李艷娟，孫繼富

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110159；2.核工業(yè)地質(zhì)局沈陽(yáng)二四五大隊(duì)，遼寧 沈陽(yáng)110122）

0 前言

現(xiàn)代模具向精密、復(fù)雜、大型方向發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）/計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。UG Mold Wizard是UG軟件中的一個(gè)智能化、參數(shù)化的注塑模具設(shè)計(jì)模塊。Mold Wizard為設(shè)計(jì)模具的分型、型腔、型芯、滑塊、嵌件、推桿、為復(fù)雜型芯和型腔輪廓?jiǎng)?chuàng)建電火花加工的電極以及模具的模架、澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等提供了方便、快捷的設(shè)計(jì)途徑，最終可以生成與產(chǎn)品參數(shù)相關(guān)的、可用于數(shù)控加工的三維模具。本文以塑件盒下蓋為例介紹UG環(huán)境下應(yīng)用Mold Wizard模塊進(jìn)行塑料注塑模具設(shè)計(jì)的全過(guò)程。

1 Mold Wizard模具設(shè)計(jì)過(guò)程

圖1為Mold Wizard模塊設(shè)計(jì)模具的流程圖，流程圖的左邊4個(gè)步驟是模具設(shè)計(jì)者在使用Mold Wizard之前最先要考慮的準(zhǔn)備階段，前三步是創(chuàng)建和判斷一個(gè)三維實(shí)體模型能否用于模具設(shè)計(jì)，一旦確定使用該模型作為模具設(shè)計(jì)的依據(jù)，則必須考慮怎樣進(jìn)行下一步的模具設(shè)計(jì)，這就是第四步所表示的意義。流程圖的右邊是使用Mold Wizard進(jìn)行模具設(shè)計(jì)的全過(guò)程，遵循模具設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，包括從讀取產(chǎn)品模型開(kāi)始，如何確定和構(gòu)造拔模方向、收縮率、分型面、型芯、型腔、滑塊、模架及其標(biāo)準(zhǔn)零部件、模腔布局、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、模具零部件清單等。

2 塑件分析

2.1 塑件結(jié)構(gòu)分析

某塑件盒下蓋如圖2所示，運(yùn)用UG軟件三維造型技術(shù)對(duì)塑件進(jìn)行實(shí)體建模，塑件表面品質(zhì)要求較高，大批量生產(chǎn)。塑件的材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS），該材料具有較好的力學(xué)強(qiáng)度和較高的沖擊韌性，耐化學(xué)性能和電性能良好，尺寸穩(wěn)定，易于成型。塑件內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其上有一個(gè)三爪卡扣和若干導(dǎo)流槽。三爪卡扣的3個(gè)凹槽尺寸不同，目的是為了定位盒蓋，導(dǎo)流槽的作用是疏導(dǎo)氣流和增加表面強(qiáng)度。

圖1 使用Mold Wizard模塊模具設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Flow chart of using the Mold Wizard module mold design

圖2 塑件盒下蓋Fig.2 Bottom cover of the plastic parts

2.2 塑件成型分析

在模具設(shè)計(jì)中，采用一模兩腔布局，由于塑件美觀，在模具設(shè)計(jì)中采用潛伏式點(diǎn)澆口，澆口的位置設(shè)置在塑件盒底的周邊圓柱面?zhèn)缺谏希哿辖?jīng)過(guò)塑件盒底側(cè)壁充滿整個(gè)型腔，采用頂桿頂出方式，復(fù)位桿復(fù)位，冷卻采用水冷方式，冷卻水孔直通式布置。塑件盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，本模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是塑件的分型設(shè)計(jì)，如何快速準(zhǔn)確地將工件分割為型芯和型腔兩部分。

3 Mold Wizard模具設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 項(xiàng)目初始化設(shè)計(jì)

進(jìn)入Mold Wizard模塊后，首先打開(kāi)塑件盒下蓋塑件，定義材料及其相應(yīng)的收縮率，接著確定模具坐標(biāo)系，定義工件尺寸和確定型腔布局。在Mold Wizard模具設(shè)計(jì)中，默認(rèn)＋Z方向?yàn)殚_(kāi)模方向，而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了設(shè)計(jì)方便，有時(shí)不一定考慮開(kāi)模方向來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品建模。因此，要設(shè)置模具坐標(biāo)系的原點(diǎn)必須落在模架分型面上，且＋Z方向指向模具的注入口。為了提高生產(chǎn)效率，采用一模兩腔。矢量選擇Y軸，布局類(lèi)型選擇矩形，型腔數(shù)為2，開(kāi)始布局并自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)中心。

