CAE技术在注射模具设计及制造中的应用

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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。 + r2 W+ s P" R

一、引言

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。 " i& @- V/ V$ S0 m% ]8 I

. P8 q7 p& j) x' w* [, | 二、CAE技术的作用 1 k8 Q. k( J6 w2 Q

. m& ?' }+ f/ I# q U5 \ ! E4 A) r2 ~6 R! [/ ~6 o% X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。

' K! l: e& L. ] . h0 j |8 k' L9 o, y3 i三、CAE技术应用实例

9 j0 B8 g0 N! `1 @8 n$ Q ! Q% C; T8 N* T. b* d2 ?+ u2 D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。

1.建模

1 `) y1 b( Q- L, e" E& u& F! ^- | 6 S4 W1 A3 Q0 Q4 g9 t # O5 u2 C/ D; 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。 v4 |/ L$ @6 K# z) L3 I. i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。

+ [, D( h/ e- [* {图1 模型及其浇注系统

 

2.工艺参数

3 y4 _2 H' B- z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

' D; {3 W% r5 r $ m. i' O: a3 ~- _& V+ V8 a1 D$ U(1)填充分析

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。

1 P8 m. ?2 Y0 g. s(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。 ! g9 e9 q0 @- S* I( _% l) N 温度分布，如图3所示。

图3 温度分布

 

(3)体积剪切速率分析

  ' Z: m, ~7 N4 n+ N 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。 4 h. G) c1 E+ {7 |3 O w6 M- i8 }/ ^- v: |/ S# v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。

' H/ y& q9 K2 D* D- @. I |% N; n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。

0 o% m9 J! A6 y% t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。 ( @$ z* g, G$ Q9 q+ L7 O1 j8 S

(5)熔接痕分析

/ k+ M6 \/ X/ U' H 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。 . {: t. s" E6 |+ g+ F0 A 8 z8 I8 C) c; K1 u% U+ d

(6)缩痕分析

. H$ Y% q+ F# v' l& t' s8 U: D 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。 * x% P0 g# |+ x& c+ o 4 i8 D/ {4 K- K+ L

(7)模具冷却分析

 

模具的冷却温度分布，如图8所示。

9 M6 r9 K. } `% p3 |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。 (8)型腔冷却分析 - u. _& Z/ P5 `型腔冷却温度分布，如图9所示。

. T8 X; O+ @5 A* w; H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。 8 Z; k8 B! {( Z2 s1 K5 w (9)X方向的变形分布. X方向的变形分布，如图10所示。

5 C& W7 n- l- N8 {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。 2 ?+ I% X2 N# a7 A9 T. g 9 p+ K0 D: N* g0 L(10)Y方向的变形分布. A8 o F+ m" @3 L3 c% F Y方向的变形分布，如图11所示。

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。 9 `2 N7 p$ `1 {9 A# v3 B9 d(11)Z方向的变形分布 , A9 h6 [2 j N5 s0 I) [: Z5 z Z方向的变形分布，如图12所示。

# K1 P% P4 T$ 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。

四、结束语

' l$ a0 ]" g; M, _6 L: I. U5 Y 0 s( E' l+ C5 y e2 d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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