模具设计过程中CAE 软件的应用

葛丹

（厦门建霖健康家居股份有限公司，福建 厦门361023）

作为重要的工艺装备，模具在电器制造、汽车制造等多个领域得到了运用。而想要保证模具的加工精度，还要合理设计模具，确保产品整体加工获得完整形式。运用CAE 软件建立模流分析技术体系，能够对模具设计问题展开系统分析，缩短模具开发时间的同时，保证设计质量，从而使模具设计水平得到提升。

1 CAE 软件概述

CAE 软件为CAE 技术的载体，可以划分为专业类和通用类。专业CAE 软件用于对特定对象，能够实现性能分析、预测和优化，包含Moldflow、Autoform 等多种。通用CAE 软件能够用于对不同对象进行力学和物力性能分析，通过模拟分析和预测优化完成产品技术创新，包含ANSYS、NASTRAN 等。而CAE 为Computer Aided Engineering 的缩写，指的是计算机辅助工程技术，能够利用计算机对CAD 几何模型的物理性能展开分析。通过对产品运行状态进行仿真模拟，能够为产品设计改良提供支持。在复杂工程问题求解过程中，也可以采用该技术进行力学分析，通过近似数值分析实现结构性能改良。搭载CAE 技术的软件通常由前后处理器和求解器构成。其中，前处理器用于建模、网格划分、边界条件设定等操作，输出的结果将被求解器接收。结合条件，通过数值分析能够得到问题的答案，输出有规则的数据。利用后处理器进行接收和处理，能够得到接口图形，便于用户辨别。

2 模具设计过程中CAE 软件的应用方法

2.1 在注塑模具设计中的应用

在塑料模具设计方面，由于多采用注塑成型技术。应用CAE 软件，能够运用材料流变理论对塑料射出成型过程展开分析。根据能量守恒、质量守恒等原理，通过模拟高分子材料热力变化过程，分析保压、填充等行为，能够掌握相关工艺参数，如模穴内材料的压力、速度等。在模具冷却成型阶段，可以通过分析参数间的关系对其变形行为进行预测，为工艺参数调节和品质改善提供依据。

现阶段，专门用于分析注塑模型设计问题的CAE 软件较多，最为常见的为Moldflow，能够用于对塑件成型过程中材料填充流动过程展开分析，使试模次数得到减少。从软件应用效果来看，能够使模具开发周期得到缩短，并通过降低不良率节省开模成本。

实际应用CAE 软件对注塑模具设计过程展开分析，需要先完成熔体充模过程的仿真模拟分析。在注塑过程中，熔体将从浇口、流道等位置通过，然后才会进入型腔。期间将发生复杂流动，通过模拟分析对浇口流道位置、数量等进行确认，完成注塑压力等参数的合理预测。针对分析发现的不合理参数进行改良，能够使熔接痕等缺陷得到减少。对保压过程展开分析，能够根据得到的保压时间等参数实现浇口结构优化设计，使熔体收缩过程中产生的变化得到有效控制。模拟冷却过程，能够掌握模具加工过程中的热交换情况，通过科学预测给出最佳的冷却介质流速等参数[1]。塑件容易发生翘曲变形，而通过CAE 软件展开分析，能够掌握加工过程中塑件承受的应力，通过修正加工条件改善塑件性能。

在计算机上完成模具设计过程模拟，根据发现的加工问题进行模具合理设计，能够使模具返修问题得到减少，因此能够在控制成本的同时，使产品加工质量得到提高。

2.2 在冲压模具设计中的应用

在工业制造过程中，也将采取冲压成型工艺。能否加工得到高质量的工件，不仅取决于工艺技术，也将受到模具设计因素的影响。以往多根据人员经验进行模具设计，然后通过试模确认能否满足成型要求，期间需要浪费较多材料，产生一定时间成本。应用CAE 软件进行冲压过程分析，能够将材料选择、工艺技术与模具设计结合在一起，通过仿真分析实现改进，从而加快模具设计。利用有限元算法，能够对毛坯加工的各个步骤展开分析，针对出现的缺陷进行成因分析，为模具设计改进提供依据。现阶段，常见专用软件为DEFORM-3D，能够对建模、成型性能分析等功能进行集成，通过分析模具应力、金属微结构等情况完成模拟仿真，为模具设计提供强有力的技术支持。

从CAE 软件应用过程来看，需要先利用软件建立冲压成型模型，可以直接利用系统接口导入不同格式的数据，利用软件算法建立相应模型。通过有限元分析，能够实现数据离散化处理，根据边界条件建立非线性方程组。通过迭代分析完成方程求解，能够得到有线网格。利用软件完成网格划分后，可以对工件实施应力分析。对工件应力进行模拟，可以将荷载在模具对应位置上映射。根据得到的可视化分析结果，能够获得模拟分析数据，通过改进设计使冲压成型过程中出现的拉裂、起皱等缺陷得到消除[2]。

