基于CAE 技術(shù)的注塑模具高效率設(shè)計(jì)方法

任玉珠

（沈陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽(yáng) 110045）

0 引言

CAE系統(tǒng)的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，即將實(shí)際結(jié)構(gòu)離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體。實(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過(guò)對(duì)離散體進(jìn)行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來(lái)替代對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實(shí)際工程需要解決而理論分析又無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題。把CAE理論應(yīng)用于塑料模具的設(shè)計(jì)，預(yù)測(cè)模具結(jié)構(gòu)及注射工藝參數(shù)對(duì)制品外觀和性能的影響，有目的地修正設(shè)計(jì)方案和工藝條件，克服因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)少而造成的不良后果，進(jìn)而優(yōu)化注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明此項(xiàng)研究明顯的縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了模具的設(shè)計(jì)成本，因此此項(xiàng)研究具有廣闊的研究前景和開(kāi)發(fā)空間。

1 傳統(tǒng)注塑模具設(shè)計(jì)流程

傳統(tǒng)注塑模具設(shè)計(jì)流程是典型的串行路線，在正式生產(chǎn)前，由設(shè)計(jì)人員憑經(jīng)驗(yàn)與直覺(jué)設(shè)計(jì)模具，模具裝配完畢后，需要通過(guò)試模才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后從概念設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、模具制造到試模進(jìn)行調(diào)整，之后才能進(jìn)行模具生產(chǎn)。設(shè)計(jì)、調(diào)整及模具質(zhì)量很大程度取決于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)。此方案設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，模具質(zhì)量不穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。

2 基于CAE 技術(shù)的塑料模具設(shè)計(jì)流程

基于CAE 技術(shù)的塑料模具設(shè)計(jì)流程如圖1所示，和傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)流程不同，這種設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程是典型的并行路線。

圖1 基于CAE技術(shù)模具設(shè)計(jì)流程

利用CAE 分析軟件，可以在模具制造之前，先在計(jì)算機(jī)上對(duì)整個(gè)注塑成型過(guò)程進(jìn)行模擬分析，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熔體的填充、保壓、冷卻以及制品中的應(yīng)力分布、分子和纖維取向分布、制品的收縮和翹曲變形等情況，從而使設(shè)計(jì)者能夠模擬調(diào)整工藝參數(shù)，優(yōu)化工藝規(guī)程，盡早發(fā)現(xiàn)并解決絕大數(shù)問(wèn)題，及時(shí)修改制品和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而不是等到試模以后再返修模具,在設(shè)計(jì)階段以最小的花費(fèi)、最短的時(shí)間優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)效率、保證模具設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3 注塑模具CAE 基本結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)過(guò)程

3.1 注塑模具CAE 基本結(jié)構(gòu)

基本過(guò)程是將一個(gè)形狀復(fù)雜的連續(xù)體的求解區(qū)域分解為有限的形狀簡(jiǎn)單的子區(qū)域，即將一個(gè)連續(xù)體簡(jiǎn)化為由有限個(gè)單元組合的等效組合體；通過(guò)將連續(xù)體離散化，把求解連續(xù)體的場(chǎng)變量(應(yīng)力、位移、壓力和溫度等)問(wèn)題簡(jiǎn)化為求解有限的單元節(jié)點(diǎn)上的場(chǎng)變量值此時(shí)得到的基本方程是一個(gè)代數(shù)方程組，而不是原來(lái)描述真實(shí)連續(xù)體場(chǎng)變量的微分方程組。

求解后得到近似的數(shù)值解，其近似程度取決于所采用的單元類(lèi)型、數(shù)量以及對(duì)單元的插值函數(shù)。CAE 核心技術(shù)是工程問(wèn)題的模型化和數(shù)值計(jì)算方法，CAE 技術(shù)可以通過(guò)改變幾何模型數(shù)據(jù)、材料物理性能參數(shù)及成型條件，產(chǎn)生不同的方案組別，仿真不同的設(shè)計(jì)方案或參數(shù)變更，找出影響制品質(zhì)量的主要變量或參數(shù)，CAE 軟件的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 注塑模具CAE結(jié)構(gòu)圖

3.2 注塑模具CAE 設(shè)計(jì)過(guò)程

如圖2所示：注塑模具CAE結(jié)構(gòu)圖所示，CAE 軟件架構(gòu)可以區(qū)分為三大部分：前處理器(pre-processor) 、求解器(solver) 和后處理器(postprocessor)。

前處理器：前處理器主要完成分析模塊的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，用來(lái)進(jìn)行分析對(duì)象的形狀定義、邊界條件的確定及網(wǎng)格離散針對(duì)這種情況，采用CAD技術(shù)來(lái)建立CAE的幾何模型和物理模型，完成分析數(shù)據(jù)的輸入，通常稱此過(guò)程為CAE的前處理。

求解器：求解器內(nèi)含最佳澆口位置、充填、流動(dòng)、冷卻、翹曲及殘余應(yīng)力分析等軟件模塊，用來(lái)分析獲得最佳澆注系統(tǒng)、解決注塑件欠充填、薄板密度不均勻、塑件內(nèi)應(yīng)力過(guò)大、成型尺寸不良等問(wèn)題；后處理主要完成計(jì)算結(jié)果的圖形顯示，以便讓用戶直觀了解分析結(jié)果。

