CAE技术在模具设计过程中的并行应用

lzh.810 · 发表于 2010-10-11 17:12

本帖最后由老诚于 2010-10-11 18:48 编辑

0 Y* M* h4 M% u
CAE技术在模具设计过程中的并行应用
+ l! A: m; |- t4 h" N  O; \                                  杨　斌　李延杰　杨晓志　周利民
/ c) `7 X; n/ \. [' m: C                               (青岛海尔模具有限公司,青岛　 266103)0 M5 s: x% z* B8 z! W2 O
摘要
% u7 H4 B2 Y  X2 z6 m: r　介绍 CAE技术在模具设计并行工程中应用的基本思路、设计流程和主要特点 ,并应用Mold flow软件对空气取水机门盖进行 CAE分析 ,以说明 CAE技术的并行应用过程。实践证明 ,CAE技术的并行应用可以提高模具设计质量、缩短模具设计时间 ,为设计人员提供有效的技术支持 ,最大限度地发挥 CAE的技术优势。: K! z% ^7 e  A- }
关键词" r) \7 `( }. X$ n+ L& s
　CAE　 Mold flow软件　并行工程　模具优化设计. e* K) ?- M7 i3 ^
- K, t7 ?# g" l/ K$ ^4 U, H
/ i5 Y5 I6 d3 _1 f# a

0 r/ c* e$ a) T! @
' T6 l3 j( R4 Q. c) l$ B　　随着模具行业的发展 , 计算机辅助工程(CAE): W- D2 W9 ~* [6 z
技术已经在塑料模具行业得到越来越广泛的应用。
; W, N2 @: ]- O9 D它通过模拟塑料制品的成型过程 ,辅助模具设计工
  J8 h; p) a0 |4 p) [" s; o程师设计出精确、高效的模具;指导工艺师正确设定* z% j) [* i7 H2 s8 H1 o, q) `
生产工艺参数。在注塑模具行业 ,CAE软件能在模) C3 f0 g# i) E# G
具制造之前预测塑料熔体在型腔内的流变行为 ,因$ @& V: V- J: D* ?2 y
而能提高模具设计质量、降低模具成本、缩短模具制" @, R" ^! Z, C& r) S
造时间 ,因而得到注塑模具行业的极大关注[1 ]
. s' t/ R3 X  V" [9 h& L: L& {。( E9 _: l, e' k- C
青岛海尔模具有限公司作为我国模具行业的大: f9 p) m- ]  N9 F
型企业之一 ,面对激烈的市场竞争不断地进行技术! y  `6 N. G5 T6 o/ P- G% b
创新 ,在模具设计阶段采用制品和模具设计并行工
& Y: n& |0 m  d, d/ Q1 `/ S程 ,将 CAE技术应用于模具并行开发过程 ,已取得& p$ @& h0 D3 e! v
了较好的效果 ,提高了制品设计、模具设计的质量和- |( R1 {2 K8 V- `# R. l
效率 ,最大限度地发挥了 CAE技术的作用。
; V3 \1 A% k; P# e+ X+ D; D3 K( b5 ], {/ n8 T$ V- A: M
; J4 ~9 F6 o- b4 c( X! E
1 　CAE并行设计3 k- b" @' B. s. Q6 s
1. 1 　基本思想
( V. k! }4 h7 V0 j) @+ k% D% x以往在模具设计过程中 ,由于受到 CAE工程师2 r* S% C4 Z% c8 }6 T! G
技术水平和 CAE软件的限制 ,CAE技术主要用于分
. f8 n2 L) q( Q& `: e, `析、验证模具的结构设计 ,即结构设计工程师先将模( ?: v# v/ w# }' y. s& u# @
具浇注系统和冷却系统设计完成 ,然后由 CAE工程
, J, C: x+ f7 v- B1 B& B& x. v师进行 CAE分析 ,通过流动、保压、变形分析验证浇
& L& {% S- d4 ]# [9 R- L注系统及冷却系统的可行性。这样一来 ,一般周期
6 O4 O8 L7 ^% t较长 ,当设计任务较为繁重时 ,无法及时完成分析任1 ~# n) J8 @2 v
务 ,限制了 CAE作用的发挥。通过不断地实践和经: g; w9 a( x4 z/ s& L$ s. n
验积累 ,CAE 工程师提高了自身的技术水平 ,加之- L/ W) }$ v+ D5 L2 F* B
CAE软件的升级更新 ,CAE分析的效率和质量大为
, D# f# s% K" D8 e" ?, K7 A, W) W提高。为进一步提高 CAE技术的应用效率 ,我们在: D# X! u& P. w" A0 }4 L) o
模具设计过程中引入 CAE并行分析 ,不仅对制品设0 r& F; t3 |6 L) E9 y/ t. ]
计进行验证 ,而且对模具浇注系统及冷却系统进行
3 o! V- s+ c8 e7 g6 {8 K7 }/ z指导性设计 ,优化制品及结构设计方案 ,提高整个设" \7 z  t& h0 n, g- y# {" n4 }
计过程的效率。5 c2 i: A0 M( y& Z$ V
1. 2 　CAE设计过程对比
: V( i( z4 A* O8 X0 c传统模具设计过程是制品、结构、数模顺序的设7 ^9 J3 [7 D. L5 W
计 ,见图1。CAE分析处于模具结构设计之后 ,主要
3 {, {# s, A& k" p是对模具结构设计结果的验证 ,同时验证制品设计。
; d% j5 N2 k6 o% x: N/ P7 {当分析结果发现缺陷时 ,则需反馈给结构或产品部- H  X/ S+ [& c. E! k
门进行改进 ,提出改进措施。但由于时间的滞后 ,往, {$ S* c$ }9 a$ |2 y5 q6 V
往会造成设计工作的重复及工作量的增加 ,影响了
6 f& e3 k( O1 @( M7 k3 u7 q- c模具设计进度。7 b: R# d  ?, S6 u; ]
图1　传统模具设计流程图 0 E8 ^" W$ M, i  Q

