基于Moldflow的模具實訓教學課程改革與規劃

江麗珍， 韓 偉， 梁秋華， 章盼梅

(華南理工大學廣州學院工程訓練中心，廣州510800)

0 引言

隨著工業4.0的廣泛興起以及智能設計與制造的快速發展，智能化的模具設計軟件在企業新產品開發中已經普遍運用，高校的模具實訓也應該將重點轉移到“一體化、智能化、自動化”的新技術應用上來［1］，以適應社會對模具技術人員工程能力不斷提升的需求，而目前本科生的注塑模設計實訓教學一般是以PRO/E、UG等CAD軟件的分模設計內容為主，至于分模設計產生的結構方案和注塑生產的效果則無法反饋驗證，學生的設計作業難以付諸工業生產制造實踐來判斷效果，教師也不能及時指導幫助學生修正設計錯誤;學生直到畢業后接觸生產實際時才知道在學校的實訓作業只是紙上談兵。為適應智能化模具設計制造的不斷發展，培養學生全面運用CAD/CAE數字化技術進行模具設計的工程能力［2-4］，許多院校都開始進行模具實訓教學模式改革，我校也進行了一系列有益嘗試。

1 注塑模具設計實訓內容調整規劃

實踐中將有限的實訓課時重新規劃，學生以完成Moldflow軟件智能模具設計任務為核心，運用智能模流分析功能，根據零件的幾何形狀、材料、注塑條件進行模具結構設計，模擬注塑結果驗證設計方案，分析對比注塑零件的充填參數;通過動態模擬仿真，學生可以直觀地了解塑料熔體進入型腔時的流動情況［5］，反饋驗證方案并進行優化設計，完成工藝分析報告作業，建立初步的工藝經驗。按照這樣的教學改革構想，對3天的實訓教學課時進行了工作導向任務分解，具體內容見表1。

在以上課程結構規劃的基礎上，再制定具體的教學大綱和計劃，以典型模具設計任務為目標導向開展模具實訓教學［6］。

2 以典型工作任務引領模具實訓教學

為了在有限的實訓課時內使學生盡快掌握智能模具設計及分析，運用了一些典型模具實訓工作任務，引導學生投入設計工作任務實踐情景，通過親身體驗產生工藝經驗知識［6］，典型工作任務的設計應能體現注塑模具型腔結構及注塑成形的典型特點，應包含典型分型面選擇、型腔模穴布局和流道形狀及尺寸大小等;如圖1所示為典型注塑模的模具拆裝、Pro/E分模設計和Moldflow模擬分析實訓任務的工作流程，通過這樣的任務模塊組合使學生盡量接近未來的實際工作情景，鼓勵學生投入工作實踐并積累經驗。

圖1 工作任務引領的模具實訓教學規劃模型

由于模具拆裝和Pro/E分模設計的內容均屬于長期開設的傳統實訓模塊，在此不再贅述，而重點闡述Moldflow模流分析新模塊的實訓課程規劃內容。

2.1 澆注系統設計及比較分析

澆注系統設計是關系到注塑成敗的首要因素，為使學生掌握澆口位置、澆道形狀和布局設計，規劃了一模二件的充電器上蓋［7］的澆注系統設計任務，要求學生自行選擇澆口位置、設計澆道形狀和尺寸，再用Moldflow模流分析比較各種方案的優劣及科學合理性，需要特別指出的是，智能模具設計軟件已經將很多工業生產中的復雜知識經驗轉變為簡單的電腦軟件操作技能，使過去深奧的模具結構設計變得簡單快捷。如圖2所示，Moldflow軟件將澆道的設計變成智能化對話向導的形式，學生在設計的同時很容易從對話框內領會到相關的模具知識。

圖2 Moldflow軟件澆道智能設計對話向導

圖3所示為2種不同澆口位置選擇產生的充填效果，澆口位置的優化明顯改善了填充時的流動情況，通過Moldflow彩色動畫仿真效果，可以明顯判別出選擇何處作為澆口位置比較合理，教師待學生自己實踐之后再推出澆口位置設計的基本工藝原則，比如澆口位置應保證能在充型流動時將氣體壓向排氣口，澆口位置應保證熔體從制件厚端流向薄端，澆口長度應盡可能短等［8］。接下來澆道形狀和布局設計等也按照學生先動手老師再總結的模式進行，鼓勵學生自己通過不同方案產生的結果比較分析，得出具體的設計原則和工藝經驗。然后教師還可以提出啟發性研究問題供學生進一步探索，比如變更模穴數量、加大澆口和流道尺寸、延后澆口凝固時間等，對于塑件的充填補縮效果會產生什么樣的影響。