3.2 修補(bǔ)開(kāi)放面

產(chǎn)品在分型過(guò)程中需要對(duì)開(kāi)放面進(jìn)行修補(bǔ)，零件的修補(bǔ)方式包括修補(bǔ)片體和添加包容塊等，塑件盒下蓋由于三爪卡扣的輪廓邊較為復(fù)雜，所以應(yīng)用Mold Wizard模塊的修補(bǔ)片體和修補(bǔ)快功能將非常麻煩。為了簡(jiǎn)化產(chǎn)品的分型，對(duì)零件進(jìn)行手動(dòng)修補(bǔ)塊修補(bǔ)三爪卡扣結(jié)構(gòu)，然后運(yùn)用自動(dòng)分模方法生成初始的型腔，再手動(dòng)將修補(bǔ)塊添加在型腔上面，最后生成塑件盒下蓋實(shí)際的型芯和型腔。

在建模環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行手動(dòng)修補(bǔ)，點(diǎn)擊“有界平面”選擇曲線，如圖3所示。再通過(guò)“加厚”命令，將片體轉(zhuǎn)化成為實(shí)體，最后進(jìn)行布爾運(yùn)算，結(jié)果如圖4所示。

圖3 有界平面Fig.3 Bounded plane

圖4 實(shí)體修補(bǔ)Fig.4 Sol id patch up

3.3 分型設(shè)計(jì)

（1）創(chuàng)建分型線

分型線是塑料與模具相接觸的邊界線，正確的分型線投影應(yīng)位于塑件在模具方向（Zc）上的最大截面處，這樣才能使塑件從模具中順利脫模[1]。首先要對(duì)零件進(jìn)行區(qū)域分析，點(diǎn)擊“計(jì)算”，然后點(diǎn)擊“區(qū)域”，將交叉豎直面定義到型腔區(qū)域，選擇“定義區(qū)域”，創(chuàng)建區(qū)域和分型線，如圖5（a）所示。

（2）創(chuàng)建分型面

分型面是模具的定模和動(dòng)模的接觸面，模具開(kāi)模后由此取出澆注系統(tǒng)或塑件。由分型線生成分型面的方法有很多：延伸、邊界平面、掃描和延展曲面等。點(diǎn)擊“設(shè)計(jì)分型面”，選擇“有界平面”，生成分型面如圖5（b）所示。

圖5 塑件盒下蓋的分型線和分型面Fig.5 Parting line and surface for bottom cover of plastic parts

（3）創(chuàng)建型腔和型芯

單擊“分型管理器”對(duì)話框上的“抽取區(qū)域和分型線”，查看“定義區(qū)域”對(duì)話框，若分模零件上的面的總數(shù)等于型芯、型腔上的面的總數(shù)，可完成區(qū)域的抽取[2]。勾選“創(chuàng)建區(qū)域”和“創(chuàng)建分型線”，即可進(jìn)行分模。

（4）手工修補(bǔ)型腔

對(duì)生成的型腔進(jìn)行修補(bǔ)，將修補(bǔ)塊補(bǔ)在型腔上面，通過(guò)抽取零件上表面孔的輪廓線，用“復(fù)合曲線”命令將抽取出來(lái)的輪廓線利用關(guān)聯(lián)復(fù)制到型腔上，并通過(guò)拉伸、倒圓角和布爾運(yùn)算，將修補(bǔ)的塊與生成的型腔處理成一個(gè)實(shí)體。型芯和處理后的型腔效果如圖6（a）、（b）所示。由于模具中采用一模兩腔，將分型后的兩型腔合并成一個(gè)型腔整體加工即可。在注塑模工具中點(diǎn)擊合并腔，其效果如圖6（c）所示。

3.4 注塑模的整體設(shè)計(jì)

（1）添加模架

模具主要用于型芯和型腔的裝夾、頂出和分離機(jī)構(gòu)，能夠提高生產(chǎn)率，便于機(jī)械操作。標(biāo)準(zhǔn)模架由結(jié)構(gòu)、型式和尺寸都已標(biāo)準(zhǔn)化系列化，并且具有一定互換性的零件組合而成。Mold Wizard提供了許多標(biāo)準(zhǔn)模架供用戶使用，用戶可以根據(jù)需要靈活地定制模架的幾何參數(shù)。使用系統(tǒng)提供的模架將可極大地提高模具系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率，同時(shí)又不失設(shè)計(jì)的靈活性。本套模具選用DME 2B型模型，并根據(jù)實(shí)際計(jì)算修改模架的幾何參數(shù)。

