基于Moldflow的模具CAE技術在本科實訓教學改革中的應用

譚安平，譚 平，尹小燕

(成都理工大學 工程技術學院，四川 樂山 614000)

0 引言

“中國制造2025”和“工業(yè)4.0”倡導以智能制造為核心，將信息技術、物聯網、智能生產工藝等引入制造行業(yè)中[1]。模具生產作為制造業(yè)的重要組成部分，CAD、 CAM、 CNC、 EDM、線切割等各種設計、制造、測量技術都需要全面提升。另外，有限元分析和模具CAE逐漸被引入到大型模具制造中。實踐證明： CAE數值模擬對模具設計有很強的指導作用，可大大減少修模次數并降低模具報廢的概率[2-5]。

為了適應智能制造的發(fā)展要求，我校對材料成型專業(yè)本科生的模具實訓課程進行了教學改革。在模具CAD的基礎上，增加了模具CAE軟件(如Moldflow、 DYNAFORM、 DEFORM、 procast等)的教學與應用。本文以模流分析軟件Moldflow為例，闡述了成都理工大學在注塑模設計實訓課程的改革措施、方法及經驗。

1 課程改革的緣由

1.1 模具CAE在行業(yè)中越來越受到重視

模具CAE越來越受到模具廠家的重視，這是智能制造發(fā)展的需要。傳統的模具開發(fā)全靠工程師的經驗設計，設計完成后，無法檢驗模具設計的合理性，只能通過開模+試模來檢驗，如有產品缺陷則進行模具修改并試模，如此反復直到產品合格。這不但使模具成本成倍增加，還大大延長了模具的開發(fā)周期。

采用CAE開發(fā)模式，模具的合理性通過有限元分析進行驗證，驗證過程在計算機中進行，大大降低了試模成本，縮短了開發(fā)周期。傳統的模具開發(fā)模式和現代化智能制造的CAE開發(fā)模式流程圖對比如圖1所示。

(a) 模具的傳統開發(fā)模式流程

(b) 基于CAE開發(fā)模式流程

1.2 傳統教學模式的弊端

目前全國大部分高校的材料成型及控制工程本科專業(yè)的“塑料成型工藝及模具設計”“沖壓工藝及冷沖模設計”“鑄造工藝學及模具設計”等模具類課程的實訓教學一般是以UG，PRO/E等CAD軟件的模具設計內容為主，至于模具結構的合理性和模具生產制件的效果則無法反饋驗證，學生的設計無法用實際生產進行檢驗，教師也不能及時指導學生進行設計修正。

大部分學生在進行模具設計時學習興趣較低、創(chuàng)新能力不足，不知道“為什么要這樣設計”。另外，學生在設計過程中抱著僥幸的心理，認為自己設計的圖紙不會拿去加工，不會付諸實際生產，無法進行實踐檢驗，設計得好壞與否無關緊要。

1.3 課程改革的意義

將模具CAE引入模具專業(yè)課程的實訓教學中，主要目的和意義在于： 運用軟件進行計算和動態(tài)仿真，在計算機上模擬真實的成型過程，驗證學生的設計是否合理，修正設計的不足之處，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生CAD/CAE協同應用、綜合運用的工程實踐能力，為畢業(yè)后進入企業(yè)參加模具項目開發(fā)打下堅實的基礎。

2 教學階段劃分及學時的重新分配

在幾門模具課程中，選取了比較有代表性的注塑模為例，模具CAE軟件采用了針對塑料成型的模流分析專用軟件Moldflow，結合成都理工大學材料成型及控制工程專業(yè)本科生的特點、實驗室條件等，對“塑料成型工藝及模具設計”這門課的實訓課程教學大綱進行了修訂，重新分配了教學學時。

計劃總學時為48學時，由于增加了24學時的模具CAE實訓，原學時安排調整如下： 模具設計由原來的32學時壓縮至24學時；設計說明書編寫由原來的16學時調整為0，時間安排至課余時間。為了留給學生充足的課余時間編寫設計說明書及模流分析報告、完善設計圖紙，提交作業(yè)時間延后2周。學時分配表及階段劃分如表1所示。

表1 塑料模設計實訓課時調整

3 Moldflow實訓案例教學

案例教學法是指以案例為教材，在教師的指導下，運用多種方式使學生獨立思考，從而達到教學目的的一種教學方法。它要求根據教學大綱規(guī)定的教學目的和要求，以案例所提供的材料和問題為中心進行分析研究，提出見解，做出判斷和決策，以提高學生分析問題和解決問題的能力[6-7]。

本實訓課程安排在機房上課，教師講授時間較多。以某個產品作為案例，從CAE前處理、模流分析、到UG分模及各種模具結構的設計都需要做詳細的講解。學生分組拿到不同的產品，依據案例流程進行實訓，會有比較好的效果。本文以某手機殼為例進行案例講解。

3.1 CADdoctor數據修復

CADdoctor是一種支持CAD系統之間進行數據轉換的工具，旨在消除互操作性問題，界面如圖2所示。它解決了因CAD軟件之間的差異而阻礙平滑數據流的問題。

圖2 CADdoctor界面

CADdoctor可以對3D數據進行修復，經過CADdoctor處理過的3D數據導入Moldflow中，Moldflow修網格的時間可以節(jié)省80%以上。圖3為數據修復前后的對比圖。

