CAE仿真技術(shù)在注射模澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
注射模成型工藝發(fā)展了近50年，但是由于塑料制品的多樣性、復(fù)雜性和工程技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)的局限性，長(zhǎng)期以來(lái)，工程技術(shù)人員很難精確地設(shè)置制品最合理的加工參數(shù)，選擇合適的塑料材料和確定最優(yōu)的工藝方案。注射模CAE技術(shù)建立在科學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)上，融合計(jì)算機(jī)技術(shù)、塑料流變學(xué)和彈性力學(xué)，將試模過(guò)程全部用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，并顯示出分析結(jié)果。利用計(jì)算機(jī)的高速度，在短時(shí)間內(nèi)對(duì)各種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較和評(píng)測(cè)。
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1、傳統(tǒng)模具技術(shù)與現(xiàn)代模具CAE技術(shù)的生產(chǎn)流程
注射成型分兩個(gè)階段，即：開(kāi)發(fā)/設(shè)計(jì)階段(包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、模具制造)；生產(chǎn)階段(包括購(gòu)買材料、試模、加工成型)。
圖1為傳統(tǒng)模具開(kāi)發(fā)流程，圖2為現(xiàn)代模具CAE開(kāi)發(fā)流程。從傳統(tǒng)模具開(kāi)發(fā)流程圖可看出，傳統(tǒng)的方法在開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)前由于僅憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模具，模具裝配完畢后，通常需要幾次試模，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，不僅要工藝師重新設(shè)置工藝參數(shù)，甚至還要設(shè)計(jì)師調(diào)整塑料制品和模具的設(shè)計(jì)方案，修改模具。重復(fù)各個(gè)步驟增加了生產(chǎn)的花費(fèi)，影響模具質(zhì)量，同時(shí)延長(zhǎng)了制品生產(chǎn)時(shí)間。引入CAE技術(shù)后，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的任一階段，都可以用計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)檢驗(yàn)各種想法的可行性，一天之內(nèi)測(cè)試好幾種甚至十幾種設(shè)計(jì)，較之現(xiàn)場(chǎng)的修模、換模、試模，無(wú)論就人工、時(shí)間、材料、能源、場(chǎng)地而言都體現(xiàn)了CAE技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。
如果說(shuō)注射模CAD/CAM技術(shù)偏重于產(chǎn)品的造型、模具設(shè)計(jì)、繪圖和數(shù)控加工數(shù)據(jù)的生成，那么計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)是將工程設(shè)計(jì)、試驗(yàn)與分析貫穿于產(chǎn)品研制過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中去，以指導(dǎo)和預(yù)測(cè)產(chǎn)品構(gòu)思和設(shè)計(jì)。因?yàn)樽⑸淠ＴO(shè)計(jì)要考慮塑料的流變性能，塑件的幾何特性和注射成型工藝參數(shù)等，尤其是對(duì)于復(fù)雜精密的模具，憑經(jīng)驗(yàn)難以全面考慮上述設(shè)計(jì)因素，往往需通過(guò)反復(fù)試模、修模來(lái)發(fā)現(xiàn)和糾正設(shè)計(jì)缺陷。采用CAE技術(shù)后，就能在制造模具之前，預(yù)測(cè)熔體在型腔中的成型行為，幫助研判潛在的問(wèn)題，有效地控制問(wèn)題的發(fā)生。故CAE技術(shù)在塑料模設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用，除了其本身固有特性外，還極大地完善了CAD/CAM系統(tǒng)的功能。
