CAE_CAD技术在塑料模具设计中的应用.pdf

SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯工 业 与 技 术 2023 NO.16 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯CAE/CAD技术在塑料模具设计中的应用赵锦(西安工商学院 陕西西安 710200)摘要：在工业生产过程中，模具是不可缺少的工艺装备。伴随着汽车、仪器仪表、电子、航空及日用品工业的高速发展，塑料制品需求量持续增长，且对模具的设计与质量要求也日益严格。因塑料模具品种相对较多，且更新速度快，单件小批量生产特征明显，传统模具设计模式已经难以迎合工业实际生产所需，在模具设计中引入软件技术已经成为模具行业发展的必然趋势。其中，CAD/CAE技术是一种典型的计算机辅助工具，可有效地设计与优化塑料制品的产品开发、模具结构、工艺成型等各个环节，可对塑料模具设计周期进行有效缩短，强化产品品质，有效地降低生产成本投入，从而获取最大化的经济效益。对此，该研究重点对CAE/CAD技术在塑料模具设计中的应用实践进行了分析与研究。关键词：塑料模具 CAD/CAE技术 设计 实例中图分类号：TQ320.52文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)16-0112-04Application of CAE/CAD Technology in Plastic Mold DesigZHAO Jin(Xian Technology and Business College,Xian,Shaanxi Province,710200 China)Abstract:In the process of industrial production,molds are indispensable technological equipment.With the rapid development of automobile,instrumentation,electronic,aviation and commodity industries,the demand for plastic products continues to grow,and the requirements for mold design and quality are increasingly strict.Due to the relatively large variety,the rapid updating speed and the obvious characteristics of single-piece small-batch production of plastic molds,the traditional mold design mode has been difficult to meet the needs of actual industrial production,and the introduction of software technology into mold design has become an inevitable trend of the development of the mold industry.Among them,CAD/CAE technology is a typical computer-aided tool,and it can effectively design and optimize the product development,mold structure,process molding and other links of plastic products,effectively shorten the cycle of plastic mold design,strengthen product quality and effectively reduce production cost input,so as to obtain maximum economic benefits.In this regard,this study focuses on the analysis and research of the application practice of CAE/CAD technology in plastic mold design.Key Words:Plastic mold;CAD/CAE technology;Design;Example 塑料是生产行业频繁使用的材料之一，其自身具有性能稳定、密度低等优势，把原材料置入模具中，实施相关工艺制作，便可形成所需的塑料制品。塑料模具设计中，注塑是塑料产品成型的关键性环节，其原理是把塑料熔体放置到塑料制品中，通过一段时间的冷却成型，然后获取所需的塑料形状。因注塑工艺操作相对简单，可重复使用，形成的产品具有较高的均匀度，而备受关注。传统注塑模具设计主要借助工人，不仅需支付大量的人力成本，而且还无法保障质量。