CAE技術(shù)在注塑模具設(shè)計中的應(yīng)用 工程 1918

1、CAE技術(shù)在注塑模具設(shè)計中的應(yīng)用-工 程2019-01-01模具設(shè)計的過程一般是這樣的：從用戶那里接到塑料制品圖(可能是二維 的，也可能是三維的)，模具設(shè)計工程師根據(jù)產(chǎn)品的類型、特點以及形狀考慮采 用合適的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，即采用什么樣的模具結(jié)構(gòu)可以成型出該塑料件，C在此過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師還要根據(jù)制品的某些特定要求結(jié)合自己的經(jīng)驗 選擇流道類型、尺寸，澆口類型、數(shù)量、尺寸、位置并確定分流道的數(shù)量、尺 寸等，以保證所設(shè)計的模具除了結(jié)構(gòu)上合理外，在澆注和冷卻系統(tǒng)方面也是可 行的。顯然，模具設(shè)計對于結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師的要求是十分苛刻的。他不僅要具 有結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)驗，還要具有成型材料、成型工藝方面的諸多知識

2、，或者說， 設(shè)計的成敗在很大程度上依賴于模具設(shè)計者的經(jīng)驗。即使一個設(shè)計工程師具有 很好的模具設(shè)計經(jīng)驗，但是他仍然面臨許多新的問題，因為實際中的產(chǎn)品往往 是千變?nèi)f化的。有時候一個細微的變化或者特定的產(chǎn)品要求可能使得已有經(jīng)驗 不可用，或者即使可用但在實際試模之前，也無法進行有效的驗證。這導(dǎo)致了 模具設(shè)計過程具有明顯的設(shè)計一修正一再設(shè)il的特點。如何減少該過程中 的循環(huán)次數(shù)，使初始設(shè)計應(yīng)達到或者逼近合用的結(jié)果，這在實踐中具有重要意 義。CAE分析正是解決上述問題的理想工具。原因是，該工具建立在相對準(zhǔn) 確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上，從而可以近似獲得實際指導(dǎo)生產(chǎn)實踐的結(jié)果，此外， 計算的快捷性使得在實際試模前，

3、可以對于多個澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)進行評估 直至優(yōu)化，從而達到縮短設(shè)計和制造周期，提高質(zhì)量的U的。本文就CAE分析中注意的兒個問題、做法作一些介紹，并給出一些事例 進行說明。(1)明確分析要求和重點。不同的制品，進行CAE分析的U的是不同的。 對于外觀件，不允許在表面上出現(xiàn)影響外觀的注塑缺陷，如熔結(jié)痕等；對于非 外觀件，燒結(jié)痕的位置并不重要，但是如果制品具有嚴(yán)格的裝配關(guān)系，則允許 的翹曲和變形量成為追求的主要U標(biāo)。此外，所有的制品一般都要求能夠滿足 平衡流動、均勻填充的要求。實踐中，同時滿足多種要求是困難的，多數(shù)悄況 下是以滿足一個主要的要求為主，在此前提下，再滿足別的要求。因此在明確 分析要求的

4、基礎(chǔ)上，還要分清楚哪些是本次分析的主要要求。確定了分析的要求和A點后，還要初步認定修改或者變動哪些參數(shù)。比 如說，影響熔結(jié)痕位置的主要因素是澆口的位置和制品的形狀特點，而制品的 形狀一般是不允許變動的；影響翹曲和變形量的因素則主要是制品的形狀，從 工藝的角度看，注射壓力過大、保壓時間過長和冷卻不均勻都可以導(dǎo)致翹曲變 型過大。除了制品結(jié)構(gòu)本身的特點外，澆口、流道的尺寸都可以直接影響到型 腔內(nèi)的注射壓力，冷卻水道的尺寸和布置悄況則直接影響到冷卻的均勻程度。 這些因素乂間接地影響到了制品的變形和翹曲。模具設(shè)計的過程一般是這樣的：從用戶那里接到塑料制品圖(可能是二維 的，也可能是三維的)，模具設(shè)計工程

