CAD技术在塑料模具设计中的应用研究进展

2023-01-05李宇新宋永昌

合成树脂及塑料 2022年5期

李宇新，宋永昌

（开封技师学院，河南开封 475000）

塑料模具赋予塑胶制品以完整的结构和精确的尺寸。注塑成型是生产具有特定形状塑胶制品的常用方法［1］。随着科技的快速发展，塑料制品的用途越来越广，结构越来越复杂，更新换代的速度越来越快，给生产者和设计者提出了更高的要求，即不仅要提高生产效率，更要提高设计效率；不仅要提高产品质量，更要提高设计质量。随着计算机技术的发展，过去那种主要靠经验和手工的模具设计时代已经逐渐被计算机辅助设计（CAD）所取代。将CAD技术引入塑料模具设计，已经有数十年的发展历史，近年来，CAD技术在塑料模具设计中的应用更加深入、更加广泛。本文主要综述了近年来CAD技术在塑料模具设计中的应用研究进展。

1 UG软件在模具设计中的应用

1.1 UG软件的应用

UG软件是美国Siemens PLM Software公司推出的一个基于C语言开发的产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供数字化造型和验证手段，其开发始于1969年，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构［2］。UG软件在塑料模具开发中占据重要位置。

李力等［3］基于UG平台，开发了适于异型材挤出模具的CAD系统。以平开框制品的挤出模具设计为例，建立了基于封闭环识别的曲面快速设计方法，将封闭环识别与曲面设计相结合，规范了挤出模具的流道曲面设计流程，极大地提高了曲面设计效率，为不同形状的环状曲面设计提供了通用的解决方案。Li Li等［4］将Visual Studio 2010软件与UG软件集成，设计了塑料异型材挤出模具组的CAD系统。提出了基于特征识别的闭环识别算法、多闭环智能识别算法和多闭环匹配算法，实现了流道规则面的自动生成；提出了模具组的整体设计和自动生成方法，以利于不同结构和工艺孔的高效成形；提出了粒子群优化（PSO）算法以获得零件的最佳位置和规格；开发了三个模块（即整体草图、整体流道和整体模具组），重点是将自动化设计方法集成于框架中。模具设计应用结果表明，开发的CAD系统不仅提高了挤压模具的设计效率，而且提高了设计质量。张瑾婷等［5］针对塑料异型材挤出定型模具结构复杂、设计工作量大及准确性难以保证的问题，以UG软件为平台，结合Visual Studio软件及面向对象的编程技术，开发了适于塑料异型材挤出模具的CAD系统。该系统通过定型模智能分节技术快速设计定型模具型腔，采用工艺结构分块技术对草图进行分组并记录特征，利用基于重用库的水气路设计技术，自动生成定型模冷却和真空吸附结构，最终成型出完整的定型模结构，提高了定型模设计效率。卫春娟［6］在UG软件平台上，采用参数化建模和UG表达式方法，构建了轮毂轴承保持架注塑模具各模块的初始模型，完成了三维实体造型；在VC++6.0编程环境下，利用Microsoft Access2007软件创建参数库，将UG/Open二次开发工具、VC++与MFC PDBC数据库访问技术巧妙集成于CAD系统，实现了各模块的参数化设计，设计的模具分型面的平直面与曲面、凸模与凹模均为组合形式，研发了一套功能全面、人机交互性强的轮毂轴承保持架注塑模具CAD系统。当给定轮毂轴承型号时，可获得包括保持架在内的一系列轴承保持架注塑模的主要零部件，具有自动化和智能化的特点。Li Shan等［7］在UG软件的CAD/MoldWizard/计算机辅助制造（CAM）组件平台上，完成了吹风机壳体注塑模具设计和数控加工的全过程，介绍了该注塑模具的CAD/CAM过程，体现了UG平台相对于传统方法在注塑模具设计制造领域的巨大优势。

