MoldFlow在《塑料成型與模具設(shè)計(jì)》課程教學(xué)中的應(yīng)用

劉平平

（天水師范學(xué)院機(jī)電與汽車(chē)工程學(xué)院，甘肅天水741000）

1 引言

《塑料成型與模具設(shè)計(jì)》是材料成型及控制工程專業(yè)（模具方向）的重要專業(yè)必修課程。該課程主要講述了注射成型的基本原理和普通注射成型模具的結(jié)構(gòu)、原理與設(shè)計(jì)方法，同時(shí)對(duì)其它注射成型工藝和較常用的壓注成型，擠出成型、氣動(dòng)成型等塑料成型工藝做了較詳細(xì)的介紹。塑料種類繁多，性能優(yōu)良，日益受到人們的重視，塑件在許多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，如汽車(chē)，電氣，家電等行業(yè)。目前塑料成型理論不斷的研究不斷深入，成型技術(shù)不斷完善，隨著行業(yè)的發(fā)展，對(duì)模具技術(shù)和成型工藝也提出了更高的要求。在應(yīng)用型本科辦學(xué)理念下，材料成型及控制工程專業(yè)（模具方向）的重要專業(yè)課程《塑料成型與模具設(shè)計(jì)》如果按照傳統(tǒng)的教學(xué)理念已經(jīng)無(wú)法滿足時(shí)代的要求。必須進(jìn)行必要改革，其中在課程中引入模流分析軟件和方法，能夠使課程更好的滿足時(shí)代發(fā)展的需要。

應(yīng)用型本科，是指以應(yīng)用技術(shù)類型為辦學(xué)定位，而不是以學(xué)術(shù)型為辦學(xué)定位的普通本科院校，是相對(duì)、區(qū)別于學(xué)術(shù)型本科的本科類型[1]。應(yīng)用型本科教育對(duì)于滿足中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，對(duì)高層次應(yīng)用型人才需要以及推進(jìn)中國(guó)高等教育大眾化進(jìn)程起到了積極的促進(jìn)作用[2]。教育部改革方向已經(jīng)明確：全國(guó)普通本科高等院校50%將轉(zhuǎn)設(shè)為應(yīng)用型本科院校[3~4]。

2 目前應(yīng)用型專業(yè)普遍存在的一些問(wèn)題

（1）強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)還未形成一致普遍的理念。

（2）適應(yīng)高素質(zhì)應(yīng)用型在應(yīng)用型本科辦學(xué)理念下，材料成型及控制工程專業(yè)（模具方向）的重要專業(yè)課程《塑料成型與模具設(shè)計(jì)》如果按照傳統(tǒng)的教學(xué)理念已經(jīng)無(wú)法滿足時(shí)代的要求。必須進(jìn)行必要改革，其中在課程中引入模流分析軟件和方法，能夠使課程更好的滿足時(shí)代發(fā)展的需要。

3 目前主要的模流分析方法及軟件

塑料模具可成型形狀復(fù)雜、精度要求高的塑件，且生產(chǎn)效率較高，成本低，塑件質(zhì)量較好。塑料成型是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。由于高分子材料本身的特性以及塑件的復(fù)雜性與特殊性，再加上技術(shù)人員的局限性等因素，在塑料成型時(shí)很難選擇最佳的高分子材料，很難精確地設(shè)置塑件最為合理的工藝參數(shù)，很難確定最優(yōu)的工藝方案。技術(shù)人員根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和簡(jiǎn)單計(jì)算設(shè)計(jì)模具、制定成型工藝，并通過(guò)試模判斷設(shè)計(jì)的合理性，以便后期不斷修正設(shè)計(jì)與制造缺陷。隨著新材料和新成型方法的出現(xiàn)，技術(shù)人員所面臨的問(wèn)題更加突出。復(fù)雜的精密模具，技術(shù)人員無(wú)法綜合作出判斷，于是引入計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，簡(jiǎn)稱CAE）成為必然。

塑料模具CAE技術(shù)為優(yōu)化模具設(shè)計(jì)、控制塑料成型過(guò)程、獲得理想的塑件提供科學(xué)依據(jù)和設(shè)計(jì)分析手段[5]。

目前常用的模流分析軟件有：

（1）Autodesk MoldFlow注射成型仿真分析軟件是全球公認(rèn)的注塑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是用戶首選的理想優(yōu)化工具。利用Autodesk MoldFlow，客戶可以在模具制造之前對(duì)塑件和模具的設(shè)計(jì)進(jìn)行充分的仿真、優(yōu)化和分析，并通過(guò)對(duì)材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)等方面的綜合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和低成本的完美結(jié)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)企業(yè)效益與社會(huì)效益的完全統(tǒng)一。

