UG和MoldFlow在《塑料成型工艺学》教学中的应用.pdf

模具制造 2023年第11期UG和MoldFlow在 塑料成型工艺学 教学中的应用*王晓东1，2，3，花 蕾1，2（1.同济大学浙江学院，浙江嘉兴 314051；2.嘉兴市土木与环境高性能功能材料重点实验室，浙江嘉兴 314051；3.嘉兴拜伦新材料科技有限公司，浙江嘉兴 314051）【摘要】塑料成型工艺学 课程是材料科学与工程专业的重要专业课程，是一门应用于工业生产的理论和实践课程，本课程改变了传统的仅仅依靠课堂授课的教学模式，引入模具三维设计软件UG和模流分析软件MoldFlow作为重要的辅助手段，利用UG软件中的3D模型设计和模具设计和MoldFlow中的注射模流分析，可以给现有的教学过程提供有效的帮助，使学生能够更为深入的理论联系实际，更好、更直观地帮助学生理解塑料成型过程中的演化，也更好地适应企业对人才技能的需求。关键词：塑料成型工艺学；Unigraphics NX；MoldFlow；模具设计；模流分析中图分类号：TQ320.66 文献标识码：B DOI：10.12147/ki.1671-3508.2023.11.007The Application of Unigraphics NX and MoldFlowin the Teaching of Plastic Forming TechnologyWang Xiaodong1，2，3，Hua Lei1，2（1.Zhejiang College，Tongji University,Jiaxing，Zhejiang 314051，CHN；2.Jiaxing Key Laboratory of High-Performance and Functional Materials in Civiland Environmental Engineering,Jiaxing，Zhejiang 314051，CHN；3.Jiaxing Bylon Advanced Material Co.,Ltd.,Jiaxing，Zhejiang 314051，CHN）【Abstract】The course Plastic Forming Technology is an important professional course in Materials Science and Engineering,which is a theoretical and practical course applied to industrial production.This course changes the traditional teaching mode that only relies on classroom teaching,introducing mold design software UG and mold flow analysis software MoldFlow as important auxiliary means,utilizing 3D model design and mold design in UG software,and injection mold flow analysis in MoldFlow,it can provide effective assistance to existing teaching processes,enabling students to more deeply integrate theory with practice,and better and more intuitively help students understand the evolution of plastic molding processes.It also better adapts to the needs of enterprises for talent skills.Key words：plastic molding process；Unigraphics NX；MoldFlow；mold design；mold analysis*基金项目：本文系基于工科实践教学的虚拟仿真技术在专业实践教学中的探索（JKJS20024）的研究成果1 引言在应用型本科院校的材料科学与工程专业中，塑料成型工艺学 是一门重要的专业课程，同时它也是理论性和实践性很强的专业课程。