基于Creo-Plastic Advisor的注塑模具模流分析与模具设计*

温成卓，张 荧

(云南机电职业技术学院，云南 昆明 650203)

计算机辅助设计和辅助分析软件的应用可以有效提高产品设计效率和准确度，降低设计成本。Creo是美国参数技术公司(PTC)推出的设计软件版本，在目前的三维设计软件中占有重要的地位，解决了在可用性、可操作性、技术锁定和装配管理等方面积累已久的难题，成为当今机械CAD/CAE/CAM领域最成功的应用软件之一，受到业内人士的广泛认可和推广[1]。Creo针对塑料产品设计和注塑模具，开发了一整套模流分析系统，即Plastic Advisor(塑料顾问)，使用Creo的Plastic Advisor功能对塑料产品进行填充分析，能够使模具设计者在塑料产品设计和注塑模具设计初期对产品进行可行性评估和优化模具设计，从而提高设计效率，减少设计缺陷，降低设计成本[2]。本文以遥控器前盖为例，详细阐述了应用Creo对塑件进行模流分析的方法和过程。根据分析结果设计浇注系统，优化注塑参数完成模具的结构设计。

1 建立遥控器前盖三维模型

以某电子产品的遥控器前盖为例，建立塑件三维模型。该塑件外表面曲面较多，并分布着显示屏孔、按键孔、红外线发射孔及螺钉安装孔。塑件内表面有4个安装柱和2个卡扣。应用Creo零件设计功能模块创建遥控器前盖的三维实体模型(见图1)。

2 遥控器前盖模流分析

2.1 最佳浇口位置分析

注塑件的浇口位置、形状和数量的选择对塑料的填充效果及塑件产品的成型质量有较大的影响。对于不同形状的塑件，浇口位置的合理选择应综合众多因素，这也成为模具设计者面对的重要问题和难题。Plastic Advisor的最佳浇口位置分析功能有效地解决了这一难题，通过分析可以准确地得到适用于不同塑件的最佳浇口位置[3]。分析步骤如下。

1)在Creo中打开遥控器前盖三维实体模型，点击“文件→另存为→Plastic Advisor”功能，选择实体模型后，模型将自动加载到Plastic Advisor中。

2)在窗口工具栏中选择“Analysis Wizard”选项，选择“Gate Location”进行最佳浇口位置分析，分析时应指定塑料材料、模具温度、最大注射压力等参数。软件根据模型的形状和模型物理参数分析计算出最佳浇口区域，分析结果云图(见图2)中圆圈部分为最佳浇口可选区域，但并未给出确定的浇口位置，需在最佳浇口区域内手动设置多个浇口点进行测试分析，达到最佳效果后确定浇口点位置(见图2)。

2.2 塑料填充分析

选定浇口位置后，对塑件进行填充分析，分析中所用到的工艺参数是在对塑件进行最佳浇口位置分析时设定的。分析结果包括填充时间、注射压力、波前流动温度、压力降等[4]。具体操作步骤如下。

1)进入分析选择界面，选择“Plastic Filling”选项，按“完成”开始填充过程模拟(见图3)，模拟过程可以直观地看到塑料在塑件中的流动状态和填充过程。

2)在主界面工具栏“分析结果”菜单中可以查看填充时间、注射压力、波前流动温度、表层取向等分析结果。

填充时间分析结果可以看出塑料熔体在填充过程中是否同时填充整个模具型腔，有助于理解熔接线与气孔的形成，分析结果如图4所示，图中红色为最先填充区域，蓝色为最后填充区域，总填充时间为1.06 s。

注射压力和压力降是查看填充质量的重要指标，注射压力过高可导致过保压现象，压力降的大小决定填充可行性。分析结果如图5和图6所示。

波前流动温度反应了材料流动前沿的温度情况。温度最小值用蓝色表示，最大值用红色表示，分析结果如图7所示。通过该分析可以看出前沿温度较高且分布均匀。波前流动温度分析可为模具冷却系统的设置提供参考。

表层取向分析用于预测模型的机械特性，在表层取向的方向上，同一向表示冲击力较高。当方向不一致时，形成充填分流，易形成气孔等缺陷。分析结果如图8所示。

2.3 冷却质量与缩痕分析

利用Plastic Advisor的塑件冷却质量分析(Cooling Quality)和缩痕分析(Sink Marks)功能可以获得塑件表面温度、整体冷却质量等分析结果。可以根据分析结果确定冷却通道与模型表面之间的最佳距离，从而设计一个良好的模具冷却系统。缩痕分析结果用来表示缩痕、凹坑在模型中产生的位置。常见的缩痕一般发生在造型厚实部分以及加强筋、毂、内部圆角等处。图9所示为缩痕分析结果，可以看出缩痕发生在安装柱根部、卡扣界面突变处。除此之外，Plastic Advisor还可对塑件的焊接线位置和气孔位置进行分析。通过分析可以在模型上显示焊接线、熔接线及气孔产生的位置。图10所示为焊接线、气孔分析结果。