: ^& I' w+ j* r6 l9 ^# b, B+ t& b
- @  o$ R( O* f8 ]9 s7 S: i" H　　随着计算机辅助设计技术的发展 ,以及工程数
/ N2 I. L% ~0 x据库和参数设计的综合运用 ,并行工程被有效地应
# w* j+ q9 J9 I" Q( T用到模具设计过程中 ,极大地提高了设计效率[2 ]
; ], S- L2 T1 l( e0 q5 ~# o/ I。( t) w# }' A+ C  \. p
图2为模具并行设计流程。4 H$ ?+ [3 }/ G8 v4 Z

9 E; j' W0 m" t( _, D( _/ b8 m+ B9 C$ O, ]1 U7 ^; J5 l) J
　　CAE并行设计过程的主要思想是在制品设计中
$ O, n4 ^& c( q$ U4 L后期通过 CAE 的简单分析 ,验证制品设计的合理
3 J  u/ }( I( H8 ?7 ]% c性 ,同时根据制品性能要求优化选择制品材料 ,根据
制品外观要求讨论制品进胶方式和可能出现的制品
" z6 \! U, M, M缺陷等。这样可基本确定浇注系统的大体形式 ,进4 J% @7 Z) x! [; W
行模架订购。在模架设计基本完成时 ,根据模具的
$ K7 }+ r0 H5 h" _: v$ j5 U' z( ]% L% A基本尺寸、产品放置位置等技术条件 ,进行 CAE 详9 T  Z5 E' c$ h+ H
细分析 ,从而确定浇注系统的具体位置及尺寸 ,对于6 j* |/ f) n* Y' f
有特殊要求的制品进行冷却变形分析。这种分析过
1 J2 T! i) r* o# W1 O5 j2 T4 c4 @. t: ~程充分利用了 CAE分析软件的优越性 ,同时发挥了
' x$ w3 V! z$ {6 dCAE工程师的技术优势 ,对模具产品、结构设计提供: z5 |  n6 y/ v+ o; ?
了充分的技术支持 ,提高了模具设计的水平和试模
  }! `) D% J. I  F& h% r1 C的一次成功率。
" o1 a: l% Q- D8 p  j' @8 G: H' a9 G. ~6 C( K* J, B
' l% l! n( J$ t- e; G
2 　CAE并行设计实例* N- m4 S4 d" R' y% v; [
　　现以使用MPI(moldflow Plastics Insight) 4. 0 软件
1 v2 ?  h+ f1 S$ ^. A8 F设计空气取水机门盖模具为例 ,简要介绍 CAE并行' |1 v1 r2 [/ f* T; u
设计在门盖模具设计过程中的应用。- M+ `8 d5 ?# f; z
2. 1 　制品优化设计
" Q0 t0 {( j+ E# H2 U8 f7 l7 o　　最初制品设计壁厚分布及初步确定的浇口位置2 T2 f# X" i/ g5 J4 y
如图 3 所示。制品最大外形尺寸为 605 mm(长) ×
