華塑CAE在電子類塑料制品模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

單志, 胡曉岳, 劉志聃, 黎花, 劉金彥, 戴護(hù)民

（廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510515）

0 引言

注射成形仿真技術(shù)（CAE技術(shù)）可以在模具設(shè)計(jì)階段，在電腦上模擬整個(gè)注射成形過程，能夠提供塑料熔體的壓力、溫度和時(shí)間耦合分析動(dòng)態(tài)圖，以及塑料制品中的翹曲變形、收縮及應(yīng)力分布等情況，輔助設(shè)計(jì)人員驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)是否無誤，提前做好修改塑料制品、模具結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)等補(bǔ)救措施，而不是像傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)那樣反復(fù)試模修模，對提高塑料制品質(zhì)量和降低企業(yè)生產(chǎn)成本等，在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)領(lǐng)域都具有較大的意義。

邢繼軍等[1]介紹了美國的模流分析軟件——Moldflow在塑料成型中的應(yīng)用；熊江等[2-5]介紹了Moldflow軟件輔助塑料模具設(shè)計(jì)；李方方[6]介紹了Moldflow軟件結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在工藝參數(shù)優(yōu)化中的應(yīng)用。但是對華塑注射成形仿真系統(tǒng)（華塑CAE）軟件應(yīng)用的研究比較少，本文以常見的電子類塑料制品——手機(jī)殼為例，介紹了華塑CAE軟件的基本原理、主要功能、分析步驟及案例應(yīng)用。

1 華塑CAE基本原理、主要功能及分析步驟

華塑CAE軟件是由華中科技大學(xué)開發(fā)出的一款注射成形仿真軟件，功能齊全、易學(xué)易懂。

1.1 華塑CAE的基本原理

注射成形仿真技術(shù)應(yīng)用了高分子材料的流變理論和數(shù)值求解法，并結(jié)合質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒方程式，建立起成型工藝參數(shù)與充模、保壓、冷卻等過程的非線性關(guān)系，并獲取塑料熔體在型腔內(nèi)的速度、應(yīng)力、壓力、溫度等參數(shù)的分布，以及塑料制品翹曲變形的原因。

目前在注射成形仿真技術(shù)市場上很多停留在中面流技術(shù)，華塑CAE軟件是基于實(shí)體流技術(shù)，熔體充模流動(dòng)的仿真技術(shù)是采用3D網(wǎng)格，利用三維有限差分法和三維有限元法進(jìn)行分析的。其原理與中面流技術(shù)差別不大，不同之處是數(shù)值分析方法。在中面流技術(shù)中，假設(shè)塑料熔體在型腔里面的流動(dòng)是擴(kuò)展層流，在厚度方向上，其壓力和溫度保存恒定不變，并且相對于長度方向和寬度方向的尺寸，塑料制品的厚度方向尺寸幾乎可以忽略，因此可將熔體的厚度方向速度分量忽略。為了將三維流動(dòng)問題轉(zhuǎn)換為厚度方向的一維問題和流動(dòng)方向的二維問題，使用一維有限差分法求解厚度方向的時(shí)間變量等，使用二維有限元法求解流動(dòng)方向的溫度、壓力等。并且在分析過程中，有限差分法與有限元法是交替進(jìn)行的。而在實(shí)體流技術(shù)中熔體的厚度方向有速度分量，熔體的壓力隨厚度方向變化[7]。

理論上，注射成形數(shù)值分析可以協(xié)助工程師優(yōu)化塑料制品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、成型加工等，幫助設(shè)計(jì)人員提高一次試模成功率，降低成本。

1.2 軟件的主要功能

華塑CAE軟件具有以下功能：

1）充模、保壓、冷卻、翹曲全過程三維模擬充模模塊模擬塑料熔體的充填過程，指導(dǎo)制品設(shè)計(jì)、優(yōu)化澆口位置、平衡流動(dòng)，預(yù)測潛在的短射、熔接線、困氣等現(xiàn)象。