为了拓展学生的技能，一些学校还加入了模具设计课程部分，这样更增强了课程的实践性。并且还将三维软件和仿真软件引入到课程的项目教学中，不但使学生掌握了课程的理论知识，还改变了学生仅掌握绘制二维工程图的现状，教会了学生如何使用三维制图软件，并且还 塑料注射模技术 18模具制造 2023年第11期学习一种仿真的模流分析软件，使学生更深刻、更有兴趣学习专业课程，也为企业培养更多的高素质技能型专门人才12。塑料成型工艺学 课程中注射成型是塑料成型工艺中重要的一种成型方式。在课程中本章节重点内容为注射成型的基本原理、注射成型的工艺特点、塑料的模具结构、模具的运行方式等。目前，随着注射成型理论研究不断深入，工业加工技术的不断提升，模具设计成为注射成型的核心内容。一副优质模具往往离不开合理的设计和精湛的加工，在传统的模具设计时，需要依靠有丰富经验的设计人员经过数周或者数月时间反复调试与修正才能正式投入生产，效率较低，而且精度难以保证。而现代化制造业的 CAD/CAE/CAM设计软件的使用或者联合使用能够极大地提高模具设计的效率和提升模具的合理性3。为了更好地满足专业发展要求，需在课程教学中引入模具设计软件和模流分析仿真软件的使用，这样就打破传统的教学模式，在原有理论课程教学的基础上，将三维设计软件的应用融入模具设计过程，使学生在理论学习的基础上，也学会使用大型三维设计软件，并且进行必要的仿真模拟计算分析，学生的模具设计能力得到锻炼，这也是适应现代模具设计工作职业能力的需求45。在三维设计软件中，Unigraphics NX（UG）是一款优秀的交互式CAD/CAM系统，它可以轻松实现各种复杂实体及装配图的建构，以及模具设计和运动仿真设计68。MoldFlow仿真分析软件是全球公认的注射成型仿真软件，是工业内设计人员首选的理想优化工具。在进行模具设计过程中，先使用UG软件中完成塑件3D模型设计，然后将3D模型导入MoldFlow软件中进行注塑 CAE注塑仿真分析。MoldFlow对浇口数量和布置、浇注系统、冷却系统进行仿真分析，从而得到最优的注塑工艺参数。再根据MoldFlow的模流分析结果，在UG软件中进行模具设计，包括型芯和型腔的创建、模架调入、浇口与流道、推出机构和冷却等部分设计，并利用UG中MoldWizard标准模块来完成模具结构设计。2 目前应用型专业普遍存在的一些问题（1）塑料成型工艺学 课程主要是讲解塑料加工的工艺过程，是一门理论性和实践性都很强的专业课程，对学生的高分子物理、高分子流变学等方面的知识以及综合分析的能力要求较高。需要注重实际应用与理论知识相结合讲解，如果只是进行理论教学，学生的兴趣无法完全激发出来，学生的学习质量也没有得到很好的提升。（2）传统的 塑料成型工艺学 课程教学多采用课堂授课的形式，即老师是课堂的主题，通过“PPT+板书”的形式进行课堂教学，学生参与度低，课堂缺少交流和活力。同时，由于学生还尚未接触过生产以及工程实际，对于生产工艺和其基础理论很难直观和深入的理解，这种教学模式导致学生被动接受理论知识，学生的学习兴趣不高，学习效果不理想。（3）塑料成型工艺学 实践课主要是以实验为主，其中课程设计也多以材料加工的工艺流程图，设计比较简单，而工业需求的模具设计等设计还未能实施教学。为了满足塑料加工工业发展要求，必须要对传统的教学方式进行改革，其中在本课程中引入模具设计、模流分析等教学内容，能够使课程更贴近实际生产需要。3 目前主要的模具设计方法及软件塑料成型工艺学 课程中注射成型是一种非常重要的塑料加工方式，而注射成型的核心是模具设计。由于塑料本身的物性是非常复杂的，而且目前塑料件也存在复杂性与特殊性，传统的模具设计方式，是需要技术人员有较高的专业知识和多年的制造经验，技术人员经过简单计算后，根据经验设计模具、制造模具并制定加工成型工艺，但在模具制造后需要不断地试模，不断地校准纠错来修正设计上的缺陷。