论文部分内容阅读
摘 要 CAE技术使设计人员可以借助计算机软件对塑料模具进行模拟分析及优化设计，能显著缩短塑料模具设计周期，提高产品质量，降低生产成本。
关键词 CAE技术 注塑模具 设计
一、引言
随着生产力的发展，模具工业己成为国民经济中的重要基础工业之一。塑料制品广泛用于汽车、电子、航空、仪器仪表和日用品工业的等行业，因此对塑料模具质量与设计制造效率的要求越来越高。传统的模具设计和制造方式，主要是依赖设计人员和工艺人员的经验。模具设计是否合理、制品有无缺陷都只有通过试模才能知道。CAE技术能在计算机上对模具设计方案进行分析和模拟，预测设计中潜在的缺陷，帮助设计人员修改和优化设计方案，能显著缩短塑料模具设计周期，提高产品质量，并极大地降低生产成本。
二、CAE技术
CAE技术是通过计算机模拟对工程和产品进行全面分析的综合型计算机技术，通过计算机模拟CAE技术可以发现工程和产品存在的设计缺陷，通过不断地改进与优化实现工程和产品性能的提升和成本的控制，在提高工程和产品功能性的基础上，提高其可靠性和适用性。
MODLFLOW软件就是典型的注射模CAE技术的应用，该软件可以模拟整个注射过程对注射成型产品的影响。它主要包括流动模拟模块（MF/Flow）、冷却模拟模块（MF/Cool）、保压分析模块（MF/Pack）、翘曲分析模（MF/Wrap），MF/SHRINK模腔尺寸确定、MF/STRESS结构应力分析、MF/OPTIM注塑机参数优化、MF/GAS气体辅助注射分析、MF/FIBER塑件纤维取向分析等模块，通过模拟与分析可以判断模具结构的合理性和成型工艺参数的适宜性。由此得出工艺方案与有关参数以及模具结构对制件质量的影响，从而达到优化塑料制件、模具结构与工艺参数的目的。
三、CAE技术在注塑模具设计中的应用
（一）MF/Flow流动分析
MF/Flow分析聚合物在模具中的流动状态，预测熔接线和气泡出现的位置，这样设计人员可以优化模腔的布局、材料的选择、填充和保压的工艺参数设置。进行流动分析是为了获知得最佳保压阶段设置，从而尽可能地降低由保压引起的制品收缩、翘曲等质量缺陷。
（二）MF/Cool冷却分析
MF/Cool分析冷却系统对流动过程的影响，优化冷却管道的布局和工作条件，与流动分析相结合，可以得到完美的动态注塑过程。设计人员可以通过改善冷却管道的设计，让塑件均匀的冷却，减小成型后的内应力。阶段对制件质量的影响非常大，冷却的好坏直接影响着制件的最终表面质量、制件残余应力和结晶度等。冷却时间的长短决定了制件脱模时的温度和成型周期长短，直接影响到产品成本的高低。
（三）MF/warp翘曲分析
MF/Warp分析整个塑件的翘曲变形（包括线性、线性弯曲和非线性），同时指出产生翘曲的主要原因以及相应的补救措施。MF/Warp能在一般的工作环境中，考虑到注塑机的尺寸、材质、冷却参数以及环境因素的影响，推断并减小翘曲变形。
（四）MF/Stress结构应力分析
MF/Stress可以对塑料产品在受荷的情形下的机械性能进行分析，MF/Stress可以预测在外负荷以及温度的作用下产生的位移和应力。对于纤维增强型塑料，MF/Stress根据不同塑料种类的物理数据，通过流动分析的方式确定其机械性能，分析的结果可以用来进行结构应力的分析。设计人员可以通过调整工艺条件的方式，来获得塑料制品在强度和刚度上的优化。
（五）MF/Shrink模腔尺寸分析
MF/Shrink可以通过对聚合物的收缩数据和流动分析的结果，来给出模腔的尺寸。通过使用MF/Shrink，设计人员可以在成型条件宽泛的前提下，算出公差范围紧凑的模腔尺寸。这样的尺寸跟产品尺寸高度匹配，有利于大大缩短模腔修补和模具投入使用的时间，同时也有利于改善产品的组装配合质量、减少废品、提高质量。
（六）MF/Optim注塑机的参数优化
MF/Optim，可以根据不同的模具、注塑材料、注塑机和流动分析的结果，自动生成控制注塑机的填充保压曲线。MF/Optim采用用户给定或者默认的质量标准来有效控制产品的尺寸精度、表面缺陷以及翘曲。设计人员根据分析结果对注塑机参数进行设置，从而避免在试模的过程中对注塑机的参数进行反复的调试。
（七）MF/Gas气体辅助注塑
