基于CAE技術(shù)的注塑模具設(shè)計(jì)

艾勇

摘要：塑料熔體在成型過程中會經(jīng)歷非常復(fù)雜的流動過程和傳熱過程，如果在注塑模具設(shè)計(jì)中引入CAE技術(shù)，采用分析和模擬模擬設(shè)計(jì)方案取代之前的實(shí)際試模，以便提前發(fā)現(xiàn)存在的技術(shù)缺陷，并對此做出及時(shí)修改。本文主要對注塑模內(nèi)流動與傳熱數(shù)值分析理論進(jìn)行了簡要闡述，并通過實(shí)例闡述了如何在注塑模具設(shè)計(jì)中利用CAE技術(shù)以及如何利用該技術(shù)解決出現(xiàn)的問題。

關(guān)鍵詞：注塑成型；CAE；技術(shù)；模具設(shè)計(jì)

中圖分類號：TQ32 文獻(xiàn)識別碼：A 文章編號：1001-828X（2016）010-000-01

注射模CAE技術(shù)指的是通過利用塑料加工流變學(xué)基本理論以及傳熱學(xué)理論，構(gòu)建塑料熔體在模具內(nèi)部流動和傳導(dǎo)的模型，通過計(jì)算得出其中的求解方法，并通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，將熔體的填充過程、冷卻過程生動、直觀地呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕上，并確定整個(gè)成型過程的具體參數(shù)。在模具制造過程中應(yīng)用注射模CAE技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)分析模具設(shè)計(jì)方案，并模擬成型過程，取代實(shí)際試模過程，以便提前知曉可能存在的缺陷，并制定出改進(jìn)措施。這種方式擺脫了反復(fù)試模、修模的限制，便于設(shè)計(jì)人員對模具做出修改和調(diào)整。CAE技術(shù)在注塑模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，不僅節(jié)省了時(shí)間成本和人力成本，減少了修模次數(shù)，提高了模具合格率，減少了模具設(shè)計(jì)制造成本。

一、流動分析及其在模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

之所以進(jìn)行流動分析，主要是對熔體流經(jīng)流道以及澆口填充型腔的過程進(jìn)行預(yù)測，這樣一來，設(shè)計(jì)者確定的流道和澆口會更加合理，通過對鎖模力和注射壓力進(jìn)行預(yù)測，從而更好地發(fā)現(xiàn)其中的缺陷，以便及時(shí)做出修改和調(diào)整，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。從當(dāng)前來看，Hele-Shaw流動模型在流動分析實(shí)際過程中應(yīng)用最廣泛，該模型通過使用控制體積法對熔體前沿進(jìn)行跟蹤，以便采用動態(tài)化模擬法來模擬注射模的填充過程。經(jīng)過流動分析，我們可以獲得更準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，如熔接線位置、氣穴位置、充模模式、鎖模力大小、注射壓力大小等，與此同時(shí)，我們還可以更確切地了解到不同時(shí)間點(diǎn)下的不同位置下的模具內(nèi)的物理量分布情況和變化情況，它包括溫度、剪切速率以及壓力等物理量。流動分析結(jié)果可以幫助設(shè)計(jì)人員及時(shí)對模具設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，有利于模具設(shè)計(jì)工藝的提高。

流動分析需要用到包括材料的物理性質(zhì)、流變性質(zhì)、成型工藝參數(shù)、澆口和型腔的參數(shù)等在內(nèi)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過流動分析，我們可以獲得更準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，如熔接線位置、氣穴位置、充模模式、鎖模力大小、注射壓力大小等，與此同時(shí)，我們還可以更確切地了解到不同時(shí)間點(diǎn)下的不同位置下的模具內(nèi)的物理量分布情況和變化情況，它包括溫度、剪切速率以及壓力等物理量。

