基于CAD／CAE／CAM技術的電話機注塑模設計

周慧蘭，匡唐清，湯學輝

（華東交通大學載運工具與裝備教育部重點實驗室，江西南昌330013）

基于CAD／CAE／CAM技術的電話機注塑模設計

周慧蘭，匡唐清，湯學輝

（華東交通大學載運工具與裝備教育部重點實驗室，江西南昌330013）

介紹了Pro／E在注射模具設計中的應用和基于Moldflow軟件的注射成型分析以及在UG環境下的CAM模擬。通過實例闡述了采用CAD／CAE／CAM技術進行電話機注塑模的設計和分析過程，并運用UG軟件對該零件型腔進行了加工刀路設計，模擬了數控加工過程。采用CAD／CAE／CAM技術可以縮短產品的開發周期，提高設計質量。

注塑模；計算機輔助設計；計算機輔助分析；計算機輔助制造；電話機

0 前言

隨著注塑制品的廣泛應用，其形狀結構越來越復雜，外觀的要求也日益提高，傳統的二維模具設計及傳統的模具加工方法無法適應現代化和集成化生產的要求。利用先進的模具CAD／CAE／CAM技術［1－2］來提高模具的設計質量、縮短模具設計及制造周期、提高塑料制品質量，對于注塑模技術的發展具有重要意義。

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系統的流程如圖1所示。由于注塑模CAD／CAE／CAM 要求對注塑件進行幾何造型，注射模CAD采用美國PTC公司的Pro／E［3］軟件作為產品設計和模具設計的開發平臺，該軟件造型和分模工具強大，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，可通過iges、stl、step、dxf、dwg等標準輸出格式與其他CAD／CAE／CAM軟件實現數據交換。

1.1 Pro／E在注塑模CAD中的應用

Pro／E具有強大的曲面和實體造型功能以及彎身的模具設計功能。利用Pro／E中的Moldesign模塊，可從塑料制件的三維實體模型建立起模具模型，設計分型面、澆注系統及冷卻系統等，生成模具成型零件的三維實體模型，從而快速完成塑料模具成型零件的設計工作。此外，使用Pro／E的外掛軟件EMX4.1［3］可快速設計和修改模架。應用Pro／E進行注塑模設計的基本流程如圖2所示。

圖2 注塑模的Pro／E設計流程Fig.2 Chart of injection mould based on Pro／E

1.2 采用Moldflow軟件進行注射成型分析

MoldFlow軟件提供強大的分析功能，可以對塑料制品和模具進行深入分析。該軟件可在計算機上對整個注射成型過程進行模擬分析，包括填充、保壓、冷卻、翹曲、纖維取向、結構應力和收縮，以及氣體輔助成型分析等。采用Pro／E造型后，產品信息及模具有關信息可通過stl格式文件傳入Moldflow中，在Moldflow中進行流動、冷卻、翹曲等分析后，又將注塑模CAE分析結果反饋到注塑模CAD中，為設計者提供工程模擬的結果，指導其檢查和修改設計，避免后期實際試模、生產時出現不合格的產品，保證試模一次成功，節省了模具開發的時間和費用。

1.3 UG平臺下的注射模CAM

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

注塑模CAM采用UG軟件進行分析，UG軟件是美國UGS公司研制開發的產品，是一個功能強大的CAD／CAM／CAE應用軟件，幾乎可以完成所有常規的簡單和復雜形狀零件的加工，可以接收多種轉換格式的文件并進行處理。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、孔加工及多坐標銑削、車削、線切割等。后處理工具支持多種類型的數控機，運用UG軟件能完成刀具路徑的生成、加工模擬仿真、數控程序生成以及與數控機床進行通訊，完成數據傳輸，最終完成零件的加工。

2 應用實例

2.1 Pro／E平臺下的注射模CAD

圖3給出某公司大批量生產的塑料電話機的產品3D圖。首先，按照圖2所示的模具設計流程，利用Pro／E的Moldesign模塊進行塑件結構設計，設計收縮率后，確定分模方向以及分型面設計方案，最后自動生成模具型腔和型芯零件；然后進行模具開啟和干涉檢查；最后導入EMX4.1軟件形成完整的模架裝配［6－7］。設計的模架如圖4所示。

圖3 電話機的3D圖Fig.3 3Dimage for telephone

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

2.2 注射模CAE分析

由于塑件的結構特性，成型方案采取1模1腔的結構形式，側向抽芯。成型方案確定后，采用Moldflow軟件進行CAE分析，一般進行最佳澆口、充填、流動、冷卻分析。

2.2.1 最佳澆口分析

在模具設計之前應該分析塑件的澆口位置，但無論采用什么形式的澆口，開設的位置對塑件的成型性能及成型質量都影響很大，因此合理選擇澆口位置是提高塑件成型質量的一個重要環節，采用Moldflow軟件進行最佳澆口分析，依據分析結果設置澆口位置，從而避免由于澆口位置不當引起的制件缺陷。

