模流分析CAE 仿真在塑料模具中的使用及研究

馬春文

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545616）

引言

現(xiàn)階段，模流分析CAE 數(shù)值模擬仿真科技的體系經(jīng)過長久的發(fā)展，已經(jīng)逐步擺脫常規(guī)的定向生產(chǎn)模式的各種限制，并且在市場導(dǎo)向的指引之下，相關(guān)技術(shù)自身正在逐步按照客戶群體為中心實行精準(zhǔn)定位劃分。比如，按照相關(guān)客戶的總體經(jīng)營成本的期望和要求，CAE 數(shù)值模擬仿真科技的相關(guān)載體能夠生成多類適用性的分類，MPE、MPX、MPA 等等均為CAE 數(shù)值模擬仿真科技衍生出的相關(guān)軟件，相關(guān)軟件能切實處理各類模具設(shè)計和加工進(jìn)程中的一般定性的要求，用來組建一類全方位的解決方案，為模具的加工精度和最終品質(zhì)帶來充分的保障[1]。

圖1 所示的是某中電器產(chǎn)品的殼體零件，設(shè)計進(jìn)程中應(yīng)用Moldex3D 能夠由網(wǎng)格劃分得到數(shù)值模擬分析的結(jié)果，可幫助設(shè)計人員在非常短的設(shè)計周期之內(nèi)進(jìn)行完整的一系列設(shè)計驗證過程，利用相對簡單的操作過程便能得到各類數(shù)值模擬分析的相關(guān)結(jié)論，比較真實地體現(xiàn)出塑料熔體在模具腔體中的流動狀態(tài)等。Moldex3D 能夠幫助設(shè)計人員輕松地找到產(chǎn)品規(guī)劃設(shè)計過程中潛在的各種問題，快速對各類設(shè)計方案進(jìn)行可行性分析，大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 模流分析CAE 軟件仿真模擬科技發(fā)展和實際應(yīng)用

圖1 塑料電器殼體原形零件

模流分析指的是用數(shù)值模擬軟件作為主要承載方式，對于內(nèi)部各類參數(shù)實施相關(guān)模型中的映射，精確地仿真出模具注塑的整個工藝過程，隨后把注塑進(jìn)程中的各類參數(shù)出現(xiàn)的行為全面進(jìn)行記錄[2]。經(jīng)過把記錄的參數(shù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一一比對，找到模具注塑過程的合理解決方案，對相關(guān)模具設(shè)計的解決方案實施相應(yīng)的優(yōu)化。早期的模流數(shù)值模擬分析軟件的興起源于1976 年左右，伴隨這此項技術(shù)在模具生產(chǎn)領(lǐng)域中的持續(xù)推廣，在各類科研機(jī)構(gòu)的大力鉆研攻關(guān)的努力之下，相關(guān)軟件取得了持續(xù)的優(yōu)化和升級完善，拓展了其在模具生產(chǎn)過程中的實際應(yīng)用。不過受到技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域的限制，CAE 相關(guān)技術(shù)的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于CAD（計算機(jī)輔助設(shè)計）相關(guān)技術(shù)。模流分析CAE 相關(guān)技術(shù)在模具的設(shè)計和加工過程中，具備某種優(yōu)勢，比如，相關(guān)軟件自身使用的便捷性、參數(shù)信息模擬分析功能強(qiáng)大、反應(yīng)靈敏等特點，在一定范疇內(nèi)提升總體工作效率。尤其是近年來，某些相關(guān)加工制造企業(yè)使用模流分析的CAE 相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)了相關(guān)塑料產(chǎn)品的集成化設(shè)計過程，大大提升了總體系統(tǒng)的最終成品品質(zhì)。

