基于CAD／CAE／CAM技術(shù)的電話機(jī)注塑模設(shè)計(jì)

周慧蘭，匡唐清，湯學(xué)輝

（華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌330013）

基于CAD／CAE／CAM技術(shù)的電話機(jī)注塑模設(shè)計(jì)

周慧蘭，匡唐清，湯學(xué)輝

（華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌330013）

介紹了Pro／E在注射模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和基于Moldflow軟件的注射成型分析以及在UG環(huán)境下的CAM模擬。通過(guò)實(shí)例闡述了采用CAD／CAE／CAM技術(shù)進(jìn)行電話機(jī)注塑模的設(shè)計(jì)和分析過(guò)程，并運(yùn)用UG軟件對(duì)該零件型腔進(jìn)行了加工刀路設(shè)計(jì)，模擬了數(shù)控加工過(guò)程。采用CAD／CAE／CAM技術(shù)可以縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

注塑模；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)輔助分析；計(jì)算機(jī)輔助制造；電話機(jī)

0 前言

隨著注塑制品的廣泛應(yīng)用，其形狀結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，外觀的要求也日益提高，傳統(tǒng)的二維模具設(shè)計(jì)及傳統(tǒng)的模具加工方法無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代化和集成化生產(chǎn)的要求。利用先進(jìn)的模具CAD／CAE／CAM技術(shù)［1－2］來(lái)提高模具的設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短模具設(shè)計(jì)及制造周期、提高塑料制品質(zhì)量，對(duì)于注塑模技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

1 注塑模CAD／CAE／CAM

圖1 注塑模CAD／CAE／CAM流程圖Fig.1 Chart of injection mould based on CAD／CAE／CAM

注塑模CAD／CAE／CAM系統(tǒng)的流程如圖1所示。由于注塑模CAD／CAE／CAM 要求對(duì)注塑件進(jìn)行幾何造型，注射模CAD采用美國(guó)PTC公司的Pro／E［3］軟件作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該軟件造型和分模工具強(qiáng)大，且容易掌握；注塑模CAE采用Moldflow公司的Moldflow軟件［4］；注射模CAM采用UG軟件［5］。Pro／E軟件提供了豐富的接口函數(shù)，可通過(guò)iges、stl、step、dxf、dwg等標(biāo)準(zhǔn)輸出格式與其他CAD／CAE／CAM軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

1.1 Pro／E在注塑模CAD中的應(yīng)用

Pro／E具有強(qiáng)大的曲面和實(shí)體造型功能以及彎身的模具設(shè)計(jì)功能。利用Pro／E中的Moldesign模塊，可從塑料制件的三維實(shí)體模型建立起模具模型，設(shè)計(jì)分型面、澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)等，生成模具成型零件的三維實(shí)體模型，從而快速完成塑料模具成型零件的設(shè)計(jì)工作。此外，使用Pro／E的外掛軟件EMX4.1［3］可快速設(shè)計(jì)和修改模架。應(yīng)用Pro／E進(jìn)行注塑模設(shè)計(jì)的基本流程如圖2所示。

圖2 注塑模的Pro／E設(shè)計(jì)流程Fig.2 Chart of injection mould based on Pro／E

1.2 采用Moldflow軟件進(jìn)行注射成型分析

MoldFlow軟件提供強(qiáng)大的分析功能，可以對(duì)塑料制品和模具進(jìn)行深入分析。該軟件可在計(jì)算機(jī)上對(duì)整個(gè)注射成型過(guò)程進(jìn)行模擬分析，包括填充、保壓、冷卻、翹曲、纖維取向、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和收縮，以及氣體輔助成型分析等。采用Pro／E造型后，產(chǎn)品信息及模具有關(guān)信息可通過(guò)stl格式文件傳入Moldflow中，在Moldflow中進(jìn)行流動(dòng)、冷卻、翹曲等分析后，又將注塑模CAE分析結(jié)果反饋到注塑模CAD中，為設(shè)計(jì)者提供工程模擬的結(jié)果，指導(dǎo)其檢查和修改設(shè)計(jì)，避免后期實(shí)際試模、生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)不合格的產(chǎn)品，保證試模一次成功，節(jié)省了模具開(kāi)發(fā)的時(shí)間和費(fèi)用。

