基于CAE技术的自行车快速卡具模具设计

摘 要:使用Moldflow软件对自行车快速卡具的成型过程进行了模拟,如最佳浇口位置和缺陷等。根据产品的使用要求,预测了模具结构及注塑工艺中的问题并及时修改,在UG Moldwizard的基础上完成了模具设计。实践证明,在自行车快速卡具的模具设计中使用CAD与CAE技术相结合的手法,使得模具设计变得快捷、准确,并且在模具制造之前就可以优化模具结构、工艺参数,提高了工作效率。关键词:CAE; Moldflow; 自行车快速卡具; 模具设计

中图分类号:TN911-34; TP311文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)16-0020-03

Mold Design of CAE-based Rapid Fixture for Bicycle

QIAO Yu-bing1, JIA Yi-chao2, LIU Xing-gang1

(1. Zhangjiakou Vocational and Technical College, Zhangjiakou 075000, China;

2. School of Material Science and Technology, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

Abstract: The best gate location and defects existing in forming process of the rapid fixture for bicycle were simulated with Moldflow software.According to the application requirements of products, the problems which possibly occurs in the mold structure and the forming technology are predicted and solved on time. The mold design is completed based on UG Moldwizard. The practice proves that the combination of CAD and CAE can make the mold design of the rapid fixture fast and accurate, the mold structure and the injection parameters can be optimized before the mold is produced, and the working efficiency can be improved.Keywords: CAE; Moldflow; injection mold; mold design

0 引 言

在工业生产中,注塑工艺得到了越来越广泛的应用。但是,塑料产品从设计到成型是一个复杂的过程,包括塑料制品设计、模具结构设计、模具加工制造和模塑生产等几个方面。传统的注射产品开发及其模具设计依靠设计人员的经验进行,从设计到修改再到设计,需要反复迭代,不断优化。若在设计模具过程中用上CAE技术,就可以提早发现设计中存在的缺陷,从而保证模具设计的合理性,减少甚至避免修模,不仅可以提高产品质量,而且可以提高模具设计一次成功的几率,从而大大减少了修模的次数,节约了时间和成本。因此,模具CAE 技术越来越受重视。随着计算机水平的不断发展,CAE技术将会越来越完善,在模具制造业中必然会占有举足轻重的地位,它与CAD/CAM技术结合,已经成为模具设计的主流方法[1-4]。

1 注塑模CAE技术

注塑模CAE技术是以计算机模拟为手段,将产品设计、生产实验、工艺分析融合到产品开发过程,依靠有限元法来分析塑料注塑过程并完成模具优化设计,进行产品设计、制造、工程分析、仿真、试验等信息处理,并包含相应数据与数据管理系统在内的计算机辅助设计综合系统。主要包括填充分析、流动分析、冷却分析、翘曲分析等[5-6]内容。

2 模具设计

如图1(a)所示,该产品主要应用在国外自行车上,使用这套快速卡具,可以很方便地装卸自行车的车载箱,根据需要可以快速更换不同规格的车载箱。

产品的装置结构如图1(b)所示,零件1与自行车相连,零件3代表车载箱或其他自行车配件,当零件3向零件1靠近时,零件2在压力作用下向下运动,最终零件2的凸起部分将在弹簧的弹力下卡入零件3的特殊结构中,使车载箱固定住。

2.1 前期处理

快速卡具表面要求平整光滑,在实际使用中能够承受一定的重量,因此产品需要具有一定的强度和硬度。根据常用塑料的基本特性、成型特点以及工艺参数,决定选择聚丙烯(PP)。它具有优良的机械性能和耐热性能,使用温度范围-30～+140 ℃。几乎不吸水,耐腐蚀;强度、硬度及弹性均适宜该产品。

图1 产品示意图

用UG软件做产品的三维造型,并以STL文件格式导入CAE软件Moldflow中。采用fusion网格进行划分,得到17 834个三角单元。选择注塑材料,初始条件先设定为该材料默认的工艺参数:模具温度为80 ℃;熔体温度为280 ℃。

2.2 最佳浇口位置

浇口位置会影响到塑料熔体在模具型腔内的流动,若设置不当,会影响到塑件的外观质量和内部缺陷[7]。首先要通过最佳浇口位置分析确定出开设浇口的大概位置,再通过之后的各项分析来验证浇道设计是否合理。图2为Moldflow浇口位置分析,图中深色部分为最佳浇口位置,浅色其次。

图2 最佳浇口位置示意图

综合考虑CAE分析结果及模具结构,浇口位置选择在图2下图的中间区域。从产品的使用要求来讲,浇口处所留下的疤痕会被自行车附件所掩盖住,不会有外观上的缺陷,因此不会影响到产品外表面的美观。

2.3 充填分析

充填分析为模拟塑料从注塑开始到模腔被填满的整个过程,从模拟结果中可以分析出气穴、熔接痕等缺陷的位置,从而可以判断在初始工艺参数下,熔体在型腔内填充是否合理,并分析原因加以优化。

按初始的工艺条件,模拟塑件的冷却过程,如图3所示。由塑件的冷却时间可以看出,温度场分布不均匀,通孔周围的冷却时间较慢,需要超过2 min的时间,该处的冷却效果不理想。因此在模具设计时需要在此处增加冷却水道,加强此处的冷却效果,使产品整体处于均匀冷却状态。

在该工艺条件下生产时可能会出现如图4所示的缺陷,产品有明显的气穴和熔接痕,这些缺陷会导致产品的强度下降,严重影响外观[8]。由图可以看出,如果产品上有气穴存在,注射过程中可能会有困气现象。但在模具的分型面和侧抽芯机构附近,可以忽略,因为这些地方的气体可以通过模具的缝隙排出,如果在产品顶部,则需要在此处开设排气系统。另外,出现熔接痕和气穴,通常是由于塑件结构不合理或熔体和模具的温度较低,注射压力和注射速度低,浇口位置不合理等原因造成的[9]。因此通过调整注射工艺,适当地增加注射压力和速度来弥补有熔接痕的缺陷。

图3 冷却时间

图4 缺陷位置

2.4 模具设计

该产品属于带有侧孔类零件,因此模具设计时还需要安装一套斜导柱侧向抽芯机构,如图5所示。开模时,在动模部分后退的过程中,开模力通过斜导柱作用于侧型芯滑块,型芯滑块随着动模的后退在动模的导滑槽内向外滑动,直至滑块与塑件完全脱开,侧抽芯动作完成。塑件包在凸模上继续后移,直至注塑机与模具推板接触,推出机构开始工作,推杆将塑件从凸模上推出。合模时,借助弹簧使推出机构先复位,斜导柱使型芯滑块向内移动,最后完成合模。

图5 侧抽芯机构

UG MoldWizard模块是针对于注塑模设计的软件。设计者只需根据一个产品的三维实体造型,就可以建立一套与产品造型参数相关的三维实体模具,包括了模腔布置、浇注系统、冷却系统、模具零件等,使用起来非常方便[10]。该次设计利用UG MoldWizard软件并综合了Moldflow分析结果,完成了模具设计,如图6所示。

图6 模具结构示意图

3 结 语

注射模的浇口位置注塑工艺参数会对塑件的质量有很大影响,模具设计时运用Moldflow软件可以预先模拟出快速卡具的生产过程,分析工艺参数对其质量的影响,并及时修改了工艺参数和模具结构。在快速卡具的模具设计中,将UG中的注塑模设计模块和Moldflow强大的CAE分析功能综合使用,避免了模具设计完成后反复试模和修模的过程,提高了模具的开发效率,降低了成本。

参考文献

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