摘要:本文详细阐述了CAE技术的重要作用及地位，简洁地介绍了CAE分析的一些基本原则，通过应用MOLDFLOW/MPI软件对柜机进风栅模具进行CAE填充和保压分析，显示了CAE技术在模具开发过程中对于优化塑料制品设计、优化塑料模设计和优化注射工艺参数等方面所起到的显著作用。中国国际模具网 关键词：CAE技术；工艺；模具设计；试模中国国际模具网 The Application of CAE Technique in the enter-wind bar Mould Design&Manufacture中国国际模具网 ZHANG Xiao-lu中国国际模具网 (Jiangsu Chunlan Machine Manufacturing CO..LTD. Taizhou,Jiangsu 225300,China)中国国际模具网 Abstract: The important functions and status of CAE technique are stated in detail. Some basic fundamentals of the CAE analysis are simply introduced.The CAE filling ang packing analysis of MPI has been made on the mould for the enter-wind bar of the counter air-condition by MOLDFLOW/MPI software.The analysis result shows prominent actions of CAE technics in the injection mould development,on the aspects of the optimization of the plastic produce design, the optimization of the injection mould design,the optimization of the injection parameters.中国国际模具网 Key words:CAE technics； technics；mould design；test mould中国国际模具网 中国国际模具网 在以前传统模具设及计制造过程中，如图1所示。由于没有采用专业的CAE软件模具制造完毕后要进行多次试模、修模，在许多情况下，还要涉及到设计整体方案的修改，从而对模具进行较大程度的改变，造成反复的修模、试模。而且反复的修模会造成模具内部品质的变化（如出现内应力），导致整副模具的性能降低，从而使最终的塑料制品质量不能达标，这时就存在着模具全部报废的可能。而使用计算机辅助技术不仅可能提高一次试模成功率，而且还可以使模具设计和制造在质量、性能及成本上都有很大程度的提升。如图2所示，给出了使用CAD/CAE/CAM技术进行模具设计和制造的基本过程。中国国际模具网 中国国际模具网 中国国际模具网 制图工具中国国际模具网 中国国际模具网 加工设备中国国际模具网 中国国际模具网 注 塑 机中国国际模具网 中国国际模具网 设计人员中国国际模具网 中国国际模具网 制造人员中国国际模具网 |
中国国际模具网 中国国际模具网图1 传统模具设计制造过程中国国际模具网 1 计算机辅助工程分析（CAE）中国国际模具网 CAE技术是一门以CAD/CAM技术水平的提高为发展动力，以高性能计算机和图形显示设备为发展条件，以计算力学中的边界元、有限元、结构优化设计及模态分析等方法理论为基础的一项新的技术。中国国际模具网 注塑成型过程中，塑料在型腔中的流动和成型，与材料的性能、制品的形状、成型温度、成型速度、成型压力、成型时间、型腔表面情况和模具设计等一系列因素有关。因此，对于新产品的试制或是一些形状复杂、质量和精度要求较高的产品，即使是具有丰富经验的工艺和模具设计人员，也很难保证一次成功地设计出合格的模具。所以，在模具基本设计完成之后，可以通过注塑成型分析，发现设计中存在的缺陷，从而保证模具设计的合理性，提高模具的一次试模成功率，降低企业生产成本。中国国际模具网 注塑成型CAE分析的内容和结果为模具设计和制造提供可靠、优化的参考数据，其中主要包括：中国国际模具网 （1）浇注系统的平衡，浇口的数量、位置和大小。中国国际模具网 （2）熔接痕的位置预测。中国国际模具网 （3）型腔内部的温度变化。中国国际模具网 （4）注塑过程中的注射压力和熔融料体在填充过程中的压力损失。中国国际模具网 （5）熔融料体的温度变化。中国国际模具网 （6）剪切应力、剪切速率。中国国际模具网  中国国际模具网图2 注塑模CAD/CAE/CAM过程中国国际模具网 根据注塑成型的CAE分析结果，就可以判断模具及其浇注系统的设计是否合理，其中的一些基本原则如下：中国国际模具网 （1）各流道的压差要比较小，压力损失要基本一致。中国国际模具网 （2）整个浇注系统要基本平衡，即保证熔融料体同时到达，同时填充型腔。中国国际模具网 （3）型腔要基本同时填充完毕。中国国际模具网 （4）填充时间要尽可能短，总体注射压力要小，压力损失也要小。中国国际模具网 （5）填充结束时熔融料体的温度梯度不大。