基于CAD/CAE/CAM技术的按键注塑模具设计

    塑料制品的广泛应用使注塑模具得到了迅猛发展，对注塑模具设计和制造的要求也越来越高。而传统的手工设计与制造方式已经大大地制约了生产的发展。计算机辅助设计/计算机辅助分析/计算机辅助制造(CAD/CAE/CAM)技术的发展满足了这种客观实际的要求，并取得了显著的经济效益。本文以按键为研究对象，应用CAE分析软件Moldflow对塑件的注塑成型过程进行分析，确定了最佳浇口位置、浇注系统形式、冷却系统以及成型工艺参数。基于Pro/E软件进行产品的三维分模，确定了型腔和型芯结构，并在此基础上进行了模具主要零件的模拟加工和数控编程。

1 按键结构分析

    按键属于小型塑件，成型材料用ABS。如图1所示，其壁厚为1.6mm，其外形尺寸为22.4 mmx 9.4mm X 7.25mm。按键外形结构比较复杂，四周都有圆角过渡。要求塑件表面美观、光洁、无明显熔接痕、银丝和流痕，同时不产生明显的翘曲变形。塑件两侧都带有侧孔，需采用侧抽芯机构。可设置侧型芯，利用侧滑块和斜导柱驱动，便于分型。另外，为了从成型零件上顺利脱出塑件，必须在塑件内外表面沿脱模方向设计足够的脱模斜度。塑件的转角处应尽可能采用圆弧过渡，以增加塑件的强度和改善充模流动性，同时增加美观程度。

2 按键CAE分析
   
    将利用Pro/E创建好的按键三维模型通过IGES文件转换格式导入到Moldflow中进行往塑成型过程模拟分析。前置处理过程需要对模型进行网格划分并选择成型材料。

2.1 最佳浇口位置分析及确定
   
    注塑成型时，首先要确定浇口的位置，浇口位置对制品质量有着直接的影响，它应开设在塑件断面较厚的部位，使熔体由厚断面流入薄断面，而且开设的位置应能避免塑件表面产生熔接痕，最后还应有利于型腔中的气体排出。最佳浇口位置如图2所示。

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2.2 浇注系统的建立
   
    根据分析所得的最佳浇口位置与塑件的使用要求，本设计采用点浇口，如图3所示。这类浇口由于前后两端存在较大的压力差，能增大塑料熔体的剪切速率并产生较大的剪切热，从而导致熔体的表面钻度下降，流动性增加，有利于型腔的充填。

2.3 充填分析模拟
   
    图4所示为充模时间分析结果。从图4可以看出，填充时间为1.695s,熔体几乎同时到达模腔两端，可以满足要求。

2.4 冷却分析模拟
   
    注塑模具可作为一种热交换器，如果冷却介质不能及时有效的带走必须带走的热量，不能实现均一的快速冷却，则在一个成型周期内就不能维持热平衡，会使塑件内部产生应力而导致变形或开裂，从而无法进行稳定的模塑成型。因此，冷却分析是必要的。根据塑件形状及综合考虑模具其他零部件的设置，设计了如图5所示的冷却系统。从图5可以看出，冷却水进出口温度相差0.06℃，满足冷却水温差小于2.5℃的要求。冷却系统对塑件温度的影响如图6所示，塑件表面温度基本一致，冷却较均匀，有利于提高塑件的形状精度。

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2.5 翘曲分析模拟
   
    图7所示为总体变形量及各个方向变形情况。从图7可以看出，总体和X方向上的变形较大，而Y和Z方向上则变形相对较小。

2.6 型腔内的压力分布

    图8所示为熔体充满型腔瞬间的型腔压力分布。从图8可以看出，压力分布较为均匀。

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2.7 锁模力
  
    图9为锁模力时间曲线。从图9可以看出，所需最大锁模力约为0.5226t，故可根据此值选择合适注射机以获得足够的锁模力。

3 基于Pro/E的三维分模

    由于塑件的曲面较多，直接根据产品工程图进行模具设计比较困难，因此，利用Pro/E进行三维分模，生成三维型腔和型芯，可以免去传统设计方法中模具设计员对复杂型腔、型芯的二维和三维的空间想象，可以降低设计难度和模具加工难度，并可提高模具的设计精度。
  
    三维分模的步骤如下:

    (1)创建模具模型。图10所示为调入到Pro/E模具型腔中的塑件，本模具采用一模两腔。
   

    (2)创建毛坯。用拉伸的方式创建出80mmX 48mm X 40mm的毛坯。
   
    (3)设置收缩率。按键塑件精度要求一般，原材料选取ABS塑料材料，其收缩率范围较小，按全尺寸收缩，设置收缩率为0.016。
   
    (4)创建分型面。按键主分型面及侧型芯分型面如图11所示。

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    (5)浇注系统的设计。所设计的浇注系统如图12所示

     (6)创建浇铸件。首先以分型面分割模具体积块，分割出侧型芯体积块以及主型芯和型腔体积块，并抽取模具元件，最后创建浇铸件。如图13所示。

    (7)加入冷却系统。最终的三维分模爆炸图，如图14所示。

4 模具型腔的数控加工

    将生成的模具型腔导人到MasterCAM软件中，设置好加工参数和刀具加工路径后，利用MasterCAM软件系统所提供的零件加工模拟功能，能够观察切削加工的过程，检测工艺参数的设置是否合理，零件在数控实际加工中是否存在干涉等，最终生成刀位文件，通过后置处理器生成NC代码。图15所示为主型芯精加工过程模拟图，图16为通过后置处理器生成的NC代码。

5 结论
   
    模具CAD/CAE/CAM技术是模具技术发展的一个重要里程碑。在模具开发中应用Pro/E软件建立产品实体模型，应用CAE技术对注塑成型过程进行模拟分析，进而优化工艺参数与模具结构，同时根据产品模型生成模具型芯、型腔。采用CAM软件编程加工可有效缩短制造周期、提高生产效率、解决制造瓶颈。通过CAD/CAE/CAM技术可以提高产品质量，缩短产品开发周期、有效地降低设计和开发成本，从而提升企业市场竞争的能力。