注塑CAE技術(shù)簡(jiǎn)介

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1、 一、注塑CAE技術(shù)簡(jiǎn)介 CAE（Computer Aided Engineering）技術(shù)從字面上理解是計(jì)算機(jī)輔助工程，準(zhǔn)確地講就是工程設(shè)計(jì)中的分析計(jì)算和模擬仿真。注塑CAE技術(shù)是CAE技術(shù)中一個(gè)重要的組成部分，它是根據(jù)塑料加工流變學(xué)和傳熱學(xué)的基本理論，建立塑料熔體在模具型腔中流動(dòng)、傳熱的物理、數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值計(jì)算理論構(gòu)造其求解方法，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)在計(jì)算機(jī)屏幕上形象、直觀地模擬出實(shí)際成型中熔體的動(dòng)態(tài)填充、冷卻等過(guò)程，定量地給出成型過(guò)程中的狀態(tài)參數(shù)（如壓力、溫度、速度等）。注塑CAE技術(shù)可以在模具制造之前，在計(jì)

2、算機(jī)上對(duì)模具設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析和模擬，預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)中潛在的缺陷，為設(shè)計(jì)人員修改設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)。應(yīng)用注塑CAE技術(shù)帶來(lái)的直接好處是省時(shí)省力，減少試模、修模次數(shù)，縮短模具設(shè)計(jì)制造周期，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。 注塑CAE分析的一般流程如圖1所示。 圖1 注塑CAE分析的一般流程 二、注塑CAE技術(shù)在模具設(shè)計(jì)和開發(fā)中的應(yīng)用 介紹注塑CAE技術(shù)的文章大部分都是從軟件的角度出發(fā)，介紹軟件各模塊的功能和應(yīng)用。筆者結(jié)合幾年來(lái)從事注塑CAE分析的經(jīng)驗(yàn)，從企業(yè)需求和使用的角度出發(fā)，介紹注塑CAE技術(shù)在

3、模具設(shè)計(jì)、開發(fā)中的幾個(gè)主要的應(yīng)用領(lǐng)域。 1．確定模具澆注系統(tǒng)方案 模具的澆注系統(tǒng)對(duì)于模具最終的注塑成型質(zhì)量有著決定性的影響，合理的澆注系統(tǒng)能夠使塑料熔體充填平衡、均勻，可以避免很多注塑缺陷，得到滿意的塑件質(zhì)量，并延長(zhǎng)模具壽命。確定合理的澆注系統(tǒng)方案是注塑CAE分析最基本的工作，也是模具設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)一個(gè)非常重要的方面，特別是對(duì)于熱流道模具，一個(gè)是要求要快，在設(shè)計(jì)工作的前期就必須提供澆口布局，以供設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)相關(guān)的結(jié)構(gòu)并訂購(gòu)熱流道；再一個(gè)是要求要準(zhǔn)，由于熱流道價(jià)格昂貴，而且做成之后就無(wú)法更改，因此澆注系統(tǒng)的方案一定要準(zhǔn)確。這就對(duì)料流分

4、析工作提出了比較高的要求，目前成熟的注塑CAE分析軟件都把流動(dòng)分析作為最基本的模塊，分析的準(zhǔn)確性相對(duì)也比較高。 確定合理的澆注系統(tǒng)最基本的要求是流動(dòng)平衡，使熔體能夠均勻、同步地充填到制件的各個(gè)部分，同時(shí)還要照顧一些重點(diǎn)質(zhì)量區(qū)域，使熔接痕產(chǎn)生在不影響外觀要求的地方。下文是一個(gè)29英寸電視機(jī)后殼澆注系統(tǒng)布局的例子，澆注系統(tǒng)為四點(diǎn)熱流道，澆口直徑φ4.5mm，澆道直徑φ10mm，布局如圖2所示。 圖2 29英寸電視機(jī)后殼澆注系統(tǒng)布局 制件充填情況的模擬分析結(jié)果如圖3所示。