圖6 創(chuàng)建的型腔-型芯和模具中的型腔Fig.6 Created cavity-core and the cavity of theinjection mold

（2）添加標(biāo)準(zhǔn)件及標(biāo)準(zhǔn)件的成型

Mold Wizard提供了大量的標(biāo)準(zhǔn)件來(lái)完成模具的設(shè)計(jì)，使用這些標(biāo)準(zhǔn)件能夠顯著地提高設(shè)計(jì)的效率。主要包括定位圈、澆口套、頂桿、芯桿、復(fù)位桿、拉料桿、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、螺釘、支撐柱和限位釘?shù)取?/p>

當(dāng)添加標(biāo)準(zhǔn)件后，還要對(duì)所添加的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行修剪、重定位和建腔等操作，通常稱(chēng)之為標(biāo)準(zhǔn)件的成型。頂桿是脫模和復(fù)位機(jī)構(gòu)的常用元件，頂桿可以在“標(biāo)準(zhǔn)件管理”對(duì)話框中加入，所加入的頂桿的長(zhǎng)度和形狀都是標(biāo)準(zhǔn)尺寸，一般與產(chǎn)品的形狀和尺寸不能匹配。但是在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常需要頂桿的長(zhǎng)度適合型腔的位置，而且頂桿的頭部形狀要與型芯的曲面適應(yīng)。圖7給出了頂桿的形狀和位置，頂桿的頭部與型芯表面曲線相一致，為防止型芯轉(zhuǎn)動(dòng)頂桿的底部做成半圓形。

圖7 頂桿的位置和形狀Fig.7 Position and shape of the ejector pins

（3）澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)是引導(dǎo)塑料進(jìn)入模腔的流道系統(tǒng)，其位置和尺寸決定著注射壓力損失、熱量散失、摩擦損耗的大小和填充的速度。澆口是熔料從流道進(jìn)入型腔的入口，澆口的選擇和設(shè)計(jì)直徑影響塑件成型，本設(shè)計(jì)由于塑件表面品質(zhì)要求較高，采用潛伏式澆口。

冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)2個(gè)基本原則，即冷卻要迅速、冷卻要均勻。只有通過(guò)較多的冷卻通道和較大的流量，以及合適的介質(zhì)溫度來(lái)達(dá)到。本設(shè)計(jì)采用堵頭來(lái)控制冷卻水流向，冷卻水沿規(guī)定的回路流動(dòng)。

（4）建腔

在所設(shè)計(jì)的模具中，加入了所有的標(biāo)準(zhǔn)件及澆口、流道、冷卻管道等。完成模具設(shè)計(jì)的最后一步便是建腔。在模具設(shè)計(jì)的最后階段使用建腔功能，首先，因?yàn)榻ㄇ粫r(shí)對(duì)每個(gè)腔體的工具體作Wave鏈接，會(huì)引起更新操作變慢；其次，如果標(biāo)準(zhǔn)件移到了先前所選的建腔目標(biāo)體的外面，模架更新將會(huì)失敗。模具整體結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 模具整體結(jié)構(gòu)Fig.8 Overall structure of the mold

4 結(jié)論

（1）在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中可以充分利用UG的實(shí)體建模功能來(lái)簡(jiǎn)化復(fù)雜零件的分型過(guò)程，通過(guò)采用修補(bǔ)塊修補(bǔ)塑件的分型設(shè)計(jì)方法和技巧，快速準(zhǔn)確地生成模具的型腔和型芯，并介紹UG環(huán)境下應(yīng)用Mold Wizard模塊完成塑件盒下蓋注塑模設(shè)計(jì)的全過(guò)程；

（2）利用UG軟件可以有效保證注塑模設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，能實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜塑料模具的快速設(shè)計(jì)，并能為后續(xù)的CAM提供準(zhǔn)確的加工模型，實(shí)現(xiàn)模具CAD/CAM一體化。

[1]周小輝，韓 寧.UG NX 8.0中文版模具設(shè)計(jì)高手速成[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012：3.

[2]展迪優(yōu).UG NX 8.0模具設(shè)計(jì)實(shí)例精解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：3.