第9章 模流分析的作用和要求

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模具的设计中浇注系统的设计是关键。传统的模具设计，浇注系统没有通过CA分析， 依靠设计人员积累的经验来设计模具。如果，所设计的模具通过试模，发现因浇注系统设计 不合理产生以下问题：容易出现浇口的位置及尺寸、流道截面设计不当，制品出现成型缺陷 等。这样，需要多次的试模、修改浇注系统，克服存在的问题，才能使制品质量达到要求。 这样的模具设计，无法达到设计优化。往往会增加模具的设计和制造成本、影响模具的交货 期，问题严重时模具无法修改只能报废，需要重新设计、制造模具。

CAE技术可以在模具加工前，在电脑上对塑件成型过程进行模拟分析、评估，若设计 方案有问题，则可再次将修正后的方案输入系统再次进行分析，直至满意为止。因此，应用 了 CAE技术，能帮助设计人员正确地设计模具的浇注系统，可减少试模和修改的次数，降 低模具设计制造成本，对提高制品成型质量和优化模具设计有极大的作用。

通过模流分析能避免浇注系统设计存在的问题，较准确地预测塑料熔体在型腔中的填 充、保压、冷却情况以及预测塑件成型的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘 曲变形等情况，以便设计时能尽早发现问题，及时修改塑件结构和模具结构，而不是等到试 模后再修改模具。因此，为了使模具项目顺利成功，现代模具的设计，都应用了模流分析进 行浇注系统设计。有的模具用户要求模具供应商利用模流分析技术，提供模具的浇注系统的 分析报告，确认后再设计模具，说明了 CAE分析的重要性和必要性。

        9.1 CAE模流分析的作用

① 通过CAE熔体充模过程的流动模拟，确定合理的浇口数目和找出最佳进料口位置， 减少试模次数，可以实现一次试模成功；与此同时可避免为了改变浇口位置而进行烧焊，降 低了模具制造成本，保证了模具质量。如果模具的浇注系统的浇口位置设计错误，需要改 动，模具就只能烧焊，或者重新加工。模具一般都不允许烧焊，尤其汽车部件表面做皮纹烂 花的模具。如烧焊须经客户同意，即使同意了，也增加了工作量，同时延迟了交模时间，增 加了金加工和试模的费用。

② 对浇注系统的浇口所在位置进行CAE模拟分析，能预知多点浇口的注塑压力的平衡 情况，模拟熔料充填过程，优化浇注系统设计；可使注塑熔料达到最佳的流动平衡，降低填 充压力，使压力均匀分布。

③ 能预测保压过程中型腔内熔体的压强、密度和剪切应力分布等，优化注塑方案，缩 短成型周期，提高生产效率。

④ 通过模流分析能优化注塑成型工艺参数，预知注塑机所需的注射压力及锁模力。

⑤ 通过模流分析，使设计者能尽早发现问题，可为模具的设计、改善模具结构提供依 据；通过模流分析验证模具结构的合理性，优化了模具设计；最重要的是提高了塑料制品的 成型质量。

利用模流分析，了解模温及冷却情况，分析制品翘曲变形、收缩、凹痕等缺陷是否会产生。在设计冷却水管时，可根据具体情况，考虑如何合理设计冷却系统。

① 利用CAE技术，可使经验积累与现场试模相辅相成，累积试模经验，花最少的成 本，迅速培养CAE分析专业人员，提升模具设计质量。

② 利用模流分析能预知熔体的填充，优化熔接痕所处位置，帮助设计者分析、更改塑 件壁厚、应用顺序阀，通过控制浇口开闭时间和注塑成型工艺参数的设置、达到改善熔接痕 的位置、优化塑件表面熔接痕的目的。

通过模流分析预知熔体在填充过程中产生困气的位置，使设计师可以参考模流分析 设计模具的排气系统。

      9.2模流分析的应用软件简介

  ① 模流分析的软件名称和开发公司

目前，市面上可以看到的模流分析软件有很多，如表9-1所示。

   ① moldflow软件

MOLDFLOW软件是澳大利亚MOLDFLOW公司在1976开发的，在2000年该公司收 购了美国的AC-Tech公司的C-MOLD软件，使之成为世界著名的塑料成型分析软件C- Mold0经过30多年的持续努力和发展，MOLDFLOW已成为全球塑料行业公认的标准分析 软件。

