CAE技术在模具设计过程中的并行应用

lzh.810

CAE技术在模具设计过程中的并行应用
                                    杨 　 斌 　 李延杰 　 杨晓志 　 周利民
                                  (青岛海尔模具有限公司,青岛　 266103)
摘要
　 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。
4 g6 }6 H! N2 p关键词
( f* @/ b3 V& q- |2 Q. p* z/ W　CAE　 Mold flow软件 　 并行工程 　 模具优化设计


+ \# K8 K( @8 q7 k+ o
3 G1 O* O' L7 P$ r- U  |4 ]# O
4 y0 Z% o) m( o　　 随着模具行业的发展 , 计算机辅助工程(CAE)
技术已经在塑料模具行业得到越来越广泛的应用。
) r+ e: J: q5 E& z8 s它通过模拟塑料制品的成型过程 ,辅助模具设计工
" k% ?0 n- B# v1 x程师设计出精确、 高效的模具;指导工艺师正确设定
生产工艺参数。在注塑模具行业 ,CAE软件能在模
3 {+ B- h; q$ Y" W具制造之前预测塑料熔体在型腔内的流变行为 ,因
而能提高模具设计质量、 降低模具成本、 缩短模具制
造时间 ,因而得到注塑模具行业的极大关注[1 ]
。
青岛海尔模具有限公司作为我国模具行业的大
4 d0 T* Y* n* @4 M8 [. _型企业之一 ,面对激烈的市场竞争不断地进行技术
创新 ,在模具设计阶段采用制品和模具设计并行工
程 ,将 CAE技术应用于模具并行开发过程 ,已取得
了较好的效果 ,提高了制品设计、 模具设计的质量和
- Z" r; a, T8 W! Q2 f2 ~) v; t效率 ,最大限度地发挥了 CAE技术的作用。
# t9 E4 W9 B  i2 g( Q- b

/ q* T6 v1 C" e' N# v1 　CAE并行设计
1. 1 　 基本思想
: B* @- X6 m* C# ?: P以往在模具设计过程中 ,由于受到 CAE工程师
& f1 N. i3 L' u! a. |4 U. t技术水平和 CAE软件的限制 ,CAE技术主要用于分
析、 验证模具的结构设计 ,即结构设计工程师先将模
7 d1 Q2 X& G) ]1 ]& i3 m% w; x具浇注系统和冷却系统设计完成 ,然后由 CAE工程
师进行 CAE分析 ,通过流动、 保压、 变形分析验证浇
2 K7 @8 @) z- l: d注系统及冷却系统的可行性。这样一来 ,一般周期
较长 ,当设计任务较为繁重时 ,无法及时完成分析任
# z" q0 r2 [0 z6 \( k1 C/ d务 ,限制了 CAE作用的发挥。通过不断地实践和经
1 \! S1 i( n4 W& r- H* o验积累 ,CAE 工程师提高了自身的技术水平 ,加之
CAE软件的升级更新 ,CAE分析的效率和质量大为
提高。为进一步提高 CAE技术的应用效率 ,我们在
% R: s) f# Z7 U. E' {2 q+ h模具设计过程中引入 CAE并行分析 ,不仅对制品设
. f, a/ q) m; [2 R4 N, l. b( u+ s计进行验证 ,而且对模具浇注系统及冷却系统进行
6 R. H  T' s, h% B指导性设计 ,优化制品及结构设计方案 ,提高整个设
3 o7 |) Q- t, f! m% h" V5 m) H计过程的效率。
1. 2 　CAE设计过程对比
传统模具设计过程是制品、 结构、 数模顺序的设
计 ,见图1。CAE分析处于模具结构设计之后 ,主要
* H; v1 I. t5 w  w是对模具结构设计结果的验证 ,同时验证制品设计。
当分析结果发现缺陷时 ,则需反馈给结构或产品部
4 F2 o7 k0 Q& ~- t4 S门进行改进 ,提出改进措施。但由于时间的滞后 ,往
; S2 @# ~$ R" }& {# y& E( G往会造成设计工作的重复及工作量的增加 ,影响了
模具设计进度。
图1　传统模具设计流程图   
1 a. [1 F: g, J; _                                                                                                        
+ ^" m( r- q0 }! ]/ r
　　 随着计算机辅助设计技术的发展 ,以及工程数
) q8 t; @. l' [据库和参数设计的综合运用 ,并行工程被有效地应
用到模具设计过程中 ,极大地提高了设计效率[2 ]
9 |3 c5 \' m) i& p' a9 A, D。
图2为模具并行设计流程。


