CAE技术在注射模具设计及制造中的应用

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; H; P+ T- N, ]: n& ]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。

5 u' F$ n$ P9 {3 n1 J" `0 f* q: p一、引言

- j- h6 m4 k3 `- J7 E 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。 ! ]3 S4 M/ ]; L' ?# s

二、CAE技术的作用 & k9 J! r% ~: y: Q. Q* M

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。 B2 w- v( R0 K+ g* [8 c

& v; o0 Y8 ~8 m+ h9 f. x0 ^1 ` 三、CAE技术应用实例 & z6 X1 c# d: R, N" i

, r' U, t q+ M# U p. Z 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。

* Z* W! L1 x- X& U0 I5 y ! f3 x3 `% Q% a1.建模

) R) E, s! z5 E5 b6 u! F- K% d 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

( O; g$ N. r. {& I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。 ( d6 j& g( Y5 e

3.模拟结果分析

$ k9 W8 g9 g, ~" H, r! R* b7 D2 `5 O. g(1)填充分析

3 R# |/ ]. `* F0 M2 C5 j) I# F 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。 ' W% S! O2 r# G; d2 p# { h0 P

$ k2 V3 h# q- K6 f: L(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。 ) a; m0 P; g% b7 F温度分布，如图3所示。

图3 温度分布

 

(3)体积剪切速率分析

  8 D6 y3 i. U& _3 E% _" R 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。 % J* c. K1 p6 r5 g: Q8 U 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。

: c3 k1 G+ r0 b4 V& E! H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。

5 }+ t S! v# X# x' }# z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。

(5)熔接痕分析

塑件上熔接痕的位置，如图6所示。

1 Q$ K, F4 I1 J! t/ d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。 7 o- |/ i/ E& V2 G. Q" G 8 Y6 N& t% T2 x- q5 T

(6)缩痕分析

5 Z) J; k; @, b: O8 u' g3 H缩痕深度，如图7所示。

7 s4 G& e9 O; e0 N/ O3 R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。 % f0 z" \7 Y5 x

(7)模具冷却分析

 

模具的冷却温度分布，如图8所示。

. ?) y, M8 s" q( k; }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。 5 F/ D7 V/ f$ y2 g% y(8)型腔冷却分析 - o; I9 s3 x* k' q4 b/ o型腔冷却温度分布，如图9所示。

/ ] u" R' p; U* C6 W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。 / r* P5 B# d- u. d5 f( X(9)X方向的变形分布. 0 M3 m4 C X+ f6 U4 Z7 h 9 r6 Y$ @7 U, o9 p# `- E& FX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。 (10)Y方向的变形分布. 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。 : r! l" L$ \1 m& j' T" }8 T(11)Z方向的变形分布 9 W2 m6 w0 b5 `! M8 Z' s ! H9 Q& U5 s8 |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。

6 r$ p2 E' ^. d3 L! P, e$ m1 S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。

 

 

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