② 华塑CAE软件

华塑CAE模流分析软件由华中科技大学模具技术国家重点实验室自主研究开发。从 1989年推出的HSCAE1.0版，到2008年的HSCAE7. 1版，经历了从二维分析到三维分 析，从实用化到商品化，从局部试点到大面积推广应用的过程，已成为塑料制品设计、模具 结构优化和工程师培训的有力工具。目前华塑CAE的客户已有上百家，如海尔、科龙、比 亚迪、东江、德豪润达等，为全面提高我国的塑料模具工业的技术水平和企业的生产、设 计、开发能力，降低成本及增加效益提供了强大的技术支持。华塑CAE有明显的语言和技 术优势，易学好懂，操作便利，可以很快地设计出方案，进行模流分析，指导企业生产 制造。

华塑CAE采用了国际上流行的OpenCL图形核心和高效精确的数值模拟技术。它支持 多种通用的数据交换格式。华塑CAE软件支持国内外材料数据库，可以测试并添加新获得 的塑料流变数据，支持开放式注塑机数据库以及模具钢材数据库，从而形成具有企业特色的 数据库，因此分析结果准确可靠。华塑CAE3D软件能预测充模过程中的流动前沿位置、熔 接痕和气穴位置、温度场、压力场、剪切应力场、剪切速率场、表面定向、收缩率、密度场 以及锁模力等物理量；冷却过程模拟支持常见的多种冷却结构，为用户提供型腔表面温度分布数据；应力分析可以预测制品在脱模时的应力分布情况，为最终的翘曲和收缩分析提 供依据；翘曲分析可以预测制品脱模后的变形情况，预测最终的制品形状。利用这些分 析数据和动态模拟，可以极大限度地优化浇注系统设计和工艺条件，指导用户优化冷却 系统和工艺参数、缩短设计周期、减少试模次数、提高和改善制品质量，从而起到降低 生产成本的目的。

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9.3模流分析内容和流程

由于采用流动模拟可优化浇口数目、浇口位置和注塑工艺参数，预测所需的注塑压力和 锁模力，并发现可能出现的注塑不足、烧焦、不合理的熔接痕位置和气穴等缺陷，因此现在 很多客户在模具结构确定前，要求模具供应商提供CAE分析报告。

9.3.1模流分析内容

注塑模CAE分析的内容很广泛，主要包括以下几个方面。

① 充模过程模拟。

② 保压过程模拟。

③ 冷却分析、纤维取向分析及翘曲分析。

④ 塑料热物理性能和有关数据的测定。

如图9-1所示为注塑模CAE的计算机模拟系统。

9.3.2模流分析步骤及流程

通常，注塑模CAE系统的使用大致上分为前处理、分析求解、后处理三个步骤，注塑 模CAE系统也由相应的三个模块组成。

① 前处理。设定成型树脂、模具材料、注塑机规格及冷却液种类等；建立有限元法 (FEM)模型，将流道、浇口及型腔建成有限元网格；设定成型条件，包括注塑压力、注塑 速度、冷却温度等。

① 分析求解。包括充填分析、保压分析、冷却分析及翘曲分析等。

② 后处理。各种分析结果的数据显示，包括彩色云纹图、等值线图、zy平面图及文字 报告、数字显示等。

图9-2为CAE软件执行流程图。

9.4模流分析的应用

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近年来，模流分析在注塑领域中的重要性日益提升。模流分析从原理上说明了许多使注 塑失败的原因，如翘曲、飞边、熔接痕的位置等。当然对于模流分析的结果，有时不一定百 分之百的正确，还需要结合经验给予判断和确认，特别是对熔接痕是否存在的问题。

目前，注塑CAE软件能成功地应用于在以下三方面。

9. 4. 1塑件设计

塑件设计者能通过模流分析解决下列问题。

① 塑件能否全部充满这是一个为广大模具设计者普遍关注的问题，特别是当设计大 型塑件时尤其如此。在设计者的心目中，材料结构特性、装饰特性和加工特性之间的关系往 往模糊不清，而模流分析以科学的方式提供了在设计阶段对不同塑料及其与成型有关的特性 进行评价的方法。