2 l* ?7 L" M9 a7 ~% N4 _　　CAE并行设计过程的主要思想是在制品设计中
后期通过 CAE 的简单分析 ,验证制品设计的合理
- n- L- z* }' R) S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
8 U) x3 q5 Z9 A7 s& Z  ~0 E缺陷等。这样可基本确定浇注系统的大体形式 ,进
行模架订购。在模架设计基本完成时 ,根据模具的
/ `% w2 i$ @& B% Z* n基本尺寸、 产品放置位置等技术条件 ,进 行 CAE 详
. O0 M/ s2 x# U/ l6 a' t$ W$ g细分析 ,从而确定浇注系统的具体位置及尺寸 ,对于
有特殊要求的制品进行冷却变形分析。这种分析过
5 i7 \8 t: f! \; ]" b3 U程充分利用了 CAE分析软件的优越性 ,同时发挥了
! j. o+ L4 F! }8 f6 p& {3 ACAE工程师的技术优势 ,对模具产品、 结构设计提供
了充分的技术支持 ,提高了模具设计的水平和试模
# z: b+ @( u* _3 N0 N* x0 O9 e4 p# T的一次成功率。

  t3 `* p% O# a7 n$ O, k, p2 u
+ q4 B* O1 D4 Z, i; J2 　CAE并行设计实例
0 t( v  H$ c1 X0 e8 ]6 W9 B7 m　　 现以使用MPI(moldflow Plastics Insight) 4. 0 软件
! Q) p+ f# L5 ^6 c* a设计空气取水机门盖模具为例 ,简要介绍 CAE并行
7 \: e  q# R; q5 x设计在门盖模具设计过程中的应用。
- r8 ?8 }) M7 v8 L: U- x+ t" u" C2. 1 　 制品优化设计
6 t# Z% n) K* A& p- A　　 最初制品设计壁厚分布及初步确定的浇口位置
9 ^5 K- \2 X4 f3 V( V如图 3 所示。制品最大外形尺寸为 605 mm(长) ×
- i+ n* F0 A, P9 Q6 F  W( r360 mm(宽) ,主要壁厚为 3 mm ,筋位最薄处为0. 8
' E$ i9 e3 X9 i) ~+ {3 m/ t, E8 }mm ,浇口形式为一侧进胶。用户要求制品为外观透
$ m0 v6 b4 Q( J& e! B4 l9 Y% R8 G明制件 ,预选材料为透明聚碳酸酯( PC) ,制品收缩
- N9 ~8 t: y4 c$ ~1 t率为0. 5 %。



                      图3　初始制品壁厚分布图
　　 在MPI 4. 0 中输入制品模型、 注塑材料及成型
( y) C  S; X, d8 N4 T# g工艺等初始条件以后 ,进行流动、 保压、 变形分析 ,通
5 q, e- ?+ O- O/ _过分析相关成型结果 ,得出表1所列的结论。
  M! G2 {9 X0 q! S4 {  W& c! S& M
. f3 N1 {7 z' p! V0 P
' |, U8 D9 s# C' ]0 ?
- A9 @2 k# {( b& ]7 _' h
　　 根据用户对制品的质量要求 ,结合相应的 CAE
5 j6 H8 K/ p6 K! r" J分析结果 ,综合考虑模具成本、 制品质量及效率 ,对
% x5 ?0 A! h0 M3 @  B7 _制品设计及成型方案提出优化设计方案为:注塑材
, [' p$ F6 C* h1 g( G( W1 c料改用流动性相对较好的透明(丙烯腈/丁二烯/苯
4 {% H- ^/ g$ }乙烯) 共聚物(ABS) ,浇口位置改为制品正面中心
处 ,为掩盖浇口痕迹 ,在制品上设计一凹槽表面覆盖
; ?9 d7 Z% ]% m1 m( L: G标牌 ,制品周边进胶位置的壁厚改为 2. 5 mm ,筋位
最薄处改为1 mm ,优化设计的制品见图4。

