基于CAE技术的注塑模具设计

艾勇

摘要：塑料熔体在成型过程中会经历非常复杂的流动过程和传热过程，如果在注塑模具设计中引入CAE技术，采用分析和模拟模拟设计方案取代之前的实际试模，以便提前发现存在的技术缺陷，并对此做出及时修改。本文主要对注塑模内流动与传热数值分析理论进行了简要阐述，并通过实例阐述了如何在注塑模具设计中利用CAE技术以及如何利用该技术解决出现的问题。

关键词：注塑成型；CAE；技术；模具设计

中图分类号：TQ32 文献识别码：A 文章编号：1001-828X（2016）010-000-01

注射模CAE技术指的是通过利用塑料加工流变学基本理论以及传热学理论，构建塑料熔体在模具内部流动和传导的模型，通过计算得出其中的求解方法，并通过计算机图形学技术，将熔体的填充过程、冷却过程生动、直观地呈现在计算机屏幕上，并确定整个成型过程的具体参数。在模具制造过程中应用注射模CAE技术，利用计算机技术分析模具设计方案，并模拟成型过程，取代实际试模过程，以便提前知晓可能存在的缺陷，并制定出改进措施。这种方式摆脱了反复试模、修模的限制，便于设计人员对模具做出修改和调整。CAE技术在注塑模具设计中的应用，不仅节省了时间成本和人力成本，减少了修模次数，提高了模具合格率，减少了模具设计制造成本。

一、流动分析及其在模具设计中的应用

之所以进行流动分析，主要是对熔体流经流道以及浇口填充型腔的过程进行预测，这样一来，设计者确定的流道和浇口会更加合理，通过对锁模力和注射压力进行预测，从而更好地发现其中的缺陷，以便及时做出修改和调整，优化产品设计，提高产品质量。从当前来看，Hele-Shaw流动模型在流动分析实际过程中应用最广泛，该模型通过使用控制体积法对熔体前沿进行跟踪，以便采用动态化模拟法来模拟注射模的填充过程。经过流动分析，我们可以获得更准确的设计数据，如熔接线位置、气穴位置、充模模式、锁模力大小、注射压力大小等，与此同时，我们还可以更确切地了解到不同时间点下的不同位置下的模具内的物理量分布情况和变化情况，它包括温度、剪切速率以及压力等物理量。流动分析结果可以帮助设计人员及时对模具设计进行修改，有利于模具设计工艺的提高。

流动分析需要用到包括材料的物理性质、流变性质、成型工艺参数、浇口和型腔的参数等在内的数据，经过流动分析，我们可以获得更准确的设计数据，如熔接线位置、气穴位置、充模模式、锁模力大小、注射压力大小等，与此同时，我们还可以更确切地了解到不同时间点下的不同位置下的模具内的物理量分布情况和变化情况，它包括温度、剪切速率以及压力等物理量。

二、冷却分析在注射成型及模具设计中的应用

熔剂在冷却过程中会受到模壁温度以及温度均匀性的影响，而这两种因素会对塑件质量以及生产效率产生直接影响。在多种因素的影响下，注射模的温度状态会发生变化，冷却系统主要对注射模的温度进行控制和调节，冷却系统如果效率高，却温度控制均衡，注射模的冷却时间便可以大大缩短，同时塑件的残余应力能够减少，成型效率提高，从而生产出更高质量的塑件。注塑模的冷却过程涉及到热的传导，是一个不稳定的过程，冷却系统中的各个物理参数和几何参数会直接影响到模具内温度和热流，因此必须采用三维热扩散方程求解。可三维热扩散方程的计算过程十分复杂，导致它的实际应用性较差。由于模具运转稳定之后，模具内温度在一定周期内随着时间变化的程度不大，因此可以利用稳态冷却过程将之前的瞬态过程取而代之。模具的三维温度场计算演变为对Laplace方程的求解。边界元法离不开区域边界，可以应用于分析模具温度场领域。从模具的结构特征出发，将中缅模型与线单元分别应用于型腔以及冷却管道，这样一来，冷却过程分析结果的精确度以及稳定性不仅能够得到有效保证，而且也能减少繁琐的计算量。

冷却模拟所需要的数据包括：型腔的大小、形状、冷却孔的位置、大小以及连接关系等；塑料材料、模具材料以及冷却液的比热、密度，此外还有冷却液的粘度等；脱模、冷却液以及塑料熔体的温度、冷却液流量等。设计人员利用冷却分析结果可以对冷却截止的流动状态、雷诺数分布、冷却液流量、模壁温度、冷却时间等做出准确预测，从而帮助设计人员优化模具设计方案，提高模具生产质量。

三、结语

在注塑模具设计中引入CAE技术之后，传统的注塑模具生产开始迈入现代化发展阶段，传统的注射模生产方式被先进的生产工艺所取代，可是CAE技术在当前还不能将人的工作完全取代，它充其量是一种帮助人判断设计方案是否可行的工具，并不能为人类提供行之有效的改进方案。因此，设计人员需要反复分析、反复修改，这样才能优化模具设计方案，显然，设计人员自身经验以及设计水平对设计方案具有很大影响。如今，CAE技术不断提高，人们开始将CAE技术与模具优化设计技术相结合，目的是提高模具产品质量。

参考文献：

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作者简介：艾 勇（1992-），男，汉，湖南张家界人，本科，研究方向：材料成型及控制工程（模具方向）。