后處理器：后處理器主要完成CAE結(jié)果的可視化輸出。同樣CAE的結(jié)果也需要用CAD技術(shù)生成形象的圖形輸出：如生成位移圖、應(yīng)力、溫度、壓力分布的等值線圖；表示應(yīng)力、溫度、壓力分布的彩色明暗圖；以及隨機(jī)械載荷和溫度載荷變化生成位移、應(yīng)力、溫度、壓力等分布的動(dòng)態(tài)顯示圖。我們稱這一過(guò)程為CAE的后處理。

4 基于CAE的注塑模具設(shè)計(jì)實(shí)例

用如圖3 所示注塑產(chǎn)品手機(jī)外殼來(lái)演示基于CAE 的注塑模具設(shè)計(jì)過(guò)程。

圖3 分析確定最佳澆口位置

4.1 產(chǎn)品特征質(zhì)量分析

產(chǎn)品采用塑料材料Polylac PA-707(ABS):ChiMei Corporation。手機(jī)外殼整體厚度比較均勻，有眾多通孔和通槽，表面外觀質(zhì)量要求比較高；多孔多槽的特征決定了熔接線不可避免，熔接線不僅影響制品的外觀質(zhì)量，更重要的是損害制品的力學(xué)性能，應(yīng)盡量進(jìn)行控制；氣穴同樣也影響外觀和外表質(zhì)量。因此，熔接線和氣穴成為本注塑件應(yīng)主要考慮的缺陷。

4.2 澆口位置分析

由于塑料熔體的非牛頓特性和流動(dòng)過(guò)程的非等溫性、非穩(wěn)態(tài)性，憑借經(jīng)驗(yàn)往往很難確定合適的澆口位置以保證型腔內(nèi)的流動(dòng)平衡，用CAE流動(dòng)分析，則可以方便形象地模擬熔體流經(jīng)澆口填充型腔的過(guò)程，很快預(yù)測(cè)到不同澆口位置對(duì)流動(dòng)平衡的影響，預(yù)測(cè)各種可能出現(xiàn)的缺陷，確保設(shè)計(jì)合理。本例采用Moldflow 分析軟件來(lái)確定手機(jī)外殼注塑時(shí)的澆口位置。設(shè)置成型工藝參數(shù)為：熔體溫度為240°C，模具表面溫度為60°C。利用Moldflow 初步分析計(jì)算，找出最佳澆口位置為塑料制品中心深藍(lán)色區(qū)域，如圖4 所示。首選中間澆口其次選側(cè)面澆口。

圖4 正澆口、側(cè)澆口分析

4.3 材料填充分析

根據(jù)最佳澆口位置的分析，再考慮到模具設(shè)計(jì)時(shí)澆口位置的可行性，設(shè)計(jì)二個(gè)方案進(jìn)行分析比較。方案1 ：圖4中的左圖 選用中間澆口。方案2：圖4中的右圖 選用側(cè)澆口。利用Moldflow 對(duì)兩種方案進(jìn)行比較。圖4 為二種方案填充數(shù)值模擬分析結(jié)果圖。從圖中可以看出，二種方案的填充時(shí)間分配均勻，填充效果都比較好，而側(cè)澆口效果更好。

4.4 氣穴及熔接線分析

圖5是Moldflow 為二種方案產(chǎn)生氣穴及熔接線數(shù)值模擬分析結(jié)果圖。從圖中分析結(jié)果可知，方案1 氣穴出現(xiàn)在手機(jī)外殼的上下端部，熔接線大多位于按鍵與按鍵之間的強(qiáng)度較薄弱的區(qū)域。根據(jù)該產(chǎn)品功能分析，這些熔接線所在區(qū)域經(jīng)常受力，容量發(fā)生斷裂，因此必須改善。方案2澆口位置調(diào)整到側(cè)邊后，氣穴和熔接線的分布位置有了很大的改善，基本上偏離了結(jié)構(gòu)上最薄弱的部位。因此，方案2 要優(yōu)于方案1。

圖5 氣穴及熔接線分析

4.5 完成模具設(shè)計(jì)

根據(jù)以上CAE 分析，選用方案2 側(cè)澆口，一模兩腔，用模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件可方便地設(shè)計(jì)出模具的型腔、型芯，以及模架等其它零部件，完成的模具裝。

5 結(jié)束語(yǔ)

在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)用CAE 分析軟件對(duì)注塑件進(jìn)行填充 、流動(dòng)、冷卻、翹曲等模擬分析，在模具制造及試模之前，就可以通過(guò)不同方案的分析比較，快捷地找出注塑制品的成型缺陷及原因，從而為優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和注射成型工藝方案提供有效的指導(dǎo)作用?；贑AE 的模具設(shè)計(jì)將會(huì)大大縮短新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高工作效率，降低開(kāi)發(fā)成本，為生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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