5、 圖3 制件充填情況的模擬分析 從分析結(jié)果圖中可以看出流動(dòng)比較平衡，熔體基本能夠均勻、同步地充填到制件的各個(gè)部分，達(dá)到比較滿意的注塑效果。 2．確定氣輔成型方案，預(yù)測(cè)氣體穿透效果 氣體輔助注塑成型技術(shù)是一項(xiàng)新興的塑料注射成型技術(shù)，其原理是利用高壓氣體在塑件內(nèi)部產(chǎn)生中空截面，利用氣體保壓代替塑料注射保壓，完成注射成型過(guò)程。與普通注塑成型工藝相比，它能夠消除制件表面縮痕，降低制品內(nèi)應(yīng)力，節(jié)約原材料，延長(zhǎng)模具壽命，生產(chǎn)周期縮短，被譽(yù)為注塑成型工藝的一次革命，在家電、汽車、家具、日常用品等幾乎所有塑料制件領(lǐng)域得

6、到廣泛應(yīng)用。 氣體輔助注塑成型工藝過(guò)程涉及到高分子熔體和高壓氣體的氣液兩相流動(dòng)及相互作用問(wèn)題，因此使得氣體輔助注塑成型工藝實(shí)現(xiàn)過(guò)程的設(shè)計(jì)參數(shù)和控制參數(shù)大大增加。氣體輔助成型方案的難點(diǎn)主要包括兩個(gè)方面，一是氣道布局，包括進(jìn)氣方式、氣道配置和截面尺寸的確定；二是氣體輔助注塑成型工藝參數(shù)，包括缺料體積、延遲時(shí)間和氣體壓力曲線的確定等。 成熟的CAE氣輔分析可以解決這兩個(gè)方面的問(wèn)題，通過(guò)在計(jì)算機(jī)上完成氣輔注塑的仿真過(guò)程，預(yù)測(cè)熔體及氣體在型腔內(nèi)的流動(dòng)及穿透情況，優(yōu)化產(chǎn)品和模具設(shè)計(jì)，改進(jìn)氣道的布局、尺寸，優(yōu)化成型工藝參

7、數(shù)，可以大大提高氣輔模具開發(fā)的可靠性。 下面是29英寸電視機(jī)前殼氣輔模具的CAE模擬分析實(shí)例：分析用料：BASF 466I；進(jìn)氣方式：噴嘴進(jìn)氣；氣道截面形式如下圖所示。 工藝參數(shù)：模具溫度：50℃；熔體溫度：230℃；注射時(shí)間：3 s；冷卻時(shí)間：20 s；注入熔體體積：98%；進(jìn)氣延遲時(shí)間：0.5 s；氣體壓力控制曲線如下圖所示。 氣體穿透效果如圖4和圖5所示。 圖4氣體穿透情況（1） 圖5氣體穿透情況（2） 從上面

8、的分析結(jié)果圖中可以看到，經(jīng)過(guò)科學(xué)的CAE模擬分析，確定了合理的氣道布局和氣輔工藝參數(shù)，氣道沿著料流方向均衡地配置到整個(gè)制件上，氣體能夠有效地穿透到氣道的末端，充分起到保壓作用，對(duì)于解決制件表面縮痕問(wèn)題，提高制件的表面質(zhì)量起到顯著的作用。后期的試模情況也充分驗(yàn)證了這一結(jié)果。 3．產(chǎn)品調(diào)整滿足流動(dòng)平衡或設(shè)計(jì)需要 對(duì)于一些模具，其澆口位置只能限定在一定區(qū)域內(nèi)，如采用直澆口的電視機(jī)后殼，其澆口只能放在制件背面正中貼標(biāo)簽的方框中，不能放在其它位置。而這種情況下可能無(wú)法保證料流平衡，為了解決這一點(diǎn)，通常需要對(duì)產(chǎn)品局部的形狀和壁厚進(jìn)行調(diào)整。

