基于CAE技術的注塑模具設計

艾勇

摘要：塑料熔體在成型過程中會經歷非常復雜的流動過程和傳熱過程，如果在注塑模具設計中引入CAE技術，采用分析和模擬模擬設計方案取代之前的實際試模，以便提前發現存在的技術缺陷，并對此做出及時修改。本文主要對注塑模內流動與傳熱數值分析理論進行了簡要闡述，并通過實例闡述了如何在注塑模具設計中利用CAE技術以及如何利用該技術解決出現的問題。

關鍵詞：注塑成型；CAE；技術；模具設計

中圖分類號：TQ32 文獻識別碼：A 文章編號：1001-828X（2016）010-000-01

注射模CAE技術指的是通過利用塑料加工流變學基本理論以及傳熱學理論，構建塑料熔體在模具內部流動和傳導的模型，通過計算得出其中的求解方法，并通過計算機圖形學技術，將熔體的填充過程、冷卻過程生動、直觀地呈現在計算機屏幕上，并確定整個成型過程的具體參數。在模具制造過程中應用注射模CAE技術，利用計算機技術分析模具設計方案，并模擬成型過程，取代實際試模過程，以便提前知曉可能存在的缺陷，并制定出改進措施。這種方式擺脫了反復試模、修模的限制，便于設計人員對模具做出修改和調整。CAE技術在注塑模具設計中的應用，不僅節省了時間成本和人力成本，減少了修模次數，提高了模具合格率，減少了模具設計制造成本。

一、流動分析及其在模具設計中的應用

之所以進行流動分析，主要是對熔體流經流道以及澆口填充型腔的過程進行預測，這樣一來，設計者確定的流道和澆口會更加合理，通過對鎖模力和注射壓力進行預測，從而更好地發現其中的缺陷，以便及時做出修改和調整，優化產品設計，提高產品質量。從當前來看，Hele-Shaw流動模型在流動分析實際過程中應用最廣泛，該模型通過使用控制體積法對熔體前沿進行跟蹤，以便采用動態化模擬法來模擬注射模的填充過程。經過流動分析，我們可以獲得更準確的設計數據，如熔接線位置、氣穴位置、充模模式、鎖模力大小、注射壓力大小等，與此同時，我們還可以更確切地了解到不同時間點下的不同位置下的模具內的物理量分布情況和變化情況，它包括溫度、剪切速率以及壓力等物理量。流動分析結果可以幫助設計人員及時對模具設計進行修改，有利于模具設計工藝的提高。

流動分析需要用到包括材料的物理性質、流變性質、成型工藝參數、澆口和型腔的參數等在內的數據，經過流動分析，我們可以獲得更準確的設計數據，如熔接線位置、氣穴位置、充模模式、鎖模力大小、注射壓力大小等，與此同時，我們還可以更確切地了解到不同時間點下的不同位置下的模具內的物理量分布情況和變化情況，它包括溫度、剪切速率以及壓力等物理量。

二、冷卻分析在注射成型及模具設計中的應用

熔劑在冷卻過程中會受到模壁溫度以及溫度均勻性的影響，而這兩種因素會對塑件質量以及生產效率產生直接影響。在多種因素的影響下，注射模的溫度狀態會發生變化，冷卻系統主要對注射模的溫度進行控制和調節，冷卻系統如果效率高，卻溫度控制均衡，注射模的冷卻時間便可以大大縮短，同時塑件的殘余應力能夠減少，成型效率提高，從而生產出更高質量的塑件。注塑模的冷卻過程涉及到熱的傳導，是一個不穩定的過程，冷卻系統中的各個物理參數和幾何參數會直接影響到模具內溫度和熱流，因此必須采用三維熱擴散方程求解。可三維熱擴散方程的計算過程十分復雜，導致它的實際應用性較差。由于模具運轉穩定之后，模具內溫度在一定周期內隨著時間變化的程度不大，因此可以利用穩態冷卻過程將之前的瞬態過程取而代之。模具的三維溫度場計算演變為對Laplace方程的求解。邊界元法離不開區域邊界，可以應用于分析模具溫度場領域。從模具的結構特征出發，將中緬模型與線單元分別應用于型腔以及冷卻管道，這樣一來，冷卻過程分析結果的精確度以及穩定性不僅能夠得到有效保證，而且也能減少繁瑣的計算量。

冷卻模擬所需要的數據包括：型腔的大小、形狀、冷卻孔的位置、大小以及連接關系等；塑料材料、模具材料以及冷卻液的比熱、密度，此外還有冷卻液的粘度等；脫模、冷卻液以及塑料熔體的溫度、冷卻液流量等。設計人員利用冷卻分析結果可以對冷卻截止的流動狀態、雷諾數分布、冷卻液流量、模壁溫度、冷卻時間等做出準確預測，從而幫助設計人員優化模具設計方案，提高模具生產質量。

三、結語

在注塑模具設計中引入CAE技術之后，傳統的注塑模具生產開始邁入現代化發展階段，傳統的注射模生產方式被先進的生產工藝所取代，可是CAE技術在當前還不能將人的工作完全取代，它充其量是一種幫助人判斷設計方案是否可行的工具，并不能為人類提供行之有效的改進方案。因此，設計人員需要反復分析、反復修改，這樣才能優化模具設計方案，顯然，設計人員自身經驗以及設計水平對設計方案具有很大影響。如今，CAE技術不斷提高，人們開始將CAE技術與模具優化設計技術相結合，目的是提高模具產品質量。

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作者簡介：艾 勇（1992-），男，漢，湖南張家界人，本科，研究方向：材料成型及控制工程（模具方向）。