氣輔注塑模具設(shè)計中的CAE（moldflow）技術(shù)

程勝文

摘要：利用CAE技術(shù)可以在模具加工前，用計算機對整個注塑成型過程進(jìn)行模擬分析，正確預(yù)測熔體的填充、保壓、冷卻等方面的情況，從而能使設(shè)計者盡早發(fā)現(xiàn)問題，并能快捷地修改設(shè)計方案，這樣有效地降低了成本和縮斷了生產(chǎn)周期。本文以美國的moldflow公司的分析軟件為工具進(jìn)行注塑成型分析研究。以汽車椅子背框、后視鏡為例，介紹CAE（moldflow）技術(shù)在注塑模具設(shè)計中的應(yīng)用，說明CAE（moldflow）技術(shù)在該領(lǐng)域應(yīng)用的良好前景。

關(guān)鍵詞：計算機技術(shù) CAE（moldflow） 氣輔注塑模 設(shè)計

中圖分類號：TQ320.66 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

1、 概述

傳統(tǒng)的注塑模設(shè)計中，一般先由設(shè)計人員憑經(jīng)驗和設(shè)計手冊設(shè)計出模具圖紙并制定相應(yīng)的生產(chǎn)工藝，然后進(jìn)行模具加工，裝配試模，一旦試模出現(xiàn)問題，就需要重新設(shè)定工藝參數(shù)，乃至修改塑料制品的形狀和模具結(jié)構(gòu)，如此反復(fù)，這勢必增加成本，延長了產(chǎn)品開發(fā)周期，給生產(chǎn)和經(jīng)營帶來不必要的損失。

利用CAE技術(shù)可以在模具加工前，用計算機對整個注塑成型過程進(jìn)行模擬分析，正確預(yù)測熔體的填充、保壓、冷卻等方面的情況，從而能使設(shè)計者盡早發(fā)現(xiàn)問題，并能快捷地修改設(shè)計方案，這樣有效地降低了成本和縮斷了生產(chǎn)周期。本文以美國的moldflow公司的分析軟件為工具進(jìn)行注塑成型分析研究。

2、 椅子背框CAE技術(shù)在注塑成型中作用

首先，應(yīng)根據(jù)塑料產(chǎn)品的尺寸和形狀，利用CAD完成其三維的造型（本人使用的是UG NX 3.0），然后將其以STL的格式存儲，再用moldflow來分析計算。Moldflow作為成功的注塑產(chǎn)品成型仿真及分析軟件，利用的基本思想也是工作領(lǐng)域中最為常用的有限元方法，因此精確地劃分“網(wǎng)格”（mesh）是moldflow分析的前提，現(xiàn)以兩款產(chǎn)品椅子背框、后視鏡為例來說明其應(yīng)用步驟。

2.1 工藝設(shè)計

椅子背框是一副氣輔模具，它的材料是PA6+40%GF（DUPONT 的zytel 73G45），重量是2430克，它的材料特性可以在軟件的菜單中相對應(yīng)地找出，并根據(jù)設(shè)計手冊所提供的資料初步定出工藝參數(shù)：

（1） 熔融溫度270℃，（Range：260-290℃）；

（2） 溫度分布：區(qū)域1：285℃；區(qū)域2：280℃；區(qū)域3：275℃；區(qū)域4：270℃；射嘴：270℃；

（3） 最大螺桿轉(zhuǎn)速：0.3×60000./.（screw diameter ×3.14）rpm；

（4） 模具溫度：85℃（Range：65-110℃）；

（5） 保壓壓力：85±15Mpa；

（6） 保壓時間：3sec/mm

（7） 注射速度：～300mm/sec；

2.1.1 預(yù)測澆口的位置與澆口的數(shù)量

澆口是連接流道和型腔之間的一段細(xì)短通道，是澆注系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，其形狀、尺寸、位置和數(shù)量對塑料制品的質(zhì)量影響很大。形狀和尺寸可以根據(jù)制品的重量和外觀來選，此產(chǎn)品的尺寸是長×寬×高=600×503×208mm3選定了形狀和尺寸后，位置和數(shù)量就成了極為重要的問題。一般的設(shè)計者都是根據(jù)資料上所制定的原則加上一些實際經(jīng)驗來選定的，而經(jīng)過CAE（moldflow）分析后可給出最佳澆口的位置和數(shù)量，由于該產(chǎn)品的材料PA6+40%GF，壁厚約為3.5～48.7mm，成型周期約為210s，尼龍料有一個特性，時間長了，易冷凝成冷料，給成型造成困難，故該模具采用的是熱流道，澆口是潛伏式澆口，并采用兩點針閥式進(jìn)料。澆口直徑為4.03～10.05mm的圓錐形，長度為60.11mm。圖1就是澆口的位置和數(shù)量，我們可以根據(jù)圖中所示來選取澆口的位置和數(shù)量，為進(jìn)一步分析作準(zhǔn)備。

2.1.2 優(yōu)化注塑工藝參數(shù)

影響注塑工藝的因素很多，但主要是溫度、壓力和時間。由于經(jīng)驗的局限性，工程技術(shù)人員很難精確地制定出最合理的工藝參數(shù)，并確定最優(yōu)的工藝方案。而借助moldflow軟件，工程人員可確定最初的注射壓力、鎖模力、模具溫度、熔體溫度、注射時間、保壓壓力和保壓時間、冷卻時間等，以成型出最佳的塑料制品。在確定了澆口的位置和數(shù)量后，計算機將給出最佳工藝參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行下一步分析。