二、冷卻分析在注射成型及模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

熔劑在冷卻過程中會受到模壁溫度以及溫度均勻性的影響，而這兩種因素會對塑件質(zhì)量以及生產(chǎn)效率產(chǎn)生直接影響。在多種因素的影響下，注射模的溫度狀態(tài)會發(fā)生變化，冷卻系統(tǒng)主要對注射模的溫度進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，冷卻系統(tǒng)如果效率高，卻溫度控制均衡，注射模的冷卻時(shí)間便可以大大縮短，同時(shí)塑件的殘余應(yīng)力能夠減少，成型效率提高，從而生產(chǎn)出更高質(zhì)量的塑件。注塑模的冷卻過程涉及到熱的傳導(dǎo)，是一個(gè)不穩(wěn)定的過程，冷卻系統(tǒng)中的各個(gè)物理參數(shù)和幾何參數(shù)會直接影響到模具內(nèi)溫度和熱流，因此必須采用三維熱擴(kuò)散方程求解?？扇S熱擴(kuò)散方程的計(jì)算過程十分復(fù)雜，導(dǎo)致它的實(shí)際應(yīng)用性較差。由于模具運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定之后，模具內(nèi)溫度在一定周期內(nèi)隨著時(shí)間變化的程度不大，因此可以利用穩(wěn)態(tài)冷卻過程將之前的瞬態(tài)過程取而代之。模具的三維溫度場計(jì)算演變?yōu)閷aplace方程的求解。邊界元法離不開區(qū)域邊界，可以應(yīng)用于分析模具溫度場領(lǐng)域。從模具的結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，將中緬模型與線單元分別應(yīng)用于型腔以及冷卻管道，這樣一來，冷卻過程分析結(jié)果的精確度以及穩(wěn)定性不僅能夠得到有效保證，而且也能減少繁瑣的計(jì)算量。

冷卻模擬所需要的數(shù)據(jù)包括：型腔的大小、形狀、冷卻孔的位置、大小以及連接關(guān)系等；塑料材料、模具材料以及冷卻液的比熱、密度，此外還有冷卻液的粘度等；脫模、冷卻液以及塑料熔體的溫度、冷卻液流量等。設(shè)計(jì)人員利用冷卻分析結(jié)果可以對冷卻截止的流動狀態(tài)、雷諾數(shù)分布、冷卻液流量、模壁溫度、冷卻時(shí)間等做出準(zhǔn)確預(yù)測，從而幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化模具設(shè)計(jì)方案，提高模具生產(chǎn)質(zhì)量。

三、結(jié)語

在注塑模具設(shè)計(jì)中引入CAE技術(shù)之后，傳統(tǒng)的注塑模具生產(chǎn)開始邁入現(xiàn)代化發(fā)展階段，傳統(tǒng)的注射模生產(chǎn)方式被先進(jìn)的生產(chǎn)工藝所取代，可是CAE技術(shù)在當(dāng)前還不能將人的工作完全取代，它充其量是一種幫助人判斷設(shè)計(jì)方案是否可行的工具，并不能為人類提供行之有效的改進(jìn)方案。因此，設(shè)計(jì)人員需要反復(fù)分析、反復(fù)修改，這樣才能優(yōu)化模具設(shè)計(jì)方案，顯然，設(shè)計(jì)人員自身經(jīng)驗(yàn)以及設(shè)計(jì)水平對設(shè)計(jì)方案具有很大影響。如今，CAE技術(shù)不斷提高，人們開始將CAE技術(shù)與模具優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合，目的是提高模具產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]任玉珠.基于CAE技術(shù)的注塑模具高效率設(shè)計(jì)方法[J].制造業(yè)自動化，2011（05）.

[2]劉世豪，郭志忠，李粵.基于CAE技術(shù)的注塑模具設(shè)計(jì)及其成形工藝分析[J].航空制造技術(shù)，2014（09）.

[3]袁國定，胡曙光，韓陽飛.基于CAE技術(shù)的注塑模澆口優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004（06）.

[4]張文建，路鵬程，張琦.CAD/CAE技術(shù)在普通手機(jī)外殼注塑模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].塑料工業(yè)，2011（10）.

作者簡介：艾 勇（1992-），男，漢，湖南張家界人，本科，研究方向：材料成型及控制工程（模具方向）。