基于CAE 的注塑模具结构优化设计

现代制造技术与装备２００６第１期总第１７０期基于ＣＡＥ的注塑模具结构优化设计庞继伟王广勇（济南铁道职业技术学院，济南２５００１３）摘要：为了缩短模具开发周期，降低模具成本及提高模具质量，越来越多的模具企业开始使用计算机辅助工程（ＣＡＥ）技术进行注塑模具结构的优化设计。

本文首先介绍了ＭｏｌｄＦｌｏｗ和Ｐｒｏ／ＰｌａｓｔｉｃＡｄｖｉｓｏｒ的功能和应用，然后介绍了利用ＰｌａｓｔｉｃＡｄｖｉｓｏｒ对某制件进行了浇口优化设计的过程。

关键词：计算机辅助工程ＭｏｌｄＦｌｏｗＰｌａｓｔｉｃＡｄｖｉｓｏｒＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎｏｆＩｎｊｅｃｔｉｏｎＭｏｌｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅＢａｓｅｄｏｎＣＡＥＰＡＮＧＪｉｗｅｉ，ＷＡＮＧＧｕａｎｇｙｏｎｇ（ＪｉｎａｎＲａｉｌｗａｙＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉｎａｎ２５００１３）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｙｃｌｅａｎｄｔｈｅｃｏｓｔｏｆｔｈｅｍｏｌｄ，ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｍｏｌｄｑｕａｌｉｔｙ，ｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｍｏｌｄｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓｓｔａｒｔｔｏｕｓｅｔｈｅＣＡＥｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｍｏｌｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｆｉｒｓｔｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＭｏｌｄＦｌｏｗａｎｄＰｒｏ／ＰｌａｓｔｉｃＡｄｖｉｓｏｒ，ｔｈｅｎｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｕｓｉｎｇＰｌａｓｔｉｃＡｄｖｉｓｏｒｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｇａｔｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＡＥ，ＭｏｌｄＦｌｏｗ，ＰｌａｓｔｉｃＡｄｖｉｓｏｒ１引言随着科技的发展，现代模具工业已发展成为技术密集型的产业。

ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ技术、数控加工技术等在模具工业中得到了越来越广泛的应用。

其中计算机辅助工程（ＣＡＥ）技术的出现，改变了长期以来模具设计主要依赖个人经验，设计过程中试模次数多、周期长甚至导致模具报废，模具研发成本大的情况。

通过ＣＡＥ的数值仿真技术，模具研发者可以在模具生产出来之前仅仅是利用产品的ＣＡＤ模型就可对模具成型过程进行工艺性分析，从而可以预先发现可能出现的问题，减少试模次数，缩短研发周期；可以进行优化设计，获得最佳工艺方案和工艺参数，提高生产效率和产品质量；可以查找制件缺陷的产生原因等。

ＣＡＥ技术的应用大大提高了模具企业适应市场需求的能力。

２应用软件塑料模具行业中ＣＡＥ技术主要应用在塑料成型模拟方面。

ＭｏｌｄＦｌｏｗ和ＰｌａｓｔｉｃＡｄｖｉｓｏｒ是塑料模具行业常用的塑料成型模拟软件。

ＭｏｌｄＦｌｏｗ是著名的专业塑料成型模拟软件，其ＭＰＩ（ｍｏｌｄｆｌｏｗｐｌａｓｔｉｃｉｎｓｉｇｈｔ）部分功能十分强大，包括流动分析、冷却分析、收缩分析、翘曲分析、结构应力分析、注射工艺参数优化设计等功能。

流动分析功能模拟了塑料熔体在整个注塑过程中的流动情况，设计人员可以通过模拟结果获得型腔温度、型腔压力等工艺参数，可以观察熔料推进过程，确定熔接痕出现位置、气穴出现位置，从而可以优化浇口位置和加工参数、为进行排气系统的设计提供依据、预测制件可能出现的缺陷、获得方案改进的方法。

冷却分析功能可以进行模具冷却系统的优化设计，包括管道数目、位置、冷却工艺参数等。

收缩分析和翘曲分析可以进行塑件各个方向收缩情况的分析，从而预测缩痕；可以计算因冷却和收缩不均而产生的翘曲变形量，并指出引起翘曲的主因。

纤维取向分析功能可以使技术人员清晰地看到纤维取向在制件的各个部位的分布，从而获得制件的刚度信息。

Ｐｒｏ／ＰｌａｓｔｉｃＡｄｖｉｓｏｒ（塑料顾问）是Ｐｒｏ／ｅｎｇｉｎｅｅｒ软件的选项模块，可以进行材料类型选择和浇口位置设置，通过充模动画描述充模过程、熔合线位置和气泡可能出现的位置，模拟塑料熔体的流动、２６型完毕后的料头处理也会影响产品外观。