黄浪［8］基于UG平台，采用特征识别、基于事例的推理等方式，构建了基于特征的定型模具案例库，将其融合于定型模具CAD建模系统中，实现了定型模具设计流程的规范化、特征的标准化，减少了对工程师经验的依赖；在定型模具三维模型转为工程图领域，采用数字化设计手段，提出了基于四板块模型的定型模具工程图自动标注法，增强了利用三维制图软件平台出工程图的可操作性。

1.2 UG软件与Moldflow软件的联合应用

吴文群［9］将CAD/计算机辅助工程（CAE）/CAM技术用于对讲机外壳模具设计，采用UG8.0软件创建了对讲机外壳三维实体模型。根据对讲机外壳的结构特点及要求，为了从模具型腔中顺利取出成型模具，将内侧抽芯机构与4面侧向抽芯机构相结合，采用CAD技术完成了模具装配图和零件图的绘制；利用Moldflow软件的MPI/FOW模块对制品的成型温度、翘曲变形量、充填时间和压力等进行了CAE分析，通过正交试验对优化后的参数进行了成型验证，获得了合理的模具结构和成型工艺参数。张丽［10］以麦克风电池后盖为研究对象，以UG软件为工具，在对麦克风电池后盖的模型、浇注系统及冷却系统等进行分型设计的基础上，通过塑料制件模架及其相关模具元件的设计，得到模具的三维装配图；再利用Moldflow软件对塑件型腔的填充过程及注塑成型过程进行数值模拟和仿真，优化模具的浇注及冷却系统；最后，将塑件的最大翘曲变形量作为指标，采用正交试验考察熔体温度、模具温度、注射时间、保压时间和保压压力等因素对成型产品质量的影响，得到最优的工艺参数。深圳市圣丰模具塑胶有限公司［11］设计了一种基于UG软件和Moldflow软件的塑料外壳注塑数控模具，解决了现有的塑料外壳注塑数控模具中过滤网直接焊接于进料斗中导致的拆装不便的问题。以塑件翘曲变形量为优化目标，采用正交试验对熔体温度、模具温度、注射时间、保压时间和保压压力等因素进行了水平优化组合，获得最优工艺参数组合。柳州通为机械有限公司［12］发明了一种基于Moldflow软件的汽车盒体件注塑模具制造方法。该方法利用HyperMesh软件快速产生网格指标优良的模型，利用Moldflow软件对冷却方案进行优化，基本解决了汽车盒体件的尺寸精度和表面飞边问题，避免了重新开模带来的成本和时间上的损失；随后通过预测刀具变形，对误差进行补偿，在加工过程中，通过视觉检测加工误差，进一步对加工进行补偿；通过两次的误差补偿，提高了汽车注塑模具复杂曲面的加工精度；对模具选材和热处理进行了合理优化，延长了模具使用寿命，降低了企业生产成本。

2 Moldflow软件在模具设计中的应用

Moldflow软件在塑料模具设计及制品中的应用主要有3种方式［13］：（1）模流分析。采用Moldflow软件对注塑过程中基体的流动过程及其产生的结果进行全面考虑，因此在Moldflow软件中就可以进行填充、保压、冷却、翘曲、纤维取向等分析。（2）联合Moldflow软件和Abaqus软件进行模流分析和结构分析。因为注塑制品的结构分析并不能依靠一般注塑的CAE进行，还需要其他更合适的结构分析软件，Abaqus软件采用业内公认的功能最强的通用优秀有限元法，有限元法是一种为求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术，Abaqus软件与Moldflow软件直接接口进行模流分析和结构分析，已成为预测和验证短纤维增强复合材料力学性能的有效手段。（3）联合Moldflow软件、Abaqus软件、Digimat软件进行模流分析和结构分析。在借助Moldflow软件得到结构中纤维的分布及方向信息后，采用Digimat软件完成纤维方向数据的映射，应用Abaqus软件进行结构的有限元分析。然而，上述3种方法又各自存在一些问题：第一种方法，由于Moldflow软件不是专业的结构分析软件，只能对简单模型进行一些简单的结构分析，有时不能获得想要的分析结果；第二种方法虽然可以对复杂结构进行结构分析，但是要求Abaqus软件和Moldflow软件的版本完全匹配，对用户硬件的要求也较为苛刻，并且这种映射方法对于分析模型的网格有严格要求，灵活性不高，对于复杂结构件，映射成功率不高，同时成型分析和结构分析采用的材料性能没有相关性，分析精度不高；第三种方法借助Digimat软件构建材料细观本构模型，根据材料包含的两相直接推测出材料本构，实际工艺制作的材料的力学性能与预测的结果并不一致，将预测的本构模型带入到结构中进行结构分析并不准确。

