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基于CAE技术的注塑模具高效率设计方法

CAE系统的核心思想是结构的离散化，即将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体。实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。把CAE理论应用于塑料模具的设计，预测模具结构及注射工艺参数对制品外现和性能的影响，有目的地修正设计方案和工艺条件，克服因为经验少而造成的不良后果，进而优化注塑模具结构设计。实践证明此项研究明显的缩短了设计周期，提高了设计效率，保证了产品质量，降低了模具的设计成本，因此此项研究具有广阔的研究前景和开发空间。 1 传统注塑模具设计流程 传统注塑模具设计流程是典型的串行路线，在正式生产前，由设计人员凭经验与直觉设计模具，模具装配完毕后，需要通过试模才能发现问题。发现问题后从概念设计、产品设计、模具设计、模具制造到试模进行调整，之后才能进行模具生产。设计、调整及模具质量很大程度取决于设计人员的经验。此方案设计周期长，模具质量不稳定，产品质量难以保证。 2 基于CAE技术的塑料模具设计流程 基于CAE技术的塑料模具设计流程如图2所示，和传统的模具设计流程不同，这种设计生产流程是典型的并行路线。 基于CAE技术模具设计流程 利用CAE分析软件，可以在模具制造之前，先在计算机上对整个注塑成型过程进行模拟分析，准确预测熔体的填充、保压、冷却以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况，从而使设计者能够模拟调整工艺参数，优化工艺规程，尽早发现并解决绝大教问题，及时修改制品和模具结构设计，而不是等到试模以后再返修模具，在设计阶段以最小的花费、最短的时间优化设计，缩短开发周期，提高设计效率、保证模具设计质量。 3 注塑模具CAE基本结构及设计过程 3.1 注塑模具CAE基本结构 基本过程是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限的形状简单的子区域，即将一个连续体简化为由有限个单元组合的等效组合体：通过将连续体离散化，把求解连续体的场变量(应力、位移、压力和温度等)问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值此时得到的基本方程是一个代数方程组，而不是原来描述真实连续体场变量的微分方程组。 求解后得到近似的数值解，其近似程度取决于所采用的单元类型、数量以及对单元的插值函数。CAE核心技术是工程问题的模型化和数值计算方法，CAE技术可以通过改变几何模型数据、材料物理性能参数及成型条件，产生不同的方案组别，仿真不同的设计方案或参数变更，找出影响制品质量的主要变量或参数，CAE软件的结构如图2所示。

图2 注塑模具CAE结构图

3.2 注塑棋具CAE设计过程 如图2所示：注塑模具CAE结构图所示，CAE软件架构可以区分为三大部分：前处理器(pre-processor)、求解器(solver)和后处理器(postprocessor)。 前处理器：前处理器主要完成分析模块的数据准备，用来进行分析对象的形状定义、边界条件的确定及网格离散针对这种情况，采用CAD技术来建立CAE的几何模型和物理模型，完成分析数据的输入，通常称此过程为CAE的前处理。 求解器：求解器内含最佳浇口位置、充填、流动、冷却、翘曲及残余应力分析等软件模块，用来分析获得最佳浇注系统、解决注塑件欠充填、薄板密度不均匀、塑件内应力过大、成型尺寸不良等问题；后处理主要完成计算结果的图形显示，以便让用户直观了解分析结果。 后处理器：后处理器主要完成CAE结果的可视化输出。同样CAE的结果也需要用CAD技术生成形象的图形输出；如生成位移图、应力、温度、压力分布的等值线图；表示应力、温度、压力分布的彩色明暗图；以及随机械载荷和温度载菏变化生成位移、应力、温度、压力等分布的动态显示图。我们称这一过程为CAE的后处理。 4 基于CAE的注塑模具设计实例 用如图3所示注塑产品手机外壳来演示基于CAE的注塑模具设计过程。

图3 分析确定最佳浇口位置

4.1 产品特征质量分析 产品采用塑料材料Polylac PA-707(ABS)：ChiMei Corporation。手机外壳整体厚度比较均匀，有众多通孔和通槽，表面外观质量要求比较高；多孔多槽的特征决定了熔接线不可避免，熔接线不仅影响制品的外观质量，更重要的是损害制品的力学性能，应尽量进行控制；气穴同样也影响外现和外表质量。因此，熔接线和气穴成为本注塑件应上要考虑的缺陷。 4.2 浇口位置分析 由于塑料熔体的非牛顿特性和流动过程的非等温性、非稳态性，凭借经验往往很难确定合适的浇口位置以保证型腔内的流动平衡，用CAE流动分析，则可以方便形象地模拟熔体流经浇口填充型腔的过程，很快预测到不同浇口位置对流动平衡的影响，预测各种可能出现的缺陷，确保设计合理。本例采用MoldFlow分析软件来确定手机外壳注塑时的浇口位置。没置成型工艺参数为：熔体温度为240℃，模具表面温度为60℃。利用Modflow初步分析计算，找出最佳浇口位置为塑料制品中心深蓝色区域，如图4所示。首选中间浇口其次选侧面浇口。

图4 正浇口、侧浇口分析

4.3 材料填充分析 根据最佳浇口位置的分析，再考虑到摸具设计时浇口位置的可行性，设计二个方案进行分析比较。方案1：图4中的左图选用中间浇口。方案2：图4中的右图选用侧浇口。利用Moldflow对两种方案进行比较。图4为二种方案填充数值模拟分析结果图。从图中可以看出，二种方案的填充时间分配均匀，填充效果都比较好，而侧浇口效果更好。 4.4 气穴及熔接线分析 图5是Moldflow为二种方案产生气穴及熔接线数值模拟分析结果图。从图中分析结果可知，方案1气穴出现在手机外壳的上下端部，熔接线大多位于按键与按键之间的强度较薄弱的区城。根据该产品功能分析，这些熔接线所在区域经常受力，容量发生断裂，因此必须改善。方案2浇口位置调整到侧边后，气穴和熔接线的分布位置有了很大的改善，基本上偏离了结构上最薄弱的部位。因此，方案2要优于方案1。

图5 气穴及熔接线分析

4.5 完成模具设计 根据以上CAE分析，选用方案2侧浇口，一模两腔，用模具计算机辅助设计软件可方便地设计出模具的型腔、型芯，以及模架等其它零部件，完成的模具装。 5 结束语 在模具设计过程中，应用CAE分析软件对注塑件进行填充、流动、冷却、翘曲等模拟分析，在模具制造及试模之前，就可以通过不同方案的分析比较，快捷地找出注塑制品的成型缺陷及原因，从而为优化模具结构的设计和注射成型工艺方案提供有效的指导作用。基于CAE的模具设计将会大大缩短新产品的开发时间，提高工作效率，降低开发成本，为生产企业带来良好的经济效益。