因此在冲压模具设计过程中，CAE 软件为重要辅助工具，能够实现自适应分析和处理，生成成型缺陷分析报告。根据报告中的数据进行模具设计，能够保证工件加工精度，同时使试模时间得到有效减少，因此能够带来一定经济效益。

2.3 在压铸模具设计中的应用

在压铸模具设计方面，主要可以采用Cast designer 进行模流分析。作为专用软件，Cast designer 能够用于对铸造过程中金属流动、凝固等过程展开分析，并通过热传递分析、力学分析等手段得到模拟仿真数值，为模具设计提供依据。利用软件进行流道设计，可以结合铸件体积、尺寸等对充填时间、充填率等参数进行预测分析，通过比对为模具浇口、流道等各部分设计提供科学数值，继而使模具得到优化设计。

3 模具设计过程中CAE 软件的应用实践

3.1 项目概述

某塑件属于下盖部分，外形尺寸为205mm×50mm×16mm，厚度为1.2mm，采用PC+ABS 材料，通过注塑方式加工成型。利用进口胶进行塑件充填，设计采用4 点羊角浇口，保证成型完整。模具利用四个滑块进行抽芯脱模，最大的一个在侧孔位置，需要利用支斜顶脱模。按照工件加工外观要求，拉模角度为3°，非外观为1.5°，利用圆角过渡，以免出现应力集中问题。由于外观面无法设置浇口，还要在侧面开设浇口进料，通过方形料片连接产品。

图1 产品浇筑示意图

3.2 模流分析

图2 填充时间

采用Moldflow展开分析，对0.701s、0.801s、0.901s、1.201s 四个不同时间点塑件填充状态进行确认，可以发现塑件四个角是最后被充满的，直至1.2001s 才熔体充填结束。在四个角位置，将从注塑速度向压力转换，容易出现短射问题。利用软件展开分析，发现在1.140s 时能够达到98%以上充填，转换压力达到57.0MPa。在进浇口位置，压力达到45.6MPa，然后持续补缩，直至模具型腔被充满。为保证工件整体装配效果，需要利用软件进行翘曲分析，确定变形情况。

从软件分析结果来看，在x、y、z 三个方向变形分布相对均匀。但在末端充填位置，将发生0.3～0.5mm 的变形。结合这一特点，还应增加末端冷却和排气，达到严格控制变形量的目标。从末端流体前沿温度分析结果来看，最低能够达到226.8℃，最高为230.5℃，均在合理范围内。而温度最低的位置仍然为末端，还应加强排气，以便使成型效果得到改善。从气穴分布情况来看，多数分布在下盖四周和熔接线位置。为解决困气问题，还要在熔接线位置完成排气孔开设，并在主分型面上进行排气槽开设。在与产品相连的位置，还应将深度控制在0.02～0.03mm 范围内，尾部应达到0.2mm。

3.3 模具设计

根据模流分析结果进行模具设计，外形尺寸应为500mm×400mm×490mm，为多点羊角浇口热流道模。结合模芯尺寸及模具强度，需配合采用HTF-280t 海天注射机。模具共包含四个滑块和十五个支斜顶，利用六只斜导柱和对应复位弹簧对滑块进行滑动，使工件从四周侧向位置脱模。考虑到模具结构复杂，还要开设KO 孔进行注射机顶杆固定，通过强制复位保证结构稳固。利用点浇口热流道进料，能够使结构得到简化，并通过后期喷漆将熔接线盖住，使模具成本得到降低。在模具使用过程中，需要使定位圈与注射机定位孔对正，将安全门关闭后，可以进行定模合拢，使熔融态物料挤入模具。通过充填、保压，冷却20s后可以将工件取出，利用模块将工件与模具分离开来。直至开模达到450mm 的距离，可以彻底将工件斜顶脱出。从模具设计效果来看，利用模流分析数据进行结构设计，能够一次性完成模具设计与加工。用于注塑加工，得到的产品外观性能良好，且质量稳定，能够达到加工要求。

4 结论

应用CAE 软件进行模流分析，能够对模具使用过程进行模拟，通过发挥软件强大数据处理和分析功能确定各项参数是否合理，完成工件加工缺陷产生原因分析，为模具设计提供科学依据。从软件使用情况来看，能够使试模次数减少40%左右，使每套模具成本减少约20%，时间平均减少30%，因此能够使模具设计水平得到提升。