个设计 修改 再设计的反复迭代 不断优化的过程 对塑料模进行计算机辅助设 计 CAD 和计算机辅助工程 CAE 的技术分 析 提高了模具设计水平 缩短了产品研制周期 对于注塑模技术的发展具有重要意义 1 1 计算机技术在注射模中的应用 1 1 注射模具 CAD 注射模具 CAD 大多采用 Pro E Engineer 软件作为产品及模具设计的开发平台 Pro E 软 件是采用参数化设计的 基于特征的实体模型化 系统 设计人员采用具有智能特性的基于特征的 功能去生成模型 可对塑料制品进行三维造型设 计 利用 Pro E 的 Mold design 模块可进行分 型面的定义 抽取模具元件生成模具型腔和型 芯 浇注系统的设计 冷却系统设计 生成模具成 型零件的三维实体模型 2 3 利用 Pro E 系统的 布局及装配模块 可以进行模具的顶出系统和三 维的总装配设计 并最终利用工程图模块生成二 维工程 图 其间将使 用 Pro E 的外挂 软件 EMX4 0 来进行模具标准元件的导入 以使设计 更快速 修改更方便 4 由于注射模具结构复 杂 要求各部件运动自如 互不干涉 且对模具零 件的顺序动作以及行程有严格的控制 Pro E 可 对模具开模 合模以及制品被推出的全过程进行 55 现 代 塑 料 加 工 应 用 2 0 0 9 年 第 2 1 卷 第 4 期 MODERN PLAST ICS PROCESSING AND APPLICATIONS 仿真 从而检查出模具结构设计的不合理处 并 及时更正 以减少修模时间 Pro E 软件的这些 功能模块在注射模具设计中的优势体现得更加 淋漓尽致 1 2 注射模具 CAE 注射模具计算机辅助工程技术主要是利用 高分子流变学 传热学 数值计算方法和计算机 图形学等基本理论 对塑料成型过程进行数值模 拟 在模具加工前 通过计算机对整个注塑成型 过程进行模拟分析 准确预测熔体的填充 保压 冷却等情况 预测模具设计和成型条件对制品的 影响 发现可能出现的缺陷 找出缺陷产生的原 因并加以改进 为判断模具设计和成型条件是否 合理提供科学的依据 提高一次试模的成功率 大大缩短了开发周期 降低了生产成本 5 塑料 成型模拟常采用 Moldflow 公司的开发的 Mold flow 软件 Moldflow 软件 6 7 包括三部分 1 Moldflow Plastics Advisers 产品优化顾问 简 称 MPA 2 Moldflow Plastics Insight 注塑成 型模拟分析 简称 MPI 3 Moldflow Plastics Xpert 注塑成型过程控制专家 简称 MPX 运 用 Moldflow 软件可以优化塑料制品 得到制品 的实际最小壁厚 优化制品结构 降低材料成本 缩短生产周期 保证制品能全部充满 可以优化 模具结构 得到最佳的浇口数量与位置 合理的 流道系统与冷却系统 并对型腔尺寸 浇口尺寸 流道尺寸和冷却系统尺寸进行优化 在计算机上 进行试模 修模 大大提高模具质量 减少修模次 数 还可以优化注塑工艺参数 确定最佳的注射 压力 保压压力 锁模力 模具温度 熔体温度 注 射时间 保压时间和冷却时间 以注塑出最佳的 塑料制品 即运用 Moldflow 软件对模具结构 注射工艺参数 塑料制品等进行优化分析 1 3 基于 CAD CAE技术的注射模设计流程 运用 CAD CAE 软件设计注射模的具体步 骤如下 1 应用 Pro E 软件完成制品的造型 2 成型方案确定后 可进行浇口分析 得出最佳 浇口位置 3 模具初始方案的设计 包括型腔 数目 浇注系统 冷却系统管道设计 4 在模具 初始方案确定后 用 Moldflow 软件进行流动 保压 冷却和翘曲等分析 以确定合适的浇注系 统 冷却系统等 如果分析结果不能满足生产要 求 那么可根据用户的要求修改注射制品的结构 或修改模具的设计方案 5 在完成 CAE 分析 和方案评价后 可用 Pro E 软件进行模具的详 细结构设计 6 模拟模具开模 推件 合模的过 程 并进行模具的干涉检查 7 加工信息的提 取 用 CAM 软件进行数控加工模拟和自动生成 型腔 型芯的 NC 代码 如需要 完成三维图向 二维工程图的转换 2 应用实例 2 1 Pro E平台下注射模 CAD 图 1 是采用 Pro E 软件进行设计的某模具 厂的塑料制品三维图 材料为 ABS 丙烯腈 丁二 烯 苯乙烯共聚物 按照模具设计流程 利用 Pro E 的 Mold design 模块进行塑件三维实体 设计 根据塑件的材料和特点 确定成型方案为 一模四腔 对模具初始结构进行设计 包括确定 收缩率 确定分模方向以及分型面设计 抽取模 具元件生成模具型腔和型芯 设计浇注系统及冷 却系统等 进行浇口分析 流动 冷却 翘曲等 CAE 分析 CAE 分析后判断是否对模具结构进 行修改 修改后进行详细的模具结构设计 然后 进行模具开启和干涉检查 最后导入模具专家系 统形成完整的装配图 图 1 某塑料制件三维 2 2 应用 Moldflow 软件进行注塑成型分析 在 Pro E 中造型后 产品信息及模具有关 信息可通过 stl 格式文件传入 Moldflow 中 进行最佳浇口分析 在 Moldflow 中选择塑料牌 号及合适的注射温度 注射压力和注塑机后即可 进行流动 冷却 翘曲等分析 6 7 2 2 1 最佳浇口分析 在模具设计之前应该分析塑料件的浇口位 