2）保壓模塊在充模過程模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步預(yù)測制品的密度分布與收縮程度；確定澆口凝固時(shí)間，預(yù)測鎖模力大小；優(yōu)化保壓時(shí)間、保壓壓力等關(guān)鍵參數(shù)，減少制品的翹曲變形。

3）冷卻模塊采用真實(shí)三維并行分析技術(shù)對冷卻過程進(jìn)行模擬，可優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使制品均勻一致地冷卻，減少冷卻引起的翹曲變形；同時(shí)縮短成型周期，降低生產(chǎn)成本。

4）應(yīng)力/翹曲模塊在充模、保壓、冷卻模擬的基礎(chǔ)上，分析制品的成型過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，預(yù)測制品的收縮、自由變形與裝配變形。通過分析收縮與翹曲的原因，可以在建模前改進(jìn)制品的結(jié)構(gòu)、合理選擇材料和優(yōu)化成形參數(shù)。

5）澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方便快捷，完全可視化、參數(shù)化設(shè)計(jì)，并可與CAD系統(tǒng)之間導(dǎo)入/導(dǎo)出中心線，支持熱流道、閥澆口等多種澆注形式。

6）冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)采取交互式設(shè)計(jì)，支持冷卻管、外接管、隔板、噴流管和螺旋管等多種結(jié)構(gòu)，并可與CAD系統(tǒng)之間導(dǎo)入/導(dǎo)出回路中心線。7）基于人工智能技術(shù)的工藝參數(shù)優(yōu)化。8）開放式材料數(shù)據(jù)庫、注塑機(jī)數(shù)據(jù)庫。

1.3 軟件的分析步驟

華塑CAE軟件基于STL模型被劃分的若干個(gè)三角形單元，每個(gè)三角單元都有3個(gè)節(jié)點(diǎn)（頂點(diǎn)），熔體流動(dòng)控制方程和能量方程在三角單元上建立節(jié)點(diǎn)壓力、溫度、流量之間的關(guān)系，從而求解得到節(jié)點(diǎn)壓力分布和溫度分布。

軟件的分析步驟如圖1所示。

圖1 華塑CAE軟件分析步驟

1）導(dǎo)入STL。導(dǎo)入要分析的塑料制品STL三維模型，該三維模型一般由UG、Pro/E等三維軟件創(chuàng)建并導(dǎo)出STL格式。

2）網(wǎng)格劃分。華塑CAE軟件自動(dòng)劃分網(wǎng)格，如果網(wǎng)格有問題，可以直接點(diǎn)擊“華塑網(wǎng)格管理器”進(jìn)行修改。

3）多型腔設(shè)計(jì)。軟件提供線性分布、圓形分布、一模一腔等型腔自動(dòng)布局功能，也可以手動(dòng)進(jìn)行型腔布局。

4）澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。澆注系統(tǒng)一般需要?jiǎng)?chuàng)建點(diǎn)或線，根據(jù)點(diǎn)線創(chuàng)建單元，也可以選擇起始點(diǎn)直接創(chuàng)建單元。首先添加進(jìn)膠點(diǎn)，然后在進(jìn)膠點(diǎn)的基礎(chǔ)上設(shè)置澆口，分流道設(shè)置好尺寸后，直接點(diǎn)擊起始點(diǎn)創(chuàng)建，主流道則是選擇起點(diǎn)直接創(chuàng)建。

5）成型工藝參數(shù)。主要選擇材料種類、注射機(jī)參數(shù)、成型條件、注射參數(shù)、保壓參數(shù)及閥澆口（流量控制）等，其中材料種類、注射參數(shù)及成型條件必須設(shè)置。

6）冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先要設(shè)計(jì)定模板和動(dòng)模板，其次指定一個(gè)參考面，在該參考面上繪制線，設(shè)置線的屬性（冷卻系統(tǒng)參數(shù)）即可生產(chǎn)冷卻水道。

7）導(dǎo)出分析及報(bào)告。

2 案例應(yīng)用

2.1 產(chǎn)品信息

如圖2所示，塑料制品總體尺寸約為80 mm×40 mm×11 mm，平均壁厚為1.2 mm，體積約為4 cm3，一模兩腔布置，總體結(jié)構(gòu)比較規(guī)整，上下表面比較平，上有許多按鈕用的通孔，表面要求光潔無毛刺、無縮痕，注塑材料是聚碳酸酯（PC），該材料為線性結(jié)構(gòu)，非結(jié)晶型，熔點(diǎn)高，黏度大，流動(dòng)性較差，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

