CAE技术在注射模设计中的应用

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-27 原文发表:2007-06-27 人气:1

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摘要：通过几个典型例子说明了如何利用注射模CAE的分析结果解决注射模浇注系统和冷却系统设计中出现的问题。
关键词：注射模；CAE；流动分析；冷却系统

1引言

长期以来，我国的注射模设计主要依靠设计者的经验和直觉，通过反复试模、修模修正设计方案，缺乏科学依据，具有较大的盲目性，不仅使模具的生产周期长、成本高，而且质量也难以保证。对于大型精密、新结构产品，问题更加突出。随着塑料制品应用的日益广泛，传统的注射模生产方式已不能适应现代社会发展对塑料制品产量、质量和更新换代速度的需求。多年来，人们一直期望能预测注射成型时塑料熔体在模具型腔中的流动情况及塑料制品在模具型腔内的冷却、固化过程，以便在模具制造之前就能发现设计中存在的问题，修改图纸而不是返修模具。注射模CAE技术的出现，使人们的这一愿望能变为现实。

注射模CAE技术就是根据塑料加工流变学和传热学的基本理论，建立塑料熔体在模具型腔中的流动、传热的物理数学模型，利用数值计算理论构造其求解方法，利用计算机图形学技术在计算机屏幕上形象、直观地模拟出实际成型中熔体的动态充填、冷却过程，定量地给出成型过程的状态参数(如压力、温度、速度等)。利用注射模CAE技术可存樟具制造之前，在计算机上对模具设计方案进行分析和模拟来代替实际的试模，预测设计中潜在的缺陷，突破了传统的在注塑机上反复试模、修模的束缚，为设计人员修改设计提供科学的依据。CAE技术的应用带来的直接好处是省时省力，减少试模、修模次数和模具报废率，缩短模具设计制造周期，降低成本提高产品质量。

80年代以来，在国际市场上出现了一些商品化的注射模CAE软件，如美国AC Teclrnology公司的C-MOLD、澳大利亚MF公司的Mold Flow等，并用于指导实际生产，取得了显著的经济效益。国内是在“八五”期间才开始注射模CAE技术的研究、开发工作，近年来也陆续出现了一些具有自主版权的实用化注射模CAE软件，如郑州工业大学国家橡塑模具工程研究中心开发的Z一MOLD等。CAE软件只是一种辅助分析的工具，因此，和其它工具一样，能否做到物尽其用取决于用户的使用水平。尽管关于注射模设计和介绍注射模CAE技术的文献很多，但如何将CAE分析结果用于指导模具设计方面的文献并不多见。以下通过一些典型的CAE分析示例来说明如何用CAE技术解决模具设计中出现的问题。

2 流动分析及其在模具设计中的应用

流动分析的目的是预测熔体流经流道浇口填充型腔的过程。通过流动模拟，可帮助优化产品和型腔设计，确定合理的浇口和流道，预测所需的注射压力和锁模力，发现可能出现的缺陷。由于塑料熔体的非牛顿特性和流动过程的非等温性、非稳态性，导致熔体充模流动过程模拟相当困难，必须借助于数值方法来实现。

流动分析的方法主要有两种:一种是分支流动法，它以一维流动分析为基础，把三维塑件从几何上分解成一系列由一维流动单元串联组成流动路径，在计算过程中，利用迭代计算，在满足各流动路径的流量之和等于总的注射量条件下，使各流动路径压力降相等。这种方法计算时间短，但难以分析形状复杂的塑件。另一种是流动网络法，它的基本思想是将整个型腔划分为网格，并形成相应于各节点的体积单元，建立节点压力和流入节点体积单元流量之间的关系，得到一组以各节点压力为变量的控制方程，并且根据节点体积单元的充填状况更新流动前沿。目前，流动分析普遍采用广义Hel。一Shaw流动模型，利用有限元/有限差分法混合来祸合求解控制方程，它基本上沿用流动网络法基本思想，利用控制体积法建立压力场求解的有限元方程，并对时间和沿厚度方向差分，建立温度场求解的能量方程，以实现注射模充填过程的动态模拟。

2.1 流动分析在模具型腔设计中的应用

对于形状复杂的注射模型腔，产品形状及其厚度的变化都会影响到它的充填模式。不同区域的充填信息以及关于缺料、熔接线、气穴位置等信息对型腔设计至关重要。为了得到这些信息，传统的方法都是利用实验模具或真实模具经过一次次的“缺料”注射来得到，而利用流动分析可以在产品的概念设计阶段得到型腔设计中的一些关键信息，如熔接线/熔合线和气穴位置、流动平衡程度、跑道效应、熔体的滞流和加速流动，任一时刻或任一充填体积下的充填状况等，利用这些分析结果，可判断如何修改产品以获得较佳的充填模式。

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