CAD技術在塑料模具設計中的應用研究進展

李宇新，宋永昌

（開封技師學院，河南 開封 475000）

塑料模具賦予塑膠制品以完整的結構和精確的尺寸。注塑成型是生產具有特定形狀塑膠制品的常用方法［1］。隨著科技的快速發展，塑料制品的用途越來越廣，結構越來越復雜，更新換代的速度越來越快，給生產者和設計者提出了更高的要求，即不僅要提高生產效率，更要提高設計效率；不僅要提高產品質量，更要提高設計質量。隨著計算機技術的發展，過去那種主要靠經驗和手工的模具設計時代已經逐漸被計算機輔助設計（CAD）所取代。將CAD技術引入塑料模具設計，已經有數十年的發展歷史，近年來，CAD技術在塑料模具設計中的應用更加深入、更加廣泛。本文主要綜述了近年來CAD技術在塑料模具設計中的應用研究進展。

1 UG軟件在模具設計中的應用

1.1 UG軟件的應用

UG軟件是美國Siemens PLM Software公司推出的一個基于C語言開發的產品工程解決方案，它為用戶的產品設計及加工過程提供數字化造型和驗證手段，其開發始于1969年，可以輕松實現各種復雜實體及造型的建構［2］。UG軟件在塑料模具開發中占據重要位置。

李力等［3］基于UG平臺，開發了適于異型材擠出模具的CAD系統。以平開框制品的擠出模具設計為例，建立了基于封閉環識別的曲面快速設計方法，將封閉環識別與曲面設計相結合，規范了擠出模具的流道曲面設計流程，極大地提高了曲面設計效率，為不同形狀的環狀曲面設計提供了通用的解決方案。Li Li等［4］將Visual Studio 2010軟件與UG軟件集成，設計了塑料異型材擠出模具組的CAD系統。提出了基于特征識別的閉環識別算法、多閉環智能識別算法和多閉環匹配算法，實現了流道規則面的自動生成；提出了模具組的整體設計和自動生成方法，以利于不同結構和工藝孔的高效成形；提出了粒子群優化（PSO）算法以獲得零件的最佳位置和規格；開發了三個模塊（即整體草圖、整體流道和整體模具組），重點是將自動化設計方法集成于框架中。模具設計應用結果表明，開發的CAD系統不僅提高了擠壓模具的設計效率，而且提高了設計質量。張瑾婷等［5］針對塑料異型材擠出定型模具結構復雜、設計工作量大及準確性難以保證的問題，以UG軟件為平臺，結合Visual Studio軟件及面向對象的編程技術，開發了適于塑料異型材擠出模具的CAD系統。該系統通過定型模智能分節技術快速設計定型模具型腔，采用工藝結構分塊技術對草圖進行分組并記錄特征，利用基于重用庫的水氣路設計技術，自動生成定型模冷卻和真空吸附結構，最終成型出完整的定型模結構，提高了定型模設計效率。衛春娟［6］在UG軟件平臺上，采用參數化建模和UG表達式方法，構建了輪轂軸承保持架注塑模具各模塊的初始模型，完成了三維實體造型；在VC++6.0編程環境下，利用Microsoft Access2007軟件創建參數庫，將UG/Open二次開發工具、VC++與MFC PDBC數據庫訪問技術巧妙集成于CAD系統，實現了各模塊的參數化設計，設計的模具分型面的平直面與曲面、凸模與凹模均為組合形式，研發了一套功能全面、人機交互性強的輪轂軸承保持架注塑模具CAD系統。當給定輪轂軸承型號時，可獲得包括保持架在內的一系列軸承保持架注塑模的主要零部件，具有自動化和智能化的特點。Li Shan等［7］在UG軟件的CAD/MoldWizard/計算機輔助制造（CAM）組件平臺上，完成了吹風機殼體注塑模具設計和數控加工的全過程，介紹了該注塑模具的CAD/CAM過程，體現了UG平臺相對于傳統方法在注塑模具設計制造領域的巨大優勢。

黃浪［8］基于UG平臺，采用特征識別、基于事例的推理等方式，構建了基于特征的定型模具案例庫，將其融合于定型模具CAD建模系統中，實現了定型模具設計流程的規范化、特征的標準化，減少了對工程師經驗的依賴；在定型模具三維模型轉為工程圖領域，采用數字化設計手段，提出了基于四板塊模型的定型模具工程圖自動標注法，增強了利用三維制圖軟件平臺出工程圖的可操作性。

