論CAE技術(shù)在注塑模具設(shè)計中的應(yīng)用

張荷秀

摘要：注塑模具設(shè)計非常重要的工具之一是CAE技術(shù)，國外的CAE技術(shù)已得到廣泛推廣，在國內(nèi)仍有待繼續(xù)發(fā)展，CAE技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計、分析評估等方面有著無與倫比的巨大優(yōu)勢，能幫助設(shè)計師實現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)化、分析、保壓以及冷卻分析、翹曲分析、優(yōu)化產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)等，提高模具設(shè)計的合理性和產(chǎn)品的質(zhì)量，對產(chǎn)品實際生產(chǎn)應(yīng)用具有重大意義。

關(guān)鍵詞：CAE技術(shù)；注塑模具；設(shè)計；產(chǎn)品生產(chǎn)

中圖分類號：TQ320 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）17-0038-02

CAE技術(shù)是通過計算機以假想線、面為基礎(chǔ)，把產(chǎn)品分割成為有限個大小、數(shù)目、單元進行研究。即是將一個完整的個體人為地分成有限個單元，在計算機中獲得產(chǎn)品的近似模型，并以此模型為藍本，經(jīng)過分析計算，從而得出各個單元的數(shù)據(jù)特征，評估、綜合后而得到產(chǎn)品實體的數(shù)據(jù)。它的主要功能是設(shè)計產(chǎn)品、管理數(shù)據(jù)、計算機輔助設(shè)計、產(chǎn)品分析和生產(chǎn)的綜合。

1 CAE技術(shù)在注塑模具設(shè)計中的現(xiàn)狀

1.1 國外

國外CAE技術(shù)已經(jīng)得到相當廣泛的應(yīng)用。20世紀50年代，美國的部分學(xué)者就開始運用數(shù)值計算的方法，建立聚合物過程的模型。到20世紀80年代，注塑成型方面已經(jīng)實現(xiàn)廣泛地應(yīng)用CAE技術(shù)。如Moldflow（澳大利亞的MF公司）以及C-MOLD（美國AC-Tech公司，已被Moldflow公司合并）是目前國際上較為成熟的注塑CAE軟件，另外CADMOLD（德國）、I-DEAS（美國）等應(yīng)用也較為廣泛。

1.2 國內(nèi)

我國CAE技術(shù)的研究、開發(fā)、推廣近年來也獲得了不錯的成果，如Z-Mold軟件和HSCAE軟件。但當前最嚴重的問題在于諸多企業(yè)對CAE技術(shù)的重視不夠，沒有認識到使用CAE軟件的經(jīng)濟效益。另外，國內(nèi)設(shè)計的CAE軟件都是政府立項，研發(fā)主要依靠國家項目資金支持，CAE技術(shù)的繼續(xù)研發(fā)和市場推廣、應(yīng)用受到極大的限制。

2 基于CAE技術(shù)的注塑模具設(shè)計流程

利用CAE技術(shù)進行注塑模具設(shè)計的具體步驟為：產(chǎn)品數(shù)據(jù)輸入→劃分單元、建立分析模型→設(shè)定條件→分析方案→評估→確定方案。整個設(shè)計流程的技術(shù)關(guān)鍵：（1）產(chǎn)品造型：通過三維成像設(shè)計軟件完成產(chǎn)品的建模，同時通過對使用條件進行模擬分析、預(yù)測產(chǎn)品的使用情況等；（2）模具設(shè)計：模具以CAE結(jié)果為基礎(chǔ)利用三維CAD軟件設(shè)計模具；（3）產(chǎn)品分析：根據(jù)產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)值通過CAE技術(shù)實行模擬流動等分析，優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計；（4）優(yōu)化設(shè)計：根據(jù)CAE的結(jié)果，修改模具模型，實現(xiàn)最優(yōu)化的模具設(shè)計結(jié)果；（5）結(jié)構(gòu)分析：利用CAE對模具結(jié)構(gòu)多方面、多角度進行分析。

3 CAE技術(shù)在注塑模具設(shè)計中的應(yīng)用

3.1 產(chǎn)品設(shè)計的優(yōu)化

利用CAE技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品的分析、評估和優(yōu)化，協(xié)助設(shè)計師進行產(chǎn)品的外觀、合理壁厚、原料的選擇，高效準確地實現(xiàn)最優(yōu)塑料產(chǎn)品的設(shè)計，且通過計算機進行環(huán)境模擬，通過計算機直觀地獲得產(chǎn)品的形狀和性能，并進行機械性能檢測，預(yù)估在外界因素作用下產(chǎn)品的各項指標的變化情況，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、強度的優(yōu)化，同時也省略產(chǎn)品的原型試驗的過程，使注塑模具的設(shè)計不再受設(shè)計者的經(jīng)驗、個人傾向的影響，節(jié)約人力物力，并獲得最優(yōu)的產(chǎn)品設(shè)計結(jié)果。

3.2 注塑模具設(shè)計的重要工具

一般進行模具的設(shè)計需要反復(fù)的試驗，最終才能完善設(shè)計。利用CAE技術(shù)，可以對產(chǎn)品模型的大小、構(gòu)成系統(tǒng)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等進行優(yōu)化，并通過計算機系統(tǒng)對各項指標進行測試。CAE可進行注塑模具的產(chǎn)品造型、材料選擇、工藝流程、注意事項等的分析，設(shè)計師可以以這些信息為參考，進行模具設(shè)計。