1.3 UG平臺(tái)下的注射模CAM

在Moldflow中分析合理后，可開(kāi)始進(jìn)行注塑模的CAM處理，在Pro／E中提取相關(guān)的加工信息，通過(guò)iges或step格式轉(zhuǎn)換到UG軟件中即可進(jìn)行模擬加工。

注塑模CAM采用UG軟件進(jìn)行分析，UG軟件是美國(guó)UGS公司研制開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，是一個(gè)功能強(qiáng)大的CAD／CAM／CAE應(yīng)用軟件，幾乎可以完成所有常規(guī)的簡(jiǎn)單和復(fù)雜形狀零件的加工，可以接收多種轉(zhuǎn)換格式的文件并進(jìn)行處理。所支持的加工方法包括型腔銑、平面銑、固定軸輪廓銑（曲面銑）、插削、孔加工及多坐標(biāo)銑削、車削、線切割等。后處理工具支持多種類型的數(shù)控機(jī)，運(yùn)用UG軟件能完成刀具路徑的生成、加工模擬仿真、數(shù)控程序生成以及與數(shù)控機(jī)床進(jìn)行通訊，完成數(shù)據(jù)傳輸，最終完成零件的加工。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 Pro／E平臺(tái)下的注射模CAD

圖3給出某公司大批量生產(chǎn)的塑料電話機(jī)的產(chǎn)品3D圖。首先，按照?qǐng)D2所示的模具設(shè)計(jì)流程，利用Pro／E的Moldesign模塊進(jìn)行塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)收縮率后，確定分模方向以及分型面設(shè)計(jì)方案，最后自動(dòng)生成模具型腔和型芯零件；然后進(jìn)行模具開(kāi)啟和干涉檢查；最后導(dǎo)入EMX4.1軟件形成完整的模架裝配［6－7］。設(shè)計(jì)的模架如圖4所示。

圖3 電話機(jī)的3D圖Fig.3 3Dimage for telephone

圖4 電話機(jī)模架爆炸圖Fig.4 Exploded diagram for mould base of telephone

2.2 注射模CAE分析

由于塑件的結(jié)構(gòu)特性，成型方案采取1模1腔的結(jié)構(gòu)形式，側(cè)向抽芯。成型方案確定后，采用Moldflow軟件進(jìn)行CAE分析，一般進(jìn)行最佳澆口、充填、流動(dòng)、冷卻分析。

2.2.1 最佳澆口分析

在模具設(shè)計(jì)之前應(yīng)該分析塑件的澆口位置，但無(wú)論采用什么形式的澆口，開(kāi)設(shè)的位置對(duì)塑件的成型性能及成型質(zhì)量都影響很大，因此合理選擇澆口位置是提高塑件成型質(zhì)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，采用Moldflow軟件進(jìn)行最佳澆口分析，依據(jù)分析結(jié)果設(shè)置澆口位置，從而避免由于澆口位置不當(dāng)引起的制件缺陷。

圖5中藍(lán)色位置為最佳的澆口位置，從圖5可以看出，澆口最佳位置設(shè)置在制件直角一側(cè)的最厚處。Moldflow分析出來(lái)的結(jié)果直接利用到澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

