CAE技術(shù)在疊層式注塑模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

CAE技術(shù)在疊層式注塑模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

? ?? ? ?0　引言
? ?? ? ?CAE技術(shù)是一種迅速發(fā)展起來(lái)的信息技術(shù),是實(shí)現(xiàn)重大工程和工業(yè)產(chǎn)品的建模、計(jì)算分析、模擬仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)的工程軟件;是支持工程科學(xué)進(jìn)行創(chuàng)新研究和創(chuàng)新設(shè)計(jì)最重要的工具和手段。

? ?? ? ?CAE技術(shù)是利用有限元數(shù)值計(jì)算方法把產(chǎn)品劃分為有限個(gè)單元,利用假想的線或面將連續(xù)的內(nèi)部和邊界分割成有限大小、有限數(shù)目、離散的單元來(lái)研究。即把原來(lái)一個(gè)連續(xù)的整體簡(jiǎn)化成有限個(gè)單元體系,從而得到真實(shí)結(jié)構(gòu)的近似模型,最終的數(shù)值在這個(gè)離散化的模型上進(jìn)行。經(jīng)過(guò)大量的數(shù)值計(jì)算,得出單個(gè)“元”的特征數(shù)據(jù),再進(jìn)行綜合而產(chǎn)生的實(shí)體數(shù)據(jù)。其主要功能有:產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程分析、數(shù)據(jù)管理、試驗(yàn)、仿真和制造在內(nèi)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的綜合。

? ?? ? ?1　分析模型準(zhǔn)備
? ?? ? ?1.1　三維分析模型的建立
? ?? ? ?設(shè)計(jì)采用PRO/E建模,經(jīng)過(guò)一系列轉(zhuǎn)化得到滿(mǎn)足CAE分析需要的三維實(shí)體模型,如圖1所示。
? ?? ? ?1.2　網(wǎng)格單元的劃分
? ?? ? ?經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化的三維模型,導(dǎo)入Moldflow分析軟件,并按要求輸入縱向長(zhǎng)度和橫向長(zhǎng)度自動(dòng)劃分網(wǎng)格,得到初步網(wǎng)格圖形。本分析由于是疊層式模具分析,故要對(duì)已經(jīng)劃分的實(shí)體進(jìn)行處理,使其疊層,如圖2所示。

? ?? ? ?1.3　對(duì)自動(dòng)劃分網(wǎng)格的檢查和修補(bǔ)
? ?? ? ?自動(dòng)劃分出來(lái)的網(wǎng)格大部分能夠滿(mǎn)足分析要求,但為了分析數(shù)據(jù)的精確,有個(gè)別的需要人工修補(bǔ)。Moldflow為分析工作者提供了大量的網(wǎng)格劃分檢查和修補(bǔ)工具,可以使網(wǎng)格修補(bǔ)達(dá)到分析要求精度。本設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)自動(dòng)劃分、網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)檢查、網(wǎng)格自動(dòng)修補(bǔ)、人工修補(bǔ)網(wǎng)格,最后得到的網(wǎng)格單元數(shù)為44 097,最大縱橫比為9. 617 8,最小縱橫比為1.157 14,平均縱橫比為2. 896 24,網(wǎng)格匹配率為86.1%。

? ?? ? ?2　對(duì)注塑模制品的模擬分析
Moldflow分析主要包括充填( fill)分析、流動(dòng)(flow)分析、冷卻(cool)分析和翹曲(warp)分析。
? ?? ? ?2.1　澆口位置和數(shù)目分析[5-6]
本設(shè)計(jì)的制品較大,其規(guī)格尺寸: 600 mm×350mm×70 mm。采用多澆口形式,澆口最佳位置采用Moldflow進(jìn)行確定。通過(guò)改變澆口位置、改變分流道直徑和澆口數(shù)量等方法,得出其澆口為4個(gè),流道半徑為8 mm,如圖3所示。

? ?? ? ?2.2　填充時(shí)間分析
? ?? ? ?在澆口分析工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上,所需充填時(shí)間分析,如圖4所示?？梢钥闯?當(dāng)達(dá)到1.70 s時(shí),制品已經(jīng)完全充滿(mǎn)。