MF/Gas模拟在气体的辅助下注射成型的过程，并对整个过程进行优化。与冷却分析和翘曲分析结合起来，就可以预测放置熔体位置和气体入口位置，熔体和气体的比例是多少，放置气道的位置以及气道尺寸等。
（八）MF/Fiber塑件纤维取向分析
对使用纤维化塑料的产品而言，其拉伸强度等性能受塑料纤维取向的影响很大。MF/Fiber采用一系列的集成分析工具来对注塑过程中纤维的取向进行预测并优化，使其更为合理，从而能够提高这类塑件的性能。
（九）MF/Tsets热固性塑料的流动和融合分析
热固性塑料的热传导率低、粘度低，在生产中广泛被应用。MF/Tsets能够模拟热固性塑料的流动过程、融合过程等多个复杂的过程，可以减少制品表面的缺陷，保证塑料的热传导性和融合，对塑料在模腔内的流动进行有效地控制。
四、CAE技术分析模具的步骤
（一）建立有限元模型
首先要将应用CAD技术建立的几何模型从通用的参数化CAD软件输出到CAE软件中，设定有限元网格形状、密度、边界条件等相关信息后，将模型进行网格化处理，建立起可用于分析的有限元模型。
（二）模流分析
塑料模具CAE软件在对应用CAD技术建立的几何模型有限元网格化处理后，输入塑料名称、牌号和成型过程中所需要的工艺参数后，对塑料模具进行流动、保压、翘曲变形等模拟，CAE分析软件就能给出塑料熔体流动的动态图、塑料制件翘曲变形的位移变化图等信息
（三）完成模具的优化
根据CAE软件的分析结果，发现塑料制件、塑料模具浇注系统、冷却系统等设计中存在的缺陷与不足，根据分析结果对模具进行相应修改后，再应用塑料模具CAE技术重新进行分析，并最终优化设计出合适的流道、浇口、冷却水道等设计方案。
五、结束语
塑料模具设计是一个复杂的过程，传统的方式会出现设计周期长、成本较高等一系列问题，CAE技术可以通过模拟来实现对塑料模具设计优化设计，实现对不同方案的快速分析，达到对塑料模具设计问题的及时纠正。CAE技术实现了注塑模具设计成本的降低和工作效率的提高。
基金项目：本文系陕西国防工业职业技术学院2014年立项课题“基于外壳的注塑模具CAD/CAE/CAM 的应用研究”（课题编号Gfy14-10）的研究成果之一
（作者单位：陕西国防工业职业技术学院）
关键词 CAE技术 注塑模具 设计
一、引言
随着生产力的发展，模具工业己成为国民经济中的重要基础工业之一。塑料制品广泛用于汽车、电子、航空、仪器仪表和日用品工业的等行业，因此对塑料模具质量与设计制造效率的要求越来越高。传统的模具设计和制造方式，主要是依赖设计人员和工艺人员的经验。模具设计是否合理、制品有无缺陷都只有通过试模才能知道。CAE技术能在计算机上对模具设计方案进行分析和模拟，预测设计中潜在的缺陷，帮助设计人员修改和优化设计方案，能显著缩短塑料模具设计周期，提高产品质量，并极大地降低生产成本。
二、CAE技术
CAE技术是通过计算机模拟对工程和产品进行全面分析的综合型计算机技术，通过计算机模拟CAE技术可以发现工程和产品存在的设计缺陷，通过不断地改进与优化实现工程和产品性能的提升和成本的控制，在提高工程和产品功能性的基础上，提高其可靠性和适用性。
MODLFLOW软件就是典型的注射模CAE技术的应用，该软件可以模拟整个注射过程对注射成型产品的影响。它主要包括流动模拟模块（MF/Flow）、冷却模拟模块（MF/Cool）、保压分析模块（MF/Pack）、翘曲分析模（MF/Wrap），MF/SHRINK模腔尺寸确定、MF/STRESS结构应力分析、MF/OPTIM注塑机参数优化、MF/GAS气体辅助注射分析、MF/FIBER塑件纤维取向分析等模块，通过模拟与分析可以判断模具结构的合理性和成型工艺参数的适宜性。由此得出工艺方案与有关参数以及模具结构对制件质量的影响，从而达到优化塑料制件、模具结构与工艺参数的目的。
三、CAE技术在注塑模具设计中的应用
（一）MF/Flow流动分析
MF/Flow分析聚合物在模具中的流动状态，预测熔接线和气泡出现的位置，这样设计人员可以优化模腔的布局、材料的选择、填充和保压的工艺参数设置。进行流动分析是为了获知得最佳保压阶段设置，从而尽可能地降低由保压引起的制品收缩、翘曲等质量缺陷。
（二）MF/Cool冷却分析