圖5 最佳澆口位置Fig.5 The best gate location

2.2.2 充填分析

確定最佳澆口位置后，進(jìn)行成型工藝窗口分析。該產(chǎn)品的材料采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS），牌號(hào)為Cycolac CTB3505，其最大許用剪切應(yīng)力為0.28MPa，最大許用剪切速率為12000s－1，推薦的成型工藝參數(shù)為：模溫范圍為48～65℃、料溫范圍為193～240℃。成型窗口分析結(jié)果所推薦的工藝參數(shù)為：模溫為65℃，料溫為240℃，注射時(shí)間為1s，接近該材料所推薦的成型模溫和料溫范圍的邊緣值，不合適。調(diào)整模溫和熔體溫度，查看質(zhì)量圖（如圖6所示），并結(jié)合成型窗口區(qū)域切片（如圖7所示）及其他結(jié)果，確定獲得最佳的工藝參數(shù)組合為：模溫為57℃，料溫為218℃，注射時(shí)間為1s。對(duì)應(yīng)的其他結(jié)果是：注射壓力為57.35MPa，最長(zhǎng)冷卻時(shí)間為12s，均較小且滿足要求。

圖6 質(zhì)量XY圖Fig.6 Quality result

圖7 成型窗口區(qū)域切片F(xiàn)ig.7 Zone result

按成型窗口分析確定的最佳工藝條件進(jìn)行充填分析，充填流率為72.3cm3／s。圖8為充填時(shí)間圖，制件經(jīng)過(guò)1.115s充滿，制件四角部位最后充填。

圖8 充填時(shí)間圖Fig.8 The filling time

2.2.3 冷卻分析

結(jié)合成型窗口分析結(jié)果，確定其工藝設(shè)置為：料溫為218℃，模溫為57℃，注射-保壓-冷卻時(shí)間為30s，冷卻水溫為25℃。經(jīng)分析調(diào)整，確定的水路布置如圖9所示。這種冷卻水路布置可使型腔主體溫度分布較均勻，絕大部分的溫度在40℃左右，如圖10所示，接近設(shè)定的模溫，由此可見(jiàn)，該冷卻系統(tǒng)布局能滿足塑件主體冷卻的要求。

圖9 冷卻回路Fig.9 The cooling circuit

圖10 模具溫度Fig.10 Temperature of mould是

2.3 UG數(shù)控加工模擬

在完成電話機(jī)注塑模的CAD／CAE分析后，可開(kāi)始進(jìn)行注射模的CAM數(shù)控加工，在Pro／E中提取相關(guān)的加工信息，通過(guò)iges或step導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件中即可進(jìn)行模擬加工。設(shè)置有關(guān)參數(shù)，編輯好后處理文件，就可以自動(dòng)生成加工程序并傳輸至數(shù)控機(jī)床完成加工，可提高工作質(zhì)量和效率。以型腔為例進(jìn)行加工模擬及數(shù)控編程。

電話機(jī)注塑模型腔的加工路線和刀具選擇如下：

（1）粗加工型腔面和所有外表面：該模具需要去除大量的材料，首先應(yīng)用型腔銑對(duì)整個(gè)型腔進(jìn)行粗加工，根據(jù)零件的尺寸選擇直徑為10的端銑刀；

（2）半精加工型腔面：由于粗加工使用較低的轉(zhuǎn)速、大量的進(jìn)給，并留有較大的加工余量，因此需要對(duì)型腔進(jìn)行半精加工，由于零件曲面較多，選擇半徑為3的球銑刀進(jìn)行加工；

（3）精加工溝槽：如圖11所示，由于前面選用的刀具較大，刀具進(jìn)不去，必須對(duì)溝槽進(jìn)行單獨(dú)的精加工，應(yīng)用平面銑進(jìn)行溝槽精加工，選用直徑為8的端銑刀；

（4）精加工平面：型腔的分型面、底面都有平面，使用平面銑對(duì)所有的平面進(jìn)行精加工，選用端銑刀；

（5）精加工側(cè)面：應(yīng)用型腔銑對(duì)側(cè)面進(jìn)行精加工，選用直徑為10的端銑刀；

（6）精加工所有曲面：由于半精加工選用的刀具無(wú)法切削鍵盤(pán)區(qū)按鍵之間的區(qū)域，滿足不了曲面的質(zhì)量要求，必須用小點(diǎn)的刀具進(jìn)行精加工，采用直徑為3的球銑刀。