? ?? ? ?2.3　澆口壓力分析
? ?? ? ?澆口壓力除影響充填效果外,對(duì)制品的質(zhì)量也有很大的影響。如果壓力較小,制品充填不足;壓力較大,熔融料會(huì)大幅度增加剪切應(yīng)力,引起料溫急劇升高,導(dǎo)致炭化,還有可能造成噴射的形成。本設(shè)計(jì)的壓力分析曲線,如圖5所示。從圖中可以看出,開(kāi)始充填時(shí),壓力逐漸升高;壓力達(dá)到96MPa時(shí),充填過(guò)程結(jié)束,進(jìn)入保壓階段;以80 MPa壓力保壓。

? ?? ? ?2.4　流動(dòng)前沿溫度分析
? ?? ? ?流動(dòng)前沿溫度是衡量物料充填后制品質(zhì)量的重要指標(biāo)。流動(dòng)前沿溫度過(guò)低將使制品外觀質(zhì)量較差,外壁不光滑,有魚(yú)鱗紋產(chǎn)生,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使制品不能充滿(mǎn)或熔接處有明顯的熔接痕跡,熔接處強(qiáng)度差;流動(dòng)前沿溫度過(guò)高,會(huì)使物料分解,制品變色,制品表面有凹坑,內(nèi)部有氣孔出現(xiàn),同樣影響產(chǎn)品質(zhì)量。ABS成型溫度一般在210~250℃左右[5]。

? ?? ? ?從圖6可以看出,通過(guò)CAE分析,流動(dòng)前沿溫度均為232.7℃,在成型溫度的范圍內(nèi)。這說(shuō)明所采用的注塑參數(shù)在保證產(chǎn)品質(zhì)量方面是安全的。

? ?? ? ?2.5　體積收縮率分析[1,6-9]
? ?? ? ?體積收縮率分析可以預(yù)測(cè)制品收縮信息,避免由于收縮不均而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、翹曲等問(wèn)題。從圖7可看出,各處體積收縮相對(duì)均勻,收縮率基本在4.6%左右,接近設(shè)計(jì)制品時(shí)考慮的收縮率(5% )。

? ?? ? ?2.6　冷卻分析
? ?? ? ?冷卻分析用來(lái)分析模具內(nèi)的熱傳遞,這階段對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響非常大。冷卻的好壞直接影響產(chǎn)品的最終表面質(zhì)量、制件殘余應(yīng)力和結(jié)晶度等。冷卻時(shí)間的長(zhǎng)短決定了制品脫模時(shí)的溫度和成型周期,影響產(chǎn)品成本。本設(shè)計(jì)管道的布局,如圖8所示。采用水冷卻,設(shè)定進(jìn)口溫度為25℃,雷諾系數(shù)設(shè)在湍流臨界點(diǎn)附近4000。

? ?? ? ?從圖8可以看出,制件溫度分布均勻,平均都在49℃左右。
? ?? ? ?2.7　翹曲分析
? ?? ? ?翹分析主要用來(lái)判定采用熱塑性材料成型的制件是否會(huì)出現(xiàn)翹曲,并找出導(dǎo)致翹曲的原因,如圖9所示。

? ?? ? ?由圖9可看出,制品在X、Y方向的翹曲較嚴(yán)重。經(jīng)分析,這主要是由于冷卻管道出入口溫度差異引起的。如果要得到比較準(zhǔn)確的成型尺寸,就要重新設(shè)計(jì)冷卻管道的布局,減少管道出入口溫度差異。簡(jiǎn)單的方法是減少管道長(zhǎng)度,增加進(jìn)出口個(gè)數(shù)。空調(diào)面板框在使用時(shí)鑲嵌在箱體上,小翹曲對(duì)使用影響不大,此分析結(jié)果基本上可以滿(mǎn)足需要。

? ?? ? ?3　結(jié)論
? ?? ? ?基于CAE技術(shù),經(jīng)過(guò)多次設(shè)定參數(shù)、多次分析,找到了空調(diào)面板框體疊層式模具生產(chǎn)工藝參數(shù)和可能產(chǎn)生的問(wèn)題;并就可能產(chǎn)生的問(wèn)題分析優(yōu)化,最終得到了相對(duì)較好的模具設(shè)計(jì)方案和成型工藝參數(shù)。改變了傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)思路,提高一次試模成功率,為模具的設(shè)計(jì)和順利應(yīng)用提供了更高的安全系數(shù)。這不僅是對(duì)傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)制造方法的一次突破,而且對(duì)減少甚至避免模具返修、報(bào)廢,提高制品質(zhì)量,降低成本等,都有著重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。