气辅注塑模具设计中的CAE（moldflow）技术

程胜文

摘要：利用CAE技术可以在模具加工前，用计算机对整个注塑成型过程进行模拟分析，正确预测熔体的填充、保压、冷却等方面的情况，从而能使设计者尽早发现问题，并能快捷地修改设计方案，这样有效地降低了成本和缩断了生产周期。本文以美国的moldflow公司的分析软件为工具进行注塑成型分析研究。以汽车椅子背框、后视镜为例，介绍CAE（moldflow）技术在注塑模具设计中的应用，说明CAE（moldflow）技术在该领域应用的良好前景。

关键词：计算机技术 CAE（moldflow） 气辅注塑模 设计

中图分类号：TQ320.66 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

1、 概述

传统的注塑模设计中，一般先由设计人员凭经验和设计手册设计出模具图纸并制定相应的生产工艺，然后进行模具加工，装配试模，一旦试模出现问题，就需要重新设定工艺参数，乃至修改塑料制品的形状和模具结构，如此反复，这势必增加成本，延长了产品开发周期，给生产和经营带来不必要的损失。

利用CAE技术可以在模具加工前，用计算机对整个注塑成型过程进行模拟分析，正确预测熔体的填充、保压、冷却等方面的情况，从而能使设计者尽早发现问题，并能快捷地修改设计方案，这样有效地降低了成本和缩断了生产周期。本文以美国的moldflow公司的分析软件为工具进行注塑成型分析研究。

2、 椅子背框CAE技术在注塑成型中作用

首先，应根据塑料产品的尺寸和形状，利用CAD完成其三维的造型（本人使用的是UG NX 3.0），然后将其以STL的格式存储，再用moldflow来分析计算。Moldflow作为成功的注塑产品成型仿真及分析软件，利用的基本思想也是工作领域中最为常用的有限元方法，因此精确地划分“网格”（mesh）是moldflow分析的前提，现以两款产品椅子背框、后视镜为例来说明其应用步骤。

2.1 工艺设计

椅子背框是一副气辅模具，它的材料是PA6+40%GF（DUPONT 的zytel 73G45），重量是2430克，它的材料特性可以在软件的菜单中相对应地找出，并根据设计手册所提供的资料初步定出工艺参数：

（1） 熔融温度270℃，（Range：260-290℃）；

（2） 温度分布：区域1：285℃；区域2：280℃；区域3：275℃；区域4：270℃；射嘴：270℃；

（3） 最大螺杆转速：0.3×60000./.（screw diameter ×3.14）rpm；

（4） 模具温度：85℃（Range：65-110℃）；

（5） 保压压力：85±15Mpa；

（6） 保压时间：3sec/mm

（7） 注射速度：～300mm/sec；

2.1.1 预测浇口的位置与浇口的数量

浇口是连接流道和型腔之间的一段细短通道，是浇注系统的关键部位，其形状、尺寸、位置和数量对塑料制品的质量影响很大。形状和尺寸可以根据制品的重量和外观来选，此产品的尺寸是长×宽×高=600×503×208mm3选定了形状和尺寸后，位置和数量就成了极为重要的问题。一般的设计者都是根据资料上所制定的原则加上一些实际经验来选定的，而经过CAE（moldflow）分析后可给出最佳浇口的位置和数量，由于该产品的材料PA6+40%GF，壁厚约为3.5～48.7mm，成型周期约为210s，尼龙料有一个特性，时间长了，易冷凝成冷料，给成型造成困难，故该模具采用的是热流道，浇口是潜伏式浇口，并采用两点针阀式进料。浇口直径为4.03～10.05mm的圆锥形，长度为60.11mm。图1就是浇口的位置和数量，我们可以根据图中所示来选取浇口的位置和数量，为进一步分析作准备。

2.1.2 优化注塑工艺参数

影响注塑工艺的因素很多，但主要是温度、压力和时间。由于经验的局限性，工程技术人员很难精确地制定出最合理的工艺参数，并确定最优的工艺方案。而借助moldflow软件，工程人员可确定最初的注射压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、保压压力和保压时间、冷却时间等，以成型出最佳的塑料制品。在确定了浇口的位置和数量后，计算机将给出最佳工艺参数，并根据这些参数进行下一步分析。