借助CAE/CAD 技术可准确地找到注塑技术现存问题，并DOI：10.16661/ki.1672-3791.2301-5042-5032作者简介：赵锦（1986），女，硕士，讲师，研究方向为模具设计。112SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.16 工 业 与 技 术科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION对其进行有效解决，其中 CAD 重点在于设计模具，CAE 则是分析，如此可有效地保障塑料产品质量1。1 塑料加工模具发展现状与趋势1.1 塑料加工模具发展现状据调查得知，当前在模具行业中以塑料制品模具为主，占比达到了30%，在航空航天、汽车和仪表机电等领域发挥着巨大作用2。所以，模具设计与加工拥有广阔的发展前景。现阶段，塑料制品模具生产过程中，主要用到气体辅助成型的方法，在汽车内饰、电视机和洗衣机外壳中应用比较多。随着各种新型技术与工艺的兴起，有效地提高了塑料模具生产的效率，也使产品可具备更长使用寿命。对双腔或多腔共挤的异型材来说，通过提高加工效率，能够满足商业化发展要求3；对应用自动脱流道模具冷却系统来说，能够保证塑料模具更加高效加工。另外，在模具加工成型环节，采用电火花铣削技术，可直接省略复杂的成型电极，工作效率明显得以提升，且对加工操作进行了简化。随着纳米技术的日益成熟，也促使模具加工实现精细化发展。1.2 塑料模具加工工艺发展趋势模具设计加工过程中，数控技术发挥的作用越来越显著，既让模具开发流程实现了优化，也减少了最终成本，保证加工更加高效。在实际加工中应用，能够让各项工艺参数更加可靠，能够使制件有更高品质。其中，CAD、CAE、CAM技术广泛运用于模具加工设计中4。计算机辅助技术结合起来，能够优化模具设计相关参数，支持可视化窗口模拟，不断提升模具加工的智能化、集成化水平。同时，数字化快速扫描技术也是一种常见的智能化技术，但是其普及率相对较低。这项技术通常与CAD技术配合使用，通过对实物进行高速扫描，能够获得需要的模型，同时向计算机系统快速反馈，最终完成CAD处理5。2 CAE/CAD技术发展现状2.1 CAE/CAD软件发展现状在模具设计与开发中，CAE/CAD这两种计算机辅助技术相结合，能够顺利地实现模具的优化与可视化3D仿真6。20世纪60年代初期，CAE/CAD技术逐渐兴起，其中美国PTC公司研发的Pro/E软件则是最为典型的CAE/CAD模拟软件。CAE/CAD模拟软件发挥着重要作用，不仅功能非常强大，也能在多个领域使用。同时，美国EDS公司生产的UG软件应用范围也很广，主要对模具构造设计、工艺优化等进行模拟。另外，CAE/CAD相关软件研发过程中，国内也有很多先进成果，其中上海交通大学在注塑模CAD系统内引入了人工智能技术，制造的注塑模智能CAD系统具备强大的集成化功能7。北京航空航天大学设计了一款CAE/CAD系统，其功能包括三维曲面造型、数值模拟分析以及数控加工仿真等。2.2 CAE/CAD仿真技术发展现状日本在对CAE/CAD进行研究发过程中，通过应用CADCEUS软件，能够独立运行参数，也具备模型绘制的效果，对模具开发周期进行了有效的压缩。美国学者Feigenbaum通过对DENRAL软件的研发，能够保证能力战略转型与KBS系统高效运行。德国Rolle等利用自动储存、拓扑参数等集合技术，从尺寸和结构参数出发，构造了相应的储存模型，在变量处理器的支持下完成对模型的评价，这一处理方式有力地提高了CAD系统的友好性8。3 CAD/CAE 技术在塑料模具设计中的应用3.1 共享型数据资源CAD/CAE技术都是以数字化技术体系为主的一种程序操作接结构，所以技术运用方面难免会存在相同点9。在塑料模具设计时，为了能够自由、灵活地处理与控制各生产资源，其重点在于把握好两者之间的共同点。一方面，CAD/CAE技术操作的数据信息来源相同，其均是借助在虚拟大数据中获得一系列生产信息，采用所对应的程序对其进行操作与处理；另一方面，这一技术能够借助数据链传输与检验完处理数据的信息。3.2 CAD 技术模具设计在塑料模具设计过程中对CAD/CAE技术予以运用，能够将CAD设计优势展现出来，凭借局部软件数据整合、数据相关性分析以及尺寸驱动等相关方式，能够为现阶段技术生产工作的长效性与科学性调控提供辅助保障10。并且，CAD技术拥有良好参数模拟分析能力，有利于在模型设计因素不完善的情况下，让设计条件顺利“还原”。例如：某塑料生产企业在对模具进行设计加工时，正是凭借CAD技术开展加工与操作分析。本次程序在运用方面的要点总结为以下几点：第一，设计人员将冰箱外壳有关数据直接录入并规划结构；第二，根据数据资料在三维空间内对定位模板进行设计，然后利用动态模板对局部进行调整，分析固态模型顶板等，更改CAD后续设计因素之中的单个元素；第三，将一开始的CAD数据作为基础，通过有限元或113SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯工 业 与 技 术 2023 NO.16 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯模拟分析探究法，判断CAD程序之中最先出现的设计要素的协调性。