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

8 n* v4 d/ M! M, b
  e9 O) p+ p8 s) P7 u$ k
CAE技术在模具设计过程中的并行应用' N  t7 U0 _& ?
                                 杨　斌　李延杰　杨晓志　周利民
2 [! v  u- m  E4 |% Z                               (青岛海尔模具有限公司,青岛　 266103)
+ k1 _: D5 M2 \- [0 p8 a0 V' f% ?摘要
# t5 s0 n! ?6 d) F3 o1 e　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。' l) P+ U* H! [! A' p5 Y* }" l
关键词1 m; v+ }  O" K( @- |* }& l' C
　CAE　 Mold flow软件　并行工程　模具优化设计
5 K' a8 P1 Z6 [8 G" H0 F* z* [/ Y/ f0 h
2 v6 X  P1 }8 {( @; f4 Y0 a8 }
& M: Y3 A1 O. n, F( u" ^
  Y" k1 z2 \9 s0 z8 e+ O! C7 [3 U* t1 ~( T+ z
　　随着模具行业的发展 , 计算机辅助工程(CAE)
1 h8 R/ ?/ }8 a, N' Z! Y' g技术已经在塑料模具行业得到越来越广泛的应用。
% z, V- d! d/ `4 d5 l" {它通过模拟塑料制品的成型过程 ,辅助模具设计工
8 e3 c5 K, V2 a7 r程师设计出精确、高效的模具;指导工艺师正确设定
! @) a8 V; C1 Y& b6 D生产工艺参数。在注塑模具行业 ,CAE软件能在模
8 h, `& C: B' G' y/ ]具制造之前预测塑料熔体在型腔内的流变行为 ,因
, M* T6 n& _, P% C: l& Q而能提高模具设计质量、降低模具成本、缩短模具制9 b% q# b- }9 h+ i6 k8 V
造时间 ,因而得到注塑模具行业的极大关注[1 ], }: y0 ], u+ A: O  |3 r+ g
。
- a/ t2 q% t1 o6 v5 R; U青岛海尔模具有限公司作为我国模具行业的大
% w. s  E4 B6 @4 D1 F型企业之一 ,面对激烈的市场竞争不断地进行技术: |& c' {3 W8 E6 Y! y) ?& j
创新 ,在模具设计阶段采用制品和模具设计并行工
3 ^( r- x8 ]; k- B程 ,将 CAE技术应用于模具并行开发过程 ,已取得1 z0 N2 e+ Q) R4 k
了较好的效果 ,提高了制品设计、模具设计的质量和. k! w8 X! w; l( f* u
效率 ,最大限度地发挥了 CAE技术的作用。7 u& [# d3 c! i  V
8 K$ B3 k4 h0 q$ s
; g* d# h+ F% J; y: ^3 X6 W
1 　CAE并行设计# n/ p4 `( r7 C4 q, u
1. 1 　基本思想, i0 w8 h. X: s: ^, n/ x
以往在模具设计过程中 ,由于受到 CAE工程师8 p6 I2 v$ a: a, K" n! m) A
技术水平和 CAE软件的限制 ,CAE技术主要用于分7 n) X% L# U- O# J$ b
析、验证模具的结构设计 ,即结构设计工程师先将模7 `# u# r+ f8 G3 A) P) v, P4 B
具浇注系统和冷却系统设计完成 ,然后由 CAE工程3 M# c) q% D" n9 I' B$ u
师进行 CAE分析 ,通过流动、保压、变形分析验证浇
! b  J! Y& r4 g! j% p注系统及冷却系统的可行性。这样一来 ,一般周期! ]) r9 |; N- H4 v
较长 ,当设计任务较为繁重时 ,无法及时完成分析任
9 r0 N; Z2 {2 f务 ,限制了 CAE作用的发挥。通过不断地实践和经
9 Y) c/ q5 p& v1 V! ~$ r* ^验积累 ,CAE 工程师提高了自身的技术水平 ,加之
2 r, P4 k8 u5 {& l% m. R4 c# LCAE软件的升级更新 ,CAE分析的效率和质量大为: t/ v, B9 |, T8 j4 S3 z
提高。为进一步提高 CAE技术的应用效率 ,我们在% d5 ~# f' V2 W: e
模具设计过程中引入 CAE并行分析 ,不仅对制品设* d0 b+ v7 y6 y) w; x' |6 C
计进行验证 ,而且对模具浇注系统及冷却系统进行% d( r& s! s7 _0 y& c. ?4 @6 M
指导性设计 ,优化制品及结构设计方案 ,提高整个设6 q. n& e7 B* b. ^" r3 F
计过程的效率。4 e( Z2 p& ]( Q7 z
1. 2 　CAE设计过程对比7 t3 }0 J% x) Q$ j
传统模具设计过程是制品、结构、数模顺序的设, W/ g4 h' f; ~$ @; [
计 ,见图1。CAE分析处于模具结构设计之后 ,主要
$ J2 L5 B. O3 c/ Z+ @是对模具结构设计结果的验证 ,同时验证制品设计。
# J; p# E) B8 F* v当分析结果发现缺陷时 ,则需反馈给结构或产品部% N$ y* S3 Y: W/ e
门进行改进 ,提出改进措施。但由于时间的滞后 ,往
/ ~* K! [7 \, f0 i: I往会造成设计工作的重复及工作量的增加 ,影响了
7 Y6 I$ C/ G9 F3 T1 j9 M模具设计进度。  t6 V% }' U# o" L$ B7 ]4 _7 F; L
图1　传统模具设计流程图 4 Y6 A4 J; |5 X4 i: i7 m