5、師根據(jù)產(chǎn)品的類型、特點以及形狀考慮采 用合適的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，即采用什么樣的模具結(jié)構(gòu)可以成型出該塑料件。在此 過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師還要根據(jù)制品的某些特定要求結(jié)合自己的經(jīng)驗選擇流 道類型、尺寸，澆口類型、數(shù)量、尺寸、位置并確定分流道的數(shù)量、尺寸等， 以保證所設(shè)計的模具除了結(jié)構(gòu)上合理外，在澆注和冷卻系統(tǒng)方面也是可行的。顯然，模具設(shè)計對于結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師的要求是十分苛刻的。他不僅要具 有結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)驗，還要具有成型材料、成型工藝方面的諸多知識，或者說， 設(shè)汁的成敗在很大程度上依賴于模具設(shè)計者的經(jīng)驗。即使一個設(shè)計工程師具有 很好的模具設(shè)計經(jīng)驗，但是他仍然面臨許多新的問題，因為實際中的產(chǎn)品往往 是千變?nèi)f化

6、的。有時候一個細微的變化或者特定的產(chǎn)品要求可能使得已有經(jīng)驗 不可用，或者即使可用但在實際試模之前，也無法進行有效的驗證。這導(dǎo)致了 模具設(shè)計過程具有明顯的設(shè)計一修正一再設(shè)il的特點。如何減少該過程中 的循環(huán)次數(shù)，使初始設(shè)計應(yīng)達到或者逼近合用的結(jié)果，這在實踐中具有重要意 義。CAE分析正是解決上述問題的理想工具。原因是，該工具建立在相對準(zhǔn) 確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上，從而可以近似獲得實際指導(dǎo)生產(chǎn)實踐的結(jié)果，此外， 訃算的快捷性使得在實際試模前，可以對于多個澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)進行評估 直至優(yōu)化，從而達到縮短設(shè)計和制造周期，提高質(zhì)量的U的。本文就CAE分析中注意的兒個問題、做法作一些介紹，并給出一些事例 進

7、行說明。(1)明確分析要求和重點。不同的制品，進行CAE分析的U的是不同的。 對于外觀件，不允許在表面上出現(xiàn)影響外觀的注塑缺陷，如熔結(jié)痕等；對于非 外觀件，燒結(jié)痕的位置并不重要，但是如果制品具有嚴(yán)格的裝配關(guān)系，則允許 的翹曲和變形量成為追求的主要U標(biāo)。此外，所有的制品一般都要求能夠滿足 平衡流動、均勻填充的要求。實踐中，同時滿足多種要求是困難的，多數(shù)1W況 下是以滿足一個主要的要求為主，在此詢提下，再滿足別的要求。因此在明確 分析要求的基礎(chǔ)上，還要分清楚哪些是本次分析的主要要求，0。確定了分析的要求和重點后，還要初步認定修改或者變動哪些參數(shù)。比 如說，影響熔結(jié)痕位置的主要因素是澆口的位置和制品

8、的形狀特點，而制品的 形狀一般是不允許變動的；影響翹曲和變形量的因素則主要是制品的形狀，從 工藝的角度看，注射壓力過大.保壓時間過長和冷卻不均勻都可以導(dǎo)致翹曲變 型過大。除了制品結(jié)構(gòu)本身的特點外，澆口、流道的尺寸都可以直接影響到型 腔內(nèi)的注射壓力，冷卻水道的尺寸和布置情況則直接影響到冷卻的均勻程度。 這些因素乂間接地影響到了制品的變形和翹曲。(2)分析制品結(jié)構(gòu)的特點。使用專業(yè)的CAE分析軟件進行注塑流動模擬, 首先都要進行幾何建模，一般來說，這一過程要花費很長的時間。為此，要對兒何模型作適當(dāng)程度的簡化以縮短建模時間， 提高計算效率。UMJ, 些CAE軟件已經(jīng)具有從專業(yè)化的CAD軟件中直接輸入

9、實體模型，再使用該軟件中特定的中性面抽取工具提取中性面進行il算的功 能，但是在制品的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時會產(chǎn)生諸多問題。因此，簡化對計算結(jié)果影 響不顯著的細節(jié)仍然具有很大的意義。簡化的方法可以根據(jù)專業(yè)化軟件提供的不同功能進行。簡化的原則是與 整個制品的尺度相比較可以忽略的細微結(jié)構(gòu)，距離澆口較遠或與料流方向相互 平行的細節(jié)也可以忽略。至于網(wǎng)格的劃分，最好根據(jù)制品的不同結(jié)構(gòu)，在不同 的區(qū)域采用不同尺度的網(wǎng)格，以獲得計算精度較高的結(jié)果，在計算翹曲和變形 時尤其如此。(3)選用恰當(dāng)?shù)淖⑺懿牧稀AE分析結(jié)果的可信程度取決于三個方面：一 是計算時采用的熔融狀態(tài)流體的數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確程度如何；二是計算時間的兒

