氣輔注塑模具設計中的CAE（moldflow）技術

程勝文

摘要：利用CAE技術可以在模具加工前，用計算機對整個注塑成型過程進行模擬分析，正確預測熔體的填充、保壓、冷卻等方面的情況，從而能使設計者盡早發現問題，并能快捷地修改設計方案，這樣有效地降低了成本和縮斷了生產周期。本文以美國的moldflow公司的分析軟件為工具進行注塑成型分析研究。以汽車椅子背框、后視鏡為例，介紹CAE（moldflow）技術在注塑模具設計中的應用，說明CAE（moldflow）技術在該領域應用的良好前景。

關鍵詞：計算機技術 CAE（moldflow） 氣輔注塑模 設計

中圖分類號：TQ320.66 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

1、 概述

傳統的注塑模設計中，一般先由設計人員憑經驗和設計手冊設計出模具圖紙并制定相應的生產工藝，然后進行模具加工，裝配試模，一旦試模出現問題，就需要重新設定工藝參數，乃至修改塑料制品的形狀和模具結構，如此反復，這勢必增加成本，延長了產品開發周期，給生產和經營帶來不必要的損失。

利用CAE技術可以在模具加工前，用計算機對整個注塑成型過程進行模擬分析，正確預測熔體的填充、保壓、冷卻等方面的情況，從而能使設計者盡早發現問題，并能快捷地修改設計方案，這樣有效地降低了成本和縮斷了生產周期。本文以美國的moldflow公司的分析軟件為工具進行注塑成型分析研究。

2、 椅子背框CAE技術在注塑成型中作用

首先，應根據塑料產品的尺寸和形狀，利用CAD完成其三維的造型（本人使用的是UG NX 3.0），然后將其以STL的格式存儲，再用moldflow來分析計算。Moldflow作為成功的注塑產品成型仿真及分析軟件，利用的基本思想也是工作領域中最為常用的有限元方法，因此精確地劃分“網格”（mesh）是moldflow分析的前提，現以兩款產品椅子背框、后視鏡為例來說明其應用步驟。

2.1 工藝設計

椅子背框是一副氣輔模具，它的材料是PA6+40%GF（DUPONT 的zytel 73G45），重量是2430克，它的材料特性可以在軟件的菜單中相對應地找出，并根據設計手冊所提供的資料初步定出工藝參數：

（1） 熔融溫度270℃，（Range：260-290℃）；

（2） 溫度分布：區域1：285℃；區域2：280℃；區域3：275℃；區域4：270℃；射嘴：270℃；

（3） 最大螺桿轉速：0.3×60000./.（screw diameter ×3.14）rpm；

（4） 模具溫度：85℃（Range：65-110℃）；

（5） 保壓壓力：85±15Mpa；

（6） 保壓時間：3sec/mm

（7） 注射速度：～300mm/sec；

2.1.1 預測澆口的位置與澆口的數量

澆口是連接流道和型腔之間的一段細短通道，是澆注系統的關鍵部位，其形狀、尺寸、位置和數量對塑料制品的質量影響很大。形狀和尺寸可以根據制品的重量和外觀來選，此產品的尺寸是長×寬×高=600×503×208mm3選定了形狀和尺寸后，位置和數量就成了極為重要的問題。一般的設計者都是根據資料上所制定的原則加上一些實際經驗來選定的，而經過CAE（moldflow）分析后可給出最佳澆口的位置和數量，由于該產品的材料PA6+40%GF，壁厚約為3.5～48.7mm，成型周期約為210s，尼龍料有一個特性，時間長了，易冷凝成冷料，給成型造成困難，故該模具采用的是熱流道，澆口是潛伏式澆口，并采用兩點針閥式進料。澆口直徑為4.03～10.05mm的圓錐形，長度為60.11mm。圖1就是澆口的位置和數量，我們可以根據圖中所示來選取澆口的位置和數量，為進一步分析作準備。

2.1.2 優化注塑工藝參數

影響注塑工藝的因素很多，但主要是溫度、壓力和時間。由于經驗的局限性，工程技術人員很難精確地制定出最合理的工藝參數，并確定最優的工藝方案。而借助moldflow軟件，工程人員可確定最初的注射壓力、鎖模力、模具溫度、熔體溫度、注射時間、保壓壓力和保壓時間、冷卻時間等，以成型出最佳的塑料制品。在確定了澆口的位置和數量后，計算機將給出最佳工藝參數，并根據這些參數進行下一步分析。

