CN110076974B - 基于增材制造技术的注塑模具随形冷却水道的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于增材制造技术的注塑模具随形冷却水道的设计方法,包括设计模具主体结构、设计具有随型冷却水道的型芯和型腔、模拟仿真检验随型冷却水道设计是否合理三个阶段。本发明提供的随型冷却水道的路径完全是基于型芯或型腔的表面特征,或者说是完全基于塑件的表面特征。相较于传统的直通式冷却水道、挡板式冷却水道,冷却水道与塑件的平均距离更近、冷却效果更好、冷却区域更均匀,能有效防止塑件应冷却不均造成的翘曲变形。
Description
技术领域
本发明涉及注塑模具设计技术领域,具体是涉及一种基于增材制造技术的注塑模具随形冷却水道的设计方法。
背景技术
传统的模具设计方法是完全根据经验设计模具各项尺寸、浇口的数目和位置、顶出机构、冷却水道的形状和位置,然后确定各个零件的零件图和模具的总装配图,最后加工零件、装配、试模。在试模过程中,如果不能做出塑件,则需返修模具;如果能做出塑件,则应对塑件进行尺寸的测量,若尺寸不符合要求,模具再进行返修,如此重复,直到塑件尺寸符合要求为止。在试模过程中,返修次数越多,消耗能源、人力、设备、时间越多,不仅延长模具生产周期,增加模具生产成本,而且影响整套模具的使用寿命。
传统的模具制造手段多采用车、铣、刨、磨、钳、电火花加工、线切割等方法。随着数控技术的普及,加工水平越来越高,对于模具中的绝大部分零件,能够很好的生产出来。但是,由于塑料制品用途越来越广,塑料制品形状呈现多样化,有些制品形状非常复杂,对这些复杂塑件的模具成型零件的加工制造出现新的挑战。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于增材制造技术的注塑模具随形冷却水道的设计方法,用以解决上述不足。
为解决上述技术问题,本发明提供以下技术方案:基于增材制造技术的注塑模具随形冷却水道的设计方法,包括以下技术步骤:
第一阶段,设计模具主体结构:
(1)使用UG NX11.0的注塑模具设计向导,按照传统模具的设计方法,设计整个注塑模具;
(2)在使用UG NX11.0的注塑模具设计向导进行设计的过程中,穿插使用MoldFlow软件进行浇注系统分析,用以辅助设计浇注系统;
(3)在使用UG NX11.0的注塑模具设计向导进行设计的过程中,穿插使用CAM仿真软件,对成型零件进行CNC数控加工工艺仿真,用以辅助成型零件的设计;
(4)在UG NX11.0中进行模具组件的装配,验证设计结果的可装配性;
第二阶段,设计具有随型冷却水道的型芯和型腔:
(5)将UG NX11.0中设计好的型芯及型腔文件,转换为*.stl或*.stp文件,并导入Materialise 3-matic软件;
(6)利用修复向导对型芯或型腔文件进行修复,修复内容包括法向量、缝隙、孔洞、干扰壳体、三角面重叠、三角相交错误;
(7)在型芯或型腔上设计随型冷却水道,流程为:向内抽壳,绘制冷却水道平面路径,将平面路径投影至抽壳结果的表面,得到空间随型冷却水道中心路径曲线,设置水道截面直径得到实心随型冷却水道,型芯或型腔与实心随型冷却水道做布尔差集运算,等到具有空心随型冷却水道的型芯或型腔;
(8)输出具有空心随型冷却水道的型芯或型腔为*.stl格式文件,用于SLM-3D加工;输出空间随型冷却水道中心路径曲线为*.txt文件,用于后续的MoldFlow软件中进行模流分析,以验证该随型冷却水道的冷却效果;
第三阶段,模拟仿真检验随型冷却水道设计是否合理:
(9)将3-matic软件中输出空间随型冷却水道中心路径曲线为txt文件,导入UGNX11.0中,生成曲线,并导出为igs格式;
(10)在MoldFlow软件中导入塑件,划分网格,然后检查网格错误并修复,使网格匹配率达到90%以上,纵横比为8,可提高仿真精度;
(11)在MoldFlow软件中导入步骤(9)中生成的igs格式随型冷却水道中心路径曲线,将该曲线设置为管道属性,并选择截面形式、直径、传热系数、粗糙度相关参数,再创建管道柱体单元,划分网格后并设置冷却液入口等参数,完成随型冷却水道仿真准备工作;
(12)进行冷却系统的完整仿真,验证生成的随型冷却水道系统的各项性能;