1.2 UG軟件與Moldflow軟件的聯合應用

吳文群［9］將CAD/計算機輔助工程（CAE）/CAM技術用于對講機外殼模具設計，采用UG8.0軟件創建了對講機外殼三維實體模型。根據對講機外殼的結構特點及要求，為了從模具型腔中順利取出成型模具，將內側抽芯機構與4面側向抽芯機構相結合，采用CAD技術完成了模具裝配圖和零件圖的繪制；利用Moldflow軟件的MPI/FOW模塊對制品的成型溫度、翹曲變形量、充填時間和壓力等進行了CAE分析，通過正交試驗對優化后的參數進行了成型驗證，獲得了合理的模具結構和成型工藝參數。張麗［10］以麥克風電池后蓋為研究對象，以UG軟件為工具，在對麥克風電池后蓋的模型、澆注系統及冷卻系統等進行分型設計的基礎上，通過塑料制件模架及其相關模具元件的設計，得到模具的三維裝配圖；再利用Moldflow軟件對塑件型腔的填充過程及注塑成型過程進行數值模擬和仿真，優化模具的澆注及冷卻系統；最后，將塑件的最大翹曲變形量作為指標，采用正交試驗考察熔體溫度、模具溫度、注射時間、保壓時間和保壓壓力等因素對成型產品質量的影響，得到最優的工藝參數。深圳市圣豐模具塑膠有限公司［11］設計了一種基于UG軟件和Moldflow軟件的塑料外殼注塑數控模具，解決了現有的塑料外殼注塑數控模具中過濾網直接焊接于進料斗中導致的拆裝不便的問題。以塑件翹曲變形量為優化目標，采用正交試驗對熔體溫度、模具溫度、注射時間、保壓時間和保壓壓力等因素進行了水平優化組合，獲得最優工藝參數組合。柳州通為機械有限公司［12］發明了一種基于Moldflow軟件的汽車盒體件注塑模具制造方法。該方法利用HyperMesh軟件快速產生網格指標優良的模型，利用Moldflow軟件對冷卻方案進行優化，基本解決了汽車盒體件的尺寸精度和表面飛邊問題，避免了重新開模帶來的成本和時間上的損失；隨后通過預測刀具變形，對誤差進行補償，在加工過程中，通過視覺檢測加工誤差，進一步對加工進行補償；通過兩次的誤差補償，提高了汽車注塑模具復雜曲面的加工精度；對模具選材和熱處理進行了合理優化，延長了模具使用壽命，降低了企業生產成本。

2 Moldflow軟件在模具設計中的應用

Moldflow軟件在塑料模具設計及制品中的應用主要有3種方式［13］：（1）模流分析。采用Moldflow軟件對注塑過程中基體的流動過程及其產生的結果進行全面考慮，因此在Moldflow軟件中就可以進行填充、保壓、冷卻、翹曲、纖維取向等分析。（2）聯合Moldflow軟件和Abaqus軟件進行模流分析和結構分析。因為注塑制品的結構分析并不能依靠一般注塑的CAE進行，還需要其他更合適的結構分析軟件，Abaqus軟件采用業內公認的功能最強的通用優秀有限元法，有限元法是一種為求解偏微分方程邊值問題近似解的數值技術，Abaqus軟件與Moldflow軟件直接接口進行模流分析和結構分析，已成為預測和驗證短纖維增強復合材料力學性能的有效手段。（3）聯合Moldflow軟件、Abaqus軟件、Digimat軟件進行模流分析和結構分析。在借助Moldflow軟件得到結構中纖維的分布及方向信息后，采用Digimat軟件完成纖維方向數據的映射，應用Abaqus軟件進行結構的有限元分析。然而，上述3種方法又各自存在一些問題：第一種方法，由于Moldflow軟件不是專業的結構分析軟件，只能對簡單模型進行一些簡單的結構分析，有時不能獲得想要的分析結果；第二種方法雖然可以對復雜結構進行結構分析，但是要求Abaqus軟件和Moldflow軟件的版本完全匹配，對用戶硬件的要求也較為苛刻，并且這種映射方法對于分析模型的網格有嚴格要求，靈活性不高，對于復雜結構件，映射成功率不高，同時成型分析和結構分析采用的材料性能沒有相關性，分析精度不高；第三種方法借助Digimat軟件構建材料細觀本構模型，根據材料包含的兩相直接推測出材料本構，實際工藝制作的材料的力學性能與預測的結果并不一致，將預測的本構模型帶入到結構中進行結構分析并不準確。

