论CAE技术在注塑模具设计中的应用

张荷秀

摘要：注塑模具设计非常重要的工具之一是CAE技术，国外的CAE技术已得到广泛推广，在国内仍有待继续发展，CAE技术在产品设计、分析评估等方面有着无与伦比的巨大优势，能帮助设计师实现产品优化、分析、保压以及冷却分析、翘曲分析、优化产品技术参数等，提高模具设计的合理性和产品的质量，对产品实际生产应用具有重大意义。

关键词：CAE技术；注塑模具；设计；产品生产

中图分类号：TQ320 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）17-0038-02

CAE技术是通过计算机以假想线、面为基础，把产品分割成为有限个大小、数目、单元进行研究。即是将一个完整的个体人为地分成有限个单元，在计算机中获得产品的近似模型，并以此模型为蓝本，经过分析计算，从而得出各个单元的数据特征，评估、综合后而得到产品实体的数据。它的主要功能是设计产品、管理数据、计算机辅助设计、产品分析和生产的综合。

1 CAE技术在注塑模具设计中的现状

1.1 国外

国外CAE技术已经得到相当广泛的应用。20世纪50年代，美国的部分学者就开始运用数值计算的方法，建立聚合物过程的模型。到20世纪80年代，注塑成型方面已经实现广泛地应用CAE技术。如Moldflow（澳大利亚的MF公司）以及C-MOLD（美国AC-Tech公司，已被Moldflow公司合并）是目前国际上较为成熟的注塑CAE软件，另外CADMOLD（德国）、I-DEAS（美国）等应用也较为广泛。

1.2 国内

我国CAE技术的研究、开发、推广近年来也获得了不错的成果，如Z-Mold软件和HSCAE软件。但当前最严重的问题在于诸多企业对CAE技术的重视不够，没有认识到使用CAE软件的经济效益。另外，国内设计的CAE软件都是政府立项，研发主要依靠国家项目资金支持，CAE技术的继续研发和市场推广、应用受到极大的限制。

2 基于CAE技术的注塑模具设计流程

利用CAE技术进行注塑模具设计的具体步骤为：产品数据输入→划分单元、建立分析模型→设定条件→分析方案→评估→确定方案。整个设计流程的技术关键：（1）产品造型：通过三维成像设计软件完成产品的建模，同时通过对使用条件进行模拟分析、预测产品的使用情况等；（2）模具设计：模具以CAE结果为基础利用三维CAD软件设计模具；（3）产品分析：根据产品的相关数值通过CAE技术实行模拟流动等分析，优化产品的设计；（4）优化设计：根据CAE的结果，修改模具模型，实现最优化的模具设计结果；（5）结构分析：利用CAE对模具结构多方面、多角度进行分析。

3 CAE技术在注塑模具设计中的应用

3.1 产品设计的优化

利用CAE技术实现产品的分析、评估和优化，协助设计师进行产品的外观、合理壁厚、原料的选择，高效准确地实现最优塑料产品的设计，且通过计算机进行环境模拟，通过计算机直观地获得产品的形状和性能，并进行机械性能检测，预估在外界因素作用下产品的各项指标的变化情况，实现产品设计、强度的优化，同时也省略产品的原型试验的过程，使注塑模具的设计不再受设计者的经验、个人倾向的影响，节约人力物力，并获得最优的产品设计结果。

3.2 注塑模具设计的重要工具

一般进行模具的设计需要反复的试验，最终才能完善设计。利用CAE技术，可以对产品模型的大小、构成系统、内部结构等进行优化，并通过计算机系统对各项指标进行测试。CAE可进行注塑模具的产品造型、材料选择、工艺流程、注意事项等的分析，设计师可以以这些信息为参考，进行模具设计。

3.2.1 产品优化：快速检查产品相关零件设计的生产能力，设计师可以得到有关材料或几何体、浇口位置、壁厚的信息。CAE的结果和设计建议可实现产品生产细节的最合理优化，并消除生产过程中产品外观、连接缝隙、产品缩小等问题。

3.2.2 保压和填充：各种CAE软件最基本的分析功能之一，可实现注塑模具设计的实体仿真模拟。通过对产品温度、生产时间、大气压力、融合时间、力量大小等的结果进行分析，帮助确定浇灌出口的数量、优化浇灌和选择出口位置的系统，并进行排气位置、产品温度、熔接位置选择等的预测，及时发现和处理塑料产品中存在的质量隐患。

3.2.3 翘曲分析：翘曲变形原因很复杂，对完成产品尺寸的预测，可以预测产品的性能、模具结构以及工艺参数的合理性。它的主要分析输出结果包括变形量和应力等，可帮助用户找出翘曲变形成因，提高制品的尺寸精度，为用户提供有用的参考数据，并优化制品的结构参数。

3.2.4 冷却分析：通过模拟监测注塑成型的冷却过程，预估型腔热流分布、表面温度和冷却时间等，在产品制造之前，判断生产线的冷却系统的设计是否存在缺陷和不合理之处，优化冷却回路的铺设，得到最佳的冷却效果，减少成型时间，同时避免因冷却原因导致的产品的翘曲方面的缺陷。

3.2.5 优化工艺技术参数：受到个人实践经验的局限，设计师很难实现工艺参数的精确选择，CAE通过模拟注塑模具设计的全过程，预估可能产生的问题，进行定性与定量解析处理，了解模具型腔中的情况，使设计师可以此为参考，搭配原料品种、生产设备等，并获得生产温度、生产压力、塑料表温、生产时间控制等最佳的工艺参数，进行多方案对比后选择最优的设计方案。

4 CAE技术在注塑模具设计中的发展

在注塑模具设计过程中，CAE技术获得了广泛的支持和使用，取得了理想的成绩，但在未来注塑模具设计的应用过程中，CAE技术仍有待完善、发展：

（1）与三维成像技术的集成：当前CAE技术与三维成像技术间存在不同的数据技术标准，因此导致一些数据的误差失真，采用统一标准，将更有利于开发专属于注塑模具设计的CAE系统。

（2）耦合分析：可有机地将设计工作流程中的各个步骤，如三维成像、产品测试、参数调控等模块结合起来，利用耦合分析的功能，全面细致地获得注塑模具设计的产品的实际使用情况。

（3）高效：随着现代科学技术的发展以及更加复杂的算法和设计规划流程软件的应用，将大大提高CAE技术的工作效率，从而促使在注塑模具的设计过程中，更加广泛地应用CAE技术，提高整体的效率和质量。

（4）智能化：将电脑智能、自动化等人工智能技术集成到CAE技术中，实现CAE技术自主完成设计、推演参数、模拟产品使用情况等，大大提高注塑模具设计的合理性和质量。

CAE技术的应用，使得模具设计及参数选择实现更加科学的分析，大大提高模具设计的水平，CAE技术与人工智能的组合将可达到模具设计的自动优化的目标，从而解决因为经验、技巧等原因导致的设计问题，提高模具设计的合理性和产品的质量，对实际生产应用具有重大意义。

参考文献

[1] 罗超，等.CAE技术在注塑模具上的应用[J].煤矿机械，2011，32（5）：195-196.

[2] 任玉珠.基于CAE技术的注塑模具高效率设计方法

[J].制造业自动化，2011，33（3）：137-139.

[3] 王艳丽，钱应平，程瑞锋.基于RP和CAE的注塑硬模快速制造技术[J].热加工工艺，2009，（1）：39-42.