基于Pro/E中塑性顾问的电池盒后盖的塑性分析

摘要：模具CAE技术在模具设计与制造中应用日益广泛，以Pro/Engineer软件的CAE辅助分析工具为平台，对电池盒后盖零件进行塑料充填模拟分析，分析结果为模具设计提出较好的建议，避免出现缺陷，缩短产品的开发周期。Pro/E软件的CAD/CAM/CAE集成系统使其在注塑模具计算机辅助设计中的应用优势尤为明显。

关键词：Pro/E；塑性顾问；CAE；塑性分析；模具设计

中图分类号：TP317 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）07-1694-05

1 概述

在塑料加工行业中约有95%的产品靠模具生产[1]，为降低塑件缺陷，提高塑件质量，降低废品率，塑料注射成型CAE商品化软件应用日益广泛。该文运用Pro/E软件中的CAE分析辅助工具――塑性顾问（Plastic Advisor）对电池盒后盖零件进行模拟分析，利用分析结果对模具设计过程提出有效建议。

2 CAE技术应用的必要性

注射成型时，塑料在型腔中的流动和成型，与材料的性能、塑件的形状尺寸、成型温度、成型速度、成型压力、成型时间、模腔表面情况和模具设计等系列因素有关[2-4]。因此，针对形状复杂、质量和精度要求较高的塑件，特别是新产品试制，对于一个具有丰富经验的工艺和模具设计人员来讲，也很难保证第一次设计出来的模具就能生产出合格产品。生产实际表明在试制过程中，常常需要反复调试和修改模具，有时甚至需要在总结试验数据的基础上重新进行模具设计，这样将导致产品开发周期长，成本高，影响产品的更新换代。而应用CAE技术，可以使新设计的塑件和模具一次试模成功率增大，解决诸如塑件翘曲变形、尺寸不稳定和模具加工周期长等问题，并降低加工成本。

CAE是用计算机对产品开发过程的形状、制图、分析、实验等一系列综合的工程作业，塑料模设计和制造的CAE是从狭义出发，主要是在设计模具之前对熔料的热、流动、物理性能和应力分析进行模拟。将工程设计、试验、分析、文件生成以及制造贯穿于产品研制过程的每个环节，以指导和预测产品在构思和设计阶段的行为。

大型三维软件Pro/Engineer 是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统。Pro/E的模具行业解决方案基于集成制造技术和并行工程技术，可以应用于各种模具的设计和制造[5-7]。其模具设计模块与其基础模块一起为塑料模具设计人员提供快速创建和修改完整模具零部件的功能。Pro/E提供了注塑模具设计模块（Pro/MOLDESIGN）、注塑模具设计专家（EMX），能大大缩短模具设计人员花费在创造、指定和细化模架等部件的时间，提高工作效率。Pro/E还提供了CAE分析辅助工具――塑性顾问（Pro/Plastic Advisor），主要用来分析塑料在模具内的流动情况、温度分布及制品质量等[8，9]。掌握这些分析方法将减少设计者在模具设计过程中造成的一些不必要的失误，从而提高模具设计的可靠性。该文以电池盒后盖零件为实例对Pro/E的塑性顾问模块进行介绍和应用。

本电池盒后盖零件最小壁厚为0.5mm，塑件最大外型尺寸为20mm，塑件的整体尺寸不大，塑料熔体流程不大，属于薄壁小型塑件，其结构如图1所示。

3 Pro/Plastic Advisor的数值模拟及分析

3.1 浇口位置分析

在Plastic Advisor应用程序环境下，可以完成制品最佳浇口位置的模拟分析，从而保证在设计模具的浇注系统时能选择合适的浇口位置，保证熔体的顺利充模，而后续的其他分析均需要在设置好浇口位置之后才能进行。在进行Plastic Advisor模拟时，需对熔体材料及成型工艺参数进行设置，具体的最佳设置参数，要根据选用的材料及注塑机等来综合分析决定。本零件设置的参数为：材料类型（pp）、模具温度（50℃）、浇注温度（240℃）、注射压力（120Mpa）。Plastic Advisor运行分析出来的结果如图2所示，Plastic Advisor在分析结果中以不同颜色表示在该区域设置浇口的合理程度，蓝色为最佳，红色为最差。

根据分析结果，本图深色为较差设置位置，应将浇口位置设置在塑件外表面和内表面中心部位，但是综合考虑设计和制造等因素，应将浇口设在下图的“此处”的位置，如图3所示，该处为一平面，去除浇口较方便，且容易加工，便于设计。

3.2 塑料流动分析

利用Plastic Advisor进行塑料流动分析，可以很好地预测熔融塑料在模具中的流动情况，针对分析得到的不利结果，可以在模具设计时做出相应的改进。

定义成型工艺参数，包括模具温度、熔体温度及注射机最大压力，Plastic Advisor则可以得出塑料流动过程的各个因素分析结果，包括充填时间、注射压力、压降、质量分析等。本次分析中，参数设置如图4所示，得出的分析结果概要如图5所示。分析结果概要显示了该塑件在给定的成型条件下能充满，但塑件的质量不是很好以及成型过程的一些参数，如注射时间为0.21秒等。