3 遥控器前盖模具设计

通过上述模流分析可知，塑件在充模过程中存在的问题不大，在安装柱根部和卡扣处有缩痕和熔接线，但对遥控器外观和质量影响不大。可以通过设置过渡圆角、适当增大壁厚的方式对模型进行优化。外壳材料选用ABS，密度为1.05 g/cm3，壁厚为2 mm，通过Creo的质量分析功能可以获得模型的体积为35.73 cm3，质量为37.52 g。模具采用一模一腔的设计形式。

3.1 浇注系统设计

浇注系统指注塑机喷嘴流出的高压塑料热熔体到达模腔所流经的通道，其作用是将热熔体引流至模腔，传递压力到模腔内的各个方向，使熔体充满模腔内的各个角落，获得组织密实、外形清晰、尺寸稳定的塑件。浇注系统设计的好坏对塑件成型质量尤为关键。为了使模具结构简单，易于制造，同时缩短熔体流程，提高进料速度和成型质量，浇口的设计采用直接浇口方式。浇口位置根据Plastic Advisor的最佳浇口位置分析结果确定(见图2)。

主流道是承接热熔塑料从注塑机喷嘴到分流道的一段流道，它与注塑机喷嘴在同一轴线上，且垂直于分型面。为了便于将流道凝料从主流道中拔出，将主流道设计成圆锥结构，锥角在2°～4°之间，内表面粗糙度为Ra(0.4～0.8) μm，主流道长度为50 mm。为了便于模具的加工、拆卸和热处理，采用浇口套镶嵌于模板中的浇口套式主流道结构(见图11)，直接利用浇口套的台肩作为模具的定位环。定位环与定模的座板中心孔配合精度采用H11/h11，配合长度取8 mm，这样设计是为了保证模具主流道与注塑机喷嘴的对中性。

3.2 侧向分型滑块设计

遥控器前端有凹进去的红外线发射孔，因此需要进行侧向分型滑块设计。设计的主要过程包括侧凹面滑块头设计和侧向分型机构设计。

首先，通过曲面复制功能依次选择侧凹头特征位置曲面，并通过合并复制曲面和延伸曲面边界的功能制作出侧向滑块分型面(见图12)。

然后，利用滑块分型面对模具型芯进行实体分割。按照“模具→元件→实体分割”的操作流程，选择“按参考零件切割”选项和“创建新元件”的移除材料选项完成滑块头创建与分割[5-6](见图13)。当分割曲面边缘与型芯实体存在缝隙时会出现分割失败的状况，通常采用将合并延伸后的曲面多延伸一段距离，使其超过型芯实体边缘，这种方法可以有效解决分割失败问题。

最后，在“EMX工具”中选择滑块定义功能，对滑块机构及零件的参数进行设置，完成滑块机构设计。注意在EMX中滑块标准件的加载过程中需要确定参考坐标系，并且坐标系的X轴正方向应指向滑块的移动方向，Z轴的正方向应与模具的开模方向一致[7]。滑块标准件参数设置和加载结果如图14所示。

3.3 模架设计

选用Creo的“EMX模具专家系统”专业插件进行模架设计，EMX内拥有丰富的模架数据库，包含许多著名模具厂商的产品，设计者可以根据自己的设计要求修改细节参数，便捷地设计出理想的模具，大大提高了注塑模具的设计、定制和细化模架组件的效率[8-9]。安装好EMX插件后，在EMX插件选项中“新建模具项目”，通过“装配模型”选项导入遥控器成型零件的装配模型，然后将模具的基准平面与模架的基准平面进行“重合”设置，注意只有装配界面中显示“完全约束”的状态才算装配成功，可以进行下一步插入模架操作。在“EMX常规”选项中加载定模板、动模板等模架组件。根据模具的设计尺寸，在“模架定义”窗口中对模架零件参数进行修改[10](见图15)。最后，在“EMX工具”→“元件状态”选项中选择加载导向元件、定位销、冷却、滑块组件、顶杆等模架配件，完成遥控器前盖的模具设计(见图16)。

4 结语

应用Creo的Plastic Advisor功能对遥控器前盖塑件进行了最佳浇口位置、塑料填充、冷却质量、缩痕等分析。通过分析结果的研究对塑件的材料、造型设计及注塑参数进行优化。根据优化结果，在Creo中对遥控器前盖进行了浇注系统、模具侧向分型滑块和模架设计。通过此方法可以提高模具设计和开发的效率，降低设计成本，可为其他类似的模具设计提供借鉴和参考。