（2）Moldex3D軟件，Moldex3D是目前應(yīng)用最廣泛的高效能模流分析技術(shù)，除可以模擬分析熱塑性塑料在充填保壓、成型冷卻、纖維配向及塑件翹曲等注射成型情形外，還提供多材質(zhì)射出成型（MCM）或反應(yīng)射出成型（RIM）等特殊制程的模擬分析。

這兩款軟件，各自有自己的特點(diǎn)，在本校教學(xué)中，主要使用MoldFlow軟件進(jìn)行分析。

在模具設(shè)計(jì)中引進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)已經(jīng)成為必然，在設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)可以提高生產(chǎn)效率，保證塑件質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。尤其是在本科專業(yè)課程中引入此類軟件，更能使學(xué)生很好的掌握該課程的學(xué)習(xí)。

4 MoldFlow軟件在課程中的應(yīng)用

在《塑料成型與模具設(shè)計(jì)》課程中，成型工藝及模具設(shè)計(jì)是否合理，可以根據(jù)現(xiàn)有的知識(shí)進(jìn)行初步的判斷，但是判斷是否合理要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如此導(dǎo)致的后果將是極大的增加設(shè)計(jì)制造的成本，引入模流分析軟件之后，可以很形象的解決以上問(wèn)題，并且相對(duì)成本很低。MoldFlow軟件模流分析過(guò)程見(jiàn)圖1所示。

圖1 典型的流動(dòng)分析步驟

MoldFlow能夠?qū)ψ⑸涑尚蛷乃芗O(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)到成型工藝提供全面和并行的解決方案。

在塑料工藝及模具設(shè)計(jì)中，由于成型過(guò)程復(fù)雜，影響因素較多，所以依靠經(jīng)驗(yàn)很多設(shè)計(jì)或多或少都存在問(wèn)題?，F(xiàn)列舉幾個(gè)設(shè)計(jì)和工藝中的問(wèn)題，對(duì)這些問(wèn)題來(lái)說(shuō)，如果引入MoldFlow模流分析軟件，將大大簡(jiǎn)化過(guò)程，對(duì)于軟件來(lái)說(shuō)，其應(yīng)用途徑較多，現(xiàn)就幾個(gè)點(diǎn)舉例說(shuō)明。

（1）最小壁厚問(wèn)題。塑件的厚度應(yīng)同時(shí)滿足強(qiáng)度與剛度要求及工藝性要求。對(duì)成型工藝而言，冷卻時(shí)間與塑件壁厚的平方成正比，但當(dāng)壁厚小于0.5mm時(shí)，冷卻時(shí)間反而會(huì)延長(zhǎng)。壁厚過(guò)小，成型時(shí)流動(dòng)阻力大，熔體難以充滿型腔，脫模時(shí)易引起塑件變形。因此，塑件規(guī)定有最小壁厚值，它隨塑料品種及塑件大小不同而異，熱塑性及熱固性塑件最小壁厚及推薦壁厚有所不同。但壁厚也不能過(guò)大，否則不僅浪費(fèi)原料，降低生產(chǎn)率，而且容易產(chǎn)生氣泡、縮孔、凹陷等缺陷，影響塑件質(zhì)量。

塑件厚度確定時(shí)應(yīng)考慮因素：塑件的尺寸大小和結(jié)構(gòu)特性；塑件所受沖擊力的均勻分散程度和脫模斜度；塑件在使用、儲(chǔ)存和裝配過(guò)程中所需的強(qiáng)度；最終尺寸穩(wěn)定性和外觀；成型時(shí)的充模流動(dòng)性；脫模時(shí)塑件強(qiáng)度、變形、硬化、脫模等情況。

同一塑件的壁厚應(yīng)盡可能保持一致，否則會(huì)因冷卻不均而產(chǎn)生附加內(nèi)應(yīng)力，使塑件產(chǎn)生翹曲、縮孔、裂紋甚至開(kāi)裂。塑件局部過(guò)厚，其外表面會(huì)出現(xiàn)凹痕，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生氣泡。如果結(jié)構(gòu)要求必須有不同壁厚時(shí)，最小壁厚與最大壁厚的比值不應(yīng)超過(guò)1：3，且應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膱A弧過(guò)渡以減緩厚度的突然變化。

由此可以看出最小壁厚的選擇和判斷如果僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)和上述理論來(lái)說(shuō)很難完美，對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)難度將更大。

