CAE技术在注射模具设计及制造中的应用

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5 t M- B; Q c8 [5 D+ _3 ?$ w- {9 t模具是生产各种工业产品的重要工艺装备，随着塑料工业的迅速发展，以及塑料制品在航空、航天、电子、机械、船舶和汽车等工业部门的推广应用，产品对模具的要求也越来越高，传统的模具设计方法已无法适应当今的要求。

* ~! D6 x. z( `: Q一、引言

# D( D* j2 H; I0 V" N; Q- l6 E ; r c9 O4 s" X; f) B7 K2 H# r与传统的模具设计相比，计算机辅助工程（CAE）技术无论是在提高生产率、保证产品质量方面，还是在降低成本、减轻劳动强度方面，都具有极大的优越性。美国MOLDFLOW上市公司是专业从事注塑成型CAE软件和咨询公司，自1976年发行了世界上第一套流动分析软件以来，一直主导塑料成型CAE软件市场。MOLDFLOW一直致力于帮助注塑厂商提高其产品设计和生产质量，MOLDFLOW的技术和服务提高了注塑产品的质量，缩短了开发周期，也降低了生产成本，MOLDFLOW已成为世界注塑CAE的技术领袖。 0 P# h4 J) @% Z" G( f: W

8 ^& ~# s) R' M m1 O' E二、CAE技术的作用 5 L& r8 Z t3 e E& m; R

利用CAE技术，可以在模具加工前，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、保压和冷却情况，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，以便设计者能尽早发现问题并及时进行修改，而不是等到试模后再返修模具。这不仅是对传统模具设计方法的一次突破，而且在减少甚至避免模具返修报废、提高制品质量和降低成本等方面，都有着重大的技术、经济意义。塑料模具的设计不但要采用CAD技术，而且还要采用CAE技术，这是发展的必然趋势。 ( O4 d9 r% p0 V: O4 v) ~" V

9 E" o% \4 ], g9 U& W三、CAE技术应用实例 3 ?1 N' |5 c2 L6 Q% b2 @$ _+ q+ o1 z

9 J3 t, i. L$ t/ \- w/ R 制件为电脑面板，一模一腔，材料为CHIMEI ABS‘POLYLAC PA707’。采用MPI的流动、保压、冷却和变形分析模块检查塑件的质量，并得到优化的流道设计。 ; Y) ?6 d" t9 j: R, R$ @; N

1.建模

& \+ Q6 j# q" |* Z% e. F 0 b9 B# Z! C- W4 i1 g0 i 8 l" x5 @' U9 Q" @5 p' D1 Z! W6 g可在其他CAD软件中建模，MOLDFLOW通过图形接口，直接读入CAD模型，或在MOLDFLOW建模模块中直接建模。 模型及浇注系统，浇注系统初始设计使用两个侧浇口，如图1所示。

图1 模型及其浇注系统

 

2.工艺参数

型腔温度为60.0deg.C，熔体温度为240.0deg.C，注射流动速率172cu.cm/sec，注射时间为2.22sec，保压时间为8.0sec，冷却时间为15.0sec，开模时间为10.0sec。

3.模拟结果分析

4 o$ [6 z4 c8 m5 r . Z* ~' B3 h% u% {- ]' V(1)填充分析

5 [ D6 b( P* @# J0 n) q1 ?/ [ 4 f1 U, z. N; Y, |填充型式较为均匀，因此锁模力不会过大，如图2所示。

图2 塑料填充形式

在本方案中，从浇口到填充末端的距离很长，因此需要采用合适的保压工艺。

7 U% w4 i d) j8 j: t( x' I(2)温度分布分析

大部分温度分布在允许范围之内，但在一些较薄区域，料流前峰温度非常低，需要适当调整注塑工艺参数, 以免在这些区域产生短射和应力集中。 温度分布，如图3所示。

% D0 Y- N/ c3 ]3 ?, L图3 温度分布

 