圖2 手機(jī)殼三維圖

2.2 注射成形CAE分析

1）新建零件，然后新建分析方案，接來下導(dǎo)入制品STL模型并且默認(rèn)出模方向，導(dǎo)入STL模型后，華塑CAE軟件會(huì)立即自動(dòng)運(yùn)行網(wǎng)格劃分，如遇網(wǎng)格劃分有問題，可以用“華塑網(wǎng)格管理器3.0”軟件進(jìn)行修復(fù)。

2）多型腔設(shè)計(jì)。

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際一模兩腔，線性分布，角度為90°，產(chǎn)品總體尺寸在80 mm以內(nèi)，故產(chǎn)品間隔設(shè)置為30 mm，如圖4所示。

圖3 導(dǎo)入后的塑件模型

圖4 多型腔設(shè)計(jì)

3）澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

澆注系統(tǒng)是進(jìn)料通道，注射時(shí)塑料熔體流經(jīng)澆注系統(tǒng)后到達(dá)型腔，并且能夠?qū)⒆⑸鋲毫τ行У貍鬟f到整個(gè)型腔，以獲得質(zhì)量優(yōu)異、形狀無誤的塑料制品。澆注系統(tǒng)分為普通澆注系統(tǒng)和熱流道澆注系統(tǒng)兩大類，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，選擇設(shè)計(jì)普通澆注系統(tǒng)。普通澆注系統(tǒng)包括澆口、分流道、主流道及冷料穴，設(shè)計(jì)原則有：

a.所有流道保持平衡性，對稱性；

b.總體布局結(jié)構(gòu)緊湊，流道長度盡可能短，并且避免不必要的轉(zhuǎn)折，應(yīng)使各型腔在同一時(shí)間開始填充，同一時(shí)間結(jié)束填充，并且同一時(shí)間保壓且保壓持續(xù)時(shí)間相同；

c.復(fù)雜模具需要注塑CAE軟件分析，確定最佳的進(jìn)膠點(diǎn)；

d.流道的大小跟產(chǎn)品的大小、塑料熔體的流動(dòng)性等有關(guān)，如PMMA、PC等流動(dòng)性差的，流道和澆口尺寸大一些。而PA、POM、PP、PE等塑料流動(dòng)性好, 流道和澆口尺寸應(yīng)小一些。

e.對于有嵌件和細(xì)小型芯的模具，其澆口位置的選擇要盡量避開直接沖擊嵌件和細(xì)小型芯，防止嵌件移動(dòng)或細(xì)小型芯變形，另外澆口盡量在邊緣處或者塑料制品內(nèi)表面，以防止去除后影響塑件的外觀。

f.所有流道必須有冷料穴，冷料穴的長度是直徑的1.5倍。

在華塑CAE軟件中設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)需要先添加進(jìn)料口，然后再在進(jìn)料口上創(chuàng)建澆口，接著按照澆口→分流道→主流道的次序依次設(shè)置，冷料穴是自動(dòng)添加，不需要設(shè)置。

設(shè)置進(jìn)膠點(diǎn)：進(jìn)膠點(diǎn)坐標(biāo)為（0,-22.4,0），如圖5所示。

圖5 設(shè)置進(jìn)膠點(diǎn)

設(shè)置澆口：塑料熔體進(jìn)入型腔時(shí)被澆口控制，澆口尺寸合適會(huì)使進(jìn)入型腔的塑料熔體層流。保壓結(jié)束后，澆口固化，封閉型腔，可防止倒流現(xiàn)象。澆口有矩形澆口、盤形澆口、扇形澆口、點(diǎn)澆口等。矩形澆口結(jié)構(gòu)簡單，易加工，因此選擇矩形澆口，其長為1 mm，寬為3 mm，深為1 mm，如圖6所示類型選擇澆口，截面類型選上梯形，長度為-1 mm，負(fù)號控制澆口方向。另外一腔的澆口使用“多型腔分布鏡像”功能鏡像過去。