3.3 CAE 技术模具分析CAE技术在实际应用方面，表现为在流道、浇口以及模具型腔等的处理方面，判断前期设计体系具备的合理性以及生产协调性11。例如：某塑料生产企业在对鼠标外壳予以制作时，运用了CAE技术模具调控方式，以此对处理要素进行控制。首先，系统可以在CAD模拟坐标结构中，开展模具模型冲模、保压、冷却以及变形等，并积极探索焦点定位协调性；其次，运用虚拟技术参考分析的方式，动态分析数据模型，以此检验塑料生产加工模具。CAE技术在塑料模型设计和规划过程中的运用，除了能够将塑料模具设计作为立足点，科学掌握与控制塑料设计要点之外，还可以将CAE技术的模拟动态分析作为基础，对塑料模具生产工作要素涉及的多维性进行科学掌控，确保塑料模具后续批量性生产。4 CAD/CAE技术在食品加工容器的注塑模具设计中的实例4.1 制品的结构特征该制品选择使用聚苯乙烯这一材料，优点是强度足，绝缘优良和成型工艺性好，但缺点是存在脆性特点，以及不耐冲击性与耐热性差，主要适用于不受冲击的透明仪器中，如生活用品、罩壳、仪表外壳等方面。4.2 模具浇注系统方案的确定影响型腔数量的因素有很多，其中包括塑件产量、形状、进料口位置、塑件精度以及模具制造难易程度等。塑件的成型需要设计侧抽芯结构，同时受到制件外形结构复杂性影响，要想达到快速成产的目的，应考虑“一模一腔”。注塑模设计中要提高对浇注系统的关注度，相关内容包括以下几点。4.2.1 主流道设计（1）锥度：一般标准为2 8，其中4 8 最为常用。对此，本次设计主要采取6。（2）径向尺寸：大于喷嘴孔径0.51.0 mm。（3）凹球面半径大于喷嘴球径12 mm12。4.2.2 分流道设计（1）长度。模具型腔布置方案与浇口位置直接决定了分流道长度。应考虑到压力与热量两个方面，最好是缩短长度。（2）断面尺寸。分流道断面面积应确保型腔处于充满状态，且保证在补充因型腔内塑料收缩所需的熔体后，熔体才慢慢地冷却。（3）断面形状。本设计选择梯形分流道，具体数值设计为：上下边分别长6 mm、4 mm，高4 mm。4.2.3 浇口设计对于熔体到达型腔的最后一个环节，浇口的位置、尺寸、形状是塑件质量的主要影响因素。为了能够确保浇注系统凝料与塑件在成型后可自动分离，采取潜伏浇口，如图1所示。4.3 模具成型零件设计4.3.1 配模具零件与滑块创建基于设计方案与标准要求，积极创建参照模型，并导入参照零件具体数据，从而创建并安装配模具零件，形成磨具毛坯，如图2、图3所示。图3 创建后的模具毛坯图2 导入参照零件窗口图1 浇注系统图形114SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.16 工 业 与 技 术科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION同时，创建滑块。依次单击菜单管理器中的“模具体积块”“创建”命令，输入体积块名称“huakuai”；随后，依次单击“草绘”“拉伸”“实体”“完成”“单侧”“完成”命令。滑块图形如图4所示。4.3.2 分割体积块依次单击“菜单管理器”中的“模具体积块”“分割”“两个体积块”“所有工件”“完成”，选取相应分割面，单击“分割”对话框中的确定按钮。获得各个体积块。4.3.3 生成模具成型零件通过上述操作，可轻松生成模具成型零件、模具爆炸视图，如图5、图6所示。4.3.4 加载emx后的完整模具图形选择适宜emx框架系统，选取模架类型“Futaba2p”的“SBType”，如图7所示。5 结语在塑料模具设计中应用CAD/CAE技术，可选择与确定浇注系统与相关工艺，保证模具设计方案的科学性，确保整个设计与制造周期可以得到大幅度缩短，有效提高产品质量，值得广泛推广。参考文献1 李宇新,宋永昌.CAD技术在塑料模具设计中的应用研究进展J.合成树脂及塑料,2022,39(5):77-81.2 李成.CAE技术在塑料模具设计中的应用优势及实践分析J.轻纺工业与技术,2021,50(8):57-58.3 徐燕.模流分析CAE技术在塑料模具设计和制造中的应用J.南方农机,2020,51(12):171.4 黄结荣.CAE/CAD技术运用于塑料模具设计中的策略探讨J.现代工业经济和信息化,2019,9(12):68-69,71.5 许维进.CAD/CAE技术在塑料模具设计中的应用探讨J.湖北农机化,2019(19):66.6 张鸿萍.CAE/CAD技术在注塑模设计中的应用研究J.湖北农机化,2019(9):44-45.7 杨巧玲.CAE/CAD技术在塑料模具设计中的应用探讨J.湖北农机化,2018(4):62-63.8 刘福刚.CAE/CAD技术在高分子材料加工中的应用研究进展J.合成树脂及塑料,2018,35(4):89-93.9 胡兴旺.背光源胶框注塑模具CAE/CAD技术研究D.武汉:湖北工业大学,2017.10 杨勇辉,崔一.CAE/CAD技术在塑料模具设计中的应用J.工程塑料应用,2017,45(2):124-127.11 朱晓东,曹伟.CAD/CAE技术在液晶显示器底座塑料模具设计中的应用J.深圳职业技术学院学报,2017,16(1):29-31.12 苏燕,梁武.CAD/CAE/CAM技术在塑料薄壁制品成型中应用J.工程塑料应用,2016,44(10):143-146.图7 完整模具图形图6 模具爆炸视图图5 生成模具成型零件图4 滑块图形115