2 模流分析CAE 相關(guān)技術(shù)在模具設(shè)計及加工過程中的實際應(yīng)用

本文用某種電器產(chǎn)品的殼體為參考，該塑料產(chǎn)品的模具對于外觀性能有比較嚴(yán)格的規(guī)定，在某一個平面內(nèi)的變形量的綜合誤差值需要滿足≤0.04 毫米的條件，并且在毛邊位置、對角位置也需要滿足特定的參數(shù)規(guī)則，整體外觀尺寸數(shù)值約為（38.36×41.87×19.48）毫米，模具的相對厚度尺寸約為（1.15～2.55）毫米。該種成品的相關(guān)模型參數(shù)在設(shè)計環(huán)節(jié)和加工制造過程時，模流分析的CAE數(shù)值模擬軟件一般使用在模具的流道設(shè)計領(lǐng)域，并且借助相關(guān)參數(shù)的收集工作來實現(xiàn)分析模具型腔內(nèi)穴填充過程的穩(wěn)定性的目的，用來確保整體填充進(jìn)程恰好處于飽和區(qū)間，與此同時，需要監(jiān)測到模具加工過程中壓力數(shù)值能否滿足精確傳輸有關(guān)部件，借此分析相關(guān)部件可能的翹曲參數(shù)值能否符合相關(guān)部件制造要求。對于充填進(jìn)程實施模擬過程時，通常能分為如下幾個方面。

2.1 模具成型過程壓力數(shù)值監(jiān)測

模具內(nèi)部填充步驟結(jié)束之后，其內(nèi)部壓力數(shù)值表現(xiàn)為均衡的情況，模具承受最大壓力數(shù)值和最小壓力數(shù)值會同步映射到模型之中，借以對壓力在流道的傳輸線路及能量損耗評估。

2.2 溫度數(shù)值監(jiān)測

軟件模擬過程中表現(xiàn)出來的溫度特性圖像通常是以厚度中心為高溫部分，伴隨著壓力載荷的加載，熔化狀態(tài)的塑料不斷注入模具型腔，邊緣溫度值將明顯低于中心位置，相關(guān)信息模型能切實體現(xiàn)出模具制造進(jìn)程中的對流情況。

2.3 模具加工過程的保壓情況研究

塑料模具在實施加工制造的過程時，其內(nèi)部的填充壓力、模具狀態(tài)之間可能出現(xiàn)某種聯(lián)動效應(yīng)，并且在各個不同的溫度數(shù)值條件下，兩者間可能表現(xiàn)出耦合數(shù)值屬于一類相關(guān)變量。經(jīng)過CAE 數(shù)值模擬軟件的計算和分析，能夠更加精確地評估相關(guān)構(gòu)件的翹曲參數(shù)數(shù)值，其中正負(fù)值分別表示相關(guān)的塑料模具間的收縮特性和膨脹特性，隨后相關(guān)工程技術(shù)人員能借助有關(guān)參數(shù)值對輸送壓力實施相應(yīng)的調(diào)整，有效降低生產(chǎn)制造過程中出現(xiàn)相對變形量。

3 流動波前塑料形態(tài)的動態(tài)數(shù)值模擬

對于此類塑料成品件所進(jìn)行觀測的流動波前（11～65）%。流動波前約為85%，根據(jù)不同區(qū)間的流動波前圖像或者是流動波前的動畫，能夠體現(xiàn)促熔化狀態(tài)的塑料在模穴中每時每刻的充填狀態(tài)，進(jìn)而預(yù)測縫合線位置和包封位置，并有利于判斷短射現(xiàn)象，為排氣孔位置排布提供有效的參考依據(jù)。

流動波前（89～97）%，根據(jù)不同區(qū)間的流動波前圖像或者是流動波前動畫，能夠體現(xiàn)熔化狀態(tài)的塑料在模穴中每時每刻的充填狀態(tài)，能夠預(yù)測縫合線位置和包封位置（見圖2），并能判斷短射現(xiàn)象是否出現(xiàn)發(fā)生，為排氣孔排布等情況提供相應(yīng)的參考[3]。

