CAE技术在注射模具设计及制造中的应用

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n. f; @& F6 t1 m) i! B. ?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。 . R: Y2 Y4 g0 m9 C& i

一、引言

3 U( g/ G9 `4 [9 `# v* w0 {2 J: G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。 ' C2 X, ^9 Z. Z% ^$ Z- z* w

- t/ ^: \( `4 J$ t 4 s$ T( I w: m: f m二、CAE技术的作用 1 ^9 B+ H; c: S- b* m3 U0 S

2 W" A* `/ x: f+ ?' d ) d, q/ e! s Q/ F; M, g8 b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。

+ q2 w* J5 o! I % d3 M o, _2 t- [& b三、CAE技术应用实例

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。 % j* B$ [$ |, A0 q+ P# s2 R

4 h% m) Y" P2 m; Y5 @9 U+ U1.建模

) o& _* L, \$ }, r k+ W 2 ]! A( c8 C" w- h8 A5 d5 B & Z, d" P8 j# f$ U, H6 t G" G& P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。 0 }/ v) M# z/ X. d3 u7 H+ E( }& l4 d7 l 9 |; ^7 {4 \( J& g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。

2 W; @/ E& ?5 @4 c3.模拟结果分析

* C: q9 X6 d J3 L/ ^6 K% |" i4 l+ c 4 ~. C* R3 l2 y' m(1)填充分析

( l* _ h3 u- p7 P1 Y5 ? $ J( @& d' {6 N) n9 L& Z) J4 C填充型式较为均匀，因此锁模力不会过大，如图2所示。

( T1 a2 r! k* n1 E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。 & P) y0 K+ c3 I8 ]

* e# U% y2 U x(2)温度分布分析

& o; ?, h8 V8 q" f- 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。 ) ?+ p# I6 B0 J% U* ] : O3 i6 w0 l) r9 Q' t温度分布，如图3所示。

图3 温度分布

 

(3)体积剪切速率分析

  ) J8 Q/ }1 ~4 I$ } 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。 ) ]- K7 F! J9 q6 R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。

图4 体积剪切速率

 

(4)困气分析

8 m- v& k2 n3 g# K; m3 j ( l% \+ Y$ e9 m1 W7 x塑件上困气的位置，如图5所示。

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。 $ _) u# q1 n" H* d" x

(5)熔接痕分析

5 G2 a7 W' M6 h: h3 C7 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。 , l& t' r m* u2 Q

(6)缩痕分析

缩痕深度，如图7所示。

8 j# } u5 _- b) N1 N4 B" S6 @5 L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。

6 Q6 b1 D+ E9 z, c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。 * H, x4 s! C5 ~% _$ T/ T(8)型腔冷却分析 9 x) I' H' [- t# y/ Z- Q ; V2 \: N6 m, J! U% s5 K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。 - c! j. C1 V6 {0 p $ F/ K* P7 w. n5 { C4 J0 C$ K& c(9)X方向的变形分布. * R% b# S! t( D' X X方向的变形分布，如图10所示。

5 W, S3 _+ H& w5 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。 0 l+ E. R0 a/ u& ^8 j' P. X- R $ P( |# Z7 o5 y' i" w4 T3 M(10)Y方向的变形分布. 2 d. ?' Z6 [- p7 w3 ` / G! b! J$ S5 E. o, s9 k+ B+ oY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。 3 o& k# K: O* y) {+ f: X 9 Y$ O5 Z+ [+ T2 `* J. L(11)Z方向的变形分布 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

0 r7 D/ s/ P( B! @, R# b; U8 t * e+ R: t7 M' c% \. m: z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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