如果教學(xué)中引入模流分析軟件將大大降低分析難度，如姬和平[6]等優(yōu)化轎車(chē)?yán)^電器保險(xiǎn)盒蓋注射模通過(guò)MoldFlow模擬分析并確定澆口位置及塑件壁厚改善優(yōu)化，具體分析澆口位置、數(shù)量、壁厚對(duì)塑件的填充和缺陷的影響，通過(guò)分析得出了最佳壁厚，如果僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)將無(wú)法實(shí)現(xiàn)，從這個(gè)角度來(lái)看在課程中進(jìn)入模流分析軟件將是必然。也是符合工業(yè)發(fā)展的需求的。

（2）澆口位置選擇問(wèn)題。澆口位置關(guān)系到塑件的質(zhì)量，且和很多因素有關(guān)，在選擇澆口位置和類型時(shí)要注意下列問(wèn)題：①避免產(chǎn)生噴射流，良好的流動(dòng)充模應(yīng)保證型腔的均勻充填，并防止形成分層，熔體通過(guò)一個(gè)狹窄的澆口充填一個(gè)相對(duì)空曠的型腔時(shí)，將出現(xiàn)急流噴射，從而可能造成塑件表面缺陷、流痕、熔體破裂及夾氣；②考慮取向的影響，一般情況下，希望注射成型出的塑件各向同性，但塑料熔體在流動(dòng)充模時(shí)因受剪切作用會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)取向，使塑件在垂直于取向的方位上強(qiáng)度降低，并容易產(chǎn)生應(yīng)力開(kāi)裂，因此，設(shè)置澆口時(shí)，要盡量避免使熔體的取向方位與可能的受力方向垂直；③盡量縮短流動(dòng)距離，應(yīng)保證熔體迅速和均勻地充填型腔，不要使流程過(guò)長(zhǎng)，從而避免和減少因取向應(yīng)力和收縮不均造成翹曲，對(duì)于淺平的大型塑件，應(yīng)采用多個(gè)點(diǎn)澆口或薄片式澆口；④流動(dòng)距離應(yīng)該盡量平衡，對(duì)于體積較大的箱體或框形塑件，如果只能用一個(gè)澆口，應(yīng)盡量把澆口設(shè)置在能使熔體彎折減少、流程較短的部位；⑤應(yīng)有利于流動(dòng)和補(bǔ)縮，當(dāng)塑件壁厚相差較大時(shí)，為減少流動(dòng)阻力，保證壓力有效地傳遞到塑件厚壁部位以減少縮孔，應(yīng)把澆口開(kāi)設(shè)在塑件厚壁處，這樣還有利于填充補(bǔ)縮；⑥有利于排氣；⑦減少澆口對(duì)塑件外觀的影響；⑧減少熔接痕對(duì)塑件強(qiáng)度的影響，熔接痕是熔體在型腔中匯合時(shí)產(chǎn)生的接縫，熔體在形成接縫時(shí)的溫度越低，熔接痕的強(qiáng)度越低，從而影響塑件的使用性能，選擇澆口位置時(shí)，應(yīng)考慮熔接痕的數(shù)量、強(qiáng)度和方向；⑨避免料流擠壓細(xì)長(zhǎng)型芯；⑩不在承受彎曲或沖擊載荷的部位設(shè)置澆口。

由以上可以看出澆口位置的影響因素較多，對(duì)設(shè)計(jì)者和初學(xué)者來(lái)說(shuō)都較為困難，而引入MoldFlow軟件可以很好的解決上述問(wèn)題，極大的降低模具開(kāi)發(fā)難度和開(kāi)發(fā)周期，有利于模具成本的降低。

5 結(jié)束語(yǔ)

在應(yīng)用型本科的大環(huán)境下，作為工科專業(yè)的一門(mén)專業(yè)必修課來(lái)說(shuō)，僅僅依靠現(xiàn)有教學(xué)手段已經(jīng)無(wú)法滿足社會(huì)對(duì)專業(yè)的要求，必須引進(jìn)新的專業(yè)手段，在《塑料成型與模具設(shè)計(jì)》課程中，引進(jìn)模流分析軟件作為輔助教學(xué)的手段，可以有效提高課堂的質(zhì)量，對(duì)一些工藝和模具設(shè)計(jì)中無(wú)法量化的影響因素可以很好的模擬，對(duì)提高設(shè)計(jì)的可靠性和知識(shí)的理解具有很大的意義，無(wú)疑將會(huì)成為一個(gè)很好的嘗試。