2.1.3 模擬注塑流動過程和塑料件成型質量預測

在實際生產中，對于任何注塑成型來說，最重要的是控制塑料熔體的流動方式和流動方向，以使塑料件成型穩定、可靠、經濟。Moldflow的流動分析可幫助我們提出預測塑料熔體在模具中的流動情況及填充可性度的分析，這對模具設計是非常有利和非常重要的。

從模擬分析中可以看出其填充的可信度是很高的，制件的填充行為是合理的，流動是平衡的，能完成對制件的完全填充等。

由圖2圖3不同時間充氣的模擬分析中可以看出在不同的時間，氣體到達的位置，同時可以預測零件最終的充氣結果，而且從圖上所給出的數據可以肯定的是，所選的氣針位置是正確的，兩邊的充氣非常平衡。

2.1.4 冷卻過程的模擬計算

通過分析冷卻系統對流體的過程影響，優化冷卻管路的分布和工作條件，從而產生均勻的冷卻，并由此縮短成型周期，減少產品成型后的內應力。由圖4圖5可看出，塑料件冷卻情況極少部分是中等級別，絕大部分是極好的，這對開設冷卻水道提供了依據。

從這個圖5冷卻劑溫度模擬分析中可以看出冷卻劑（一般為循環水）進入模具時的溫度為24.99℃，從模具出來的溫度為25.02℃，其溫差為0.03℃，溫差不大，冷卻效果很好，這說明冷卻管道的位置、冷卻管道布局是合理的，冷卻管的數目、冷卻管的直徑均可以滿足設計要求。

冷卻劑流動速率對冷卻系統的熱傳遞能起決定性的作用，而雷諾茲指數是衡量流動行為的重要指數，雷諾茲指數越大，說明冷卻劑流動速率對冷卻系統的熱傳遞越好。從這個圖6冷卻劑雷諾茲指數模擬分析中可以看出REYNOLDS NUMBER（雷諾茲指數）分析值為10000，說明冷卻劑流動速率很快，能夠達到理想的冷卻效果。

通過冷卻分析結果可判斷塑料制件冷卻效率的優劣，根據冷卻計算出冷卻時間長短，確定成型周期，在獲得均勻冷卻的基礎上優化冷卻管道的分布，盡量縮短冷卻時間，從而縮短塑料制件的成型周期，提高生產率，降低生產成本。

3、 后視鏡缺陷的預測

Moldflow還可以預測塑料制件在成型過程中可能出現的缺陷。如局部的凹陷，熔接縫等，本文以后視鏡為例來說明一下。后視鏡的材料是NOVODUR P2MT BAYER ABS 產品的重量是243.65克。

由圖6 分析示意圖中我們可以清晰地看出該產品的熔接縫分布，而且知道了哪個位置熔接縫最長，這樣我們在設計模具的時候，選擇出最佳的澆口位置。熔接縫是客觀存在的，我們無法完全徹底地消除，但是我們可以改變澆口的位置，讓熔接縫出現在產品的不重要的地方，即不是完全暴露在人們的視野中。

從產品表面縮痕分析中非常清楚地顯示出產品表面的縮痕情況，在moldflow分析狀態下紅色是縮痕很嚴重的部位。因為產品的壁厚是3.5～12.6mm，如果設計不是氣輔的模具，從常規的工藝上很難消除上面的縮痕，即使能把縮痕補掉，但可能產品的尺寸就不對了，因此設計人員可設計成一副氣輔模具，并由moldflow分析出氣輔成型時的模擬充氣情況。

通過moldflow分析，從圖7充氣模擬圖中我們可看出該產品的充氣效果非常好，有縮痕的部位都充到了氣，特別是縮痕很明顯的地方，并由圖8充氣后的3D模擬效果圖上可以很直觀地看到，充氣后補縮情況非常好，產品表面質量情況也非常好。

4、 結束語

利用CAE（moldflow）分析軟件，可以快速地確定澆口的位置以及數量、流道和工藝條件等對塑料制品成型和質量的重大參數，從而利用moldflow提高了模具設計及工藝參數設置水平，改變了靠經驗傳統設計造成制品的不合理的狀況。另外利用moldflow軟件，試模和修模可以在計算機上進行，改變了傳統的模具設計往往要經歷的反復試模、修模后才能成功，大大提高了模具設計質量，極大地縮短了模具加工制造的周期。

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