( ^9 x& E; D4 X! d, G8 n2 |: c; S! N/ P$ A0 D4 H9 h7 W8 J% o
　　随着计算机辅助设计技术的发展 ,以及工程数
0 G* T1 w" I; _5 l, A" }据库和参数设计的综合运用 ,并行工程被有效地应
) Z5 q" A# h( {5 d4 ]用到模具设计过程中 ,极大地提高了设计效率[2 ]
, T+ U/ B% W* J6 R。
* p. f% l* I/ }2 f( D图2为模具并行设计流程。4 d1 d! ]2 X+ u$ `7 X: H: B

+ @1 ^& _' X( L5 L5 q4 T: N7 R# E# w5 H, B5 @6 l
　　CAE并行设计过程的主要思想是在制品设计中# M' p8 O* s1 @( K( }
后期通过 CAE 的简单分析 ,验证制品设计的合理
  k/ B  E& M9 g性 ,同时根据制品性能要求优化选择制品材料 ,根据! F* K, y0 v0 p( _; n4 D6 L! {
制品外观要求讨论制品进胶方式和可能出现的制品( ~0 z" F5 |7 `" W8 ?
缺陷等。这样可基本确定浇注系统的大体形式 ,进: l  G/ g& z9 \  u9 C7 ~7 e$ N3 }
行模架订购。在模架设计基本完成时 ,根据模具的
* q& v4 ^0 J# |2 o基本尺寸、产品放置位置等技术条件 ,进行 CAE 详
6 k( ~1 T9 w  a, p) y8 M" j细分析 ,从而确定浇注系统的具体位置及尺寸 ,对于
0 ]* l9 Q. ?+ M9 f有特殊要求的制品进行冷却变形分析。这种分析过/ ~6 J) r' Y$ B& A* w2 N& ]& g/ Y
程充分利用了 CAE分析软件的优越性 ,同时发挥了
$ H6 u. v* T3 j6 Y0 H% M( OCAE工程师的技术优势 ,对模具产品、结构设计提供6 W6 E4 ~7 T: h3 r) y. O/ \; i
了充分的技术支持 ,提高了模具设计的水平和试模
, N: \9 m$ @/ s: y的一次成功率。, H# \$ {4 h  V
, C  K8 k+ m. N' w' b/ w6 @( |9 Q

2 s6 h" Z7 d' J: k0 d  R1 G6 E6 O2 　CAE并行设计实例
! W4 s- V) A- Z3 L$ d　　现以使用MPI(moldflow Plastics Insight) 4. 0 软件1 T) x. h8 ^$ y! v* D- U9 ?9 p5 f. e
设计空气取水机门盖模具为例 ,简要介绍 CAE并行
% L$ X  Y/ n6 b( X& w; B3 i设计在门盖模具设计过程中的应用。
! }) ]$ P( \; N2. 1 　制品优化设计  a2 H% E% e1 o9 ?' S& r4 d
　　最初制品设计壁厚分布及初步确定的浇口位置
4 W# H+ [5 `5 q. @9 v如图 3 所示。制品最大外形尺寸为 605 mm(长) ×  L# X; J, Z. o8 o, M! {$ I6 q
360 mm(宽) ,主要壁厚为 3 mm ,筋位最薄处为0. 8
' `; k' m" N! e+ B  k  l5 Mmm ,浇口形式为一侧进胶。用户要求制品为外观透* K; ^) t& {3 \5 I
明制件 ,预选材料为透明聚碳酸酯( PC) ,制品收缩9 b% U! u# [: ?6 [0 S0 n
率为0. 5 %。# O5 E; e6 r! `) H5 Y