MF/Cool分析冷却系统对流动过程的影响，优化冷却管道的布局和工作条件，与流动分析相结合，可以得到完美的动态注塑过程。设计人员可以通过改善冷却管道的设计，让塑件均匀的冷却，减小成型后的内应力。阶段对制件质量的影响非常大，冷却的好坏直接影响着制件的最终表面质量、制件残余应力和结晶度等。冷却时间的长短决定了制件脱模时的温度和成型周期长短，直接影响到产品成本的高低。
（三）MF/warp翘曲分析
MF/Warp分析整个塑件的翘曲变形（包括线性、线性弯曲和非线性），同时指出产生翘曲的主要原因以及相应的补救措施。MF/Warp能在一般的工作环境中，考虑到注塑机的尺寸、材质、冷却参数以及环境因素的影响，推断并减小翘曲变形。
（四）MF/Stress结构应力分析
MF/Stress可以对塑料产品在受荷的情形下的机械性能进行分析，MF/Stress可以预测在外负荷以及温度的作用下产生的位移和应力。对于纤维增强型塑料，MF/Stress根据不同塑料种类的物理数据，通过流动分析的方式确定其机械性能，分析的结果可以用来进行结构应力的分析。设计人员可以通过调整工艺条件的方式，来获得塑料制品在强度和刚度上的优化。
（五）MF/Shrink模腔尺寸分析
MF/Shrink可以通过对聚合物的收缩数据和流动分析的结果，来给出模腔的尺寸。通过使用MF/Shrink，设计人员可以在成型条件宽泛的前提下，算出公差范围紧凑的模腔尺寸。这样的尺寸跟产品尺寸高度匹配，有利于大大缩短模腔修补和模具投入使用的时间，同时也有利于改善产品的组装配合质量、减少废品、提高质量。
（六）MF/Optim注塑机的参数优化
MF/Optim，可以根据不同的模具、注塑材料、注塑机和流动分析的结果，自动生成控制注塑机的填充保压曲线。MF/Optim采用用户给定或者默认的质量标准来有效控制产品的尺寸精度、表面缺陷以及翘曲。设计人员根据分析结果对注塑机参数进行设置，从而避免在试模的过程中对注塑机的参数进行反复的调试。
（七）MF/Gas气体辅助注塑
MF/Gas模拟在气体的辅助下注射成型的过程，并对整个过程进行优化。与冷却分析和翘曲分析结合起来，就可以预测放置熔体位置和气体入口位置，熔体和气体的比例是多少，放置气道的位置以及气道尺寸等。
（八）MF/Fiber塑件纤维取向分析
对使用纤维化塑料的产品而言，其拉伸强度等性能受塑料纤维取向的影响很大。MF/Fiber采用一系列的集成分析工具来对注塑过程中纤维的取向进行预测并优化，使其更为合理，从而能够提高这类塑件的性能。
（九）MF/Tsets热固性塑料的流动和融合分析
热固性塑料的热传导率低、粘度低，在生产中广泛被应用。MF/Tsets能够模拟热固性塑料的流动过程、融合过程等多个复杂的过程，可以减少制品表面的缺陷，保证塑料的热传导性和融合，对塑料在模腔内的流动进行有效地控制。
四、CAE技术分析模具的步骤
（一）建立有限元模型
首先要将应用CAD技术建立的几何模型从通用的参数化CAD软件输出到CAE软件中，设定有限元网格形状、密度、边界条件等相关信息后，将模型进行网格化处理，建立起可用于分析的有限元模型。
（二）模流分析
塑料模具CAE软件在对应用CAD技术建立的几何模型有限元网格化处理后，输入塑料名称、牌号和成型过程中所需要的工艺参数后，对塑料模具进行流动、保压、翘曲变形等模拟，CAE分析软件就能给出塑料熔体流动的动态图、塑料制件翘曲变形的位移变化图等信息
（三）完成模具的优化
根据CAE软件的分析结果，发现塑料制件、塑料模具浇注系统、冷却系统等设计中存在的缺陷与不足，根据分析结果对模具进行相应修改后，再应用塑料模具CAE技术重新进行分析，并最终优化设计出合适的流道、浇口、冷却水道等设计方案。
五、结束语
塑料模具设计是一个复杂的过程，传统的方式会出现设计周期长、成本较高等一系列问题，CAE技术可以通过模拟来实现对塑料模具设计优化设计，实现对不同方案的快速分析，达到对塑料模具设计问题的及时纠正。CAE技术实现了注塑模具设计成本的降低和工作效率的提高。
基金项目：本文系陕西国防工业职业技术学院2014年立项课题“基于外壳的注塑模具CAD/CAE/CAM 的应用研究”（课题编号Gfy14-10）的研究成果之一
（作者单位：陕西国防工业职业技术学院）