基于Creo-Plastic Advisor的注塑模具模流分析與模具設計*

溫成卓，張 熒

(云南機電職業技術學院，云南 昆明 650203)

計算機輔助設計和輔助分析軟件的應用可以有效提高產品設計效率和準確度，降低設計成本。Creo是美國參數技術公司(PTC)推出的設計軟件版本，在目前的三維設計軟件中占有重要的地位，解決了在可用性、可操作性、技術鎖定和裝配管理等方面積累已久的難題，成為當今機械CAD/CAE/CAM領域最成功的應用軟件之一，受到業內人士的廣泛認可和推廣[1]。Creo針對塑料產品設計和注塑模具，開發了一整套模流分析系統，即Plastic Advisor(塑料顧問)，使用Creo的Plastic Advisor功能對塑料產品進行填充分析，能夠使模具設計者在塑料產品設計和注塑模具設計初期對產品進行可行性評估和優化模具設計，從而提高設計效率，減少設計缺陷，降低設計成本[2]。本文以遙控器前蓋為例，詳細闡述了應用Creo對塑件進行模流分析的方法和過程。根據分析結果設計澆注系統，優化注塑參數完成模具的結構設計。

1 建立遙控器前蓋三維模型

以某電子產品的遙控器前蓋為例，建立塑件三維模型。該塑件外表面曲面較多，并分布著顯示屏孔、按鍵孔、紅外線發射孔及螺釘安裝孔。塑件內表面有4個安裝柱和2個卡扣。應用Creo零件設計功能模塊創建遙控器前蓋的三維實體模型(見圖1)。

2 遙控器前蓋模流分析

2.1 最佳澆口位置分析

注塑件的澆口位置、形狀和數量的選擇對塑料的填充效果及塑件產品的成型質量有較大的影響。對于不同形狀的塑件，澆口位置的合理選擇應綜合眾多因素，這也成為模具設計者面對的重要問題和難題。Plastic Advisor的最佳澆口位置分析功能有效地解決了這一難題，通過分析可以準確地得到適用于不同塑件的最佳澆口位置[3]。分析步驟如下。

1)在Creo中打開遙控器前蓋三維實體模型，點擊“文件→另存為→Plastic Advisor”功能，選擇實體模型后，模型將自動加載到Plastic Advisor中。

2)在窗口工具欄中選擇“Analysis Wizard”選項，選擇“Gate Location”進行最佳澆口位置分析，分析時應指定塑料材料、模具溫度、最大注射壓力等參數。軟件根據模型的形狀和模型物理參數分析計算出最佳澆口區域，分析結果云圖(見圖2)中圓圈部分為最佳澆口可選區域，但并未給出確定的澆口位置，需在最佳澆口區域內手動設置多個澆口點進行測試分析，達到最佳效果后確定澆口點位置(見圖2)。

2.2 塑料填充分析

選定澆口位置后，對塑件進行填充分析，分析中所用到的工藝參數是在對塑件進行最佳澆口位置分析時設定的。分析結果包括填充時間、注射壓力、波前流動溫度、壓力降等[4]。具體操作步驟如下。

1)進入分析選擇界面，選擇“Plastic Filling”選項，按“完成”開始填充過程模擬(見圖3)，模擬過程可以直觀地看到塑料在塑件中的流動狀態和填充過程。

2)在主界面工具欄“分析結果”菜單中可以查看填充時間、注射壓力、波前流動溫度、表層取向等分析結果。

填充時間分析結果可以看出塑料熔體在填充過程中是否同時填充整個模具型腔，有助于理解熔接線與氣孔的形成，分析結果如圖4所示，圖中紅色為最先填充區域，藍色為最后填充區域，總填充時間為1.06 s。

注射壓力和壓力降是查看填充質量的重要指標，注射壓力過高可導致過保壓現象，壓力降的大小決定填充可行性。分析結果如圖5和圖6所示。

波前流動溫度反應了材料流動前沿的溫度情況。溫度最小值用藍色表示，最大值用紅色表示，分析結果如圖7所示。通過該分析可以看出前沿溫度較高且分布均勻。波前流動溫度分析可為模具冷卻系統的設置提供參考。

表層取向分析用于預測模型的機械特性，在表層取向的方向上，同一向表示沖擊力較高。當方向不一致時，形成充填分流，易形成氣孔等缺陷。分析結果如圖8所示。

2.3 冷卻質量與縮痕分析

利用Plastic Advisor的塑件冷卻質量分析(Cooling Quality)和縮痕分析(Sink Marks)功能可以獲得塑件表面溫度、整體冷卻質量等分析結果。可以根據分析結果確定冷卻通道與模型表面之間的最佳距離，從而設計一個良好的模具冷卻系統。縮痕分析結果用來表示縮痕、凹坑在模型中產生的位置。常見的縮痕一般發生在造型厚實部分以及加強筋、轂、內部圓角等處。圖9所示為縮痕分析結果，可以看出縮痕發生在安裝柱根部、卡扣界面突變處。除此之外，Plastic Advisor還可對塑件的焊接線位置和氣孔位置進行分析。通過分析可以在模型上顯示焊接線、熔接線及氣孔產生的位置。圖10所示為焊接線、氣孔分析結果。

