CAE技術在注塑模具設計中的應用

摘 要 CAE技術使設計人員可以借助計算機軟件對塑料模具進行模擬分析及優化設計，能顯著縮短塑料模具設計周期，提高產品質量，降低生產成本。

關鍵詞 CAE技術 注塑模具 設計

一、引言

隨著生產力的發展，模具工業己成為國民經濟中的重要基礎工業之一。塑料制品廣泛用于汽車、電子、航空、儀器儀表和日用品工業的等行業，因此對塑料模具質量與設計制造效率的要求越來越高。傳統的模具設計和制造方式，主要是依賴設計人員和工藝人員的經驗。模具設計是否合理、制品有無缺陷都只有通過試模才能知道。CAE技術能在計算機上對模具設計方案進行分析和模擬，預測設計中潛在的缺陷，幫助設計人員修改和優化設計方案，能顯著縮短塑料模具設計周期，提高產品質量，并極大地降低生產成本。

二、CAE技術

CAE技術是通過計算機模擬對工程和產品進行全面分析的綜合型計算機技術，通過計算機模擬CAE技術可以發現工程和產品存在的設計缺陷，通過不斷地改進與優化實現工程和產品性能的提升和成本的控制，在提高工程和產品功能性的基礎上，提高其可靠性和適用性。

MODLFLOW軟件就是典型的注射模CAE技術的應用，該軟件可以模擬整個注射過程對注射成型產品的影響。它主要包括流動模擬模塊（MF/Flow）、冷卻模擬模塊（MF/Cool）、保壓分析模塊（MF/Pack）、翹曲分析模（MF/Wrap），MF/SHRINK模腔尺寸確定、MF/STRESS結構應力分析、MF/OPTIM注塑機參數優化、MF/GAS氣體輔助注射分析、MF/FIBER塑件纖維取向分析等模塊，通過模擬與分析可以判斷模具結構的合理性和成型工藝參數的適宜性。由此得出工藝方案與有關參數以及模具結構對制件質量的影響，從而達到優化塑料制件、模具結構與工藝參數的目的。

三、CAE技術在注塑模具設計中的應用

（一）MF/Flow流動分析

MF/Flow分析聚合物在模具中的流動狀態，預測熔接線和氣泡出現的位置，這樣設計人員可以優化模腔的布局、材料的選擇、填充和保壓的工藝參數設置。進行流動分析是為了獲知得最佳保壓階段設置，從而盡可能地降低由保壓引起的制品收縮、翹曲等質量缺陷。

（二）MF/Cool冷卻分析

MF/Cool分析冷卻系統對流動過程的影響，優化冷卻管道的布局和工作條件，與流動分析相結合，可以得到完美的動態注塑過程。設計人員可以通過改善冷卻管道的設計，讓塑件均勻的冷卻，減小成型后的內應力。階段對制件質量的影響非常大，冷卻的好壞直接影響著制件的最終表面質量、制件殘余應力和結晶度等。冷卻時間的長短決定了制件脫模時的溫度和成型周期長短，直接影響到產品成本的高低。

（三）MF/warp翹曲分析

MF/Warp分析整個塑件的翹曲變形（包括線性、線性彎曲和非線性），同時指出產生翹曲的主要原因以及相應的補救措施。MF/Warp能在一般的工作環境中，考慮到注塑機的尺寸、材質、冷卻參數以及環境因素的影響，推斷并減小翹曲變形。

（四）MF/Stress結構應力分析

MF/Stress可以對塑料產品在受荷的情形下的機械性能進行分析，MF/Stress可以預測在外負荷以及溫度的作用下產生的位移和應力。對于纖維增強型塑料，MF/Stress根據不同塑料種類的物理數據，通過流動分析的方式確定其機械性能，分析的結果可以用來進行結構應力的分析。設計人員可以通過調整工藝條件的方式，來獲得塑料制品在強度和剛度上的優化。

（五）MF/Shrink模腔尺寸分析

MF/Shrink可以通過對聚合物的收縮數據和流動分析的結果，來給出模腔的尺寸。通過使用MF/Shrink，設計人員可以在成型條件寬泛的前提下，算出公差范圍緊湊的模腔尺寸。這樣的尺寸跟產品尺寸高度匹配，有利于大大縮短模腔修補和模具投入使用的時間，同時也有利于改善產品的組裝配合質量、減少廢品、提高質量。

（六）MF/Optim注塑機的參數優化

MF/Optim，可以根據不同的模具、注塑材料、注塑機和流動分析的結果，自動生成控制注塑機的填充保壓曲線。MF/Optim采用用戶給定或者默認的質量標準來有效控制產品的尺寸精度、表面缺陷以及翹曲。設計人員根據分析結果對注塑機參數進行設置，從而避免在試模的過程中對注塑機的參數進行反復的調試。

（七）MF/Gas氣體輔助注塑

MF/Gas模擬在氣體的輔助下注射成型的過程，并對整個過程進行優化。與冷卻分析和翹曲分析結合起來，就可以預測放置熔體位置和氣體入口位置，熔體和氣體的比例是多少，放置氣道的位置以及氣道尺寸等。

（八）MF/Fiber塑件纖維取向分析

對使用纖維化塑料的產品而言，其拉伸強度等性能受塑料纖維取向的影響很大。MF/Fiber采用一系列的集成分析工具來對注塑過程中纖維的取向進行預測并優化，使其更為合理，從而能夠提高這類塑件的性能。

（九）MF/Tsets熱固性塑料的流動和融合分析

熱固性塑料的熱傳導率低、粘度低，在生產中廣泛被應用。MF/Tsets能夠模擬熱固性塑料的流動過程、融合過程等多個復雜的過程，可以減少制品表面的缺陷，保證塑料的熱傳導性和融合，對塑料在模腔內的流動進行有效地控制。

四、CAE技術分析模具的步驟

（一）建立有限元模型

首先要將應用CAD技術建立的幾何模型從通用的參數化CAD軟件輸出到CAE軟件中，設定有限元網格形狀、密度、邊界條件等相關信息后，將模型進行網格化處理，建立起可用于分析的有限元模型。

（二）模流分析

塑料模具CAE軟件在對應用CAD技術建立的幾何模型有限元網格化處理后，輸入塑料名稱、牌號和成型過程中所需要的工藝參數后，對塑料模具進行流動、保壓、翹曲變形等模擬，CAE分析軟件就能給出塑料熔體流動的動態圖、塑料制件翹曲變形的位移變化圖等信息

（三）完成模具的優化

根據CAE軟件的分析結果，發現塑料制件、塑料模具澆注系統、冷卻系統等設計中存在的缺陷與不足，根據分析結果對模具進行相應修改后，再應用塑料模具CAE技術重新進行分析，并最終優化設計出合適的流道、澆口、冷卻水道等設計方案。

五、結束語

塑料模具設計是一個復雜的過程，傳統的方式會出現設計周期長、成本較高等一系列問題，CAE技術可以通過模擬來實現對塑料模具設計優化設計，實現對不同方案的快速分析，達到對塑料模具設計問題的及時糾正。CAE技術實現了注塑模具設計成本的降低和工作效率的提高。

基金項目：本文系陜西國防工業職業技術學院2014年立項課題“基于外殼的注塑模具CAD/CAE/CAM 的應用研究”（課題編號Gfy14-10）的研究成果之一

（作者單位：陜西國防工業職業技術學院）