圖6 澆口設(shè)計(jì)

塑料熔體在成型過程中其壓力和熱量損失最小是分流道設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮因素之一，流道的凝料最少，各型腔均衡進(jìn)料，其截面有圓形、半圓形、梯形等。其中圓形流道截面的比表面積最小，熱量損失小，流道的效率最高，因此選擇圓形截面分流道，分流道直徑為6 mm。

設(shè)計(jì)主流道：主流道尺寸必須恰當(dāng)，主流道太大會(huì)造成塑料消耗增多，太小會(huì)使熔體流動(dòng)阻力增大，壓力損失大，對充模不利。主流道為倒圓臺(tái)形，頂圓直徑為1.6 mm,底圓直徑為6 mm，高度為40 mm。如圖7所示。

圖7 澆注系統(tǒng)

2.3 設(shè)置成形工藝

材料種類選擇PC，牌號為Apec1605。

注塑機(jī)選用海天的HTVS-30-35-P-A型注塑機(jī)，該注塑機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 海天HTVS-30-35-P-A注塑機(jī)參數(shù)

注塑機(jī)初步校核：制品的流到體積約1 cm3，型腔體積約為8 cm3，總填充體積大概為9 cm3，流動(dòng)長度預(yù)計(jì)為70.5 mm，注塑機(jī)參數(shù)滿足成型要求。

成形工藝條件：注射溫度為330 ℃，模具溫度為110℃，環(huán)境溫度默認(rèn)為20 ℃，充模時(shí)間工藝參數(shù)為自動(dòng)。

2.4 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析。

模溫過低熔體流動(dòng)性差制品輪廓不清晰甚至流不滿型腔或形成熔接痕，制品表面不光澤，缺陷多，力學(xué)強(qiáng)度低。模溫過高，收縮率大，脫模困難和其后制品變形大，并且易造成溢料和粘模。模溫不均勻，型芯和型腔溫度相差過大，制品收縮不均勻，導(dǎo)致制品翹曲變形影響制品的形狀及尺寸精度。對于注射成型,注射時(shí)間約占5%，冷卻時(shí)間約占80%，推出時(shí)間約占15%。因此，縮短冷卻時(shí)間成為關(guān)鍵。可在保證制品質(zhì)量和成型工藝順利的前提下,通過調(diào)節(jié)塑料和模具的溫差（即降低模具溫度）來縮短冷卻時(shí)間的方法提高生產(chǎn)效率。因此設(shè)置冷卻效果良好的冷卻水回路是縮短成型周期、提高制品質(zhì)量的有效手段。

制品手機(jī)殼的上下表面比較平坦，適合直通式冷卻回路[8]，而動(dòng)模部分的鑲塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適合環(huán)繞式水路，如圖5所示，并在冷卻水槽周圍設(shè)計(jì)上密封圈，對水路的運(yùn)行進(jìn)行有效地密封。

冷卻設(shè)計(jì)原則：a.大模冷膠位，小模冷內(nèi)模直徑選用φ6、φ8、φ10、φ12 mm；b.冷卻水道的孔壁至型腔表面的距離應(yīng)盡可能相等，一般取15～25 mm；c.入水口與出水口距離:25～30 mm；d.入水口與出水口的溫差不宜過大，運(yùn)水流程不應(yīng)過長；e.盡量減少冷卻水道中“死水”；f.冷卻水道應(yīng)避免設(shè)在可預(yù)見的膠件熔接痕處；g.水流方向不應(yīng)與膠流方向平行。

2）基于華塑CAE的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)虛擬型腔，設(shè)置定模厚度為40 mm，動(dòng)模厚度為30 mm，長寬分別為150、120 mm。由于華塑CAE軟件默認(rèn)產(chǎn)品中間高度為5.5 mm的平面為分型面，因此需要將分型面降下來，設(shè)置中心偏移為-5.5 mm，如圖8所示。