(13)若出现差于传统冷却水道系统的指标,则返回设计部分对设计的随型冷却水道系统进行修改,修改完成后,再使用MoldFlow进行完整仿真,如此反复迭代,获得最终的设计结果。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是:本发明提供的随型冷却水道的路径完全是基于型芯或型腔的表面特征,或者说是完全基于塑件的表面特征。相较于传统的直通式冷却水道、挡板式冷却水道,冷却水道与塑件的平均距离更近、冷却效果更好、冷却区域更均匀,能有效防止塑件应冷却不均造成的翘曲变形。
附图说明
图1为本发明数码相机外壳注塑模具的爆炸图。
图中标号为:1型腔;2塑件;3侧抽机构;4型芯;5动模水嘴;6动模板;7支承板;8推杆固定板;9推板;10斜顶机构;11推杆;12紧固螺钉;13动模座板;14垫块;15复位杆;16第一导柱;17第一螺钉;18第一拉杆导套;19第二螺钉;20定模水嘴;21型腔固定板;22第二拉杆导套;23第三导套;24分流道;25定模板;26定模座板;27定位圈;28第三螺钉;29浇口套;30拉料杆;31拉杆导柱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明提供的一种基于增材制造技术的注塑模具随形冷却水道的设计方法,包括设计模具主体结构、设计具有随型冷却水道的型芯和型腔、模拟仿真检验随型冷却水道设计是否合理三个阶段:
第一阶段,设计模具主体结构:
(1)使用UG NX11.0的注塑模具设计向导,按照传统模具的设计方法,设计整个注塑模具;
(2)在使用UG NX11.0的注塑模具设计向导进行设计的过程中,穿插使用MoldFlow软件进行浇注系统分析,用以辅助设计浇注系统;
(3)在使用UG NX11.0的注塑模具设计向导进行设计的过程中,穿插使用CAM仿真软件,对成型零件进行CNC数控加工工艺仿真,用以辅助成型零件的设计;
(4)在UG NX11.0中进行模具组件的装配,验证设计结果的可装配性;
第二阶段,设计具有随型冷却水道的型芯和型腔:
(5)将UG NX11.0中设计好的型芯及型腔文件,转换为*.stl或*.stp文件,并导入Materialise 3-matic软件;
(6)利用修复向导对型芯或型腔文件进行修复,修复内容包括法向量、缝隙、孔洞、干扰壳体、三角面重叠、三角相交错误;
(7)在型芯或型腔上设计随型冷却水道,流程为:向内抽壳,绘制冷却水道平面路径,将平面路径投影至抽壳结果的表面,得到空间随型冷却水道中心路径曲线,设置水道截面直径得到实心随型冷却水道,型芯或型腔与实心随型冷却水道做布尔差集运算,等到具有空心随型冷却水道的型芯或型腔;
(8)输出具有空心随型冷却水道的型芯或型腔为*.stl格式文件,用于SLM-3D加工;输出空间随型冷却水道中心路径曲线为*.txt文件,用于后续的MoldFlow软件中进行模流分析,以验证该随型冷却水道的冷却效果;
第三阶段,模拟仿真检验随型冷却水道设计是否合理:
(9)将3-matic软件中输出空间随型冷却水道中心路径曲线为txt文件,导入UGNX11.0中,生成曲线,并导出为igs格式;
(10)在MoldFlow软件中导入塑件,划分网格,然后检查网格错误并修复,使网格匹配率达到90%以上,纵横比为8,可提高仿真精度;
(11)在MoldFlow软件中导入步骤(9)中生成的igs格式随型冷却水道中心路径曲线,将该曲线设置为管道属性,并选择截面形式、直径、传热系数、粗糙度相关参数,再创建管道柱体单元,划分网格后并设置冷却液入口等参数,完成随型冷却水道仿真准备工作;
(12)进行冷却系统的完整仿真,验证生成的随型冷却水道系统的各项性能;
(13)若出现差于传统冷却水道系统的指标,则返回设计部分对设计的随型冷却水道系统进行修改,修改完成后,再使用MoldFlow进行完整仿真,如此反复迭代,获得最终的设计结果。
具体方法和流程,本实施例以数码相机外壳注塑模具为例,进行详述。数码相机外壳注塑模具的主体结构,如图1所示,包括有零件:
动模部分:2塑件;3侧抽机构;4型芯;5动模水嘴;6动模板;7支承板;8推杆固定板;9推板;10斜顶机构;11推杆;12紧固螺钉;13动模座板;14垫块;15复位杆;16导柱;17第一螺钉;