2.1 Moldflow軟件的應用

Moldflow軟件是一款塑料注塑成型仿真工具，用于驗證和優化塑料零件、注塑模具和注塑成型流程，幫助用戶在設計決策前完善模具設計方案和產品設計方案。

江蘇師范大學［14］公開了一種纖維增強復合材料的注塑工藝參數優化方法，其步驟為：（1）基于Moldflow軟件進行翹曲分析；（2）以翹曲變形量最小為目標，運用Plackett-Burman試驗設計方法從多個工藝參數中篩選出影響產品質量的顯著性因素作為設計變量，并采用Box-Behnken Design試驗設計方法合理設計試驗方案；（3）采用基于改進型神經網絡的PSO算法優化纖維增強復合材料塑件的注塑工藝。該方法能夠在減少試驗次數的前提下優化注塑成型的工藝參數，達到減少翹曲變形量、提高注塑制品質量的目的。

對于具有復雜曲面的產品，在注塑過程中，液體原料只能通過外部的壓力和液體流動注滿模腔，而模腔內空間較狹窄，且處于密封環境，很難形成要求的復雜曲面，降低了產品質量；由于產品表面為復雜曲面，完成定型后，在產品頂出時比較麻煩，需要操作人員的經驗和技巧，增加了操作人員負擔。為此，海鵬輝精密工業（深圳）有限公司［15］公開了一種基于Moldflow軟件的復雜曲面注塑模具，不僅注塑原料能夠均勻注入模具內部，而且定型后的產品可以快速頂出，避免了對曲面造成的損害，不僅提高了產品質量，而且操作方便，減輕了操作人員負擔。

為了解決現有技術中因頂出時汽車保險杠的倒扣部位黏接斜頂而使汽車保險杠各部位不能同時頂出，出現汽車保險杠頂出不平衡、使汽車保險杠受損的問題，常州機電職業技術學院［16］公開了一種基于Moldflow軟件的保險杠注塑模具及制品翹曲變形量控制方法。該模具包括定模板、定模、動模、動模板、澆口通道、頂桿以及斜頂。其中，定模與動模之間有制品容腔；制品容腔中部向定模方向凸起，兩邊形成有倒扣部位，頂桿適于向定模方向頂起制品，斜頂對稱布置于動模兩側的倒扣部位處；斜頂的一端與動模板固定連接，另一端適于沿倒扣部位邊緣的傾斜角度方向作往復運動。采用該方法可以避免保險杠頂出時斜頂與倒扣部位出現干涉現象，降低制品形變程度，解決Moldflow軟件預設參數與實際注塑成型參數不一致的問題，提高分析的準確度，降低制品的翹曲變形率。

保險杠注塑成型工藝參數包含填充時間、填充壓力、保壓壓力、保壓時間、冷卻時間等，每個產品的成型工藝均不同，同一產品不同注塑機上的成型工藝也不一樣。這就需要針對每個產品在每臺設備上找到合適的成型工藝參數，以穩定生產出高品質的產品。東風汽車集團股份有限公司［17］公開了一種基于Moldflow軟件的汽車保險杠注塑成型工藝方法、計算機設備及計算機可讀存儲介質，包括：通過對注塑材料和注塑模具進行分析，確定填充時間；根據填充時間得到推薦的螺桿速率曲線，并通過對該曲線的計算，生成實際螺桿速率曲線；通過實際螺桿速率曲線進行填充分析和保壓計算，得到保壓時間和保壓壓力；根據記錄的注塑時間、填充時間和保壓時間，確定冷卻時間。該方法具有操作方便、無需大量數模模型計算、試模成本低等優點。

針對生產的塑料渦輪可能會出現發白、翹曲、開裂等問題，江蘇博云塑業股份有限公司［18］提供了一種渦輪模流分析方法與渦輪注塑方法，包括對用于注塑渦輪的目標材料進行測試，獲取目標材料的特性參數，根據材料特性參數生成對應的預設格式文件，并導入模流分析工具中。將渦輪的3D模型導入模流分析工具，并設置注塑參數，模流分析工具根據預設格式文件以及注塑參數對渦輪的3D模型進行模流分析，獲取模流分析結果，通過采用模流分析的方式，輸入相應參數，模擬渦輪的整個注塑過程，并且對注塑結果進行分析，避免傳統方式耗時較長、工作效率低下等問題，在一定程度上降低了時間和資金成本。

