基于CAE技術的自行車快速卡具模具設計

摘 要:使用Moldflow軟件對自行車快速卡具的成型過程進行了模擬，如最佳澆口位置和缺陷等。根據產品的使用要求，預測了模具結構及注塑工藝中的問題并及時修改，在UG Moldwizard的基礎上完成了模具設計。實踐證明，在自行車快速卡具的模具設計中使用CAD與CAE技術相結合的手法，使得模具設計變得快捷、準確，并且在模具制造之前就可以優化模具結構、工藝參數，提高了工作效率。關鍵詞:CAE; Moldflow; 自行車快速卡具; 模具設計

中圖分類號:TN911-34; TP311文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)16-0020-03

Mold Design of CAE-based Rapid Fixture for Bicycle

QIAO Yu-bing1， JIA Yi-chao2， LIU Xing-gang1

(1. Zhangjiakou Vocational and Technical College， Zhangjiakou 075000， China;

2. School of Material Science and Technology， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China)

Abstract: The best gate location and defects existing in forming process of the rapid fixture for bicycle were simulated with Moldflow software.According to the application requirements of products， the problems which possibly occurs in the mold structure and the forming technology are predicted and solved on time. The mold design is completed based on UG Moldwizard. The practice proves that the combination of CAD and CAE can make the mold design of the rapid fixture fast and accurate， the mold structure and the injection parameters can be optimized before the mold is produced， and the working efficiency can be improved.Keywords: CAE; Moldflow; injection mold; mold design

0 引 言

在工業生產中，注塑工藝得到了越來越廣泛的應用。但是，塑料產品從設計到成型是一個復雜的過程，包括塑料制品設計、模具結構設計、模具加工制造和模塑生產等幾個方面。傳統的注射產品開發及其模具設計依靠設計人員的經驗進行，從設計到修改再到設計，需要反復迭代，不斷優化。若在設計模具過程中用上CAE技術，就可以提早發現設計中存在的缺陷，從而保證模具設計的合理性，減少甚至避免修模，不僅可以提高產品質量，而且可以提高模具設計一次成功的幾率，從而大大減少了修模的次數，節約了時間和成本。因此，模具CAE 技術越來越受重視。隨著計算機水平的不斷發展，CAE技術將會越來越完善，在模具制造業中必然會占有舉足輕重的地位，它與CAD/CAM技術結合，已經成為模具設計的主流方法[1-4]。

1 注塑模CAE技術

注塑模CAE技術是以計算機模擬為手段，將產品設計、生產實驗、工藝分析融合到產品開發過程，依靠有限元法來分析塑料注塑過程并完成模具優化設計，進行產品設計、制造、工程分析、仿真、試驗等信息處理，并包含相應數據與數據管理系統在內的計算機輔助設計綜合系統。主要包括填充分析、流動分析、冷卻分析、翹曲分析等[5-6]內容。

2 模具設計

如圖1(a)所示，該產品主要應用在國外自行車上，使用這套快速卡具，可以很方便地裝卸自行車的車載箱，根據需要可以快速更換不同規格的車載箱。

產品的裝置結構如圖1(b)所示，零件1與自行車相連，零件3代表車載箱或其他自行車配件，當零件3向零件1靠近時，零件2在壓力作用下向下運動，最終零件2的凸起部分將在彈簧的彈力下卡入零件3的特殊結構中，使車載箱固定住。

2.1 前期處理

快速卡具表面要求平整光滑，在實際使用中能夠承受一定的重量，因此產品需要具有一定的強度和硬度。根據常用塑料的基本特性、成型特點以及工藝參數，決定選擇聚丙烯(PP)。它具有優良的機械性能和耐熱性能，使用溫度范圍-30～+140 ℃。幾乎不吸水，耐腐蝕;強度、硬度及彈性均適宜該產品。