置 但无论采用什么形式的浇口 开设的位置对 塑件的成型性能及成型质量影响很大 因此合理 选择浇口位置是提高塑件成型质量的 1 个重要 56 现 代 塑 料 加 工 应 用 2009 年 8 月 环节 采用 Moldflow 软件进行最佳浇口分析 依据分析结果设置浇口位置 从而避免由于浇口 位置不当可能引起的制件缺陷 在 Moldflow 软件环境下 进行网格的划分 调整网格的合理 性 进行型腔布局 设置分析内容以及分析参 数 Best gate location 选择成型材料 设置 注射参数等 图 2 所示为分析得到的最佳浇口 位置 根据分析结果可知图 2 中箭头所指处即 为最佳浇口位置 由 Moldflow 分析出来的结果 直接利用到浇注系统设计上 设计的浇注系统如 图 3 所示 2 2 2 填充分析 填充分析结果主要用于查看制件的填充行 为是否合理 填充是否平衡 能否完成对制件的 完全填充等 可以根据动态的填充时间结果查 看填充阶段的熔体流动行为 以便更好地判断填 充流动行为是否合理 图 4 所示为充模时间的分析结果 结果显 示 充填时间为 1 272 0 s 简头所示 填充行为 合理 填充分析的最终目的是为了获得最佳浇注 系统的设计 填充分析的结果表明图 3 所示的浇 注系统布局设计是可行的 图 4 塑件的填充时间 2 2 3 冷却分析 用 Moldflow 对模具的冷却系统进行分析 通过冷却分析结果判断冷却效果的优劣 根据冷 却效果计算出冷却时间的长短 确定成型周期所 用的时间 在获得均匀冷却的基础上优化冷却 管道布局 尽量缩短冷却时间 从而缩短单个制 品的成型周期 提高生产率 降低生产成本 制件冷却时 只能做到塑件大体均匀冷却 图 5 为制件的冷却方案和温度分布 从图 5 可 以看出 制件的大部分位置都已达到预定的顶出 温度 60 箭头所示 表明冷却水道布置比 较合理 制件的冷却方案可行 图 5 制件冷却方案和温度分布 2 2 4 翘曲分析 通过翘曲分析可以判定采用的塑料是否会 出现变形 为了减少翘曲缺陷 在模具设计时 准 确预测塑料的收缩率和冷却系统的设计成了控 制变形量的主要措施 图 6 是塑件总体翘曲 翘 曲变形最小 0 003 7 mm 最大 0 727 3 mm 最 大翘曲部位在制件一端自由处 箭头所示 绝大 部分是由收缩率引起的 经过 CAE 分析 该设 57 刘细芬等 CAD CAE 技术在注射模设计中的应用 计方案已能满足制品质量要求 图 6 塑件翘曲分析结果 3 结语 应用 Pro E 软件中的 Moldesign 模块进行 模具结构设计 使传统的模具二维设计向三维实 体模型的模具设计转变 加快了设计进程 缩短 了设计周期 利用 Moldflow 软件对塑件进行 填充 冷却 翘曲等过程的模拟分析 有助于模具 设计人员不断优化模具结构和注塑工艺参数 从 而缩短新产品的开发周期 减少开发费用 提高 生产效率和质量 参 考 文 献 1 李发致 模具先进制造技术 北京 机械工业出版社 2003 1 2 林清安 Pro ENGINEER 模具设计篇 北京 北京大学出版 社 2000 1 3 黄圣杰 实战 Pro Engineer 模具设计 北京 中国铁道出版 社 2002 184 4 吴文 基于 Pro E 的注塑模 CAD CAE CAM 集成化技术 现代塑料加工应用 2005 17 6 46 49 5 贺华波 李红林 刘军等 Moldflow 在对讲机天线零件注塑 成型中的应用 轻工机械 2005 1 33 35 6 王刚 单岩 MoldFlow 模具分析应用实例 北京 清华大学出 版社 2005 77 7 单岩 王刚 MoldFlow 模具分析技术基础 北京 清华大学出 版社 2004 118 高性能阀门密封元件用 PEEK配混料 据 Reinforced Plastics 2009 53 1 5 报道 世界压 缩 技 术和 汽 车 技 术 领 先 的 瑞 士 压 缩 机 阀 生 产 厂 Hoerbiger公司采用塑料配混料 RT P220 生产阀门密封 元件和阀片 RT P2200 是美国塑料配混料厂 RTP 公司 的碳纤维增强聚醚醚酮 PEEK 系列配混料 据 Hoerbiger 公司材料技术副总裁 T in Bremner 介 绍 RT P 公司精细控制碳纤维加入 PEEK 母体树脂工艺 制得 RTP2200 配混料 材料主要优点是弯曲模量高 因 而能显著延长密封元件的正常运行时间 与其他工业用 阀片材料比 用 RTP2200能大幅改进和提高阀门密封元 件的总体可靠性和耐热性 压缩机阀的阀片材料必须具 有高力学强度 冲击性能和良好的耐疲劳性 耐周期变化 的应力 另外 压缩机阀的阀片也必须耐经常接触的酸 性和碱性气体 ExxonMobil 改性用聚烯烃新产品 据 Modern Plastics Worldwide 2009 86 1 22 报 道 美国德州 Houston 的 ExxonMobil Chemical 埃克林 美孚化工 公司推出改性用聚烯烃新产品 Vistamaxx 包 括硬质热塑性聚烯烃 T PO 软质热塑性弹性体 T PE 透明配混料和聚合物共混物 用于改进其他塑料的韧性 冲击强度 柔软性 弹性 透明性 减轻成型时应力发白现 象 减轻质量 塑料混料厂和干混加工厂把 Vistamaxx 作为共混用 的小量改性组分 改性后的材料用于生产柔性