2.1 Moldflow软件的应用

Moldflow软件是一款塑料注塑成型仿真工具，用于验证和优化塑料零件、注塑模具和注塑成型流程，帮助用户在设计决策前完善模具设计方案和产品设计方案。

江苏师范大学［14］公开了一种纤维增强复合材料的注塑工艺参数优化方法，其步骤为：（1）基于Moldflow软件进行翘曲分析；（2）以翘曲变形量最小为目标，运用Plackett-Burman试验设计方法从多个工艺参数中筛选出影响产品质量的显著性因素作为设计变量，并采用Box-Behnken Design试验设计方法合理设计试验方案；（3）采用基于改进型神经网络的PSO算法优化纤维增强复合材料塑件的注塑工艺。该方法能够在减少试验次数的前提下优化注塑成型的工艺参数，达到减少翘曲变形量、提高注塑制品质量的目的。

对于具有复杂曲面的产品，在注塑过程中，液体原料只能通过外部的压力和液体流动注满模腔，而模腔内空间较狭窄，且处于密封环境，很难形成要求的复杂曲面，降低了产品质量；由于产品表面为复杂曲面，完成定型后，在产品顶出时比较麻烦，需要操作人员的经验和技巧，增加了操作人员负担。为此，海鹏辉精密工业（深圳）有限公司［15］公开了一种基于Moldflow软件的复杂曲面注塑模具，不仅注塑原料能够均匀注入模具内部，而且定型后的产品可以快速顶出，避免了对曲面造成的损害，不仅提高了产品质量，而且操作方便，减轻了操作人员负担。

为了解决现有技术中因顶出时汽车保险杠的倒扣部位黏接斜顶而使汽车保险杠各部位不能同时顶出，出现汽车保险杠顶出不平衡、使汽车保险杠受损的问题，常州机电职业技术学院［16］公开了一种基于Moldflow软件的保险杠注塑模具及制品翘曲变形量控制方法。该模具包括定模板、定模、动模、动模板、浇口通道、顶杆以及斜顶。其中，定模与动模之间有制品容腔；制品容腔中部向定模方向凸起，两边形成有倒扣部位，顶杆适于向定模方向顶起制品，斜顶对称布置于动模两侧的倒扣部位处；斜顶的一端与动模板固定连接，另一端适于沿倒扣部位边缘的倾斜角度方向作往复运动。采用该方法可以避免保险杠顶出时斜顶与倒扣部位出现干涉现象，降低制品形变程度，解决Moldflow软件预设参数与实际注塑成型参数不一致的问题，提高分析的准确度，降低制品的翘曲变形率。

保险杠注塑成型工艺参数包含填充时间、填充压力、保压压力、保压时间、冷却时间等，每个产品的成型工艺均不同，同一产品不同注塑机上的成型工艺也不一样。这就需要针对每个产品在每台设备上找到合适的成型工艺参数，以稳定生产出高品质的产品。东风汽车集团股份有限公司［17］公开了一种基于Moldflow软件的汽车保险杠注塑成型工艺方法、计算机设备及计算机可读存储介质，包括：通过对注塑材料和注塑模具进行分析，确定填充时间；根据填充时间得到推荐的螺杆速率曲线，并通过对该曲线的计算，生成实际螺杆速率曲线；通过实际螺杆速率曲线进行填充分析和保压计算，得到保压时间和保压压力；根据记录的注塑时间、填充时间和保压时间，确定冷却时间。该方法具有操作方便、无需大量数模模型计算、试模成本低等优点。