9、例如在充填比較快的方向上減壁厚或設(shè)置阻流槽，在充填比較慢的方向增加壁厚或減少部分散熱孔等，最終的目的就是達(dá)到均衡充填。下面是一個(gè)液晶電視后殼的例子，采用位置固定的直澆口，兩側(cè)流動(dòng)平衡性差異較大，通過(guò)調(diào)整局部壁厚，達(dá)到了流動(dòng)平衡。 圖6 初試方案的充填情況 初試方案的充填情況如圖6所示，可以看出兩側(cè)流動(dòng)平衡性差異較大，右側(cè)充填較慢。根據(jù)右側(cè)充填較慢的情況，將下圖所示的黑線內(nèi)部區(qū)域壁厚增加0.3mm，起到引流作用。壁厚調(diào)整后的流動(dòng)情況如圖8所示?？梢钥闯觯麄€(gè)制件的流動(dòng)平衡性明顯改善，兩側(cè)基本同步充填。

10、 4．預(yù)測(cè)、改善注塑缺陷 在注塑過(guò)程中可能出現(xiàn)的缺陷有多種，和澆注系統(tǒng)布局關(guān)系比較大的有熔接痕、困氣、縮凹和翹曲等，這些缺陷都可以通過(guò)CAE分析來(lái)改善。 熔接痕是熔體流動(dòng)前鋒匯合后在制件表面形成的細(xì)線狀的印痕，它不僅影響塑件的外觀，也降低制件的強(qiáng)度。但由于大部分的模具都有多個(gè)澆口，而且制件上也會(huì)有各類形狀的孔，因此熔接痕的產(chǎn)生是不可避免的，只能通過(guò)修改澆注系統(tǒng)或調(diào)整壁厚使熔接痕減少、減輕或處于相對(duì)不重要的區(qū)域，減少對(duì)塑件外觀或強(qiáng)度的影響。例如電視機(jī)前殼熔接痕不能位于四個(gè)角，因?yàn)槟鞘枪潭@象管受

11、力最大的地方，可以設(shè)法使其處于兩側(cè)的喇叭窗網(wǎng)孔區(qū)域，而電視機(jī)后殼則可以設(shè)法使其處于散熱孔或裝飾條紋區(qū)域。 困氣是由于熔體流動(dòng)前鋒匯合后，中間包圍的空氣無(wú)法排出而形成的，它會(huì)造成燒焦、短射或表面斑紋等缺陷。對(duì)于困氣，可以通過(guò)調(diào)整澆注系統(tǒng)、制件局部壁厚等措施，將空氣趕到分型面或其他易于排出的地方，通過(guò)排氣槽將其排到模具之外。如果無(wú)法達(dá)到這一點(diǎn)，則可以通過(guò)分析準(zhǔn)確預(yù)測(cè)困氣的位置，在對(duì)應(yīng)的部位加設(shè)排氣鑲件，達(dá)到排氣效果。 縮凹也是比較常見的表面缺陷，主要是由于保壓不足引起的，一般發(fā)生在厚壁或背面有筋、柱等結(jié)構(gòu)的地方

12、。雖然縮凹一般不會(huì)影響制件的強(qiáng)度和功能，但卻對(duì)制件外觀造成致命的影響。通過(guò)注塑CAE軟件的保壓分析，可以預(yù)知可能發(fā)生縮凹的區(qū)域，有針對(duì)性地采取相應(yīng)措施，如減薄壁厚、調(diào)整澆口位置和大小、在筋或柱的根部采取防縮措施等。對(duì)于實(shí)在無(wú)法達(dá)到要求的，可以考慮采用氣體輔助注塑。 翹曲變形比較容易發(fā)生在平板件、長(zhǎng)條件及盒形件上，主要是由于塑件內(nèi)部的殘余內(nèi)應(yīng)力引起的。導(dǎo)致翹曲變形的原因比較復(fù)雜，主要包括塑料內(nèi)高分子鏈的取向差異、流動(dòng)方向和垂直方向體積收縮的不均勻以及制件冷卻不均勻?qū)е碌膹澢鷳?yīng)力等。通過(guò)注塑CAE軟件的翹曲分析，可以預(yù)知變形的趨勢(shì)以及各種因素所占比例的大小，以便有針對(duì)性地采取相應(yīng)措施。但由于導(dǎo)致翹曲變形的因素十分復(fù)雜與敏感，很難準(zhǔn)確地定量預(yù)測(cè)變形的大小，只能定性地預(yù)測(cè)翹曲變形的趨勢(shì)和相對(duì)量，為采取相應(yīng)措施提供參考。