( R9 n7 T. @9 |6 M360 mm(宽) ,主要壁厚为 3 mm ,筋位最薄处为0. 8
% q* y+ v$ I. h* ~5 mmm ,浇口形式为一侧进胶。用户要求制品为外观透
* \# e! Z1 \; V, S; }) ?明制件 ,预选材料为透明聚碳酸酯( PC) ,制品收缩% J5 f) x* E$ \; O! }
率为0. 5 %。9 R) a3 N$ J" _
7 y7 `% j- |- U# ^4 M* g

* X' w$ j6 Y" x+ Q1 ^3 W
, x! X* M+ R* d, p7 ?3 x                   图3　初始制品壁厚分布图. e. e! n0 g, ~2 @, Y8 j5 p+ \6 {) E& B
　　在MPI 4. 0 中输入制品模型、注塑材料及成型
2 ]$ n) ?$ q$ K' r! }工艺等初始条件以后 ,进行流动、保压、变形分析 ,通
过分析相关成型结果 ,得出表1所列的结论。
- D# O) Q# A, B* z% U7 n. F( p" X' A. j& y* L4 d% W. f9 l% n$ m. W3 y
' Q: Y4 C  F- l+ A$ ?8 r

& m" Y2 n, J9 Z$ g+ A* d! X$ [. [  L0 y$ M
　　根据用户对制品的质量要求 ,结合相应的 CAE
$ c' _1 k  \$ |# V) _分析结果 ,综合考虑模具成本、制品质量及效率 ,对- H( j$ I' [7 j; |) r8 E
制品设计及成型方案提出优化设计方案为:注塑材, n( S8 ?6 i& F8 c
料改用流动性相对较好的透明(丙烯腈/丁二烯/苯% y: x! `  f' L5 M/ b
乙烯) 共聚物(ABS) ,浇口位置改为制品正面中心
" A6 y' G+ g7 G" U! L$ u( m处 ,为掩盖浇口痕迹 ,在制品上设计一凹槽表面覆盖
  ?. w4 Y& v: _: d标牌 ,制品周边进胶位置的壁厚改为 2. 5 mm ,筋位1 R# J. B, A# m, ^5 M
最薄处改为1 mm ,优化设计的制品见图4。
! F5 Y& p* I- c4 ^/ |& r
& C% D6 A# L. r" c! U* i. m: x! Q* {3 m) z
　图4　优化设计制品壁厚分布图　 $ ^9 I4 B* L. ]( J0 Q7 u2 j4 x
( g/ F% S; x0 M6 N! E( f) S. O; r
+ r- P8 I  C* ]
将制品优化设计方案重新输入到MPI 4. 0中进/ H, a/ P4 H+ ~4 ~! ~: L" y* t, [
行流动、保压、变形分析 ,同时对注塑工艺进行初步
# J( |( y8 n# ?" f' j% [1 o. p, Z优化 ,得出的结论见表2。
1 `% E5 [0 V) B5 }8 j4 ^表2　优化设计方案成型分析2 w4 d; x0 G3 S3 r: @