中国国际模具网 （6）熔接痕和气穴位置合理，不影响产品质量。中国国际模具网 2 应用实例中国国际模具网 该柜机进风栅采用PRO/E软件建模，以STL格式导入到MPI软件中，采用表面模型技术（Fusion）进行分析。3D模型导入MPI后先要进行网格划分和网格缺陷修改，接着设置分析类型为Flow和选择注塑原料，随后进行浇注系统的创建。值得一提的是该进风栅由于是栅格件，成型非常困难，为了保证该塑件的成型完整，决定采用多点平衡进料的浇注系统，如图6所示。中国国际模具网 2.1 工艺过程参数的设置中国国际模具网 工艺过程参数（Process Setting）包括了整个注塑周期内有关模具、注塑机等所有相关设备及其冷却、保压、开合模等工艺的参数。因此，过程参数的设定将直接影响到产品注塑成型的分析结果。该柜机进风栅的工艺过程参数设置如下：中国国际模具网 ①Mold surface temperature（模具表面温度）：60℃。中国国际模具网 ②Melt temperature（料温即进料口处熔体温度）：230℃。中国国际模具网 ③Filling control（填充控制）：Automatic（自动控制）。中国国际模具网 ④Velocity/pressure switch-over(注塑机由速度控制向压力控制的转换点)：Automatic（自动控制）。中国国际模具网 ⑤Pack/holding control(保压及冷却过程中的压力控制，采用保压压力与V/P转换点的填充压力（Filling pressure）相关联的曲线控制方法，% Filling pressure vs time 控制曲线的设置如图3（a）所示，转换成坐标曲线形式为图3（b）所示。中国国际模具网  中国国际模具网 （a）中国国际模具网  中国国际模具网中国国际模具网 （b）中国国际模具网 图3 保压压力曲线的设定中国国际模具网 ⑥Cooling time（冷却时间）：Specified of 20 s 。中国国际模具网 ⑦Molding material(成型材料)：ABS AF303 (LG Chemical) 。中国国际模具网 2.2 分析计算中国国际模具网 2.2.1 填充分析分析过程信息中国国际模具网 如图4所示,V/P转换发生在型腔97.50%被充满的时候,此时的填充压力为50.74Mpa左右,由此根据保压曲线的设定,保压压力为40.59Mpa(80%Filling pressure)。2.30s时型腔填充完成。中国国际模具网 Filling phase: Status: V = Velocity control P = Pressure control V/P= Velocity/pressure switch-over |-------------------------------------------------------------| | Time | Volume| Pressure | Clamp force|Flow rate|Status | | (s) | (%) | (MPa) | (tonne) |(cm^3/s) | | |-------------------------------------------------------------| | 0.10 | 2.58 | 13.97 | 1.07 | 300.56 | V | | 0.19 | 6.32 | 22.85 | 8.06 | 297.29 | V | | 0.29 | 9.74 | 36.42 | 26.00 | 278.89 | V | | 0.39 | 14.31 | 40.87 | 29.50 | 375.70 | V | | 0.48 | 19.18 | 39.35 | 28.77 | 376.06 | V | | 0.58 | 24.12 | 38.67 | 28.73 | 371.16 | V | | 0.68 | 28.98 | 38.57 | 29.18 | 369.44 | V | | 0.78 | 33.83 | 38.67 | 29.78 | 369.02 | V | | 0.88 | 38.60 | 38.82 | 30.56 | 368.74 | V | | 0.97 | 43.18 | 39.02 | 31.57 | 368.40 | V | | 1.07 | 47.84 | 39.27 | 32.66 | 368.66 | V | | 1.17 | 52.62 | 39.53 | 34.00 | 368.74 | V | | 1.26 | 57.30 | 39.86 | 35.88 | 368.68 | V | | 1.36 | 61.80 | 40.31 | 38.51 | 368.63 | V | | 1.46 | 66.65 | 40.74 | 41.32 | 368.37 | V | | 1.55 | 71.08 | 41.29 | 45.13 | 368.40 | V | | 1.65 | 75.78 | 41.84 | 48.80 | 368.81 | V | | 1.75 | 80.36 | 42.46 | 53.33 | 369.05 | V | | 1.84 | 