CAE技术在进风栅模具设计及制造中的应用
详细内容
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。
关键词:CAE技术；工艺；模具设计；试模
在以前传统模具设计制造过程中，如图 1 所示，由于没有采用专业的CAE软件，在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以提高一次性试模成功率，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。
图1 传统模具设计制造过程
图2 注塑模CAD/CAE/CAM过程
1 计算机辅助工程分析（CAE）
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。
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，也很难保证一次性设计出合格的模具。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，提高模具的一次性试模成功率，降低生产成本。
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：
（1）浇注系统平衡，浇口数量、位置和大小。
（2）熔接痕的位置预测。
（3）型腔内部的温度变化。
（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。
（5）熔融料体的温度变化。
（6）剪切应力、剪切速率。
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：
（1）各流道的压差要比较小，压力损失要基本一致。
（2）整个浇注系统要基本平衡，即保证熔融料体同时到达和填充型腔。
（3）型腔要同时填充完毕。
（4）填充时间要尽可能短，总体注射压力和压力损失也要小。
（5）填充结束时熔融料体的温度梯度不大。
（6）熔接痕和气穴位置合理，不影响产品质量。
2 应用实例
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。需要注意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。
2.1 工艺过程参数的设置
工艺过程参数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：
（1）模具表面温度：60℃。
（2）料温即进料口处熔体温度：230℃。
（3）填充控制：自动控制。
（4）注塑机由速度控制向压力控制的转换点：自动控制。
（5）保压及冷却过程中的压力控制，采用保压压力与V/P转换点的填充压力相关联的曲线控制方法，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。
（6）C冷却时间： 20 s 。
（7）成型材料：ABS AF303 。
图3 保压压力曲线的设定
2.2 分析计算
2.2.1 填充分析过程信息
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，2.30s时型腔填充完成。
图4 填充分析过程信息
2.2.2 保压分析过程信息
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。
图5 保压分析过程信息
2.3 流动分析结果
2.3.1 填充时间
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。由填充时间的结果可知，柜机进风栅的四个角部最后被充满，整个塑件的填充较均匀。
图6 填充时间
2.3.2 转换点压力
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。
图7 转换点压力
2.3.3 压力分布
压力分布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。由图 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。
图8 压力分布
2.3.4 压力变化
压力变化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。
图9 压力变化曲线
2.3.5 平均温度分布
平均温度分布是沿产品壁厚方向上以熔体流速为权值的平均温度，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℃，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影响。通过平均温度分布的显示结果，可以发现产品在注塑过程中温度较高区域。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。
图10 平均温度分布
2.3.6 熔接痕
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。但在此副模具设计中，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：
图11 熔接痕显示
（1）提高熔体的流动性能和料温。
（2）在分流道的末端设置冷料穴。
（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。
（4）改善模具的排气效果。
2.3.7 气穴
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。
图12 气穴显示
2.3.8 平均剪切速率
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。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。
图13 平均剪切速率显示
2.3.9 流体前沿温度
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量将会得到很好的保证。
图14 流体前沿温度显示
3 结束语
通过采用MPI/Flow模块对柜机进风栅制件进行填充、保压等过程的模拟分析，有助于模具设计人员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、降低了开发费用，提高制品的生产效率和质量，确保生产出优质的塑料制品。
参考文献
[1] 北京塑料工业公司编写组.塑料成型工艺.北京：中国轻工业出版社，1996.
[2] 塑料模具设计手册编写组.塑料模具设计手册[M].北京：机械工业出版社，2002.
[3] 余卫东.Moldflow技术在注塑成型过程中的应用[J].CAD/CAM计算机辅助设计与制造，2001，6.