这种方式效率非常低，而且由于技术人员的水平是参差不齐，无法对模具的设计做到标准化和规范化，也无法根据塑料的特性进行模具加工参数的合理设置和设计塑料成型过程中的工艺方案。目前常用的模具 CAD 设计软件是 UG、Creo 等，UG是一个功能强大的交互式CAD/CAM软件，能实现对工件的三维实体建模，在此基础上利用MoldWizard模块对建立的3D模型进行模具设计，其中包括创建型芯和型腔、分型线、分型面、标准模架结构的选择、模架结构优化设计、浇注系统设计、冷却系统设计、制品推出机构设计等。在UG中完成塑件3D模型设计后，利 用 MoldFlow 进 行 对 模 型 进 行 CAE 分 析。塑料注射模技术 19模具制造 2023年第11期MoldFlow一直主导着塑料成型CAE软件的市场，这款注射成型仿真分析软件是注塑工业首选的理想优化工具。它可以在模具制造之前，对塑料工件和模具的结构设计进行全面地仿真和分析，而且还可以将模具结构、注塑系统、冷却系统与制品的翘曲变形、缩孔、凹陷等问题进行分析和工艺优化。在本课程中，作者采用这两款软件，主要使用UG软件进行模具设计、模具优化和模具加工，采用MoldFlow进行CAE仿真分析和优化方案。将三维软件和模拟仿真软件引入塑料加工工艺教学中，使得学生可以摆脱以往繁杂的二维绘图工作和庞杂计算工作，提高了设计效率，激发学生学习兴趣。4 课程中的虚拟仿真的应用本课程分为3个部分，首先利用UG进行三维建模，然后将三维模型导入MoldFlow软件中，进行注塑CAE模流分析，最后根据模流分析结果在UG中设计浇筑系统和冷却系统3，完成模具设计（如图1所示）。图1 模具设计流程4.1 三维建模和模具设计首先进行的是三维建模，这部分课程是使用UG 软件建立3D模型，让学生掌握建模的方法。在前期教学采用线上基础课程教学和案例教学相结合的形式。由于CAD制图、机械制图的基础课程，学生有了一定的绘图基础，对于UG基础的绘制方法，作者将这部分基础内容，录制好视频上传至公众号上供学生观看学习。课堂上主要以实际的案例为主的教学模式，因此在前期三维建模阶段主要采用案例教学，这样可以激发学生的积极性，提高学生的主动性，同时可以吸引学生的注意力，降低教学的难度。作者结合企业产品，从日常生活中挑选像塑料瓶盖、塑料垃圾桶、塑料手机壳等作为载体。让学生观察身边的制品，在学习设计过程中边观察、边学习、边设计，在设计过程中考虑制品的实际用途，同时也将国家标准的样条作为设计制品。在以班级为教学单位的过程中，将一个班级分成若干小组，每一节课都有布置若干任务，每一个小组可以挑选一个题目，小组内部的学生进行分工合作，最后以小组的形式完成产品的设计，并进行成果展示和汇报。这样的教学活动，学生不仅学习了如何运用 UG 软件绘制 3D 模型，而且学生还将机械制图、CAD制图、工程力学等学习过的课程内容进行了综合应用，不仅学习一项新的技能而且还巩固了学习过的知识。以最为简单的塑料拉伸样条设计为例，以UG为工具设计出3D的模型，可以让不同小组的学生根据国标不同要求，绘制出符合标准的标准件模型。4.2 MoldFlow模流分析注射成型工艺中，在UG中完成制品的3D模型设计后，一般在模具加工之前，将3D模型导入MoldFlow软件中进行注塑CAE分析。通过MoldFlow对整个注塑成形过程进行模拟分析，预测熔体的填充、保压、冷却等情况，从而代替试模过程，大大降低试模过程的成本。首先对模型进行网格划分（如图2所示），经过对网格进行修复，使网格统计匹配满足MoldFlow数值模拟分析要求。对模型浇筑系统进行设计和分析，浇筑系统包括主流道、分流道、冷料穴和浇口等，让学生注意一些关键问题的选择，比如浇口设计问题，浇口的设计对塑件的质量有很大影响，在选择浇口位置和类型时要根据模型的尺寸选择合适的浇口类型并分析解决浇口的最佳位置，对学生们来说是非常困难，学生们往往无从下手，但浇口的设计是模具设计的关键，为了解决这个问题可以使用MoldFlow进行模流分析，可以精确地确认浇口的选择。