1 l! E# o5 X8 k, p+ Y( r+ `" ?
' @: b4 U8 g& h3 U6 h  P# K　图4　优化设计制品壁厚分布图　


4 [6 A9 `8 h; x' c将制品优化设计方案重新输入到MPI 4. 0中进
行流动、 保压、 变形分析 ,同时对注塑工艺进行初步
优化 ,得出的结论见表2。
表2　优化设计方案成型分析
$ ~0 W& I2 Q# _# e1 i


8 a6 i/ r! z! h4 |3 [5 \9 j* X
成型结果 40 6 - 500 160～230 - 0. 4～0. 6
: `% E8 T) @7 r. M! d8 l! S" r3 t结论 成型压力 适中 锁模力 适中 高于迟滞 温度 变形不大
　　 通过比较分析结果 ,改进后的制品设计方案成
型性能提高 ,在保证制品质量的同时 ,大大降低了制
# o% n0 x1 W$ F品成本及模具成本 ,满足了用户的要求。
2. 2 　 结构优化设计
　　 由于采用了模具设计并行工程 ,在完成制品优
- C  d: ]  _. \' |. P3 U% d化设计的同时 ,模架设计也基本完成 ,在确定模具的
  a' i/ U* e1 ]型腔数、 制品定位、 模架大小后 ,可以根据以上输入
条件设计出准确的 CAE模型 ,CAE设计模型如图 5
" k7 L, K3 S5 R, I所示。此套模具采用两板模直浇口 ,浇口位于制品
中心凹槽处。主流道尺寸为入口直径 ,达 4 mm ,双
边斜度为2° ,高度为110 mm。


# I% m/ K# r5 j; ^3 ~+ }
                      图5　CAE设计模型图
! a' W+ Q4 \, P. u% J+ N4 W　　 在完成初步分析的基础上 ,在 MPI 4. 0 中输入
# H" z% a9 ~- _) m4 B优化的螺杆曲线数值及注射、 保压、 冷却时间等工艺
& X# ]! ^" P4 z( |5 y* X条件 ,进行 CAE详细分析。通过准确的成型结果确
定优化成型方案 ,提供浇注系统详细的设计尺寸 ,指
3 z% @$ ?" I  [/ Q# a! Y' {导模具结构设计。
8 O* |7 a5 c* R* y1 \  f3 　 结语
- O( N/ C4 K2 {* N  p$ x, b+ O4 E实践证明 ,通过 CAE技术在模具设计过程中的
) |5 [4 c2 q  d, |; \并行应用 ,可以提供制品优化设计方案 ,指导模具结
构设计 ,提高设计质量 ,缩短设计周期 ,最大限度地
7 A: h& q, [1 o$ {! J, U, l% i发挥 CAE的技术优势。
4 q+ v& D6 v% L8 U
  V' a+ l" ?3 ]7 H" Y' g, M
3 B' S9 ]: u$ X, D5 _: K* E' l参 考 文 献
1 w& B* g. [* X' i6 S1　李德群,唐志玉,周华民,等.中国模具设计大典— — —轻工模具设
+ J) x* e- f6 E  x- C2 n/ ]" \计.南昌:江西科学技术出版社,2002.
9 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
* i0 q* S1 [7 u( g& e+ s! o$ P

★情有独钟★

海尔模具的确不错