圖1 產品示意圖

用UG軟件做產品的三維造型，并以STL文件格式導入CAE軟件Moldflow中。采用fusion網格進行劃分，得到17 834個三角單元。選擇注塑材料，初始條件先設定為該材料默認的工藝參數:模具溫度為80 ℃;熔體溫度為280 ℃。

2.2 最佳澆口位置

澆口位置會影響到塑料熔體在模具型腔內的流動，若設置不當，會影響到塑件的外觀質量和內部缺陷[7]。首先要通過最佳澆口位置分析確定出開設澆口的大概位置，再通過之后的各項分析來驗證澆道設計是否合理。圖2為Moldflow澆口位置分析，圖中深色部分為最佳澆口位置，淺色其次。

圖2 最佳澆口位置示意圖

綜合考慮CAE分析結果及模具結構，澆口位置選擇在圖2下圖的中間區域。從產品的使用要求來講，澆口處所留下的疤痕會被自行車附件所掩蓋住，不會有外觀上的缺陷，因此不會影響到產品外表面的美觀。

2.3 充填分析

充填分析為模擬塑料從注塑開始到模腔被填滿的整個過程，從模擬結果中可以分析出氣穴、熔接痕等缺陷的位置，從而可以判斷在初始工藝參數下，熔體在型腔內填充是否合理，并分析原因加以優化。

按初始的工藝條件，模擬塑件的冷卻過程，如圖3所示。由塑件的冷卻時間可以看出，溫度場分布不均勻，通孔周圍的冷卻時間較慢，需要超過2 min的時間，該處的冷卻效果不理想。因此在模具設計時需要在此處增加冷卻水道，加強此處的冷卻效果，使產品整體處于均勻冷卻狀態。

在該工藝條件下生產時可能會出現如圖4所示的缺陷，產品有明顯的氣穴和熔接痕，這些缺陷會導致產品的強度下降，嚴重影響外觀[8]。由圖可以看出，如果產品上有氣穴存在，注射過程中可能會有困氣現象。但在模具的分型面和側抽芯機構附近，可以忽略，因為這些地方的氣體可以通過模具的縫隙排出，如果在產品頂部，則需要在此處開設排氣系統。另外，出現熔接痕和氣穴，通常是由于塑件結構不合理或熔體和模具的溫度較低，注射壓力和注射速度低，澆口位置不合理等原因造成的[9]。因此通過調整注射工藝，適當地增加注射壓力和速度來彌補有熔接痕的缺陷。

圖3 冷卻時間

圖4 缺陷位置

2.4 模具設計

該產品屬于帶有側孔類零件，因此模具設計時還需要安裝一套斜導柱側向抽芯機構，如圖5所示。開模時，在動模部分后退的過程中，開模力通過斜導柱作用于側型芯滑塊，型芯滑塊隨著動模的后退在動模的導滑槽內向外滑動，直至滑塊與塑件完全脫開，側抽芯動作完成。塑件包在凸模上繼續后移，直至注塑機與模具推板接觸，推出機構開始工作，推桿將塑件從凸模上推出。合模時，借助彈簧使推出機構先復位，斜導柱使型芯滑塊向內移動，最后完成合模。

圖5 側抽芯機構

UG MoldWizard模塊是針對于注塑模設計的軟件。設計者只需根據一個產品的三維實體造型，就可以建立一套與產品造型參數相關的三維實體模具，包括了模腔布置、澆注系統、冷卻系統、模具零件等，使用起來非常方便[10]。該次設計利用UG MoldWizard軟件并綜合了Moldflow分析結果，完成了模具設計，如圖6所示。

圖6 模具結構示意圖

3 結 語

注射模的澆口位置注塑工藝參數會對塑件的質量有很大影響，模具設計時運用Moldflow軟件可以預先模擬出快速卡具的生產過程，分析工藝參數對其質量的影響，并及時修改了工藝參數和模具結構。在快速卡具的模具設計中，將UG中的注塑模設計模塊和Moldflow強大的CAE分析功能綜合使用，避免了模具設計完成后反復試模和修模的過程，提高了模具的開發效率，降低了成本。

參考文獻

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