圖8 虛擬型腔

依次為定模和動(dòng)模添加回路1、回路2作為冷卻水道回路，直徑設(shè)置為6 mm，添加參考面作為冷卻水道放置平面，參考面偏移量為25 mm，如圖9所示。

圖9 參考面設(shè)置

利用創(chuàng)建直圓管功能和創(chuàng)建外聯(lián)管功能，繪制冷卻水道線，并將繪制好的冷卻水道線路移動(dòng)到對應(yīng)的回路中，此時(shí)冷卻水道線會(huì)自動(dòng)生成冷卻水道，完成回路效果如圖10所示。

圖10 創(chuàng)建冷卻水道

設(shè)置冷卻工藝條件，如表2所示。

表2 冷卻工藝條件

2.5 結(jié)果分析

華塑CAE軟件能給出型腔壓力場、溫度場等耦合時(shí)間的動(dòng)態(tài)圖，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與工藝、模具結(jié)構(gòu)與工藝、塑料的選擇、注射機(jī)的選擇等方面，能夠給予模具設(shè)計(jì)人員一定的指導(dǎo)，避免反復(fù)試模修模。

1）流動(dòng)前沿。

華塑CAE軟件用流動(dòng)前沿分析結(jié)果顯示了熔體在注射過程中的充模行為。確保多型腔模具中在熔體填充時(shí)能夠同時(shí)充滿、同時(shí)保壓，避免不必要的制品缺陷。對于異型腔模具，需要修改流道系統(tǒng)尺寸，反復(fù)模擬，直至流動(dòng)平衡。

圖11所示為流動(dòng)前沿（最后時(shí)刻），充填時(shí)間為0.23 s，制品兩腔幾乎同時(shí)充滿，熔體流動(dòng)平衡。圖11同時(shí)顯示了制品熔接痕、氣穴產(chǎn)生位置，該制品氣穴產(chǎn)生的位置都在成型零件縫隙處，有利于氣體的排除，如果在試模過程中排氣仍然不良，可采取開設(shè)排氣槽、加透氣金屬塊等措施加大排氣力度。

圖11 流動(dòng)前沿（最后時(shí)刻）

2）壓力場。

華塑CAE軟件可以給出型腔壓力動(dòng)態(tài)圖，圖12所示為充填結(jié)束時(shí)的型腔壓力。在填充過程中最大的型腔壓力值為132.43 MPa，遠(yuǎn)低于注射機(jī)額定鎖門力509 MPa，注塑機(jī)符合生產(chǎn)需求，從模擬結(jié)果來看也不存在短射現(xiàn)象。

圖12 壓力場

3）熔體溫度。

圖13所示為型腔內(nèi)熔體在填充結(jié)束時(shí)的溫度場。可以看出局部熱點(diǎn)較少，產(chǎn)生表面黑點(diǎn)、條紋等并引起力學(xué)性能變化的可能性較低，熔體的溫度分布比較均勻，由溫差太大引起翹曲的風(fēng)險(xiǎn)不高，熔體的平均溫度適當(dāng)，既不會(huì)因?yàn)檫^冷而引起注射壓力增大，也不會(huì)因?yàn)檫^熱而引起局部熱點(diǎn)。

圖13 溫度場

4）冷卻介質(zhì)溫度場。

圖14所示為冷卻介質(zhì)溫度場，出入口水溫差為2.58℃，溫差較小，符合要求。

圖14 冷卻介質(zhì)溫度場

3 結(jié)語

本文介紹了華塑注射成型仿真系統(tǒng)（華塑CAE）的原理、功能及操作步驟，并應(yīng)用華塑CAE對電子類制品——手機(jī)殼注塑模的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了模流分析。根據(jù)壓力場（充填結(jié)束）、溫度場（充填結(jié)束）、流動(dòng)前沿溫度場（充填結(jié)束）等分析結(jié)果，分析了塑料制品可能存在的翹曲、短射、條紋等缺陷的風(fēng)險(xiǎn)，提前避免了因模具設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)的不足而導(dǎo)致的反復(fù)試模、修模，提高了模具設(shè)計(jì)效率，降低了模具設(shè)計(jì)與制造的成本。