2.1.3 模擬注塑流動過程和塑料件成型質(zhì)量預(yù)測

在實際生產(chǎn)中，對于任何注塑成型來說，最重要的是控制塑料熔體的流動方式和流動方向，以使塑料件成型穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟。Moldflow的流動分析可幫助我們提出預(yù)測塑料熔體在模具中的流動情況及填充可性度的分析，這對模具設(shè)計是非常有利和非常重要的。

從模擬分析中可以看出其填充的可信度是很高的，制件的填充行為是合理的，流動是平衡的，能完成對制件的完全填充等。

由圖2圖3不同時間充氣的模擬分析中可以看出在不同的時間，氣體到達(dá)的位置，同時可以預(yù)測零件最終的充氣結(jié)果，而且從圖上所給出的數(shù)據(jù)可以肯定的是，所選的氣針位置是正確的，兩邊的充氣非常平衡。

2.1.4 冷卻過程的模擬計算

通過分析冷卻系統(tǒng)對流體的過程影響，優(yōu)化冷卻管路的分布和工作條件，從而產(chǎn)生均勻的冷卻，并由此縮短成型周期，減少產(chǎn)品成型后的內(nèi)應(yīng)力。由圖4圖5可看出，塑料件冷卻情況極少部分是中等級別，絕大部分是極好的，這對開設(shè)冷卻水道提供了依據(jù)。

從這個圖5冷卻劑溫度模擬分析中可以看出冷卻劑（一般為循環(huán)水）進(jìn)入模具時的溫度為24.99℃，從模具出來的溫度為25.02℃，其溫差為0.03℃，溫差不大，冷卻效果很好，這說明冷卻管道的位置、冷卻管道布局是合理的，冷卻管的數(shù)目、冷卻管的直徑均可以滿足設(shè)計要求。

冷卻劑流動速率對冷卻系統(tǒng)的熱傳遞能起決定性的作用，而雷諾茲指數(shù)是衡量流動行為的重要指數(shù)，雷諾茲指數(shù)越大，說明冷卻劑流動速率對冷卻系統(tǒng)的熱傳遞越好。從這個圖6冷卻劑雷諾茲指數(shù)模擬分析中可以看出REYNOLDS NUMBER（雷諾茲指數(shù)）分析值為10000，說明冷卻劑流動速率很快，能夠達(dá)到理想的冷卻效果。

通過冷卻分析結(jié)果可判斷塑料制件冷卻效率的優(yōu)劣，根據(jù)冷卻計算出冷卻時間長短，確定成型周期，在獲得均勻冷卻的基礎(chǔ)上優(yōu)化冷卻管道的分布，盡量縮短冷卻時間，從而縮短塑料制件的成型周期，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。

3、 后視鏡缺陷的預(yù)測

Moldflow還可以預(yù)測塑料制件在成型過程中可能出現(xiàn)的缺陷。如局部的凹陷，熔接縫等，本文以后視鏡為例來說明一下。后視鏡的材料是NOVODUR P2MT BAYER ABS 產(chǎn)品的重量是243.65克。

由圖6 分析示意圖中我們可以清晰地看出該產(chǎn)品的熔接縫分布，而且知道了哪個位置熔接縫最長，這樣我們在設(shè)計模具的時候，選擇出最佳的澆口位置。熔接縫是客觀存在的，我們無法完全徹底地消除，但是我們可以改變澆口的位置，讓熔接縫出現(xiàn)在產(chǎn)品的不重要的地方，即不是完全暴露在人們的視野中。

從產(chǎn)品表面縮痕分析中非常清楚地顯示出產(chǎn)品表面的縮痕情況，在moldflow分析狀態(tài)下紅色是縮痕很嚴(yán)重的部位。因為產(chǎn)品的壁厚是3.5～12.6mm，如果設(shè)計不是氣輔的模具，從常規(guī)的工藝上很難消除上面的縮痕，即使能把縮痕補掉，但可能產(chǎn)品的尺寸就不對了，因此設(shè)計人員可設(shè)計成一副氣輔模具，并由moldflow分析出氣輔成型時的模擬充氣情況。

通過moldflow分析，從圖7充氣模擬圖中我們可看出該產(chǎn)品的充氣效果非常好，有縮痕的部位都充到了氣，特別是縮痕很明顯的地方，并由圖8充氣后的3D模擬效果圖上可以很直觀地看到，充氣后補縮情況非常好，產(chǎn)品表面質(zhì)量情況也非常好。

4、 結(jié)束語

利用CAE（moldflow）分析軟件，可以快速地確定澆口的位置以及數(shù)量、流道和工藝條件等對塑料制品成型和質(zhì)量的重大參數(shù)，從而利用moldflow提高了模具設(shè)計及工藝參數(shù)設(shè)置水平，改變了靠經(jīng)驗傳統(tǒng)設(shè)計造成制品的不合理的狀況。另外利用moldflow軟件，試模和修?？梢栽谟嬎銠C上進(jìn)行，改變了傳統(tǒng)的模具設(shè)計往往要經(jīng)歷的反復(fù)試模、修模后才能成功，大大提高了模具設(shè)計質(zhì)量，極大地縮短了模具加工制造的周期。

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