2.1.3 模拟注塑流动过程和塑料件成型质量预测

在实际生产中，对于任何注塑成型来说，最重要的是控制塑料熔体的流动方式和流动方向，以使塑料件成型稳定、可靠、经济。Moldflow的流动分析可帮助我们提出预测塑料熔体在模具中的流动情况及填充可性度的分析，这对模具设计是非常有利和非常重要的。

从模拟分析中可以看出其填充的可信度是很高的，制件的填充行为是合理的，流动是平衡的，能完成对制件的完全填充等。

由图2图3不同时间充气的模拟分析中可以看出在不同的时间，气体到达的位置，同时可以预测零件最终的充气结果，而且从图上所给出的数据可以肯定的是，所选的气针位置是正确的，两边的充气非常平衡。

2.1.4 冷却过程的模拟计算

通过分析冷却系统对流体的过程影响，优化冷却管路的分布和工作条件，从而产生均匀的冷却，并由此缩短成型周期，减少产品成型后的内应力。由图4图5可看出，塑料件冷却情况极少部分是中等级别，绝大部分是极好的，这对开设冷却水道提供了依据。

从这个图5冷却剂温度模拟分析中可以看出冷却剂（一般为循环水）进入模具时的温度为24.99℃，从模具出来的温度为25.02℃，其温差为0.03℃，温差不大，冷却效果很好，这说明冷却管道的位置、冷却管道布局是合理的，冷却管的数目、冷却管的直径均可以满足设计要求。

冷却剂流动速率对冷却系统的热传递能起决定性的作用，而雷诺兹指数是衡量流动行为的重要指数，雷诺兹指数越大，说明冷却剂流动速率对冷却系统的热传递越好。从这个图6冷却剂雷诺兹指数模拟分析中可以看出REYNOLDS NUMBER（雷诺兹指数）分析值为10000，说明冷却剂流动速率很快，能够达到理想的冷却效果。

通过冷却分析结果可判断塑料制件冷却效率的优劣，根据冷却计算出冷却时间长短，确定成型周期，在获得均匀冷却的基础上优化冷却管道的分布，尽量缩短冷却时间，从而缩短塑料制件的成型周期，提高生产率，降低生产成本。

3、 后视镜缺陷的预测

Moldflow还可以预测塑料制件在成型过程中可能出现的缺陷。如局部的凹陷，熔接缝等，本文以后视镜为例来说明一下。后视镜的材料是NOVODUR P2MT BAYER ABS 产品的重量是243.65克。

由图6 分析示意图中我们可以清晰地看出该产品的熔接缝分布，而且知道了哪个位置熔接缝最长，这样我们在设计模具的时候，选择出最佳的浇口位置。熔接缝是客观存在的，我们无法完全彻底地消除，但是我们可以改变浇口的位置，让熔接缝出现在产品的不重要的地方，即不是完全暴露在人们的视野中。

从产品表面缩痕分析中非常清楚地显示出产品表面的缩痕情况，在moldflow分析状态下红色是缩痕很严重的部位。因为产品的壁厚是3.5～12.6mm，如果设计不是气辅的模具，从常规的工艺上很难消除上面的缩痕，即使能把缩痕补掉，但可能产品的尺寸就不对了，因此设计人员可设计成一副气辅模具，并由moldflow分析出气辅成型时的模拟充气情况。

通过moldflow分析，从图7充气模拟图中我们可看出该产品的充气效果非常好，有缩痕的部位都充到了气，特别是缩痕很明显的地方，并由图8充气后的3D模拟效果图上可以很直观地看到，充气后补缩情况非常好，产品表面质量情况也非常好。

4、 结束语

利用CAE（moldflow）分析软件，可以快速地确定浇口的位置以及数量、流道和工艺条件等对塑料制品成型和质量的重大参数，从而利用moldflow提高了模具设计及工艺参数设置水平，改变了靠经验传统设计造成制品的不合理的状况。另外利用moldflow软件，试模和修模可以在计算机上进行，改变了传统的模具设计往往要经历的反复试模、修模后才能成功，大大提高了模具设计质量，极大地缩短了模具加工制造的周期。

参考文献：

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