圖5中藍色位置為最佳的澆口位置，從圖5可以看出，澆口最佳位置設置在制件直角一側的最厚處。Moldflow分析出來的結果直接利用到澆注系統設計中。

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，進行成型工藝窗口分析。該產品的材料采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS），牌號為Cycolac CTB3505，其最大許用剪切應力為0.28MPa，最大許用剪切速率為12000s－1，推薦的成型工藝參數為：模溫范圍為48～65℃、料溫范圍為193～240℃。成型窗口分析結果所推薦的工藝參數為：模溫為65℃，料溫為240℃，注射時間為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。調整模溫和熔體溫度，查看質量圖（如圖6所示），并結合成型窗口區域切片（如圖7所示）及其他結果，確定獲得最佳的工藝參數組合為：模溫為57℃，料溫為218℃，注射時間為1s。對應的其他結果是：注射壓力為57.35MPa，最長冷卻時間為12s，均較小且滿足要求。

圖6 質量XY圖Fig.6 Quality result

圖7 成型窗口區域切片Fig.7 Zone result

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

圖8 充填時間圖Fig.8 The filling time

2.2.3 冷卻分析

結合成型窗口分析結果，確定其工藝設置為：料溫為218℃，模溫為57℃，注射-保壓-冷卻時間為30s，冷卻水溫為25℃。經分析調整，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，接近設定的模溫，由此可見，該冷卻系統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數控加工模擬

在完成電話機注塑模的CAD／CAE分析后，可開始進行注射模的CAM數控加工，在Pro／E中提取相關的加工信息，通過iges或step導入UG軟件中即可進行模擬加工。設置有關參數，編輯好后處理文件，就可以自動生成加工程序并傳輸至數控機床完成加工，可提高工作質量和效率。以型腔為例進行加工模擬及數控編程。

電話機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，首先應用型腔銑對整個型腔進行粗加工，根據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速、大量的進給，并留有較大的加工余量，因此需要對型腔進行半精加工，由于零件曲面較多，選擇半徑為3的球銑刀進行加工；

（3）精加工溝槽：如圖11所示，由于前面選用的刀具較大，刀具進不去，必須對溝槽進行單獨的精加工，應用平面銑進行溝槽精加工，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，使用平面銑對所有的平面進行精加工，選用端銑刀；

（5）精加工側面：應用型腔銑對側面進行精加工，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法切削鍵盤區按鍵之間的區域，滿足不了曲面的質量要求，必須用小點的刀具進行精加工，采用直徑為3的球銑刀。

3 結論

圖11 電話機型腔零件Fig.11 Parts for cavity of telephone

圖12 電話機模擬加工Fig.12 Simulating processing for telephone

（1）利用Pro／E軟件中的Moldesign模塊進行模具結構設計，實現了抽象二維模具設計向直觀三維模具設計的轉變，加快了設計進程，縮短了設計周期；

（2）利用CAE軟件對不同工藝條件下的塑料注射成型過程進行模擬，可以優化模具結構和注射工藝參數，減少試模時間；

（3）從模具CAD中提取相關加工信息轉換到UG軟件中，根據模具零件的特點，擬定數控加工工藝，進行數控編程，將生成的加工程序輸送到數控加工中心或數控銑床的控制系統進行自動加工；

（4）基于CAD／CAE／CAM的注塑模設計是模具設計、制造的發展方向，實現了模具設計、成型工藝優化、模具結構優化、模具加工的全部集成，縮短了產品的開發周期，提高了模具的設計質量。

［1］ 李德群，肖祥芷.模具CAD／CAE／CAM的發展概況及趨勢［J］.模具工業，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的現狀和發展［J］.機械研究與應用，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中文版模具設計與制造實用教程［M］.北京：化學工業出版社，2011：1－3.

［4］ 王剛，單巖.Moldflow模具分析應用實例［M］.北京：清華大學出版社，2005：10－15.

［5］ 高長銀，吳曉玲.UGNX5.0中文版整機設計［M］.北京：電子工業出版社，2007：91－98.

［6］ 周慧蘭.螺紋套筒注塑模設計［J］.工程塑料應用，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.正-斜雙聯齒輪四板注塑模設計［J］.中國塑料，2010，24（3）：105－107.

Zhou Huilan，Zhou Xinjian，Liu Mingcai.Design of Fourplate Injection Molds of Spur－helical 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

聯系人，hlanz＠tom.com

（本文編輯：李瑩）