2、CAE技術(shù)應(yīng)用舉例
2.1 設(shè)計(jì)原則
在CAD軟件上進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)后，在設(shè)計(jì)模具前，必須對(duì)以下幾個(gè)問(wèn)題加以全面考慮：
（1）了解塑料熔體的流動(dòng)行為，如流動(dòng)阻力、流動(dòng)速度和最長(zhǎng)流動(dòng)長(zhǎng)度等，還要估計(jì)塑料在模具里的流動(dòng)方向和充填順序，考慮料流的重新熔合與排氣等問(wèn)題，盡量使有熔接痕的塑件表面質(zhì)量和強(qiáng)度達(dá)到合理的要求，避免塑件表面瑕癖。
（2）根據(jù)塑件的形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理地選擇分型面與澆口的位置、澆口的形式以及塑件的側(cè)向抽芯和脫模頂出機(jī)構(gòu)等。
（3）考慮模具冷卻與加熱系統(tǒng)的合理布局?，F(xiàn)代模具CAE技術(shù)能幫助工程技術(shù)人員在生成模具設(shè)計(jì)圖紙前分析以上幾個(gè)問(wèn)題。利用Z-MOLD軟件的流動(dòng)分析，可就澆口位置設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研判，看是否滿足制品質(zhì)量要求。
2.2 模具設(shè)計(jì)初始構(gòu)思
開(kāi)發(fā)摩托車加速器內(nèi)部一個(gè)塑料件，初步構(gòu)想是將原先的1模1腔的設(shè)計(jì)改為1模2腔，以縮短生產(chǎn)時(shí)間。使用材料為ABS，成型方式采用兩板模或三板模，對(duì)每個(gè)型腔設(shè)計(jì)1個(gè)澆口。料溫控制在230-2500C，注射時(shí)間待定。澆口位置沒(méi)有確定，要注意注射不平衡、熔接線處強(qiáng)度等問(wèn)題。
2.3 Z-MOLD操作步驟
（1）建模。利用Z-MOLD前置處理模塊完備的造型功能，將制件(圖3)的幾何信息輸入計(jì)算機(jī)，生成圖4線框模型(為方便起見(jiàn)，圖中只顯示1個(gè)型腔的線框模型)。在定義線框的拓?fù)潢P(guān)系后，進(jìn)行三角形網(wǎng)格剖分，形成網(wǎng)格文件：加速器.fem。制品的幾何文件準(zhǔn)備完畢。
（2）輸入工藝條件。在Z-MOLD初始設(shè)計(jì)模塊中，根據(jù)工藝要求選擇材料為ABS，熔體入口溫度為2400C，模具溫度為500C(對(duì)于ABS而言，常用的模具溫度為25-800C；常用的熔融溫度為200280℃)。充填時(shí)間：5s。分別保存為：加速器.prc、加速器.mtl文件。
（3）分析計(jì)算。將加速器.fem、加速器.prc、加速器.mtl文件提供的數(shù)據(jù)信息代入流動(dòng)分析計(jì)算程序。分析計(jì)算的結(jié)果有熔體前沿、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、表征剪切速率、壁剪切應(yīng)力、熔接痕/融合痕的位置、氣穴位置、注射壓力、鎖模力等。通過(guò)這些計(jì)算結(jié)果可查詢?nèi)劢雍坌纬傻姆较?，并結(jié)合壓力場(chǎng)分布和溫度場(chǎng)分布進(jìn)一步分析形成熔接線對(duì)制品的影響；在有氣穴的位置設(shè)置排氣槽；澆口位置是否會(huì)引起過(guò)度的注射壓力和鎖模力等。
（4）結(jié)果顯示。Z-MOLD后置處理提供了等值線圖、彩色陰影圖、X-Y節(jié)點(diǎn)圖、文本報(bào)告幾種方式來(lái)顯示分析結(jié)果。
根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)3種澆口方案，圖5澆口在塑件底部，圖6澆口在塑件底部的弓形處，圖7澆口在塑件的頂部，通過(guò)Z-MOLD后置處理顯示不同澆口位置產(chǎn)生的熔接線位置和氣穴位置。
2.4 問(wèn)題分析及方案比較
（1）不同的澆口位置產(chǎn)生的氣穴。在塑料熔體注射充填型腔過(guò)程中，模腔內(nèi)除了原有空氣外，還有塑料含有的水份在注射溫度下蒸發(fā)而成的水蒸氣，塑料局部過(guò)熱分解產(chǎn)生的低分子揮發(fā)性氣體等。這些氣體如果不能通過(guò)排氣系統(tǒng)順利排出模腔，將會(huì)影響制品成型以及脫模后的質(zhì)量。它將會(huì)受到熔體的壓縮并因此對(duì)熔體產(chǎn)生反壓力，從而導(dǎo)致制品出現(xiàn)填充不足或制品中產(chǎn)生氣泡以及組織疏松等。另外，模腔中的氣體在受壓較高時(shí)還會(huì)產(chǎn)生高溫，使制品出現(xiàn)局部碳化和燒焦現(xiàn)象。為了除去氣穴，可以修改充填模式，通過(guò)降低注射速度，加大排氣槽尺寸或在產(chǎn)生氣穴的地方設(shè)置合適的排氣槽。
