摘 要：介绍了计算机辅助设计(CAD)技术在注射模具设计中的应用，采用计算机辅助工程(CAE)软件进行注塑成型分析。通过实例，阐述了应用CAD/CAE软件进行注射模设计的流程和利用Pro/E软件进行注射模具设计的具体方法，以及运用Moldflow软件进行填充、冷却等分析，得到合理的注射工艺参数，优化了模具结构。采用CAD/CAE技术可以缩短产品的开发周期，提高设计质量。
随着塑料制件的广泛应用，塑料模具的设计成为模具工业中极为重要的一个方面。由于塑料新品种的不断出现以及塑料制品在结构、外观上要求的日益提高，传统的二维模具设计方法难以适应现代化生产和集成化技术的要求，而且模具设计是一个设计、修改、再设计的反复迭代不断优化的过程。对塑料模进行计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助工程(CAE)的技术分析，提高了模具设计水平，缩短了产品研制周期，对于注塑模技术的发展具有重要意义。
1 计算机技术在注射模中的应用
1.1 注射模具CAD
注射模具CAD大多采用Pro/E(Engineer)软件作为产品及模具设计的开发平台，Pro/E软件是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，可对塑料制品进行三维造型设计。利用Pro/E的Molddesign模块可进行分型面的定义、抽取模具元件生成模具型腔和型芯、浇注系统的设计、冷却系统设计、生成模具成型零件的三维实体模型，利用Pro/E系统的布局及装配模块，可以进行模具的顶出系统和三维的总装配设计，并最终利用工程图模块生成二维工程图。其间将使用Pro/E的外挂软件EMX4.0来进行模具标准元件的导入，以使设计更快速，修改更方便。由于注射模具结构复杂，要求各部件运动自如，互不干涉，且对模具零件的顺序动作以及行程有严格的控制，Pro/E可对模具开模、合模以及制品被推出的全过程进行仿真，从而检查出模具结构设计的不合理处，并及时更正，以减少修模时间。Pro/E软件的这些功能模块在注射模具设计中的优势体现得更加淋漓尽致。
1.2 注射模具CAE
注射模具计算机辅助工程技术主要是利用高分子流变学、传热学、数值计算方法和计算机图形学等基本理论，对塑料成型过程进行数值模拟，在模具加工前，通过计算机对整个注塑成型过程进行模拟分析，准确预测熔体的填充、保压、冷却等情况，预测模具设计和成型条件对制品的影响，发现可能出现的缺陷，找出缺陷产生的原因并加以改进，为判断模具设计和成型条件是否合理提供科学的依据，提高一次试模的成功率，大大缩短了开发周期，降低了生产成本。塑料成型模拟常采用Moldflow公司的开发的Moldflow软件。Moldflow软件[6，7]包括三部分：1)MoldflowPlastics Advisers(产品优化顾问，简称MPA)；2)Moldflow Plastics Insight(注塑成型模拟分析，简称MPI)；3)MoldflowPlasticsXpert(注塑成型过程控制专家，简称MPX)。运用Moldflow软件可以优化塑料制品，得到制品的实际最小壁厚，优化制品结构，降低材料成本，缩短生产周期，保证制品能全部充满；可以优化模具结构，得到最佳的浇口数量与位置，合理的流道系统与冷却系统；并对型腔尺寸、浇口尺寸、流道尺寸和冷却系统尺寸进行优化，在计算机上进行试模、修模，大大提高模具质量，减少修模次数；还可以优化注塑工艺参数，确定最佳的注射压力、保压压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、保压时间和冷却时间，以注塑出最佳的塑料制品。即运用Moldflow软件对模具结构、注射工艺参数、塑料制品等进行优化分析。
1.3 基于CAD/CAE技术的注射模设计流程