从上面的模流分析图中我们可以清楚地看出，采用侧浇口进浇会存在很明显的充填不足现象，另外也有流料不均的情形产生。

如果在试模时为了达到充模饱满的目的而人为加大成型时的注射压力和射出速度，导致出现过大的注射压力，极有可能造成模具涨模现象，严重影响模具寿命。

从下面的三张模流分析图可以看到，采用点浇口的成型状况明显优于前两个进浇方案。

在流料均匀性方面明显比单点进浇时平均了许多，充填不足的现象也没有了。

但是，从压力分布图上我们可以看出其压力分布仍然不够均匀，我们可以在模具设计时通过控制进浇点的大小来调整压力分布，达到压力分布均匀的目的。

（下转第３０页）设计与研究图３侧浇口模流分析图图２直接浇口模流分析图保压、冷却过程，对制品可能发生的翘曲进行预测等功能。

通过注塑成型分析获得的信息对模具结构的优化设计具有非常重要的指导意义。

３设计实例在注射模的设计过程中，浇口的设计是整个模具设计的基础工作。

浇口形式和位置确定的是否合理是非常关键的。

传统的设计过程中，浇口的设计主要依靠经验，设计结果无把握。

利用上述的ＣＡＥ软件，可以很好地解决这个问题。

下面以一笔记本外壳件为例，运用ｐｌａｓｔｉｃａｄｖｉｓｏｒ进行浇口位置的优化设计。

图１塑件图图１是利用ｐｒｏ／ｅｎｇｉｎｅｅｒ软件设计的笔记本外壳塑件图。

分析塑件图可知，本件的特点是壁厚较薄，结构繁杂，细小结构较多。

因此，对于其模具的设计来说，浇口方式和浇口位置的选择是非常重要的，这关系到所设计的模具能否正常充模，生产出合格的制件以及模具寿命的长短。

通过分析可知，本件可以有三种浇口设计方案。

第一种方案是采用直接浇口，即直接在塑件表面采用大点进浇。

第二种方案是采用侧浇口，在塑件的侧向非外观面侧向进浇。

第三种方案是采用点浇口，即在产品表面设置针孔浇口进行进浇。

前两种方案通过两板模即可实现，模具结构较简单。

第三种方案要通过三板模方能实现，模具结构稍复杂。

下面是利用Ｐｒｏ／ＰｌａｓｔｉｃＡｄｖｉｓｏｒ对三种进浇方案进行模具流动性分析的结果。

从下面三张模流分析图中我们可以很清楚的看出采用直接浇口所产生的成型问题点有充填过程塑料流动不均、充填压力分布不均及充填不足的状况。

充填不足自然导致成型缺陷，这是显而易见的。

另外，在塑料流动不均及压力分布不均的情形下，即使是成型饱模了，成型后的成品也会发生严重变形，出现废品。

再者，采用直接浇口，产品成２７（上接第２７页）!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!现代制造技术与装备２００６第１期总第１７０期通过上述对三种进浇方案的分析，我们可以知道，对于本薄壁复杂件，采用单点进浇是不合适的，很难达到流料均匀，充模饱满的结果。

由于压力的分布不均，塑件会产生不同程度的变形。

只有采用多点进浇并结合进浇点大小的调整才能达到比较理想的结果。

进浇形式和进浇位置的合理确定就为接下来的模具设计工作打下了良好的基础。

４结语包括ＣＡＥ技术在内的ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的应用水平，已经成为一个国家工业现代化水平的重要标志，ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的应用将进一步提升企业核心竞争力，使企业能够在成本、品质和效率等方面全面超越竞争对手。

参考文献：［１］李名尧主编．模具ＣＡＤ／ＣＡＭ．北京：机械工业出版社，２００４［２］单岩王蓓王刚编著．Ｍｏｌｄｆｌｏｗ模具分析技术基础．北京：清华大学出版社，２００４［３］张祥杰主编．实战ｐｒｏ／ｅｎｇｉｎｅｅｒ２００１模具设计．北京：中国铁道出版社，２００２图４点浇口模流分析图设曲柄角速度为ω＝３６０°／Ｓ，运动周期Ｔ＝３６０°／ω＝１Ｓ。

假设给定轨迹上１０个主要点的ｘ坐标和ｙ坐标与时间ｔ的对应关系如下表所示。

取优化计算的点数Ｎ＝１０，收敛精度ε＝１×序号１２３４５６７８９１０１１ｘ００．１０．２０．３０．４０．５０．６０．７０．８０．９１．０ｙ－５９．８－６１．６－９１．１－１５９．６－２２３．８－２４９．２－２０５．７－６９．７－４７－５８．９－５９．８ｔ－１７９－１５４．２－１３３．４－１０５．２－７３．１－６６．５－１５９－２５０．４－２４８－２１４．４－１７９１０－４，允差带宽度δ＝１×１０－３，最大迭代次数Ｉ＝１００，设设计变量上下限为：ｌ１ｍｉｎ＝１５ｌ１ｍａｘ＝６０ｌ２ｍｉｎ＝１００ｌ２ｍａｘ＝３００ｌ３ｍｉｎ＝７５ｌ３ｍａｘ＝２２０ｌ４ｍｉｎ＝３５ｌ４ｍａｘ＝１２０ｘ０ｍｉｎ＝２０ｘ０ｍａｘ＝６０ｙ０ｍｉｎ＝－２７０ｙ０ｍａｘ＝－９０选取初始点为：ｘ（０）＝［ｌ１（０），ｌ２（０），ｌ３（０），ｌ４（０），ｘ０（０），ｙ０（０），β０（０）］Ｔ＝［３０，２００，１５０，７０，４０，－１５０，２０°］Ｔ经迭代计算，优化结果为：ｘ＊＝［ｌ１＊，ｌ２＊，ｌ３＊，ｌ４＊，ｘ０＊，ｙ０＊，β０＊］Ｔ＝［５２，２１０，２１６，１１０，５１，－１９４，２６°］Ｔ最优值Ｆ（ｘ＊）＝１．７３７９８２×１０－２。

参考文献：［１］张济川．机械最优化设计及应用实例．北京：新时代出版社，１９９０。

［２］王永乐．优化设计基础．哈尔滨：黑龙江科技出版社，１９８３。

［３］曾昭华，付祥志．优化设计．北京：机械工业出版社，１９９２［４］ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＤｙｎａｍｉｃｓ，Ｉｎｃ．ＡＤＡＭＳ／ＳｏｌｖｅｒＲｅｆｅｒｅｎｃｅＭａｎｕａｌ．１９９４－１１３０。