CAE技术在注射模具设计及制造中的应用

HEATS

7 a' X2 m# f- j/ ]5 M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。 1 Z9 u9 P1 c4 r; Z9 s9 l

+ B& ^- @% u) F: I4 H7 V一、引言

8 d+ _3 d% G$ Y# I 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。

& F' t2 y, w0 k$ G3 V% e- I二、CAE技术的作用

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。

h/ p# s- i. T6 R三、CAE技术应用实例

( H/ b% [, r Z8 ^. t& M, U% R. M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。 0 W4 Y' T6 Z1 p' N

8 n* R; t5 F+ a8 i r5 K% T1 W + W* u5 N+ M7 i" o' l1.建模

' \+ j3 p$ [% k0 |9 {; e( d' z, z " k h; n$ o6 w+ F! [+ y9 o 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。 ( H" `, l8 Z5 N1 d9 d0 M# m 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

& I/ K& Q ^& b" e Y" Q- 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。

+ k4 r5 `" Q$ |# f3.模拟结果分析

' E, I5 d5 h9 ^, u2 S0 P) f. k* l (1)填充分析

- r" I: h6 C% L, z填充型式较为均匀，因此锁模力不会过大，如图2所示。

1 M0 [- S# Z0 Y0 n0 F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。 9 T9 x7 d0 w4 P, n+ N" i7 o% d

(2)温度分布分析

+ w) k& ]6 D; {* Q) u0 N- A8 c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。 ; W h; j% X, O% e* S2 x, T1 L 温度分布，如图3所示。

图3 温度分布

 

(3)体积剪切速率分析

  1 @& N( [" _5 i% H 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。 6 g. ?1 h7 [) w$ _: y 9 Z% e) i! X9 w( O: |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。

9 T, Z' L- o5 ]1 @/ h2 ?6 C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。

" @# g* r- H7 i& I5 @2 Q+ E8 j+ F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。 4 _! o; k% B8 X; I8 N9 B

(5)熔接痕分析

) S8 y* G* j- s% p! M5 j2 e% R 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。 $ K' @! X" B+ P, C* e0 f + [. y, f& @/ X

(6)缩痕分析

7 d( ~( f' E ~3 ~% ^+ e- K 缩痕深度，如图7所示。

) t1 A! E- Y; j+ B: N, m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。 `( k& L x& u" F S } j& H4 |8 B; E 7 b1 m* [* |" @) p) i0 b; d4 b

(7)模具冷却分析

 

模具的冷却温度分布，如图8所示。

, N& u2 Y1 X! ]5 g# I1 t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。 4 Y3 I0 k1 U5 z0 A; \+ s( Z' l(8)型腔冷却分析 ) C0 Q/ ~! t( o+ M2 V 型腔冷却温度分布，如图9所示。

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。 (9)X方向的变形分布. # d0 B0 s2 J7 a5 F, S) F7 @ 3 T1 ~+ G. F( S" E1 M' MX方向的变形分布，如图10所示。

* `/ q7 F8 S H* J. i0 k' w2 q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。 (10)Y方向的变形分布. # Q7 h4 A; e% E$ zY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。 : l- d3 _# C. F/ }( w(11)Z方向的变形分布 i4 j) Z+ I( A) q+ z$ [ + u/ A. @& v; `Z方向的变形分布，如图12所示。

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

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。

 

 

1 i0 Q$ [: ?6 X0 u; q3 o: d5 T z6 i6 B