10、何模型同實際制品的差異大?。喝撬捎玫淖⑺懿牧系臄?shù)據(jù)來源是否準(zhǔn)確、 可黑。一般來說，山數(shù)學(xué)模型來的誤差在實踐中是可以接受的，商業(yè)化的CAE 分析軟件多年的實踐考驗了這一點。實踐證明，只要按照模型簡化原則對模型 作適當(dāng)簡化，則山此帶來的對il算誤差也是可以接受的。相反，如果采用的材 料數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，即使兒何模型精確程度再高，則計算結(jié)果也相差其遠。為此，必須明確用戶選用的制品材料的名稱、牌號.生產(chǎn)廠商其至生產(chǎn) 批次。實際中，同種材料生產(chǎn)批次不同帶來的數(shù)據(jù)誤差是可以忽略的，不同廠 商生產(chǎn)的同種材料山于配方、工藝等方面的差異，其材料數(shù)據(jù)可能差別很大。 同種材料不同牌號的數(shù)據(jù)相差應(yīng)更大了。U前，國外商業(yè)

11、化的CAE分析軟件都建立了一定數(shù)量的材料數(shù)據(jù)庫，但 其中兒乎不涉及國產(chǎn)材料。顯然，采用國外的材料數(shù)據(jù)進行計算只能得到相當(dāng) 粗略的計算結(jié)果。因此有條件的用戶，可以根據(jù)自己的產(chǎn)品特點，篩選一些常 用的材料進行流變參數(shù)實驗，在此基礎(chǔ)上可以得到CAE分析的輸入?yún)?shù)，建立 起適合本企業(yè)的常用材料數(shù)據(jù)庫。(4)分析結(jié)果的分析與評價。分析結(jié)果的評估一定要結(jié)合分析的具體要求 來進行。即是否達到了本次分析的主要U標(biāo)，如果沒有達到要根據(jù)模擬結(jié)果尋 求新的方案，包括調(diào)整某些參數(shù)、位置等，然后再進行新的模擬。在尋求新的 澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)方案前，一定要仔細分析改善方案或者修正什么參數(shù)才可 以使得計算結(jié)果逐步接近分析要

12、求，而不是偏離分析U標(biāo)。對于計算結(jié)果的評價一定要綜合考慮，因為最終的模擬結(jié)果往往是多種 條件的一個折中，即計算結(jié)果可能“只有更好，沒有最好” °這就要求工程技 術(shù)人員對于分析結(jié)果有一個綜合的權(quán)衡。比如，在滿足流動平衡的前提下，注 射壓力可能會大一些，這也會帶來一些問題。但是只要這樣的注射壓力不會帶 來過高的剪切速率或者其他注射方面的缺陷，那么可以認為該方案是合用的， 此時就可以結(jié)束分析。當(dāng)然，在時間允許的詢提下，對盡可能多的方案進行 CAE分析對于尋找更為合適的解是最好不過了。分析與評價工作最好111 CAE分析人員會同結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師、注塑車間 有經(jīng)驗的工藝人員進行。(5)正確認識CAE分析在模具設(shè)計中的作用。注塑流動的CAE分析可以幫 助工程師事先對多個可能的方案進行評估，從而獲得相對好的澆注系統(tǒng)方案和 冷卻系統(tǒng)方案。但是，不能期望計算結(jié)果和實際W況吻合的很好，原因是在進 行模擬計算時，山材料數(shù)據(jù)帶來的誤差.山計算的數(shù)學(xué)模型帶來的誤差以及山 兒何模型簡化帶來的誤差使得il算結(jié)果同實際注塑過程存在一定程度的差異， 這種差異隨著上述誤差的增大而顯著增加。再加上實際注射過程的復(fù)雜性，使 獲得確定性的分析結(jié)果較為困難。如果材料數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，模型簡化得當(dāng)，獲得比較可信的分析結(jié)果是完全可