3 遙控器前蓋模具設計

通過上述模流分析可知，塑件在充模過程中存在的問題不大，在安裝柱根部和卡扣處有縮痕和熔接線，但對遙控器外觀和質量影響不大。可以通過設置過渡圓角、適當增大壁厚的方式對模型進行優化。外殼材料選用ABS，密度為1.05 g/cm3，壁厚為2 mm，通過Creo的質量分析功能可以獲得模型的體積為35.73 cm3，質量為37.52 g。模具采用一模一腔的設計形式。

3.1 澆注系統設計

澆注系統指注塑機噴嘴流出的高壓塑料熱熔體到達模腔所流經的通道，其作用是將熱熔體引流至模腔，傳遞壓力到模腔內的各個方向，使熔體充滿模腔內的各個角落，獲得組織密實、外形清晰、尺寸穩定的塑件。澆注系統設計的好壞對塑件成型質量尤為關鍵。為了使模具結構簡單，易于制造，同時縮短熔體流程，提高進料速度和成型質量，澆口的設計采用直接澆口方式。澆口位置根據Plastic Advisor的最佳澆口位置分析結果確定(見圖2)。

主流道是承接熱熔塑料從注塑機噴嘴到分流道的一段流道，它與注塑機噴嘴在同一軸線上，且垂直于分型面。為了便于將流道凝料從主流道中拔出，將主流道設計成圓錐結構，錐角在2°～4°之間，內表面粗糙度為Ra(0.4～0.8) μm，主流道長度為50 mm。為了便于模具的加工、拆卸和熱處理，采用澆口套鑲嵌于模板中的澆口套式主流道結構(見圖11)，直接利用澆口套的臺肩作為模具的定位環。定位環與定模的座板中心孔配合精度采用H11/h11，配合長度取8 mm，這樣設計是為了保證模具主流道與注塑機噴嘴的對中性。

3.2 側向分型滑塊設計

遙控器前端有凹進去的紅外線發射孔，因此需要進行側向分型滑塊設計。設計的主要過程包括側凹面滑塊頭設計和側向分型機構設計。

首先，通過曲面復制功能依次選擇側凹頭特征位置曲面，并通過合并復制曲面和延伸曲面邊界的功能制作出側向滑塊分型面(見圖12)。

然后，利用滑塊分型面對模具型芯進行實體分割。按照“模具→元件→實體分割”的操作流程，選擇“按參考零件切割”選項和“創建新元件”的移除材料選項完成滑塊頭創建與分割[5-6](見圖13)。當分割曲面邊緣與型芯實體存在縫隙時會出現分割失敗的狀況，通常采用將合并延伸后的曲面多延伸一段距離，使其超過型芯實體邊緣，這種方法可以有效解決分割失敗問題。

最后，在“EMX工具”中選擇滑塊定義功能，對滑塊機構及零件的參數進行設置，完成滑塊機構設計。注意在EMX中滑塊標準件的加載過程中需要確定參考坐標系，并且坐標系的X軸正方向應指向滑塊的移動方向，Z軸的正方向應與模具的開模方向一致[7]。滑塊標準件參數設置和加載結果如圖14所示。

3.3 模架設計

選用Creo的“EMX模具專家系統”專業插件進行模架設計，EMX內擁有豐富的模架數據庫，包含許多著名模具廠商的產品，設計者可以根據自己的設計要求修改細節參數，便捷地設計出理想的模具，大大提高了注塑模具的設計、定制和細化模架組件的效率[8-9]。安裝好EMX插件后，在EMX插件選項中“新建模具項目”，通過“裝配模型”選項導入遙控器成型零件的裝配模型，然后將模具的基準平面與模架的基準平面進行“重合”設置，注意只有裝配界面中顯示“完全約束”的狀態才算裝配成功，可以進行下一步插入模架操作。在“EMX常規”選項中加載定模板、動模板等模架組件。根據模具的設計尺寸，在“模架定義”窗口中對模架零件參數進行修改[10](見圖15)。最后，在“EMX工具”→“元件狀態”選項中選擇加載導向元件、定位銷、冷卻、滑塊組件、頂桿等模架配件，完成遙控器前蓋的模具設計(見圖16)。

4 結語

應用Creo的Plastic Advisor功能對遙控器前蓋塑件進行了最佳澆口位置、塑料填充、冷卻質量、縮痕等分析。通過分析結果的研究對塑件的材料、造型設計及注塑參數進行優化。根據優化結果，在Creo中對遙控器前蓋進行了澆注系統、模具側向分型滑塊和模架設計。通過此方法可以提高模具設計和開發的效率，降低設計成本，可為其他類似的模具設計提供借鑒和參考。