CAE注塑模具技术的探讨

CAE注塑模具技术的探讨

彭松和

广东力人科技有限公司523641

摘要：本文主要从注塑模CAE分析方法与技术流程；CAE技术在注塑模具中的主要应用等几方面探讨了本文主题CAE注塑模具技术，旨在与同行学习，共同进步。

关键词：CAE技术；注塑模具，主要应用

CAE系统的核心思想是结构的离散化，即将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体。实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，利用注射模CAE技术可在模具制造之前,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。

一、注塑模CAE分析方法与技术流程

1.CAE是一个综合分析的系统过程，其核心技术是工程问题的模型化和数值仿真方法。CAE技术的实现载体是软件产品，分为专用软件与通用软件两类：针对特定类型的工程或产品所开发的用于产品性能分析、预测和优化的软件称为专用CAE软件，能对多种类型产品的力学性能进行仿真分析、预测、评价和优化的软件则称为通用CAE软件。因此，注塑模CAE软件属于专用软件。

2.通常CAE软件架构可以分为三大组成部分：前处理器（Pre-Processor）、求解器（Sovler）和后处理器（Post-Processor）。前处理器的功能是建立几何模型、划分网格、定义单元类型与材料参数、设定边界条件等。求解器读取前处理器的输入信息，结合输入条件，运用数值方法进行求解。后处理器将求解后的大量数据有规则地在计算机上进行动画或图形化处理，以方便设计者直观地分析计算结果。

3.利用CAE技术进行注塑模具设计的具体步骤为：产品数据输入→划分单元、建立分析模型→设定条件→分析方案→评估→确定方案。整个设计流程的技术关键：（1）产品造型：通过三维成像设计软件完成产品的建模，同时通过对使用条件进行模拟分析、预测产品的使用情况等；（2）模具设计：模具以CAE结果为基础利用三维CAD软件设计模具；（3）产品分析：根据产品的相关数值通过CAE技术实行模拟流动等分析，优化产品的设计；（4）优化设计：根据CAE的结果，修改模具模型，实现最优化的模具设计结果；（5）结构分析：利用CAE对模具结构多方面、多角度进行分析。

二、注塑模CAE技术及其研究现状

1.CAE技术及在注塑成形中的应用算机辅助工程分析（ComputerAidedEngineering，CAE）是利用计算机模拟分析参数化几何模型物理性能的技术，能使设计者通过仿真方法对产品进行分析，进一步优化产品设计。在目前CAE技术的塑性工程运用上，主要包括结构力学性能分析、流体流场分析、热传分析、塑料注塑成形分析等；注塑模CAE技术是以有限元法为理论依据的仿真分析，其分析模型是模具的几何模型曲面离散为三角形或四边形形式的网格模型。注塑模CAE技术可用于协助模具设计者在开模前和生产过程中了解熔体在填充、保压和冷却过程中的各种状态，包括温度、流速、应力及应变等的变化情况，进而根据这些参数适当地进行模具设计。

2.我国CAE技术的研究、开发、推广近年来也获得了不错的成果，如Z-Mold软件和HSCAE软件。但当前最严重的问题在于诸多企业对CAE技术的重视不够，没有认识到使用CAE软件的经济效益。另外，国内设计的CAE软件都是政府立项，研发主要依靠国家项目资金支持，CAE技术的继续研发和市场推广、应用受到极大的限制。

三、CAE技术在注塑模具中的主要应用

1.优化塑料制品设计

应用CAD技术可以设计出产品的大体结构，再通过CAE技术进行结构分析、可行性评估和优化设计。协助设计师改进产品形状、设计合理壁厚、选择最佳成型性能塑料，快速地设计出最优的塑料产品。采用模具CAD／CAE技术后，制件一般不必再进行原型试验，制件的形状能逼真地显示在计算机屏幕上，有限元分析能够进行力学性能检测。塑料产品的壁厚大小、结构设计等直接影响到塑件的成型和产品质量，如果完全依靠产品设计师的经验，不但费力、费时，而且设计的产品不够合理。CAE能够分析产品受外界载荷情况下的机械性能，预测在载荷、温度作用下产生的应力、变形，得到结构应力分布情况，优化产品的强度、刚度设计。对于纤维增强塑料，根据流动分析和塑料品种确定材料的机械性能；对纤维化塑料，采用集成分析工具来预测和优化注塑过程的纤维取向，提高制件的性能。

