CAE技术在模具设计过程中的并行应用
随着模具行业的发展, 计算机辅助工程(CAE)技术已经在塑料模具行业得到越来越广泛的应用。它通过模拟塑料制品的成型过程,辅助模具设计工程师设计出精确、高效的模具;指导工艺师正确设定生产工艺参数。在注塑模具行业,CAE 软件能在模具制造之前预测塑料熔体在型腔内的流变行为,因而能提高模具设计质量、降低模具成本、缩短模具制造时间,因而得到注塑模具行业的极大关注。
1 CAE 并行设计
1. 1 基本思想
以往在模具设计过程中,由于受到CAE工程师技术水平和CAE 软件的限制,CAE 技术主要用于分析、验证模具的结构设计,即结构设计工程师先将模具浇注系统和冷却系统设计完成,然后由CAE 工程师进行CAE 分析,通过流动、保压、变形分析验证浇注系统及冷却系统的可行性。这样一来,一般周期较长,当设计任务较为繁重时,无法及时完成分析任务,限制了CAE 作用的发挥。通过不断地实践和经验积累,CAE 工程师提高了自身的技术水平,加之CAE 软件的升级更新,CAE 分析的效率和质量大为提高。为进一步提高CAE 技术的应用效率,我们在模具设计过程中引入CAE 并行分析,不仅对制品设计进行验证,而且对模具浇注系统及冷却系统进行指导性设计,优化制品及结构设计方案,提高整个设计过程的效率。
1. 2 CAE 设计过程对比
传统模具设计过程是制品、结构、数模顺序的设计,见图1。CAE 分析处于模具结构设计之后,主要是对模具结构设计结果的验证,同时验证制品设计。当分析结果发现缺陷时,则需反馈给结构或产品部门进行改进,提出改进措施。但由于时间的滞后,往往会造成设计工作的重复及工作量的增加,影响了模具设计进度。
随着计算机辅助设计技术的发展,以及工程数据库和参数设计的综合运用,并行工程被有效地应用到模具设计过程中,极大地提高了设计效率。图2 为模具并行设计流程。
CAE 并行设计过程的主要思想是在制品设计中后期通过CAE 的简单分析,验证制品设计的合理性,同时根据制品性能要求优化选择制品材料,根据制品外观要求讨论制品进胶方式和可能出现的制品缺陷等。这样可基本确定浇注系统的大体形式,进行模架订购。在模架设计基本完成时,根据模具的基本尺寸、产品放置位置等技术条件,进行CAE 详细分析,从而确定浇注系统的具体位置及尺寸,对于有特殊要求的制品进行冷却变形分析。这种分析过程充分利用了CAE 分析软件的优越性,同时发挥了CAE 工程师的技术优势,对模具产品、结构设计提供了充分的技术支持,提高了模具设计的水平和试模的一次成功率。
2 CAE 并行设计实例
现以使用MPI(Moldflow Plastics Insight) 4.0软件设计空气取水机门盖模具为例,简要介绍CAE 并行设计在门盖模具设计过程中的应用。
2. 1 制品优化设计
最初制品设计壁厚分布及初步确定的浇口位置如图3 所示。制品最大外形尺寸为605 mm(长) ×360 mm(宽) ,主要壁厚为3 mm ,筋位最薄处为0. 8mm ,浇口形式为一侧进胶。用户要求制品为外观透明制件,预选材料为透明聚碳酸酯( PC) ,制品收缩率为0. 5 %。
在MPI 4. 0 中输入制品模型、注塑材料及成型工艺等初始条件以后,进行流动、保压、变形分析,通过分析相关成型结果,得出表1 所列的结论。
根据用户对制品的质量要求,结合相应的CAE分析结果,综合考虑模具成本、制品质量及效率,对制品设计及成型方案提出优化设计方案为:注塑材料改用流动性相对较好的透明(丙烯腈/ 丁二烯/ 苯乙烯) 共聚物(ABS) ,浇口位置改为制品正面中心处,为掩盖浇口痕迹,在制品上设计一凹槽表面覆盖标牌,制品周边进胶位置的壁厚改为2. 5 mm ,筋位最薄处改为1 mm ,优化设计的制品见图4。
将制品优化设计方案重新输入到MPI 4. 0 中进行流动、保压、变形分析,同时对注塑工艺进行初步优化,得出的结论见表2。
通过比较分析结果,改进后的制品设计方案成型性能提高,在保证制品质量的同时,大大降低了制品成本及模具成本,满足了用户的要求。
2. 2 结构优化设计
由于采用了模具设计并行工程,在完成制品优化设计的同时,模架设计也基本完成,在确定模具的型腔数、制品定位、模架大小后,可以根据以上输入条件设计出准确的CAE模型,CAE 设计模型如图5所示。此套模具采用两板模直浇口,浇口位于制品中心凹槽处。主流道尺寸为入口直径,达4 mm ,双边斜度为2°,高度为110 mm。
在完成初步分析的基础上,在MPI 4. 0 中输入优化的螺杆曲线数值及注射、保压、冷却时间等工艺条件,进行CAE 详细分析。通过准确的成型结果确定优化成型方案,提供浇注系统详细的设计尺寸,指导模具结构设计。
3 结语
实践证明,通过CAE 技术在模具设计过程中的并行应用,可以提供制品优化设计方案,指导模具结构设计,提高设计质量,缩短设计周期,最大限度地发挥CAE 的技术优势。