圖2 包封與縫合線

4 充填研究措施

4.1 成型壓力措施

根據(jù)相關(guān)試驗結(jié)果得出數(shù)據(jù)表明在充填過程完成的瞬間各個位置的壓力載荷數(shù)值，均從流道到充填終端逐漸降低，當(dāng)中在壓力載荷數(shù)達(dá)到峰值時射出機(jī)之鎖模力數(shù)值。壓力載荷數(shù)值排布均勻與否，能夠表示壓力的傳遞過程，可以預(yù)測模具中原材料壁厚和環(huán)境溫度對于壓力數(shù)值排布和消耗的影響。

4.2 剪切應(yīng)力排布研究

使用各種顏色表示充填過程完成瞬間模具穴內(nèi)的剪切應(yīng)力排布狀況。材料剪切應(yīng)力表示相關(guān)零部件在制造進(jìn)程中因為剪切流動性所產(chǎn)生應(yīng)力載荷的數(shù)值。可以通過相關(guān)模具制造的法律法規(guī)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)評估塑料流動應(yīng)力載荷數(shù)值是否滿足相關(guān)設(shè)計技術(shù)要求，以此作為塑料零部件出現(xiàn)裂紋及過度殘余應(yīng)力是否滿足設(shè)計要求的參考。假如該參數(shù)值過大（＞1.2MPa），則該模具制造產(chǎn)品在日后有出現(xiàn)斷裂的可能性。

4.3 保壓措施研究

體積收縮率參數(shù)值是塑料件自充填和保壓過程完成冷卻降溫到正常環(huán)境溫度常規(guī)大氣壓力時的體積收縮率參數(shù)值，給出成形條件保壓結(jié)果和翹曲變形等作為參照。數(shù)值為正表示塑料件出現(xiàn)收縮的狀況，數(shù)值為負(fù)表示塑料件出現(xiàn)膨脹的狀況，通常出現(xiàn)壓力載荷設(shè)定偏高或者塑料件壁厚太薄的狀況。該參數(shù)值越小說明新產(chǎn)品的收縮量就越小，一旦發(fā)生排布不均勻的現(xiàn)象，新產(chǎn)品極易出現(xiàn)翹曲及變形的狀況。

4.4 鎖模力研究

此零部件使用模具鎖模力在穴滿充填時有壓力急速上升的現(xiàn)象出現(xiàn)，如圖3 所示。

圖3 壓力竄升現(xiàn)象

4.5 規(guī)劃試驗結(jié)論驗證研究

使用Moldex3D 模擬仿真分析軟件對流道設(shè)計體系及澆口方位實施分析研究得出：流道體系和澆口規(guī)劃是新產(chǎn)品成型質(zhì)量優(yōu)劣評價的關(guān)鍵因素，查看流動波前仿真模擬掌握熔融塑料自射嘴灌注模穴的工藝過程，所展現(xiàn)的塑料制件流動波前研究，并且掌握澆口及流道應(yīng)該匹配的壓力載荷數(shù)值，用來判斷流道導(dǎo)致的壓力降是否太大，同時評估流道規(guī)劃及澆口的外形尺寸是否符合設(shè)計要求。查看熔融塑料能否安全穩(wěn)定并且合理地達(dá)成模穴充填的工藝過程。掌握模穴內(nèi)部充填的平順性，預(yù)防出現(xiàn)過度充填及短射的狀況。查看保壓壓力載荷數(shù)值是否已經(jīng)完全徹底傳輸至塑件每個位置，實施行之有效的保壓處理，防止出現(xiàn)成型品局部翹曲及凹陷的缺陷，并且通過翹曲過程研究，掌握整個產(chǎn)品綜合翹曲狀態(tài)，進(jìn)而展現(xiàn)出產(chǎn)品的翹曲過程分析。針對多模穴體系，品質(zhì)優(yōu)良的流道和澆口區(qū)域的挑選應(yīng)該使充填過程能夠出現(xiàn)對稱及平順的效果，促使塑料能夠在同一時間充填滿任何模穴，保證每個模穴成型質(zhì)量的產(chǎn)品一致性[4]。使用Moldex3D 模擬仿真分析軟件工具實施產(chǎn)品使用原材料的壁厚設(shè)計：通常印有“CCC”認(rèn)證的產(chǎn)品需要對外觀質(zhì)量進(jìn)行考評，所以規(guī)劃澆口的區(qū)域普遍被制約，新產(chǎn)品使用原材料的壁厚選擇對于成型質(zhì)量來講是另外一項關(guān)鍵的技術(shù)要求。查看流動波前模擬仿真數(shù)據(jù)信息的參數(shù)值，分析研究各種原材料壁厚規(guī)劃選擇對于流動過程產(chǎn)生的影響。根據(jù)溫度排布結(jié)果掌握各種使用原材料壁厚范圍的散熱狀況，分析零部件使用原材料壁厚是否因為太薄進(jìn)而產(chǎn)生流動遲滯和短射現(xiàn)象。