塑料流动分析结果还可以查看塑件填充度，如图6所示。由结果可得知该塑件在该环境条件下，很容易注塑填充。（塑件绿色为很容易填充，黄色为较难填充，红色为难填充，透明为不能填充。）查看塑件的注射质量分析，如图7所示。注射质量分析结果可知分析的塑件在设置的参数条件下，填充的塑件各个不同区域的质量。 由图7可知，本例中电池盒后盖零件的充填质量基本满足要求，但也有提高的空间（浅色为质量较差区域），可通过改进工艺参数等方法进行优化设计。（PlasticAdvisor显示结果塑件绿色为高质量，黄色为可能出现问题，红色为会出现质量问题，透明为不能填充。）

3.3 冷却质量分析

模具设置冷却装置的目的，一是防止塑料制件脱模时变形；二是缩短成型周期；三是保证塑料制件的质量。为使冷却装置可以达到其目的，对制件进行冷却质量分析，可以模拟制件的冷却效果、表面温度变化、冷却时间等因素，可以协助用户对不合理造型进行修改，避免因冷却方法而造成的变形。

将电池盒后盖零件导入后进行冷却质量分析，得到的冷却分析结果概要如图8所示，零件的各个区域冷却质量结果如图9所示。分析概要显示该塑件冷却有困难，从而导致脱模有困难，并且列出了塑件表面温度变化和冷却时间变化的范围。而由结果图，可得知塑件在该环境条件下，冷却的质量大部分为高质量，倒钩和凹孔位置冷却质量较差，即图上深色部分区域。（PlasticAdvisor分析结果，绿色为冷却质量高，黄色的冷却质量居中，红色部分为冷却质量较差。）由图10冷却时间变化结果可以清楚看到塑件各个区域的所需冷却时间。

3.4 透气分析

在流体浇注到模具中会有反转或冲击型腔，此时在型腔中会留住空气或气泡。这将导致在零件表面生成疤痕，为了消除此种现象，一般要在模具的逃气位置安置透气孔。在Plastic Advisor中塑件经过塑料流动分析完成后，可以查看透气分析结果。电池盒后盖的透气分析如图11所示，图中小圆圈即为建议安置透气孔的位置。

3.5 分析报告

在完成塑件的塑性分析后，Plastic Advisor还可以创建生成分析报告书，包括所做分析的内容，使分析过程更为系统，完整。本例零件创建生成的分析报告书如图12所示，通过左侧的导航可以查看各个分析内容结果。

从Plastic Advisor分析结果看，综合模具设计和制造等各方面，浇口的位置选择还是比较好的，如果浇口设计在塑件的外表面中间部分，浇口凝料不容易去除，且会影响塑件的外表美观；如果将浇口设置在内表面中间部分，在设计上就要将整套模具设计成双分型面的，增加了设计难度和制造成本。

在模具温度（50℃）、浇注温度（240℃）、注射压力（120Mpa）特定的工艺参数条件下，PP塑料熔体是很容易注塑填充型腔的，注塑填充的效果大部分是高质量的，只是存在少数部分可能会存在问题，可改进注射工艺参数。可通过Plastic Advisor模拟在不同的注射工艺参数条件下，塑料的充填情况，经过比较分析，得出较优参数，降低缺陷率。

塑件的冷却效果大部分为高质量，存在冷却效果较差的部分，调整冷却时间由15s调高至40s，依然存在红色冷却效果较差部分，由此进行模具设计时应将冷却水路开在冷却效果较差的部位附近，加强冷却效果。

塑件的透气分析透气孔的建议位置基本均位于分型面上，可以利用模具零件的配合间隙排气，因而无需特意设计排气系统。

4 结论

Pro/E软件是全方位的3D产品专业CAD/CAM/CAE软件，为注塑模具设计提供了完整的解决方案，包括模具元件的设计和装配，塑料模具型腔的设计以及模架设计和塑性模拟分析。Pro/Plastic Advisor可以较好地模拟塑料的充填情况，预测材料在成型过程中可能产生的质量缺陷，获得最佳工艺方案和工艺参数，为模具设计提供有效建议，缩短产品制造周期，降低成本。Pro/E的集成CAD/CAM/CAE系统使到模具设计、分析和制造各个的过程的模型数据无需转换则可在Pro/E里面直接完成，相对于利用其他CAE软件进行分析，避免了软件之间出现因数据转换造成的模型数据缺失的问题。利用Pro/Plastic Advisor进行塑件的塑性模拟分析的应用优势尤为明显。

参考文献：

[1] 钱应平，刘小鹏. Pro/E软件在注射模具设计与制造中的应用[J]，湖北工学院学报，2004，19（3）.

[2] 吴崇峰.实用注塑模CAD/CAE/CAM技术[M].北京：中国轻工业出版社，2000.

[3] 喻祖建，李钢.模具设计与制造专业开设模具CAE课程之我见[J].科技信息，2009（28）.

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[5] 尹飞鸿.有限元法基本原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2010.

[6] 纪爱敏.机械CAE分析原理及工程实践[M].北京：机械工业出版社，2009.

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[8] 张磊，谢龙汉，朱圣晓.Pro/ENGINEER Wildfire4.0 模具设计实例图解[M].北京：清华大学出版社，2008.

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