摘 要 CAE技術(shù)使設(shè)計(jì)人員可以借助計(jì)算機(jī)軟件對塑料模具進(jìn)行模擬分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，能顯著縮短塑料模具設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞 CAE技術(shù) 注塑模具 設(shè)計(jì)

一、引言

隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，模具工業(yè)己成為國民經(jīng)濟(jì)中的重要基礎(chǔ)工業(yè)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(yè)的等行業(yè)，因此對塑料模具質(zhì)量與設(shè)計(jì)制造效率的要求越來越高。傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)和制造方式，主要是依賴設(shè)計(jì)人員和工藝人員的經(jīng)驗(yàn)。模具設(shè)計(jì)是否合理、制品有無缺陷都只有通過試模才能知道。CAE技術(shù)能在計(jì)算機(jī)上對模具設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析和模擬，預(yù)測設(shè)計(jì)中潛在的缺陷，幫助設(shè)計(jì)人員修改和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，能顯著縮短塑料模具設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，并極大地降低生產(chǎn)成本。

二、CAE技術(shù)

CAE技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)模擬對工程和產(chǎn)品進(jìn)行全面分析的綜合型計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)模擬CAE技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)工程和產(chǎn)品存在的設(shè)計(jì)缺陷，通過不斷地改進(jìn)與優(yōu)化實(shí)現(xiàn)工程和產(chǎn)品性能的提升和成本的控制，在提高工程和產(chǎn)品功能性的基礎(chǔ)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(shù)的應(yīng)用，該軟件可以模擬整個(gè)注射過程對注射成型產(chǎn)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(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、MF/OPTIM注塑機(jī)參數(shù)優(yōu)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(jié)構(gòu)的合理性和成型工藝參數(shù)的適宜性。由此得出工藝方案與有關(guān)參數(shù)以及模具結(jié)構(gòu)對制件質(zhì)量的影響，從而達(dá)到優(yōu)化塑料制件、模具結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)的目的。

三、CAE技術(shù)在注塑模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（一）MF/Flow流動分析

MF/Flow分析聚合物在模具中的流動狀態(tài)，預(yù)測熔接線和氣泡出現(xiàn)的位置，這樣設(shè)計(jì)人員可以優(yōu)化模腔的布局、材料的選擇、填充和保壓的工藝參數(shù)設(shè)置。進(jìn)行流動分析是為了獲知得最佳保壓階段設(shè)置，從而盡可能地降低由保壓引起的制品收縮、翹曲等質(zhì)量缺陷。

（二）MF/Cool冷卻分析

MF/Cool分析冷卻系統(tǒng)對流動過程的影響，優(yōu)化冷卻管道的布局和工作條件，與流動分析相結(jié)合，可以得到完美的動態(tài)注塑過程。設(shè)計(jì)人員可以通過改善冷卻管道的設(shè)計(jì)，讓塑件均勻的冷卻，減小成型后的內(nèi)應(yīng)力。階段對制件質(zhì)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(zhì)量、制件殘余應(yīng)力和結(jié)晶度等。冷卻時(shí)間的長短決定了制件脫模時(shí)的溫度和成型周期長短，直接影響到產(chǎn)品成本的高低。

（三）MF/warp翹曲分析

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

（四）MF/Stress結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

MF/Stress可以對塑料產(chǎn)品在受荷的情形下的機(jī)械性能進(jìn)行分析，MF/Stress可以預(yù)測在外負(fù)荷以及溫度的作用下產(chǎn)生的位移和應(yīng)力。對于纖維增強(qiáng)型塑料，MF/Stress根據(jù)不同塑料種類的物理數(shù)據(jù)，通過流動分析的方式確定其機(jī)械性能，分析的結(jié)果可以用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分析。設(shè)計(jì)人員可以通過調(diào)整工藝條件的方式，來獲得塑料制品在強(qiáng)度和剛度上的優(yōu)化。

（五）MF/Shrink模腔尺寸分析

MF/Shrink可以通過對聚合物的收縮數(shù)據(jù)和流動分析的結(jié)果，來給出模腔的尺寸。通過使用MF/Shrink，設(shè)計(jì)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(chǎn)品尺寸高度匹配，有利于大大縮短模腔修補(bǔ)和模具投入使用的時(shí)間，同時(shí)也有利于改善產(chǎn)品的組裝配合質(zhì)量、減少廢品、提高質(zhì)量。

（六）MF/Optim注塑機(jī)的參數(shù)優(yōu)化

MF/Optim，可以根據(jù)不同的模具、注塑材料、注塑機(jī)和流動分析的結(jié)果，自動生成控制注塑機(jī)的填充保壓曲線。MF/Optim采用用戶給定或者默認(rèn)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來有效控制產(chǎn)品的尺寸精度、表面缺陷以及翹曲。設(shè)計(jì)人員根據(jù)分析結(jié)果對注塑機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，從而避免在試模的過程中對注塑機(jī)的參數(shù)進(jìn)行反復(fù)的調(diào)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(gè)過程進(jìn)行優(yōu)化。與冷卻分析和翹曲分析結(jié)合起來，就可以預(yù)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(chǎn)品而言，其拉伸強(qiáng)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(jìn)行預(yù)測并優(yōu)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(dǎo)率低、粘度低，在生產(chǎn)中廣泛被應(yīng)用。MF/Tsets能夠模擬熱固性塑料的流動過程、融合過程等多個(gè)復(fù)雜的過程，可以減少制品表面的缺陷，保證塑料的熱傳導(dǎo)性和融合，對塑料在模腔內(nèi)的流動進(jìn)行有效地控制。

四、CAE技術(shù)分析模具的步驟

（一）建立有限元模型

首先要將應(yīng)用CAD技術(shù)建立的幾何模型從通用的參數(shù)化CAD軟件輸出到CAE軟件中，設(shè)定有限元網(wǎng)格形狀、密度、邊界條件等相關(guān)信息后，將模型進(jìn)行網(wǎng)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(yīng)用CAD技術(shù)建立的幾何模型有限元網(wǎng)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(shù)后，對塑料模具進(jìn)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(tài)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(yōu)化

根據(jù)CAE軟件的分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)塑料制件、塑料模具澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等設(shè)計(jì)中存在的缺陷與不足，根據(jù)分析結(jié)果對模具進(jìn)行相應(yīng)修改后，再應(yīng)用塑料模具CAE技術(shù)重新進(jìn)行分析，并最終優(yōu)化設(shè)計(jì)出合適的流道、澆口、冷卻水道等設(shè)計(jì)方案。

五、結(jié)束語

塑料模具設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，傳統(tǒng)的方式會出現(xiàn)設(shè)計(jì)周期長、成本較高等一系列問題，CAE技術(shù)可以通過模擬來實(shí)現(xiàn)對塑料模具設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對不同方案的快速分析，達(dá)到對塑料模具設(shè)計(jì)問題的及時(shí)糾正。CAE技術(shù)實(shí)現(xiàn)了注塑模具設(shè)計(jì)成本的降低和工作效率的提高。

基金項(xiàng)目：本文系陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2014年立項(xiàng)課題“基于外殼的注塑模具CAD/CAE/CAM 的應(yīng)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(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）