3 結(jié)論

圖11 電話機(jī)型腔零件Fig.11 Parts for cavity of telephone

圖12 電話機(jī)模擬加工Fig.12 Simulating processing for telephone

（1）利用Pro／E軟件中的Moldesign模塊進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了抽象二維模具設(shè)計(jì)向直觀三維模具設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變，加快了設(shè)計(jì)進(jìn)程，縮短了設(shè)計(jì)周期；

（2）利用CAE軟件對(duì)不同工藝條件下的塑料注射成型過(guò)程進(jìn)行模擬，可以優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和注射工藝參數(shù)，減少試模時(shí)間；

（3）從模具CAD中提取相關(guān)加工信息轉(zhuǎn)換到UG軟件中，根據(jù)模具零件的特點(diǎn)，擬定數(shù)控加工工藝，進(jìn)行數(shù)控編程，將生成的加工程序輸送到數(shù)控加工中心或數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)加工；

（4）基于CAD／CAE／CAM的注塑模設(shè)計(jì)是模具設(shè)計(jì)、制造的發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)了模具設(shè)計(jì)、成型工藝優(yōu)化、模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模具加工的全部集成，縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，提高了模具的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

［1］ 李德群，肖祥芷.模具CAD／CAE／CAM的發(fā)展概況及趨勢(shì)［J］.模具工業(yè)，2005，（7）：9－12.

Li Dequn，Xiao Xiangzhi.General Situation and Development Trendency of CAD／CAE／CAM for Die ＆Mould［J］.Die ＆Mould Industry，2005，（7）：9－12.

［2］ 朱征，郭志全.模具CAD／CAM的現(xiàn)狀和發(fā)展［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2003，16（2）：1－2.

Zhu Zheng，Guo Zhiquan.The Investigation and Application of Mould for CAD／CAM［J］.Mechanical Research ＆Application，2003，16（2）：1－2.

［3］ 周慧蘭.Pro／Engineer Wildfire 4.0中文版模具設(shè)計(jì)與制造實(shí)用教程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：1－3.

［4］ 王剛，單巖.Moldflow模具分析應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005：10－15.

［5］ 高長(zhǎng)銀，吳曉玲.UGNX5.0中文版整機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007：91－98.

［6］ 周慧蘭.螺紋套筒注塑模設(shè)計(jì)［J］.工程塑料應(yīng)用，2008，36（2）：61－63.

Zhou Huilan.Design of Injection Mould for Tread Thimble［J］.Engineering Plastics Application，2008，36（2）：61－63.

［7］ 周慧蘭，周新建，劉明財(cái).正-斜雙聯(lián)齒輪四板注塑模設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)塑料，2010，24（3）：105－107.

Zhou Huilan，Zhou Xinjian，Liu Mingcai.Design of Fourplate Injection Molds of Spur－h(huán)elical Gears［J］.China Plastics，2010，24（3）：105－107.

Design of Injection Mould for Telephone Based on CAD／CAE／CAM

ZHOU Huilan，KUANG Tangqing，TANG Xuehui

（Key Laboratory of Ministry of Education for Conveyance and Equipment，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Applications of Pro／E in the injection mould design，Moldflow in the injection molding analysis，and UG in mould forming parts were introduced.Using the design of telephone as a model，the technology of injection mould design and analysis with CAD／CAE／CAM was elaborated in details，and then tool path simulation of telephone cavity could be gained in UG.By means of CAD／CAE／CAM tool，the injection mould design cycle could be induced and the quality could be increased greatly.

injection mould；computer aided design；computer aided engineering；computer aided manufacturing；telephone

TQ320.66＋2

B

1001－9278（2012）02－0063－05

2011－09－06

聯(lián)系人，hlanz＠tom.com

（本文編輯：李瑩）