(a) 修復前

(b) 修復后

3.2 Moldflow網格生成與修復

將CADdoctor修復之后的產品3D數據導入Moldflow中進行網格劃分并進行網格修復，使網格的自由邊和重合邊均為0，連通區(qū)域為1，最大縱橫比小于15，網格匹配率大于90%。Moldflow界面及修復之后的手機殼有限元網格模型如圖4所示。

圖4 Moldflow界面及有限元網格模型

3.3 最佳澆口分析

澆口是分流道與型腔之間最狹窄短小的部分。澆口的形式、大小、數量及位置的確定在很大程度上決定了制品質量的好壞，也影響成型周期的長短。熔接痕、氣穴、翹曲變形等缺陷都是澆口設計不當所造成的[8]。

制件外表面質量要求比較高，因此澆口不能設置在外表面。在Moldflow軟件中外表面的節(jié)點作為限制性澆口節(jié)點(見圖5)。設置分析序列為澆口位置，工藝設置為1個澆口，模擬完成后得到最佳澆口位置如圖6所示。

圖5 外表面節(jié)點設置為限制性澆口節(jié)點

圖6 最佳澆口區(qū)域(藍色區(qū)域)

3.4 澆注系統創(chuàng)建及成型窗口

根據模擬所得到的最佳澆口位置，創(chuàng)建了一模兩件的澆注系統，由于澆口不能設置在外表面，采用了潛伏式澆口，如圖7所示。

圖7 采用了潛伏式澆口的澆注系統

分析序列設為成型窗口，模擬后可以得到初步的工藝參數，如最佳注射時間、最佳成型區(qū)域、流動前沿溫度、鎖模力等初步工藝參數。根據初步工藝參數可以在后續(xù)模擬中進行參數設置，并在軟件中選擇注射機。對于大型復雜的產品，可以設置多段注射。

3.5 冷卻水路的創(chuàng)建

模具冷卻系統的合理性直接決定了制件成型的質量。模具冷卻系統不合理會造成不均勻冷卻，表現為凸模和凹模的表面溫度不一致，這會使塑件的上、下表面產生熱應力及熱變形，產品變形時會向較熱的一側彎曲，使制件發(fā)生翹曲變形。冷卻水路建模如圖8所示。

圖8 冷卻水路的創(chuàng)建

3.6 分析結果評判及優(yōu)化對策

運用模流分析軟件Moldflow可以模擬真實的注射過程，得到如充填時間、v/p切換壓力、保壓時間，保壓壓力，冷卻時間、冷卻液溫度、翹曲變形量等分析結果，對這些分析結果進行評判，可以得到完整的工藝參數、材料選擇方案、澆口位置/大小方案、翹曲變形、熔接痕及困氣等解決方案。

充填等值線與困氣位置疊加的模擬結果如圖9所示。圖中出現困氣的位置在模具設計時需注意加強排氣，開排氣槽或使用組合型芯排氣。另外，等值線比較密集的部位表明此處填充阻力大，疏密程度不一致的地方可能存在塑件表面質量缺陷，可嘗試調整料溫和模溫解決。由于Moldflow模擬結果比較多，這里選取部分有代表性的結果參數，評估及優(yōu)化策略如表2所示。

圖9 充填等值線與困氣位置疊加分析

表2 Moldflow部分分析結果評估及優(yōu)化策略

4 UG模具設計實訓

4.1 調整大綱后模具設計不變的內容

將模具CAE引入實訓課程之后，模具設計的大部分內容是不需要更改的，比如分模、模架加載、推出機構、脫模機構和抽芯機構等。UG分模界面及分模結果如圖10所示。

(a) UG分模界面及分型導航器

(b) 分模結果

4.2 調整大綱后模具設計變更的內容

調整大綱后，由于模具設計要以CAE的優(yōu)化方案作為指導，這幾個方面需要CAE確認后才能設計： ①澆注系統；②冷卻系統；③排氣機構；④產品壁厚。

首先，需CAE確認的澆注系統包括澆口的類型、進澆的位置、流道及澆口的長度和大小等參數。對于本案例，按照Moldflow的最佳澆口方案，模具設計的澆注系統如圖11所示。

圖11 模具設計的澆注系統

其次，需CAE確認的冷卻系統主要包括冷卻管道的布置形式、管道直徑及介質、介質溫度等參數。對于復雜的模具，實際設計的管道往往與Moldflow中預先設計的管道差別較大，這時需要將實際管道導入Moldflow中對冷卻系統進行驗證。

再次，需CAE確認的排氣系統主要是針對Moldflow成型中的困氣位置設計的排氣槽和拼塊式型芯。

最后，產品壁厚一般不作調整。在調整澆口、冷卻系統、工藝參數均不能解決產品表面質量和翹曲變形等問題時，才需要調整產品壁厚。

5 結語

Moldflow作為重要的塑料模CAE軟件，輔助模具設計師優(yōu)化流道系統與模具結構，協助產品設計師從工藝的角度改進產品形狀，如今正在被各大模具廠商所重視并利用。高等院校是輸出人才的重要搖籃地，應與時俱進，與企業(yè)接軌，將模具CAE作為教學改革的重要環(huán)節(jié)，使模具CAD與CAE整合起來，培養(yǎng)出高素質的模具人才，為社會服務。材料專業(yè)的學生也會更具競爭力，在就業(yè)市場上立于不敗之地，實現自我價值。我院進行教學改革已經有2年了，教學情況和學生知識掌握情況良好。其中一屆本科生已經畢業(yè)，就業(yè)良好。另外，CAE實訓也加強了部分考研學生的科研能力，為其以后的學習及科研打下良好的基礎。