通過(guò)Z-MOLD軟件分析預(yù)測(cè)出塑件在充填結(jié)束后可能會(huì)產(chǎn)生氣穴的地方。如圖6氣穴2可以在頂出裝置中利用頂桿配合間隙排氣，但圖5氣穴3形成在塑件的弓形面上不便于氣體逃逸，圖6氣穴1形成在垂直于分型面的平面上也不便于氣體排出。圖7的氣體都可通過(guò)分型面的間隙排出。從熔體整個(gè)充填過(guò)程看，圖7的澆口位置最利于氣體的排出。通過(guò)流動(dòng)分析預(yù)測(cè)出氣穴位置及時(shí)采取補(bǔ)救措施。圖6的調(diào)整方案為降低注射速度讓氣體有充足的時(shí)間排出型腔。
（2）不同澆口位置產(chǎn)生的熔接線。通過(guò)Z-MOLD后置處理的顯示可以對(duì)圖8和圖9的結(jié)果進(jìn)行比較。塑件外形約為97mmX76mmX85mm的箱體，設(shè)計(jì)成1個(gè)模腔1個(gè)澆口進(jìn)料，1模2腔模具。分析不同的澆口位置熔體在塑件形成的氣穴和熔接線/熔合痕。
一般來(lái)講，熔接線對(duì)制品強(qiáng)度有影響，并且在涂漆等后處理時(shí)，熔接線難以處理，所以必須縮短熔接線的長(zhǎng)度。為了在需承受外力的部位或者醒目的部位不產(chǎn)生熔接線，可通過(guò)CAE軟件預(yù)測(cè)熔接線位置，再通過(guò)改變制品設(shè)計(jì)或澆口設(shè)計(jì)，將熔接線移至不影響外觀及使用強(qiáng)度的部位。
圖8和圖9是兩種澆口方案，用Z-MOLD軟件分析得到的熔接線圖。如圖8所示，因?yàn)樗芰先垠w充填型腔時(shí)彎折多、流程長(zhǎng)、注射壓力損失大，前鋒料頭溫度下降現(xiàn)象嚴(yán)重，最后型腔最低溫度為215℃，熔接痕處力學(xué)性能較差。圖8的第3，4條熔接線處可能同時(shí)有氣穴存在，這樣該處強(qiáng)度會(huì)明顯削弱。如圖9所示，塑料熔體流程相對(duì)圖8的流程要短，壓頭損失、溫度變化相對(duì)圖8要少。試驗(yàn)表明，提高注射壓力、熔料溫度和模壁溫度有助于克服澆注系統(tǒng)對(duì)熔體的流動(dòng)阻力，能有效地將壓力傳遞到料流前，于是料流匯合處能在較高壓力下融合，從而熔接痕處密度增大，強(qiáng)度提高；圖9第1條融合痕距澆口近，這意味著注射壓力對(duì)該處作用較強(qiáng)，熔體溫度相應(yīng)較高，故熔體融合得較好，其它各處的熔接線形成的位置不是主要受力區(qū)。應(yīng)該注意的是，由于制品結(jié)構(gòu)本身的要求使熔接線/融合痕不可避免，但通過(guò)控制相遇的兩股熔體溫度差(不超過(guò)10-C)、提高注射壓力和模壁溫度等工藝條件使熔體融合處的強(qiáng)度提高一些。
以相同的工藝條件對(duì)圖6和圖7兩種不同的澆口位置進(jìn)行分析。查看Z-MOLD的流動(dòng)分析文本報(bào)告得知，圖6澆口的型腔壓力、鎖模力比圖7澆口的型腔壓力、鎖模力高很多。根據(jù)Z-MOLD分析結(jié)果的綜合比較，選擇澆口位置在制品頂部如圖7所不。
3、結(jié)束語(yǔ)
注射模CAE技術(shù)的發(fā)展，給模具行業(yè)帶來(lái)了一場(chǎng)技術(shù)革命。但因?yàn)樗芰先垠w是非牛頓粘彈性流體，制品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成型充模流動(dòng)過(guò)程的非穩(wěn)態(tài)、非等溫性，使充模過(guò)程的數(shù)值模擬相當(dāng)復(fù)雜，所以在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)作了一些假設(shè)，建模過(guò)程進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，這樣計(jì)算結(jié)果精度與實(shí)際結(jié)果會(huì)有偏差，然而總體趨勢(shì)與實(shí)際結(jié)果是一致的。
由于進(jìn)行CAE分析時(shí)還要重新建模，不能充分利用產(chǎn)品設(shè)計(jì)的三維模型，造成重復(fù)勞動(dòng)。國(guó)外注射模軟件商已開(kāi)始著手于集成化的CAD/CAE技術(shù)研究，并有商品化軟件形成。雖然這些軟件能識(shí)別CAD的三維圖形，但集成的CAD/CAE軟件本身不具備建立澆注系統(tǒng)、冷卻管網(wǎng)等的功能，使分析應(yīng)用范圍大大減小。目前國(guó)內(nèi)外注射模軟件制造商都在進(jìn)行CAD/CAE集成技術(shù)的研究，相信不久真正集成化的CAD/CAE軟件將面市。
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