CAE/CAD技術在塑料模具設計中的應用

關鍵詞： 塑料模具 CAD/CAE 技術 設計 實例

中圖分類號： TQ320.52 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）16-0112-04

塑料是生產行業頻繁使用的材料之一，其自身具有性能穩定、密度低等優勢，把原材料置入模具中，實施相關工藝制作，便可形成所需的塑料制品。塑料模具設計中，注塑是塑料產品成型的關鍵性環節，其原理是把塑料熔體放置到塑料制品中，通過一段時間的冷卻成型，然后獲取所需的塑料形狀。因注塑工藝操作相對簡單，可重復使用，形成的產品具有較高的均勻度，而備受關注。傳統注塑模具設計主要借助工人，不僅需支付大量的人力成本，而且還無法保障質量。借助CAE/CAD 技術可準確地找到注塑技術現存問題，并對其進行有效解決，其中CAD 重點在于設計模具，CAE 則是分析，如此可有效地保障塑料產品質量[1]。

1 塑料加工模具發展現狀與趨勢

1.1 塑料加工模具發展現狀

據調查得知，當前在模具行業中以塑料制品模具為主，占比達到了30%，在航空航天、汽車和儀表機電等領域發揮著巨大作用[2]。所以，模具設計與加工擁有廣闊的發展前景。現階段，塑料制品模具生產過程中，主要用到氣體輔助成型的方法，在汽車內飾、電視機和洗衣機外殼中應用比較多。隨著各種新型技術與工藝的興起，有效地提高了塑料模具生產的效率，也使產品可具備更長使用壽命。對雙腔或多腔共擠的異型材來說，通過提高加工效率，能夠滿足商業化發展要求[3]；對應用自動脫流道模具冷卻系統來說，能夠保證塑料模具更加高效加工。另外，在模具加工成型環節，采用電火花銑削技術，可直接省略復雜的成型電極，工作效率明顯得以提升，且對加工操作進行了簡化。隨著納米技術的日益成熟，也促使模具加工實現精細化發展。

1.2 塑料模具加工工藝發展趨勢

模具設計加工過程中，數控技術發揮的作用越來越顯著，既讓模具開發流程實現了優化，也減少了最終成本，保證加工更加高效。在實際加工中應用，能夠讓各項工藝參數更加可靠，能夠使制件有更高品質。其中，CAD、CAE、CAM技術廣泛運用于模具加工設計中[4]。計算機輔助技術結合起來，能夠優化模具設計相關參數，支持可視化窗口模擬，不斷提升模具加工的智能化、集成化水平。同時，數字化快速掃描技術也是一種常見的智能化技術，但是其普及率相對較低。這項技術通常與CAD 技術配合使用，通過對實物進行高速掃描，能夠獲得需要的模型，同時向計算機系統快速反饋，最終完成CAD 處理[5]。

2 CAE/CAD 技術發展現狀

2.1 CAE/CAD 軟件發展現狀

在模具設計與開發中，CAE/CAD 這兩種計算機輔助技術相結合，能夠順利地實現模具的優化與可視化3D 仿真[6]。20 世紀60 年代初期，CAE/CAD 技術逐漸興起，其中美國PTC 公司研發的Pro/E 軟件則是最為典型的CAE/CAD 模擬軟件。CAE/CAD 模擬軟件發揮著重要作用，不僅功能非常強大，也能在多個領域使用。同時，美國EDS 公司生產的UG 軟件應用范圍也很廣，主要對模具構造設計、工藝優化等進行模擬。另外，CAE/CAD 相關軟件研發過程中，國內也有很多先進成果，其中上海交通大學在注塑模CAD 系統內引入了人工智能技術，制造的注塑模智能CAD 系統具備強大的集成化功能[7]。北京航空航天大學設計了一款CAE/CAD 系統，其功能包括三維曲面造型、數值模擬分析以及數控加工仿真等。

2.2 CAE/CAD 仿真技術發展現狀

日本在對CAE/CAD 進行研究發過程中，通過應用CADCEUS 軟件，能夠獨立運行參數，也具備模型繪制的效果，對模具開發周期進行了有效的壓縮。美國學者Feigenbaum 通過對DENRAL 軟件的研發，能夠保證能力戰略轉型與KBS 系統高效運行。德國Rolle 等利用自動儲存、拓撲參數等集合技術，從尺寸和結構參數出發，構造了相應的儲存模型，在變量處理器的支持下完成對模型的評價，這一處理方式有力地提高了CAD系統的友好性[8]。

3 CAD/CAE 技術在塑料模具設計中的應用

3.1 共享型數據資源

CAD/CAE 技術都是以數字化技術體系為主的一種程序操作接結構，所以技術運用方面難免會存在相同點[9]。在塑料模具設計時，為了能夠自由、靈活地處理與控制各生產資源，其重點在于把握好兩者之間的共同點。一方面，CAD/CAE 技術操作的數據信息來源相同，其均是借助在虛擬大數據中獲得一系列生產信息，采用所對應的程序對其進行操作與處理；另一方面，這一技術能夠借助數據鏈傳輸與檢驗完處理數據的信息。