同时，为了减少和避免制品的内应力和翘曲，对于厚度较薄的大型塑件，应采用多个浇口点或薄片式浇口等方式。另外，注射过程中，多浇口注射成型容易形成的熔接痕，熔接痕的质量影响塑件的使用性能，为了减少熔接痕对塑件强度的影响，选择浇口位置时，应考虑熔接痕的完成模具设计冷却系统设计注射系统设计注射过程分析冷却系统分析UG几何建模模型设计模流仿真分析模具设计型腔布局MoldWizard模块调入注射系统分析浇口位置分析标准件 塑料注射模技术 20模具制造 2023年第11期数量、强度和方向等问题。从而学生可以根据模型的特点，设计不同的浇口类型、位置和数量，再使用MoldFlow进行模流分析从而确认最佳的浇口类型、位置和数量的方案。以塑料拉伸样条的注射成型为例，在MoldFlow中对模型进行划分网格，可以采用一模多腔设计。由于注射成型过程复杂，影响因素较多，使用MoldFlow对各个因素进行分析。影响塑件注射成型的工艺参数有：熔体温度、模具温度、注射压力、冷却时间等。这些可以作为注射成型的因素，然后根据模型的特点、材料的种类等进行设定因素的水平值。以 Chimei 公司的PMMA（聚甲酯丙烯酸甲酯）为例，选取各工艺参数水平取值如表 1所示9，采用 MoldFlow进行数值仿真计算，分析成型过程中的相关场量分布。运用MoldFlow模拟塑料注射成型过程，不同组的学生可以设定不同的实验条件，例如采用不同的材料种类、不同的浇口的类型、不同的制品尺寸等，学生们可以查资料、文献来确认材料的加工工艺参数并确定水平值，来模拟注塑过程。小组内可以根据影响因素的正交实验进行运行并得出结果。分析充模流动过程中温度场、压力场、流动速率场、分子量的取向等因素会对填充过程以及制品的质量产生很大影响，因此，在基于以上因素，展开正交实验的工艺优化，采用L9（34）正交表进行实验。根据L9（34）正交表不同因素的各个水平进行实验，将每个工艺条件设置后，模拟可以得到填充时间或者压力的模拟结果。并根据正交表得到熔体温度、注射压力、冷却时间的极差值大小，从而可以判断不同影响因素对试验结果的影响。极差值是反映了工艺参数对试验结果的贡献大小，因此可以根据极差值大小判定注射压力、熔体温度、模具温度和冷却时间对试验结果的贡献排序。也能定出最佳的注射压力、熔体温度、模具温度和冷却时间工艺参数组合。然后再采用优化后的工艺参数注塑充模结果，与以上结果进行对比分析。从而确定最优的工艺参数组合，即得到熔体温度、模具温度、注射压力、冷却时间的为最优工艺参数组合。表1 因素水平表 图2 模型网格分布图另外，MoldFlow软件还可以模拟塑料熔体在模具型腔中充模流动过程，并且可以以动画的形式展示出来，根据冲模过程的模拟分析，熔体流动过程的剪切速率分布图如图3所示，压力分布图，温度分布图等结果，都可以进行结果展示9，结合这些图和动画展示学生就很容易理解注塑充模过程，通过正交试验和优化过程试验，学生们会非常感兴趣整个分析过程，也更理解 塑料成型工艺学 这门课工艺过程和基础理论分析。图3 注塑填充时剪切速率分布4.3 UG模具设计通过MoldFlow的模流分析，确认浇口的类型、数量、位置，浇筑系统和冷却系统的布置等，再通过UG软件中的MoldWizard模块来设计模具。一副完整的模具由模架与一系列的标准件组成，为了提升模具设计效率，也为了降低模具的设计难度，UG将标准的模架集成于MoldWiziad模块中，学生们可以根据需求加载模具所需要的标准模架和标准件。使用标准模架和标准件可提升模具生产效率、专业化水平、降低成本。首先，将 3D 模型加载到 UG 软件的注塑模具设 因素水平123熔体温度/210220230模具温度/607080注射压力/MPa506070冷却时间/s152025 塑料注射模技术 21模具制造 2023年第11期计模块中，并完成相关参数的设置工作。然后进行型芯和型腔的创建、模架调入、浇筑系统和冷却系统等部分设计，来逐步完成产品的模具设计，可以将模具设计分解成不同部分的设计任务，将不同任务分配到每个小组中，每个小组需要在实践过程中应用UG软件的各项功能，以及模具各因素计算。