在新產(chǎn)品開發(fā)的同時，不但需要針對新產(chǎn)品的外形和使用功能進(jìn)行仔細(xì)的研究，新產(chǎn)品的內(nèi)部構(gòu)造的剛度及強(qiáng)度也是非常重要的因素需要考慮。對于射出零部件來講，仍有另外一類非常重要的因素需要考慮，這個因素就是零部件的成型條件。因為新產(chǎn)品的幾何尺寸和拔模使用原材料的壁厚排布均會制約構(gòu)造的剛度及強(qiáng)度進(jìn)而影響射出零部件成型的特性，所以，只從某一層面考慮模具規(guī)劃技術(shù)要求是不合理的。通過模流分析技術(shù)早期發(fā)現(xiàn)新產(chǎn)品在成型過程中可能產(chǎn)生的缺陷，隨后從結(jié)構(gòu)合理性的角度研究并最終確認(rèn)新產(chǎn)品的機(jī)械性能，可以確保新產(chǎn)品不論在制造或者使用的條件下，都可以在相關(guān)模流分析CAE 模擬仿真分析軟件設(shè)計人員規(guī)劃的技術(shù)要求內(nèi)，進(jìn)而保證產(chǎn)品質(zhì)量[5]。電器殼體零件產(chǎn)品在整個成型過程中出現(xiàn)最嚴(yán)重的技術(shù)難題就是對于外形尺寸變化量的把控，因此可以使用Moldex3D 模流仿真分析軟件的幫助，對新產(chǎn)品的幾何尺寸和使用原材料壁厚排布規(guī)劃實施調(diào)整，促使新產(chǎn)品的外形尺寸變化量最小，此外根據(jù)相關(guān)試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析得出該產(chǎn)品能夠由模溫行之有效把控其外形尺寸的變化量，進(jìn)而滿足平整度的技術(shù)使用要求。

5 結(jié)束語

綜上所述，模流分析CAE 模擬仿真分析軟件用在新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計及制造過程中，經(jīng)過對于塑料模具實施三維模型的分析，研究表明各種不同類型的加工工藝在作業(yè)過程中均存在誤差，隨后把采集到的數(shù)據(jù)信息傳送至主操控界面中，讓相關(guān)模流分析CAE 模擬仿真分析技術(shù)人員在第一時間根據(jù)校對之后的數(shù)據(jù)參數(shù)信息，再次改進(jìn)規(guī)劃加工制造解決方案，進(jìn)而提升相關(guān)塑料模具的產(chǎn)品品質(zhì)。本次選用的試模在前期開發(fā)設(shè)計、模具制作及分析研究，促使相關(guān)零部件在制造前期作了部分防范技巧，因此在模具試驗的時候降低了很多弊端的出現(xiàn)幾率，然而在解決此類問題的過程中無意間減低了使用成本及制造周期的浪費，當(dāng)然也獲得了購買使用用戶的認(rèn)可，這種操作提供了豐厚的利潤。因此模流分析CAE 模擬仿真分析軟件會在今后塑料注射成型模具規(guī)劃及制造進(jìn)程中起到舉足輕重的關(guān)鍵作用。