圖3 不同澆口位置選擇產生的充填效果

2.2 冷卻系統設計及分析

冷卻系統的設計在注塑模具設計中占有重要的技術地位，高效的冷卻回路可以減少冷卻時間，提高產量，均勻冷卻可以使殘留應力降低，有利于保證塑件的尺寸精度與穩定性［9］。但初次接觸模具設計者往往難以形象想象模具內部冷卻回路的情況，而Moldflow模流分析軟件具有強大的模具熱能分析功能，使得注塑模具冷卻系統設計簡便易學。如圖4所示，Moldflow智能設計向導可以讓學生自行設計一個簡單回路模型，這個模型并非最終的冷卻回路但卻具有很強的對話導向功能，直觀地引導學生結合注塑零件的幾何形狀進一步細化設計回路的空間布局走向，從而理解注塑模凹凸模腔內部冷卻回路布局。

圖4 冷卻系統智能設計功能向導

教師在布置任務時應提醒學生認識到冷卻系統的重要性［9］，在滿足模具結構設計的情況下盡量多開設冷卻水道;要使模具凹模與型芯的各個部位的溫度基本保持一致，以便型腔內的塑料熔體能同時凝固。如圖5所示，要求學生完成具體的冷卻回路設計，從壓力損失分析出發，比較選擇回路的彎頭數目應該設置多少為合理，以及采用多少條冷卻管道、采用多大的冷卻管直徑等具體工藝參數設定，使學生認識模具內部冷卻水循環流動的情況。在此基礎上，還可以指導學生探討模具冷卻回路的后續加工和注塑操作等工藝問題，比如設計塑件壁厚均勻的模具時，應盡可能使所有的冷卻管道孔到各處型腔表面的距離相等，進、出口水管接頭的位置應盡可能設在模具的同一側，一方面方便一次裝夾加工，另一方面便于注塑生產時進口、出口水管接頭的安裝。通過這些探索研究，使學生進一步增加生產實景認識，增加工藝經驗。

圖5 模具冷卻回路設計實例應用

2.3 注塑模具工藝應用模擬分析

模具注塑生產時必須將工藝參數的選擇原則與模具型腔結構、澆注系統以及冷卻系統因素配套綜合考慮，才能得到合格的注塑件，因此生產中模具工程師在初次試模時都會撰寫一份工藝報告，詳細說明該套模具注塑生產時的注塑工藝參數組合，如圖6所示的速度、壓力和充填時間等。Moldflow模流分析技術可以全面分析模具設計方案的注塑生產過程，縮減試模時間、節省開模成本和資源、改善產品品質、縮短產品上市的準備周期、降低不良率［10］。因此教學中應當充分利用Moldflow模流智能技術，引導學生自主解決模具設計、工藝參數設定及注塑工藝缺陷問題，驗證分析模具設計方案的工藝合理性，模擬完成模具工程師的工藝設計改進工作。

圖6 模具應用工藝參數

在這個環節中，要求學生將自己轉變成工程師的工作崗位情景，運用Moldflow智能模擬功能，選擇工藝項目進行動畫模擬，對不同的學生分別布置不同參數設置的作業，要求學生分別完成諸如充填速度、鎖模力和模具溫度控制等工藝報告，引導學生在完成報告的過程中熟悉注塑模具的工藝技術，提升技術能力，具體內容如表2所示。

表2 模具應用工藝報告表

3 教師的作用及角色轉變

“任務驅動法”教學的核心在于學生成為模具設計方案確定及工藝實施的主體，教師將轉變為模具設計工作任務的組織者、分配者和檢查者［11-12］。設計規劃將智能軟件功能與學生技能相結合的教學方案，使學生可通過比較分析注塑生產效果的基礎上主動修改自己的設計方案，并做出科學合理的選擇，從而得到應用能力的提升。由于學生各自產生了不同的設計方案及反饋驗證效果，在實踐中還可以鼓勵學生主動上臺介紹自己的設計方案，相互間進行方案比較辯述，比較各種模具布局以及澆注系統設計工藝方案的優劣，使學生的主動性得到充分的發揮。能使學生真正成為學習的主角，教師的角色可以模擬設計部門的主管布置設計任務，在實訓的后期則可以模擬客戶，挑選分析最佳設計方案，對各種方案進行點評分析，具體的實訓教學流程如圖7所示。

4 結語

根據現代教育學理論，工程應用技術的實訓課程是依據特定職業所需的知識能力結構而產生的一種具有特定技術功能、特定練習任務模塊的組合［11］。模具實訓教學需要根據不斷發展的新技術，改革教學模塊組合方式，不再局限于測繪和設計模具結構等傳統方式，而是通過應用Moldflow智能模擬分析軟件讓學生接觸更多的模具知識，使每個學生都能參與到模擬任務中動手操作，提高應用智能分析設計軟件的能力［13-15］。該教改項目目前已在2個年級機械專業本科生中實踐，普遍反映效果良好。

圖7 實訓教學工作流程