定模部分:1型腔;18第一拉杆导套;19第二螺钉;20定模水嘴;21型腔固定板;22第二拉杆导套;23第三导套;24分流道;25定模板;26定模座板;27定位圈;28第三螺钉;29浇口套;30拉料杆;31拉杆导柱。
第一阶段,设计模具主体结构:
使用UG NX11.0的注塑模具设计向导,按照传统模具的设计方法,设计整个注塑模具;在使用UG NX11.0的注塑模具设计向导进行设计的过程中,穿插使用MoldFlow软件进行浇注系统分析,用以辅助设计浇注系统;穿插使用CAM仿真软件,对成型零件进行CNC数控加工工艺仿真,用以辅助成型零件的设计;在UG NX11.0中进行模具组件的装配,验证设计结果的可装配性。
第二阶段,设计具有随型冷却水道的型芯和型腔;
将UG中根据注塑件的结构,确定分型面并设计出型芯和型腔,并分别转换为stp或stl格式;然后将型芯和型腔分别导入Materialise 3-matic软件中,基于型芯和型腔的表面特征设计随型冷却水道。
具体制作模具随型冷却水道的思路是:
将已设计好的模具型芯或者型腔,向内抽壳7mm或10mm得到一个内部的抽壳结果,该抽壳结果的表面即距离型芯或者型腔表面的距离恒定为7mm;
在抽壳结果正上方的一个草绘平面上分别导入“抽壳结果外轮廓”和“型芯或型腔内表面的轮廓”,作为绘制冷却水道的参考边界,然后在参考边界内绘制冷却水道的平面路径;
再将此平面路径投影到抽壳结果的“崎岖内表面”上,得到空间曲线即为模具随型冷却水道的中心轨迹;
设置一水道截面直径,如6mm,生成一实心的水道;
最后用原设计的型芯或型腔与实心的冷却水道做布尔差集运算,得到空心的冷却水道。
这种制作随型冷却水道的方法,优点是,随型冷却水道的路径完全是基于型芯或型腔的表面特征,或者说是完全基于塑件的表面特征。相较于传统的直通式冷却水道、挡板式冷却水道,冷却水道与塑件的平均距离更近、冷却效果更好、冷却区域更均匀,能有效防止塑件应冷却不均造成的翘曲变形。
以型芯的随型冷却水道设计为例进行讲解,型腔的制作方法相同:
1、在3-matic导入型芯的设计模型。
2、利用修复向导对型芯或型腔文件进行修复。
STL文件是用三角面来表达物体表面的修复内容包括:法向量错误、缝隙、孔洞、干扰壳体、三角面重叠、三角相交等错误。
3、抽壳处理:对设计数据进行抽壳处理,向内抽壳7mm,得到一个实体,该实体的表面将被用作随型冷却水道路径的投影面。对直接抽壳结果中标注的位置的面,进行标记、删除、修复补面,得到合理的结果。
4、绘制冷却水道的平面路径。
在型芯或型腔上设计随型冷却水道,主要流程为:向内抽壳7mm、绘制冷却水道平面路径、将平面路径投影至抽壳结果的表面、得到空间随型冷却水道中心路径曲线(并对该路径做必要的调整)、设置水道截面直径得到实心随型冷却水道(如6mm)、型芯或型腔与实心随型冷却水道做布尔差集运算、等到具有空心随型冷却水道的型芯或型腔。
在抽壳结果的正上方建立一个新的草绘平面,在该草绘平面中分别导入“抽壳结果外轮廓”和“型芯或型腔内表面的轮廓”,作为绘制冷却水道的参考边界,然后在参考边界内绘制冷却水道的平面路径。注意此时绘制冷却水道平面路径不能超出参考边界,否则在后续创建空间冷却水道时会出现错误。
5、将冷却水道平面路径进行投影。
将冷却水道平面路径投影只抽壳结果的表面,以获得空间随型冷却水道中心路径曲线。
6、对抽壳结果进行处理,并重新得到空间随型冷却水道中心路径曲线。
根据塑件的表面特征不同,型芯与型腔的结构也不同,往往直接抽壳得到的结果都需要后处理,以避免生成的冷却水道出现拐角处的过分折叠,导致冷却水路压力损失过大,降低冷却效率,同时也会对模具寿命造成影响。
7、延伸空间随型冷却水道中心路径曲线,并得到实心随型冷却水道。
由于在绘制平面冷却水道路径时,绘制区域处于“抽壳结果外轮廓”和“型芯或型腔内表面的轮廓”形成的参考边界内,所以投影得到的路径曲线较短。
设置截面直径与截面形状,生成实心实心随型冷却水道。
8、将原型芯或型腔与实心随型冷却水道进行布尔运算,得到具有空心随型冷却水道的最终结果。
最后将带有空心随型冷却水道的型芯或型腔,输出为STL文件,即可用于激光选区熔化技术(SLM)进行3D打印加工,而传统的制造方式无法加工。