针对生产的塑料涡轮可能会出现发白、翘曲、开裂等问题，江苏博云塑业股份有限公司［18］提供了一种涡轮模流分析方法与涡轮注塑方法，包括对用于注塑涡轮的目标材料进行测试，获取目标材料的特性参数，根据材料特性参数生成对应的预设格式文件，并导入模流分析工具中。将涡轮的3D模型导入模流分析工具，并设置注塑参数，模流分析工具根据预设格式文件以及注塑参数对涡轮的3D模型进行模流分析，获取模流分析结果，通过采用模流分析的方式，输入相应参数，模拟涡轮的整个注塑过程，并且对注塑结果进行分析，避免传统方式耗时较长、工作效率低下等问题，在一定程度上降低了时间和资金成本。

2.2 Moldflow软件和Abaqus软件联合应用

西北工业大学［19］公开了一种针对玻璃纤维增强材料并基于Abaqus软件和Moldflow软件的结构分析方法，主要是通过运行脚本的方式将Moldflow软件得到的纤维取向信息映射到Abaqus软件的结构分析网格中。该方法不需要借助第三方软件即可灵活快捷地完成两款软件之间的信息传递，但是对于在Abaqus软件中如何设置材料参数，得到精确的材料本构模型则没有说明。

2.3 Moldflow软件、Abaqus软件、Digimat软件联合应用

株洲时代新材料科技股份有限公司［13］提出了一种短纤维增强热塑性复合材料复杂结构多尺度仿真方法，包括材料本构构建和短纤维增强热塑性复合材料复杂产品有限元分析。该方法针对短纤维增强热塑性复合材料的硬化模量、硬化指数和屈服强度分析方法，考虑注塑成型工艺引起的材料各向异性，构建精确的材料本构模型，并实现有限元分析，尤其对于复杂结构具有普遍适用性。短纤维增强热塑性复合材料受成型工艺的影响，呈现各向异性特性，在仿真中很难精确模拟。采用该方法，可以获得相对精确的材料本构模型，并建立完整的强度分析流程。可见，UG软件与Molodflow软件的联合逐渐成为塑料模具设计的主流和发展方向。

3 Pro/E软件在模具设计中的应用

Pro/E软件也是一款重要的塑料模具设计平台。Li Honglin等［20］采用Pro/E软件中的Mold Cavity功能模具和EMX软件中的模架，给出了成型零件的设计程序，利用给出的方法设计了鼠标底盖模具。结果表明，模具一体化3D设计在减轻劳动强度、提高设计效率和质量方面具有显著的优势。Miao Naiming等［21］针对传统模具设计的不足，以上盖注塑产品为例，以Pro/E中的Plastic Advisor分析软件为平台，详细描述了塑料产品的注射成型过程和成型模拟方法。分析结果可为优化模具设计、提高塑料制品质量、减少成型缺陷、降低生产成本和缩短生产周期提供有益指导。Matin等［22］介绍了一个面向知识、参数化、模块化、基于特征的集成化模具CAD/CAE系统。该系统将Pro/E软件与专门开发的用于注射成型参数计算、模具设计和模具元件选择的模块集成在一起。系统界面使用参数化和基于CAD/CAE特征的数据库来简化设计、编辑和审阅过程。介绍了CAD/CAE集成注塑模具设计系统的总体结构和部分输出结果，该系统主要用于设计长度和宽度大于产品高度的普通型号模具。孙筠［23］以Pro/E软件完成模具组装、模型检验及建立分模面等设计任务。以3D塑料打气筒的模具设计为例，在Pro/E软件装配设计模块中完成了零件成品设计，将完成的零件成品进行组装，从模具厚度是否均匀、拔模角度是否合理等方面对模型进行检验，通过不断修改曲面特征完成分模面设计，以设计完成的分模面将模具装配模型分为公模和母模后进行开模仿真，完成了3D塑料打气筒的模具设计。得到的3D塑料充气筒模具模型以及塑料充气筒模型符合要求，证明Pro/E软件可以用于复杂塑料产品模具的设计。

综上所述，CAD技术在塑料加工及高分子成型过程中发挥着越来越重要的作用［24-25］，而模具及其设计是高分子原料与成品之间的纽带。