2.2 Moldflow軟件和Abaqus軟件聯合應用

西北工業大學［19］公開了一種針對玻璃纖維增強材料并基于Abaqus軟件和Moldflow軟件的結構分析方法，主要是通過運行腳本的方式將Moldflow軟件得到的纖維取向信息映射到Abaqus軟件的結構分析網格中。該方法不需要借助第三方軟件即可靈活快捷地完成兩款軟件之間的信息傳遞，但是對于在Abaqus軟件中如何設置材料參數，得到精確的材料本構模型則沒有說明。

2.3 Moldflow軟件、Abaqus軟件、Digimat軟件聯合應用

株洲時代新材料科技股份有限公司［13］提出了一種短纖維增強熱塑性復合材料復雜結構多尺度仿真方法，包括材料本構構建和短纖維增強熱塑性復合材料復雜產品有限元分析。該方法針對短纖維增強熱塑性復合材料的硬化模量、硬化指數和屈服強度分析方法，考慮注塑成型工藝引起的材料各向異性，構建精確的材料本構模型，并實現有限元分析，尤其對于復雜結構具有普遍適用性。短纖維增強熱塑性復合材料受成型工藝的影響，呈現各向異性特性，在仿真中很難精確模擬。采用該方法，可以獲得相對精確的材料本構模型，并建立完整的強度分析流程。可見，UG軟件與Molodflow軟件的聯合逐漸成為塑料模具設計的主流和發展方向。

3 Pro/E軟件在模具設計中的應用

Pro/E軟件也是一款重要的塑料模具設計平臺。Li Honglin等［20］采用Pro/E軟件中的Mold Cavity功能模具和EMX軟件中的模架，給出了成型零件的設計程序，利用給出的方法設計了鼠標底蓋模具。結果表明，模具一體化3D設計在減輕勞動強度、提高設計效率和質量方面具有顯著的優勢。Miao Naiming等［21］針對傳統模具設計的不足，以上蓋注塑產品為例，以Pro/E中的Plastic Advisor分析軟件為平臺，詳細描述了塑料產品的注射成型過程和成型模擬方法。分析結果可為優化模具設計、提高塑料制品質量、減少成型缺陷、降低生產成本和縮短生產周期提供有益指導。Matin等［22］介紹了一個面向知識、參數化、模塊化、基于特征的集成化模具CAD/CAE系統。該系統將Pro/E軟件與專門開發的用于注射成型參數計算、模具設計和模具元件選擇的模塊集成在一起。系統界面使用參數化和基于CAD/CAE特征的數據庫來簡化設計、編輯和審閱過程。介紹了CAD/CAE集成注塑模具設計系統的總體結構和部分輸出結果，該系統主要用于設計長度和寬度大于產品高度的普通型號模具。孫筠［23］以Pro/E軟件完成模具組裝、模型檢驗及建立分模面等設計任務。以3D塑料打氣筒的模具設計為例，在Pro/E軟件裝配設計模塊中完成了零件成品設計，將完成的零件成品進行組裝，從模具厚度是否均勻、拔模角度是否合理等方面對模型進行檢驗，通過不斷修改曲面特征完成分模面設計，以設計完成的分模面將模具裝配模型分為公模和母模后進行開模仿真，完成了3D塑料打氣筒的模具設計。得到的3D塑料充氣筒模具模型以及塑料充氣筒模型符合要求，證明Pro/E軟件可以用于復雜塑料產品模具的設計。

綜上所述，CAD技術在塑料加工及高分子成型過程中發揮著越來越重要的作用［24-25］，而模具及其設計是高分子原料與成品之間的紐帶。

4 結語

沒有高質量、高效率的模具設計，就沒有高質量、高效率的高分子產品加工業。軟件技術的快速發展，為塑料模具的設計提供了更多的選擇，尤其是不同軟件的不同模塊的集成，為塑料模具的設計搭建了更加豐富的平臺。從發展的角度看，UG軟件與Molodflow軟件的聯合逐漸成為塑料模具設計的主流和發展方向。