2.模具设计的重要工具

传统的模具制造要经过反复试模、修模，才能完善设计。利用CAE技术，可以对型腔尺寸、浇口位置及尺寸、流道和冷却系统等进行优化设计，在计算机上进行试模、修模。CAE软件可以作为设计工具，分析充填过程、冷却时间、熔接缝与气穴的位置、制件最终形状等，模具设计师可参考这些信息完成模具设计。

（1）冷却分析

冷却分析系统对模具的冷却系统进行分析，优化设计冷却回路的布局和参数，使得产品冷却均匀、减小内应力。根据冷却效果计算出冷却时间的长短，确定产品的注塑成型周期，尽量缩短冷却时间，缩短成型周期。

（2）确定模具浇注系统方案

浇注系统对注塑成型质量、模具寿命影响极大，确定合理的浇注系统是模具设计的一项重要工作，也是注塑CAE分析最基本的功能。根据产品和塑料材料性能、工艺参数，CAE的流动分析模块可以模拟塑料在模具中的流动，从动态的填充时间、填充结果查看塑料填充流动的合理性、熔接痕位置，确保填充平衡、塑料能均匀同步地充填到制件的各部位；保压、冷却和变形等分析模块可以检验制件的质量、优化流道设计，选择浇口的最佳位置、形式，得到合理的模腔布局、模腔壁厚、材料、填充和保压的工艺参数。通过对不同浇注系统的分析比较，选择模具浇注系统的最佳设计方案。

（3）塑料模结构分析

随着模具质量要求的提高和现代设计技术的发展，模具设计不能仅仅是完成设计，而应该采用现代设计方法对设计的模具进行各种分析，检验模具结构设计是否合理，分析结构不合理的原因和位置，在CAD软件中进行相应修改，再用CAE软件进行各种性能检测，最终确定出符合性能、经济等要求的模具。CAE对塑料模结构分析的主要应用在以下几方面：模拟模具的实际使用条件，施加约束和载荷等外部条件，进行模具强度和刚度分析；抗冲击试验模拟，分析随时间变化的载荷对结构的影响，对模具结构提供完整的评估与解决方案；跌落试验模拟，分析模具因碰撞或跌落产生的力、变形、应力、位移对模具结构的影响；模拟模具中的温度分布，分析各种材质模具的散热能力；对在集中载荷、循环载荷和常值位移作用条件下，或在高温、低温条件下工作的模具，进行初步的疲劳和蠕变分析

（4）保压和填充：各种CAE软件最基本的分析功能之一，可实现注塑模具设计的实体仿真模拟。通过对产品温度、生产时间、大气压力、融合时间、力量大小等的结果进行分析，帮助确定浇灌出口的数量、优化浇灌和选择出口位置的系统，并进行排气位置、产品温度、熔接位置选择等的预测，及时发现和处理塑料产品中存在的质量隐患。

（5）产品优化：快速检查产品相关零件设计的生产能力，设计师可以得到有关材料或几何体、浇口位置、壁厚的信息。CAE的结果和设计建议可实现产品生产细节的最合理优化，并消除生产过程中产品外观、连接缝隙、产品缩小等问题。

四、CAE技术在注塑模具设计中的发展

在注塑模具设计过程中，CAE技术获得了广泛的支持和使用，取得了理想的成绩，但在未来注塑模具设计的应用过程中，CAE技术仍有待完善、发展：

1.与三维成像技术的集成：当前CAE技术与三维成像技术间存在不同的数据技术标准，因此导致一些数据的误差失真，采用统一标准，将更有利于开发专属于注塑模具设计的CAE系统。

2.耦合分析：可有机地将设计工作流程中的各个步骤，如三维成像、产品测试、参数调控等模块结合起来，利用耦合分析的功能，全面细致地获得注塑模具设计的产品的实际使用情况。

3.高效：随着现代科学技术的发展以及更加复杂的算法和设计规划流程软件的应用，将大大提高CAE技术的工作效率，从而促使在注塑模具的设计过程中，更加广泛地应用CAE技术，提高整体的效率和质量。

4.智能化：将电脑智能、自动化等人工智能技术集成到CAE技术中，实现CAE技术自主完成设计、推演参数、模拟产品使用情况等，大大提高注塑模具设计的合理性和质量。

结语：CAE技术的应用，使得模具设计及参数选择实现更加科学的分析，大大提高模具设计的水平，CAE技术与人工智能的组合将可达到模具设计的自动优化的目标，从而解决因为经验、技巧等原因导致的设计问题，提高模具设计的合理性和产品的质量，对实际生产应用具有重大意义。

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