运用CAD/CAE软件设计注射模的具体步骤如下。(1)应用Pro/E软件完成制品的造型。(2)成型方案确定后，可进行浇口分析，得出最佳浇口位置。(3)模具初始方案的设计，包括型腔数目、浇注系统、冷却系统管道设计。(4)在模具初始方案确定后，用Moldflow软件进行流动、保压、冷却和翘曲等分析，以确定合适的浇注系统、冷却系统等。如果分析结果不能满足生产要求，那么可根据用户的要求修改注射制品的结构或修改模具的设计方案。(5)在完成CAE分析和方案评价后，可用Pro/E软件进行模具的详细结构设计。(6)模拟模具开模、推件、合模的过程，并进行模具的干涉检查。(7)加工信息的提取，用CAM软件进行数控加工模拟和自动生成型腔、型芯的NC代码。如需要，完成三维图向二维工程图的转换。
2 应用实例
2.1 Pro/E平台下注射模CAD
图1是采用Pro/E软件进行设计的某模具厂的塑料制品三维图，材料为ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)。按照模具设计流程，利用Pro/E的Molddesign模块进行塑件三维实体设计，根据塑件的材料和特点，确定成型方案为一模四腔，对模具初始结构进行设计，包括确定收缩率，确定分模方向以及分型面设计，抽取模具元件生成模具型腔和型芯，设计浇注系统及冷却系统等。进行浇口分析、流动、冷却、翘曲等CAE分析，CAE分析后判断是否对模具结构进行修改，修改后进行详细的模具结构设计，然后进行模具开启和干涉检查，最后导入模具专家系统形成完整的装配图。
2.2 应用Moldflow软件进行注塑成型分析
在Pro/E中造型后，产品信息及模具有关信息可通过*.stl格式文件传入Moldflow中，进行最佳浇口分析，在Moldflow中选择塑料牌号及合适的注射温度、注射压力和注塑机后即可进行流动、冷却、翘曲等分析。
2.2.1 最佳浇口分析
在模具设计之前应该分析塑料件的浇口位置，但无论采用什么形式的浇口，开设的位置对塑件的成型性能及成型质量影响很大，因此合理选择浇口位置是提高塑件成型质量的1个重要环节，采用Moldflow软件进行最佳浇口分析，依据分析结果设置浇口位置，从而避免由于浇口位置不当可能引起的制件缺陷。在Moldflow软件环境下，进行网格的划分-调整网格的合理性-进行型腔布局-设置分析内容以及分析参数(Bestgatelocation)选择成型材料设置注射参数等。图2所示为分析得到的最佳浇口位置。根据分析结果可知图2中箭头所指处即为最佳浇口位置，由Moldflow分析出来的结果直接利用到浇注系统设计上，设计的浇注系统如图3所示。
2.2.2 填充分析
填充分析结果主要用于查看制件的填充行为是否合理，填充是否平衡，能否完成对制件的完全填充等。可以根据动态的填充时间结果查看填充阶段的熔体流动行为，以便更好地判断填充流动行为是否合理。
图4所示为充模时间的分析结果。结果显示：充填时间为1.2720s(简头所示)，填充行为合理。
填充分析的最终目的是为了获得最佳浇注系统的设计，填充分析的结果表明图3所示的浇注系统布局设计是可行的。
2.2.3 冷却分析
用Moldflow对模具的冷却系统进行分析，通过冷却分析结果判断冷却效果的优劣，根据冷却效果计算出冷却时间的长短，确定成型周期所用的时间。在获得均匀冷却的基础上优化冷却管道布局，尽量缩短冷却时间，从而缩短单个制品的成型周期，提高生产率，降低生产成本。制件冷却时，只能做到塑件大体均匀冷却，图5为制件的冷却方案和温度分布。从图5可以看出，制件的大部分位置都已达到预定的顶出温度(60℃)(箭头所示)。表明冷却水道布置比较合理，制件的冷却方案可行。
2.2.4 翘曲分析
通过翘曲分析可以判定采用的塑料是否会出现变形，为了减少翘曲缺陷，在模具设计时，准确预测塑料的收缩率和冷却系统的设计成了控制变形量的主要措施。图6是塑件总体翘曲，翘曲变形最小0.0037mm，最大0.7273mm。最大翘曲部位在制件一端自由处(箭头所示)，绝大部分是由收缩率引起的。经过CAE分析，该设计方案已能满足制品质量要求。
3 结语
应用Pro/E软件中的Moldesign模块进行模具结构设计，使传统的模具二维设计向三维实体模型的模具设计转变，加快了设计进程，缩短了设计周期。利用Moldflow软件对塑件进行填充、冷却、翘曲等过程的模拟分析，有助于模具设计人员不断优化模具结构和注塑工艺参数，从而缩短新产品的开发周期，减少开发费用，提高生产效率和质量。