3.2 CAD 技術模具設計

在塑料模具設計過程中對CAD/CAE 技術予以運用，能夠將CAD 設計優勢展現出來，憑借局部軟件數據整合、數據相關性分析以及尺寸驅動等相關方式，能夠為現階段技術生產工作的長效性與科學性調控提供輔助保障[10]。并且，CAD 技術擁有良好參數模擬分析能力，有利于在模型設計因素不完善的情況下，讓設計條件順利“還原”。例如：某塑料生產企業在對模具進行設計加工時，正是憑借CAD 技術開展加工與操作分析。本次程序在運用方面的要點總結為以下幾點：第一，設計人員將冰箱外殼有關數據直接錄入并規劃結構；第二，根據數據資料在三維空間內對定位模板進行設計，然后利用動態模板對局部進行調整，分析固態模型頂板等，更改CAD 后續設計因素之中的單個元素；第三，將一開始的CAD 數據作為基礎，通過有限元或模擬分析探究法，判斷CAD 程序之中最先出現的設計要素的協調性。

3.3 CAE 技術模具分析

CAE 技術在實際應用方面，表現為在流道、澆口以及模具型腔等的處理方面，判斷前期設計體系具備的合理性以及生產協調性[11]。例如：某塑料生產企業在對鼠標外殼予以制作時，運用了CAE 技術模具調控方式，以此對處理要素進行控制。首先，系統可以在CAD模擬坐標結構中，開展模具模型沖模、保壓、冷卻以及變形等，并積極探索焦點定位協調性；其次，運用虛擬技術參考分析的方式，動態分析數據模型，以此檢驗塑料生產加工模具。CAE 技術在塑料模型設計和規劃過程中的運用，除了能夠將塑料模具設計作為立足點，科學掌握與控制塑料設計要點之外，還可以將CAE 技術的模擬動態分析作為基礎，對塑料模具生產工作要素涉及的多維性進行科學掌控，確保塑料模具后續批量性生產。

4 CAD/CAE技術在食品加工容器的注塑模具設計中的實例

4.1 制品的結構特征

該制品選擇使用聚苯乙烯這一材料，優點是強度足，絕緣優良和成型工藝性好，但缺點是存在脆性特點，以及不耐沖擊性與耐熱性差，主要適用于不受沖擊的透明儀器中，如生活用品、罩殼、儀表外殼等方面。

4.2 模具澆注系統方案的確定

影響型腔數量的因素有很多，其中包括塑件產量、形狀、進料口位置、塑件精度以及模具制造難易程度等。塑件的成型需要設計側抽芯結構，同時受到制件外形結構復雜性影響，要想達到快速成產的目的，應考慮“一模一腔”。注塑模設計中要提高對澆注系統的關注度，相關內容包括以下幾點。

4.2.1 主流道設計

（1）錐度：一般標準為2°～8°，其中4°～8°最為常用。對此，本次設計主要采取6°。

（2）徑向尺寸：大于噴嘴孔徑0.5～1.0 mm。

（3）凹球面半徑大于噴嘴球徑1～2 mm[12]。

4.2.2 分流道設計

（1）長度。模具型腔布置方案與澆口位置直接決定了分流道長度。應考慮到壓力與熱量兩個方面，最好是縮短長度。

（2）斷面尺寸。分流道斷面面積應確保型腔處于充滿狀態，且保證在補充因型腔內塑料收縮所需的熔體后，熔體才慢慢地冷卻。

（3）斷面形狀。本設計選擇梯形分流道，具體數值設計為：上下邊分別長6 mm、4 mm，高4 mm。

4.2.3 澆口設計

對于熔體到達型腔的最后一個環節，澆口的位置、尺寸、形狀是塑件質量的主要影響因素。為了能夠確保澆注系統凝料與塑件在成型后可自動分離，采取潛伏澆口，如圖1 所示。

4.3 模具成型零件設計

4.3.1 配模具零件與滑塊創建

基于設計方案與標準要求，積極創建參照模型，并導入參照零件具體數據，從而創建并安裝配模具零件，形成磨具毛坯，如圖2、圖3 所示。

同時，創建滑塊。依次單擊菜單管理器中的“模具體積塊”“創建”命令，輸入體積塊名稱“huakuai”；隨后，依次單擊“草繪”“拉伸”“實體”“完成”“單側”“完成”命令?；瑝K圖形如圖4 所示。

4.3.2 分割體積塊

依次單擊“菜單管理器”中的“模具體積塊”“分割”“兩個體積塊”“所有工件”“完成”，選取相應分割面，單擊“分割”對話框中的確定按鈕。獲得各個體積塊。

4.3.3 生成模具成型零件

通過上述操作，可輕松生成模具成型零件、模具爆炸視圖，如圖5、圖6 所示。

4.3.4 加載emx 后的完整模具圖形

選擇適宜emx 框架系統，選取模架類型“Futaba—2p”的“SB—Type”，如圖7 所示。

5 結語

在塑料模具設計中應用CAD/CAE 技術，可選擇與確定澆注系統與相關工藝，保證模具設計方案的科學性，確保整個設計與制造周期可以得到大幅度縮短，有效提高產品質量，值得廣泛推廣。