教师可以根据学生的每一步设计结果，综合考察学生的理论知识运用和设计技巧，设计任务也可以将注塑成型的知识点与模具设计的知识点进行结合，把将仅仅知识点的考核转变成实际应用能力和三维软件应用的考核。以拉伸样条为例，根据MoldFlow模流分析的结果进行型腔布局，然后进行分型面设计，在设计分型面时要考虑分型面的位置以及形状是否合理，确认好分型面后，要对模具工件进行必要的编辑操作，生成的型芯、型腔，还有浇筑系统位置布置、冷却系统布置和排气等方面。模架是模具组成的重要部件，用来承载型芯和型腔，并帮助开模的机构，在实际设计领域有很多常用的模架结构，可以让学生们借助于标准模架的调入和延伸设计，更快、更好地熟悉工业中常用设计。除了模架外，还有借助于标准件（滑块、螺钉、定位圈、导柱和顶杆等）来完成。标准件的使用可以提高专业化协作生产水平，缩短模具生产周期等。接着进行模具的浇注系统和冷却系统设计，根据MoldFlow计算结果设计冷却系统。通过MoldFlow的模流分析为UG三维软件进行模具设计提供指导，使模具设计摆脱过去复杂而繁琐的二维绘图和计算工作，在提高设计效率的同时，也更激发学生的学习兴趣和辅助教学1012。同时还能与注塑成型的理论相结合，更加熟悉注塑成型工艺过程和模具设计过程，增强学生对注塑成型原理的理解和模具设计实践能力，同时增强学生的独立设计能力、自学能力以及锻炼团队合作精神。5 结束语在应用型本科的大环境下，塑料成型工艺学作为高分子材料专业的一门专业必修课，仅仅依靠现有传统的教学方式已经无法满足社会对专业的要求和无法激发学生学习的兴趣，本次教学改革采用课堂内容、实验以及实践教学三位一体的教学方式，在课程中选用注塑模塑作为教改的内容，除了常 规 的 实 验 教 学 外，引 进 UG 模 具 设 计 软 件 和MoldFlow 模流分析软件，作为辅助教学的手段，可以有效提高课堂的质量，可以更加精确地对模具设计中的设置和工艺影响因素进行模拟计算，与常规教学实验进行相互补充，同时也拓展了学生动手能力激发学生兴趣。培养了学生更为丰富的工程实践能力。通过多样化的、理论联系实际的实践实验平台为材料类应用型人才的培养指明了教学改革的新方向。参 考 文 献1 汪定妮.塑料成型工艺与模具设计 课程教学中的三维软 件应用J.软件导刊（教育技术），2014，13（06）：82832 王建华，林福.基于UG的 三维CAD 课程思政教学探索 J.模具制造，2023，23（05）：93963 蔡厚道.基于UG和MoldFlow的塑料外壳注塑模具设计与 数控加工J.塑料，2015，44（06）：89924 刘平平.MoldFlow在 塑料成型与模具设计 课程教学中的 应用J.模具制造，2021，21（06）：90925 厚国旺，陈清奎，高博，朱肖龙，焦守群.塑料成型与模具 设计 虚拟仿真教学系统开发J.模具工业，2018，44（09）：74776 孙伟.Unigraphics NX在工程制图教学中的应用J.高教 学刊，2016，（08）：1171187 金敦水.基于 UG 技术的扶手垫片塑料模具设计与实践 J.重庆科技学院学报（自然科学版），2018，20(06）：90938 林良钧.基于UG和MoldFlow的塑料头盖模具设计分析J.科技风，2018，（28）：59 徐斌，李光明.MoldFlow在塑料成型工艺与模具设计课程 教学中的应用J.大学物理实验，2018，31（06）：929510 李伟，张晓黎.基于UG和MoldFlow的过桥弯管圆弧抽芯 注塑模具设计J.工程塑料应用，2021，49（08）：939811 路英华，肖国华，杨少增.基于UG的双翻转3次顶出机构 模具设计及运动仿真J.模具技术，2018，（05）：222812 丛慧.浅谈 UG模具设计基础 课程教学改革J.才智，2018，（19）：55第一作者简介：王晓东，男，1983年生，同济大学浙江学院土木工程系材料科学与工程教研室，讲师。（收稿日期：2023-08-13）塑料注射模技术 22