84.80 | 43.18 | 59.08 | 369.14 | V | | 1.94 | 89.10 | 44.96 | 74.80 | 369.49 | V | | 2.04 | 93.34 | 48.23 | 102.14 | 369.49 | V | | 2.13 | 97.50 | 50.74 | 126.35 | 366.47 | V/P | | 2.13 | 97.54 | 49.73 | 126.46 | 341.84 | P | | 2.14 | 97.88 | 40.59 | 119.88 | 203.98 | P | | 2.23 | 99.55 | 40.59 | 129.19 | 138.97 | P | | 2.30 | 99.96 | 40.59 | 150.05 | 85.71 | P | | 2.30 |100.00 | 40.59 | 150.58 | 84.65 |Filled | |-------------------------------------------------------------| 图4 填充分析过程信息 2.2.2 保压分析过程信息中国国际模具网 如图5所示，保压阶段从2.30s时开始，经过10s的恒定保压，保压压力线在12.14s时降为0，保压结束。冷却阶段从12.14s时开始，到32.29s时结束，历时20s，与工艺参数的设置完全吻合。 中国国际模具网 Packing phase: |-------------------------------------------------------------| | Time |Packing| Pressure | Clamp force| Status | | (s) | (%) | (MPa) | (tonne) | | |-------------------------------------------------------------| | 2.30 | 0.00 | 40.59 | 150.62 | P | | 3.21 | 3.05 | 40.59 | 206.97 | P | | 4.71 | 8.08 | 40.59 | 198.14 | P | | 6.21 | 13.10 | 40.59 | 174.27 | P | | 7.71 | 18.13 | 40.59 | 167.75 | P | | 8.96 | 22.32 | 40.59 | 144.65 | P | | 10.46 | 27.35 | 40.59 | 119.50 | P | | 11.96 | 32.38 | 40.59 | 83.84 | P | | 12.14 | 33.01 | 0.00 | 66.30 | P | | 12.14 | | | |Pressure released|, |-------------------------------------------------------------| | 13.54 | 37.69 | 0.00 | 0.80 | P | | 15.04 | 42.72 | 0.00 | 0.00 | P | | 16.54 | 47.74 | 0.00 | 0.00 | P | | 18.04 | 52.77 | 0.00 | 0.00 | P | | 19.54 | 57.80 | 0.00 | 0.00 | P | | 21.04 | 62.83 | 0.00 | 0.00 | P | | 22.54 | 67.85 | 0.00 | 0.00 | P | | 24.04 | 72.88 | 0.00 | 0.00 | P | | 25.54 | 77.91 | 0.00 | 0.00 | P | | 27.04 | 82.94 | 0.00 | 0.00 | P | | 28.54 | 87.96 | 0.00 | 0.00 | P | | 30.04 | 92.99 | 0.00 | 0.00 | P | | 31.54 | 98.02 | 0.00 | 0.00 | P | | 32.29 |100.00 | 0.00 | 0.00 | P | -------------------------------------------------------------------------- 中国国际模具网 图5 保压分析过程信息中国国际模具网 2.3 流动分析结果中国国际模具网 2.3.1 Fill time(填充时间)中国国际模具网  中国国际模具网中国国际模具网 图6 Fill time(填充时间)中国国际模具网 如图6所示,柜机进风栅在2.296s的时间内完成熔体的填充,通过MOLDFLOW软件上的菜单栏上的下拉式菜单或播放按钮进行动态显示,可以清晰地看到熔体在型腔中的流动。从填充时间的结果上看,柜机进风栅的四个角部最后被充满,整个塑件的填充较为均匀。中国国际模具网 2.3.2 Pressure at V/P switchover (转换点压力)中国国际模具网  中国国际模具网中国国际模具网 图7 Pressure at V/P switchover(转换点压力)中国国际模具网 V/P转换点压力是指注塑过程由速度控制向压力控制转换时模具型腔内熔体的压力,转换点的控制对注塑过程有很大影响。