(3)体积剪切速率分析

  8 [) _8 p/ z3 W: `( M) K# W+ t& _体积剪切速率必须低于允许值（许用值为50000 1/sec），特别是在浇口区域。如果超过这个限制，材料很容易发生降解。 在这个方案中，体积剪切速率可能会是一个问题，如果真有可能产生降解的话，可以通过降低注塑速率和增加浇口的尺寸来解决，经过在实践中的运用，证明加大浇口尺寸的措施是切实可行的。体积剪切速率，如图4所示。

/ @ k* R4 a5 @' N' k图4 体积剪切速率

 

(4)困气分析

塑件上困气的位置，如图5所示。

- }, I$ Z1 d, h0 v4 b; i图5 塑件上困气的位置

大部分困气出现在筋和边的末端，因此除了顶部，其他区域不易发生烧焦和短射现象。为了防止困气，也为了得到更好的熔接痕，必须减小顶面末端的厚度，同时在筋处适当加一些小顶杆以方便排气，不过该模具主要还是通过分型面排气。 , T$ |* c4 b" X4 J. X# o) x

(5)熔接痕分析

+ t5 `( p* b7 O' q 3 q+ j: t: V5 W7 B6 {5 G7 F8 p: C塑件上熔接痕的位置，如图6所示。

图6 塑件上熔接痕的位置

有四条熔接痕比较明显，要移动和消除熔接痕，我们必须修改塑件的壁厚和浇口的位置。在不影响塑件本身的强度和装配的前提下，要在熔接痕位置处对塑件壁厚进行适当处理，同时通过适当的工艺调整，尽量减少熔接痕的产生。

(6)缩痕分析

缩痕深度，如图7所示。

图7 塑件上缩痕深度

除了浇口区域，最大的缩痕深度小于0.007或0.008mm，因此缩印不明显，并不会影响产品的外观。

(7)模具冷却分析

 

模具的冷却温度分布，如图8所示。

, N5 k2 f% s9 Z$ R图8 模具冷却温度分布

该方案中模具的冷却效果较好，当冷却水流速超过2.24 liter/min，所设置的冷却工艺参数也较为合适。 1 ?" U3 S7 N$ y% g' K . p5 L9 M, y5 |" I(8)型腔冷却分析 9 m; G- i* }, Z* \+ c+ _型腔冷却温度分布，如图9所示。

- y- J9 q9 I# |' ~" @( `图9 型腔冷却温度分布

红色区域内温度较高，而上、下温差也较大，这是导致热弯曲的主要原因。因此，必须修改冷却水管或模具的结构，在温度较高处增开翻水孔以提高其冷却效果。 " D% U; {- i; I# ?& n3 D7 W' _ ? / b8 z- I0 @) H! D(9)X方向的变形分布. X方向的变形分布，如图10所示。

图10 X方向的变形分布

两端中间区域向里移动了约0.3～0.4mm，翘曲量并没有超过公差要求。 ' ^+ X- S; T6 b2 { (10)Y方向的变形分布. $ B) |) K, T' t& V1 ~ - G# {: Z" {) Q# _! jY方向的变形分布，如图11所示。

& L( _. e/ Q, L/ \, S图11 Y方向的变形分布

顶部区域向里移动了约1.1～1.2mm，其他区域变形较为均匀，因此只需考虑顶部区域的变形，在其相应的侧壁增加2～3条加强筋，以减少顶部区域的翘曲量，达到产品所需公差要求。 (11)Z方向的变形分布 0 h! M/ t5 {* G4 d' S: r/ h9 X0 h Z方向的变形分布，如图12所示。

7 K$ } Z/ o+ Q5 }# U. ^* _ Q* [7 W图12 Z方向的变形分布

红色区域向下移动了约0.7mm，已超出了公差要求，应修改该部位制件的厚度，以达到产品公差要求。

" Z+ c' y8 t5 Y7 |- o* u+ k四、结束语

$ m9 l% C# s; E6 ?$ Q3 r通过采用MPI/FLOW、MPI/COOL和MPI/WARP模块对电脑面板进行填充、保压以及冷却等过程的模拟分析，有助于模具设计和工艺人员不断优化制品设计、模具设计及制造和注塑工艺参数，从而缩短新产品的开发周期，减少开发费用，提高生产效率和质量，确保生产出优质的塑料制品。

 

 

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