9、导出设计的随型冷却水道中心曲线为txt格式的文件,做相关处理后用于后续MoldFlow的仿真,检验设计的水道是否合理,最后修改设计原型,得到良好的设计结果。
第三阶段,模拟仿真检验随型冷却水道设计是否合理:
将3-matic软件中输出空间随型冷却水道中心路径曲线为txt文件(该格式的文件为点集状态),导入UG NX11.0中,生成曲线,并导出为igs格式。
在MoldFlow软件中导入塑件,划分网格,然后检查网格错误并修复,使网格匹配率达到90%以上,纵横比在8左右,可提高仿真精度。
在MoldFlow软件中导入UG中生成的igs格式随型冷却水道中心路径曲线,将该曲线设置为管道属性,并选择截面形式、直径、传热系数、粗糙度等相关参数,再创建管道柱体单元,划分网格后并设置冷却液入口等参数 ,完成随型冷却水道仿真准备工作。
进行冷却系统的完整仿真,验证生成的随型冷却水道系统的各项性能,如:浇口位置分析、成型窗口分析、填充分析、流动分析、冷却分析(包括:回路冷却液温度、回路流动速度、回路雷诺数、回路管壁温度、冷流道表面温度、零件达到顶出温度的时间、冷流道达到顶出温度的时间、零件最高温度、冷流道最高温度、零件平均温度、零件最高温度位置、零件冻结层百分比、零件温度曲线、冷流道温度曲线、回路压力、回路热去除效率、模具温度分布、零件温度分布、模具热通量、塑件冷却后变形)、翘曲分析、收缩分析、流道平衡分析、纤维填充取向分析、应力分析等。
如出现差于传统冷却水道系统的指标,则返回设计部分对设计的随型冷却水道系统进行修改,修改完成后,再使用MoldFlow进行完整仿真,如此反复迭代,获得最终的设计结果。
Claims (1)
1.基于增材制造技术的注塑模具随形冷却水道的设计方法,其特征在于,包括以下技术步骤:第一阶段,设计模具主体结构:
(1)使用UG NX11.0的注塑模具设计向导,按照传统模具的设计方法,设计整个注塑模具;
(2)在使用UG NX11.0的注塑模具设计向导进行设计的过程中,穿插使用MoldFlow软件进行浇注系统分析,用以辅助设计浇注系统;
(3)在使用UG NX11.0的注塑模具设计向导进行设计的过程中,穿插使用CAM仿真软件,对成型零件进行CNC数控加工工艺仿真,用以辅助成型零件的设计;
(4)在UG NX11.0中进行模具组件的装配,验证设计结果的可装配性;
第二阶段,设计具有随形冷却水道的型芯和型腔:
(5)将UG NX11.0中设计好的型芯及型腔文件,转换为*.stl或*.stp文件,并导入Materialise 3-matic软件;
(6)利用修复向导对型芯或型腔文件进行修复,修复内容包括法向量、缝隙、孔洞、干扰壳体、三角面重叠、三角相交错误;
(7)在型芯或型腔上设计随形冷却水道,流程为:向内抽壳,绘制冷却水道平面路径,将平面路径投影至抽壳结果的表面,得到空间随形冷却水道中心路径曲线,设置水道截面直径得到实心随形冷却水道,型芯或型腔与实心随形冷却水道做布尔差集运算,等到具有空心随形冷却水道的型芯或型腔;
(8)输出具有空心随形冷却水道的型芯或型腔为*.stl格式文件,用于SLM-3D加工;输出空间随形冷却水道中心路径曲线为*.txt文件,用于后续的MoldFlow软件中进行模流分析,以验证该随形冷却水道的冷却效果;
第三阶段,模拟仿真检验随形冷却水道设计是否合理:
(9)将3-matic软件中输出空间随形冷却水道中心路径曲线为txt文件,导入UG NX11.0中,生成曲线,并导出为igs格式;
(10)在MoldFlow软件中导入塑件,划分网格,然后检查网格错误并修复,使网格匹配率达到90%以上,纵横比为8,可提高仿真精度;
(11)在MoldFlow软件中导入步骤(9)中生成的igs格式随形冷却水道中心路径曲线,将该曲线设置为管道属性,并选择截面形式、直径、传热系数、粗糙度相关参数,再创建管道柱体单元,划分网格后并设置冷却液入口参数,完成随形冷却水道仿真准备工作;
(12)进行冷却系统的完整仿真,验证生成的随形冷却水道系统的各项性能;
(13)若出现差于传统冷却水道系统的指标,则返回设计部分对设计的随形冷却水道系统进行修改,修改完成后,再使用MoldFlow进行完整仿真,如此反复迭代,获得最终的设计结果。
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