如图7所示, V/P转换点位置为50.74Mpa.本案例的V/P转换点的设置采用系统自动(Automatic)计算的方式,MPI系统通过计算得到在填充比例为97.50%时(2.13s左右)发生V/P转换,浇口位置处压力在通过转换点后由50.74Mpa降为保压压力40.59Mpa,在压力控制下熔体继续充满整个型腔。中国国际模具网 2.3.3 Pressure at end of fill（压力分布）中国国际模具网 Pressure at end of fill显示了填充结束时腔内及流道内的压力分布，如图8所示，此时腔内的最大压力约为30.44Mpa，进料口处的最大压力为40.60Mpa。由于压力会影响到产品的的体积收缩，因此要求压力分布要尽可能均匀，从显示结果上看就是颜色变化均匀或者是等值线分布均匀。从图8的压力分布来看，该塑件的压力分布较为均匀，不会对产品的体积收缩造成过大的影响。中国国际模具网 中国国际模具网  中国国际模具网中国国际模具网 图8 Pressure at end of fill（压力分布）中国国际模具网 2.3.4 Pressure at injection location:XY Plot中国国际模具网 Pressure at injection location:XY Plot为产品进料口位置的压力在注射、保压、冷却整个过程中的变化图，如图9所示。将图9与图3比较可以明显看出保压曲线的设置在分析计算过程中得到了很好的执行和体现。中国国际模具网  中国国际模具网中国国际模具网 图9 Pressure at injection location:XY Plot中国国际模具网 2.3.5 Bulk temperature at end of fill（平均温度分布）中国国际模具网 Bulk temperature是沿产品壁厚方向上以熔体流速为权值（Weight）的平均温度，它表示产品上某一位置的能量传递值。如图10所示，腔内熔体的最高平均温度为240.1℃，已远远低于聚合物材料的降解温度，不会对产品质量造成较大的影响。通过Bulk temperature at end of fill的显示结果，可以发现产品在注塑过程中温度较高的区域，如果最高平均温度接近或超过聚合物材料的降解温度，或者是出现区部过热Hot spot的情况,都需要重新设计浇注、冷却系统，或者是改变工艺参数。中国国际模具网  中国国际模具网中国国际模具网 图10 Bulk temperature at end of fill（平均温度分布）中国国际模具网 2.3.6 Weld lines（熔解痕）中国国际模具网 如图11所示，熔接痕很容易使产品的强度降低，特别是在产品可能受力的部位产生熔接痕会造成产品结构上的缺陷。同时熔接痕还会造成产品表面质量不过关。由于熔接痕主要产生于熔体的分流汇合，因此，模具的浇注系统对于熔接痕的产生有很大的影响。对此，在模具设计过程应该尽量减少浇口的数量，合理设置浇口位置，加大浇口截面积，设置辅助流道及分流道。但在此付模具设计中，由于该产品为众多的栅格，成型非常困难，必须采用多点进料，为此，减少熔接痕数量只有通过其它办法来解决。其解决方法为：中国国际模具网 （1）提高熔体的流动性能和料温。中国国际模具网 （2）在分流道的末端设置冷料穴。中国国际模具网 （3）调整塑件壁厚，尽量保持壁厚的一致性，以免在薄壁处由于充模阻力大而产生熔接痕，从而导致塑件在薄壁处断裂。中国国际模具网 （4）改善模具的排气效果。中国国际模具网  中国国际模具网中国国际模具网 图11 Weld lines（熔解痕）显示中国国际模具网 2.3.7 Air traps（气穴）中国国际模具网 如图12所示的气穴位置，多数分布在产品的边缘，可以通过分型面进行适当排气，而且这些位置在模具设计中有大量顶杆存在，因此气体很容易排出，不会影响到产品的外观质量。中国国际模具网  中国国际模具网中国国际模具网 图12 Air traps（气穴）显示中国国际模具网 2.3.8 Shear rate, bulk（平均剪切速率）中国国际模具网  中国国际模具网中国国际模具网 图13 Shear rate, bulk（平均剪切速率）显示中国国际模具网 中国国际模具网 体积剪切速率必须低于允许值( 许用值 : 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。由图13体积剪切速率可知，对于这个方案,体积剪切速率可能是一个问题，如果真有可能会产生降解的话，我们则可以通过降低注塑速率和增加浇口的尺寸来解决这个问题。后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。中国国际模具网 2.3.9 Temperature at flow front（流体前沿温度）中国国际模具网  中国国际模具网中国国际模具网 图14 Temperature at flow front（流体前沿温度）显示中国国际模具网 中国国际模具网 由图14可知，料流前锋最大温度降为2.1℃,因此不会产生短射和应力集中现象，这也意味着整个塑件的表面质 |