② 塑件实际最小壁厚这是一个直接关系到塑件成本的问题。塑料成本往往占成本的 40%,使用薄壁塑件能大大降低塑件的用料成本，缩短冷却时间（冷却时间是塑件壁厚平方 的函数），提高生产效率，进而降低了塑件的成本。

③ 浇口的位置是否合适浇口的位置对产品的质量有至关重要的影响，合理运用模流 分析方法能使产品设计者在设计时具有充分的选择浇口位置的余地，确保制品的美观，并同 时满足价格要求。

9.4 2模具设计和制造

流动分析可以在以下诸方面辅助设计者和制造者，以得到良好的模具设计。

① 良好的充填方式对任何注塑过程来说，最重要的是控制充填的方式，采用模流分 析则可以最大限度地避免或消除因为充填不好所造成的分子取向和翘曲变形，从而保证产品 的质量和生产的经济性。

② 最佳的浇口位置及浇口数量为了对充填方式进行控制，模具设计者必须选择合适的 浇口位置和浇口数量。模流分析使设计者有多种浇口位置的选择方案并对其影响作出了评价。 这一分析也可指导塑件设计，从而使浇口位置及数量满足制品外观质量及成型方面的要求。

③ 浇注系统的设计在模具设计中采用平衡式浇注系统，无论对设计者、制造者还是 产品质量本身都是有利的。非平衡式浇注系统在传统设计中是非常困难的，它要经过大量修 改、试模才能达到较为理想的状态。而采用模流分析则可以帮助设计者较为轻松地设计出压 力平衡、温度平衡或者压力、温度都平衡的非平衡式浇注系统，并可对流道内的剪切速率和 摩擦热进行估算，进而可以避免由于浇注系统设计的问题而使材料产生降解和型腔内的熔体 温度过高的现象。

④ 冷却系统的设计通过冷却分析，可以合理地布置冷却水道，获得合理的冷却效果， 缩短冷却时间，减少翘曲变形，提髙制品质量。

⑤ 减少返修成本模流分析可以提髙模具一次试模成功的可能性。设计者和使用者都知道，模具的反复返工要耗费大量的时间和资金。模流分析使得在试模之前就可确认各种模 具设计方案对模塑过程的影响，无疑将大大减少时间和资金的消耗。此外，未经反复返工的 模具，其寿命也较长。

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9.4.3成型工艺

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① 更加宽广更加稳定的加工程度模流分析会对熔体温度、模具温度和注塑速度等主 要注塑加工参数的变动影响提出一个目标趋势。借助模流分析，注琴工便可估测出各个加工 参数的正确值，并确定其变动范围，与模具设计者一起，选择使用^经济的设备，确定最佳 的模具方案。

② 减少塑件应力和翘曲选择最好的加工参数使塑件残留应力最小。残留应力常常使 塑件在成型后出现翘曲，甚至发生失效。

③ 省料和减少过量充模采用模流分析技术一般可以节省5%的材料，这对大量生产来 说是很有意义的。同时还有助于消除因局部过量注塑而造成的翘曲。

④ 最小的流道尺寸和回收料成本模流分析有助于选定最佳的流道尺寸，从而尽量减 小浇注系统的体积，缩短流道部分塑料的冷却时间，从而缩短整个注塑周期，并将回收料成 本降到最低。

ESS模流分析报告内容

模流分析报告最好用下面的格式。

① 制品说明：最好用制品图表达，文字说明长、宽、高尺寸。

② 制品厚度：最厚、最薄。

③ 使用成型塑料的型号品牌。

④ 使用软件：MOLDFLOW。

⑤ 问题焦点：预测结合线的位置、制品变形、改善流道平衡、减少熔接痕产生或改变 其位置所在、预测成型压力、预测所需的锁模力等。

⑥ 解决方案：由以上分析结果得知，探讨问题的所在以及改进方式，对分析结果进行 说明。

⑦ 通过模流分析，结合工程师的经验进一步修正，最后以试模验证。

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