3 d) G: a$ C5 F3 O5 {
1 D8 N7 \% x' k9 I5 L' Z
# C1 y$ D4 P- ]6 H1 U+ e; o& I; z9 z$ y3 u) ^9 h
成型结果 40 6 - 500 160～230 - 0. 4～0. 6
& e5 Z& j9 O/ H- U8 e% l; _结论成型压力适中锁模力适中高于迟滞温度变形不大% o. j6 h# X6 `. R
　　通过比较分析结果 ,改进后的制品设计方案成  ^/ f. o5 H) y3 {( \6 i, p: O8 i
型性能提高 ,在保证制品质量的同时 ,大大降低了制
! d9 S2 c5 f4 S2 ]1 u8 ~品成本及模具成本 ,满足了用户的要求。. V  U9 ~  w, T+ e5 F! t
2. 2 　结构优化设计- a/ T: _, W$ S6 U2 {- I
　　由于采用了模具设计并行工程 ,在完成制品优2 a4 a2 f7 |7 e# p  q
化设计的同时 ,模架设计也基本完成 ,在确定模具的- L5 E4 m9 K% s6 e, X( D; @' c
型腔数、制品定位、模架大小后 ,可以根据以上输入
4 E" l6 Z0 m0 ~条件设计出准确的 CAE模型 ,CAE设计模型如图 56 o* f" O! N9 N! y
所示。此套模具采用两板模直浇口 ,浇口位于制品( a1 [! g& Z5 E, U3 Y% Y( ^+ s
中心凹槽处。主流道尺寸为入口直径 ,达 4 mm ,双
) g  b7 f0 m: x  b, E/ C边斜度为2° ,高度为110 mm。
  d* Z% P1 T: K% r
/ p4 N8 ~0 s) J& x4 h! {9 ]- @) l7 S: B! f0 R% \2 O" t

. d# |( J  K. I9 u9 v2 \                   图5　CAE设计模型图' }) S- _9 D0 M# P! u! E) J
　　在完成初步分析的基础上 ,在 MPI 4. 0 中输入2 \& A4 [) K4 g; I. j
优化的螺杆曲线数值及注射、保压、冷却时间等工艺
4 D  L2 q+ m. L3 K/ R- \: ]: ^- Q/ X条件 ,进行 CAE详细分析。通过准确的成型结果确3 O4 p& o1 W, S/ C4 E9 E" E9 }
定优化成型方案 ,提供浇注系统详细的设计尺寸 ,指" W  F% E( ]) `0 K7 z
导模具结构设计。$ z/ v+ @& E  I' D
3 　结语2 t; j) p& Q: t3 E
实践证明 ,通过 CAE技术在模具设计过程中的. b. ]. b  n8 P( b) Y/ t' Y
并行应用 ,可以提供制品优化设计方案 ,指导模具结
& A& s% x/ @$ K; Y  ~* B+ \! j* I( f构设计 ,提高设计质量 ,缩短设计周期 ,最大限度地- i& F1 K4 Z& p# t% K! f
发挥 CAE的技术优势。
! \  L* z3 l- h4 ]+ v- M- u4 C; a# C+ Z
( w  W# p& j! P/ e. P/ S8 Z
参考文献% C; l$ x4 E, u: x2 H/ }  p& F
1　李德群,唐志玉,周华民,等.中国模具设计大典— — —轻工模具设
: U# q6 I8 a9 t+ W3 h. x9 H计.南昌:江西科学技术出版社,2002.
( N$ ]$ E* R: V: N& K: B/ I8 E9 5 杨斌 ,等:CAE技术在模具设计过程中的并行应用2　葛正浩,徐锋,李思益. T op2Down方法在成型模具设计中的应用.工程塑料应用,2003 ,31 (5) :41
* g+ b" i% F" |- W& c

★情有独钟★ · 发表于 2010-10-11 20:03

海尔模具的确不错

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