3.2.1 產(chǎn)品優(yōu)化：快速檢查產(chǎn)品相關(guān)零件設(shè)計的生產(chǎn)能力，設(shè)計師可以得到有關(guān)材料或幾何體、澆口位置、壁厚的信息。CAE的結(jié)果和設(shè)計建議可實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)細節(jié)的最合理優(yōu)化，并消除生產(chǎn)過程中產(chǎn)品外觀、連接縫隙、產(chǎn)品縮小等問題。

3.2.2 保壓和填充：各種CAE軟件最基本的分析功能之一，可實現(xiàn)注塑模具設(shè)計的實體仿真模擬。通過對產(chǎn)品溫度、生產(chǎn)時間、大氣壓力、融合時間、力量大小等的結(jié)果進行分析，幫助確定澆灌出口的數(shù)量、優(yōu)化澆灌和選擇出口位置的系統(tǒng)，并進行排氣位置、產(chǎn)品溫度、熔接位置選擇等的預(yù)測，及時發(fā)現(xiàn)和處理塑料產(chǎn)品中存在的質(zhì)量隱患。

3.2.3 翹曲分析：翹曲變形原因很復(fù)雜，對完成產(chǎn)品尺寸的預(yù)測，可以預(yù)測產(chǎn)品的性能、模具結(jié)構(gòu)以及工藝參數(shù)的合理性。它的主要分析輸出結(jié)果包括變形量和應(yīng)力等，可幫助用戶找出翹曲變形成因，提高制品的尺寸精度，為用戶提供有用的參考數(shù)據(jù)，并優(yōu)化制品的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.2.4 冷卻分析：通過模擬監(jiān)測注塑成型的冷卻過程，預(yù)估型腔熱流分布、表面溫度和冷卻時間等，在產(chǎn)品制造之前，判斷生產(chǎn)線的冷卻系統(tǒng)的設(shè)計是否存在缺陷和不合理之處，優(yōu)化冷卻回路的鋪設(shè)，得到最佳的冷卻效果，減少成型時間，同時避免因冷卻原因?qū)е碌漠a(chǎn)品的翹曲方面的缺陷。

3.2.5 優(yōu)化工藝技術(shù)參數(shù)：受到個人實踐經(jīng)驗的局限，設(shè)計師很難實現(xiàn)工藝參數(shù)的精確選擇，CAE通過模擬注塑模具設(shè)計的全過程，預(yù)估可能產(chǎn)生的問題，進行定性與定量解析處理，了解模具型腔中的情況，使設(shè)計師可以此為參考，搭配原料品種、生產(chǎn)設(shè)備等，并獲得生產(chǎn)溫度、生產(chǎn)壓力、塑料表溫、生產(chǎn)時間控制等最佳的工藝參數(shù)，進行多方案對比后選擇最優(yōu)的設(shè)計方案。

4 CAE技術(shù)在注塑模具設(shè)計中的發(fā)展

在注塑模具設(shè)計過程中，CAE技術(shù)獲得了廣泛的支持和使用，取得了理想的成績，但在未來注塑模具設(shè)計的應(yīng)用過程中，CAE技術(shù)仍有待完善、發(fā)展：

（1）與三維成像技術(shù)的集成：當前CAE技術(shù)與三維成像技術(shù)間存在不同的數(shù)據(jù)技術(shù)標準，因此導(dǎo)致一些數(shù)據(jù)的誤差失真，采用統(tǒng)一標準，將更有利于開發(fā)專屬于注塑模具設(shè)計的CAE系統(tǒng)。

（2）耦合分析：可有機地將設(shè)計工作流程中的各個步驟，如三維成像、產(chǎn)品測試、參數(shù)調(diào)控等模塊結(jié)合起來，利用耦合分析的功能，全面細致地獲得注塑模具設(shè)計的產(chǎn)品的實際使用情況。

（3）高效：隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及更加復(fù)雜的算法和設(shè)計規(guī)劃流程軟件的應(yīng)用，將大大提高CAE技術(shù)的工作效率，從而促使在注塑模具的設(shè)計過程中，更加廣泛地應(yīng)用CAE技術(shù)，提高整體的效率和質(zhì)量。

（4）智能化：將電腦智能、自動化等人工智能技術(shù)集成到CAE技術(shù)中，實現(xiàn)CAE技術(shù)自主完成設(shè)計、推演參數(shù)、模擬產(chǎn)品使用情況等，大大提高注塑模具設(shè)計的合理性和質(zhì)量。

CAE技術(shù)的應(yīng)用，使得模具設(shè)計及參數(shù)選擇實現(xiàn)更加科學(xué)的分析，大大提高模具設(shè)計的水平，CAE技術(shù)與人工智能的組合將可達到模具設(shè)計的自動優(yōu)化的目標，從而解決因為經(jīng)驗、技巧等原因?qū)е碌脑O(shè)計問題，提高模具設(shè)計的合理性和產(chǎn)品的質(zhì)量，對實際生產(chǎn)應(yīng)用具有重大意義。

參考文獻

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