& i8 Q% A! q: |. n3 g) H
5 U' K/ q% c. {9 U5 L& P) a2 J5 {; I9 z  G
                  图3　初始制品壁厚分布图5 a8 D$ s& Y1 d" B% V5 t4 h! X! i, M& i
　　在MPI 4. 0 中输入制品模型、注塑材料及成型
1 a; X: c' k/ R( y1 w+ Z工艺等初始条件以后 ,进行流动、保压、变形分析 ,通
- W' a+ S! n) y# e7 u过分析相关成型结果 ,得出表1所列的结论。* T& C5 O  a  y& ^+ l
1 @2 j7 f5 X# M

  G0 ~; {+ `7 r6 U* b) v& ~0 r9 u+ Q0 j/ z
  b% e( v; K; j4 Y& d" O
　　根据用户对制品的质量要求 ,结合相应的 CAE
6 N) s7 j/ R; x分析结果 ,综合考虑模具成本、制品质量及效率 ,对
7 I, b7 E! Y6 g制品设计及成型方案提出优化设计方案为:注塑材4 \( L5 r7 d3 T  i/ G# \
料改用流动性相对较好的透明(丙烯腈/丁二烯/苯! n% m5 L8 a1 w8 [" z) [/ H
乙烯) 共聚物(ABS) ,浇口位置改为制品正面中心
4 ^7 T8 g& }* t& `$ i1 b( ~0 W- H0 S处 ,为掩盖浇口痕迹 ,在制品上设计一凹槽表面覆盖& f0 o. x/ v4 B+ i3 A1 i
标牌 ,制品周边进胶位置的壁厚改为 2. 5 mm ,筋位
: b- V) y  W6 N* n最薄处改为1 mm ,优化设计的制品见图4。
- @2 e' |6 }8 G+ h# E1 _2 E7 N- I* l2 B- W9 b# `$ K
( }5 b& [4 T) S
　图4　优化设计制品壁厚分布图　
: Y$ }- K: r7 p! y$ y2 J0 e, w$ E) k
+ e; m3 r% n/ Q( O5 `* |
7 T" b3 ^! `0 D将制品优化设计方案重新输入到MPI 4. 0中进
( r. ^6 f" e9 N2 d! ^行流动、保压、变形分析 ,同时对注塑工艺进行初步! ]1 G2 t5 G' b& ~0 O
优化 ,得出的结论见表2。% K; M" R2 k7 d) b6 v3 j
表2　优化设计方案成型分析
6 f% V$ \: d; M  }6 h+ R! j- N! Q) y1 Y6 t# m0 Y" S
$ N# {. r1 i; s$ j( p
- c# l& c7 Q7 M* \5 t' m

3 a4 F8 Y9 ^4 `/ M成型结果 40 6 - 500 160～230 - 0. 4～0. 6
, }3 T5 `! R& c# d结论成型压力适中锁模力适中高于迟滞温度变形不大
: t2 F* P1 ?4 W0 F; w# l　　通过比较分析结果 ,改进后的制品设计方案成; Q- ?: ?3 O- W* i" @
型性能提高 ,在保证制品质量的同时 ,大大降低了制/ |5 i- ^! }" `& L* j
品成本及模具成本 ,满足了用户的要求。
! [$ ^" C6 `0 ?2. 2 　结构优化设计0 f; J3 p7 }2 M: @" ]9 Z
　　由于采用了模具设计并行工程 ,在完成制品优
2 \6 j+ A  |* x, j. W" G1 W化设计的同时 ,模架设计也基本完成 ,在确定模具的2 s" g- i9 R% P- }
型腔数、制品定位、模架大小后 ,可以根据以上输入
. f+ w: E, @$ G7 W" D9 b条件设计出准确的 CAE模型 ,CAE设计模型如图 5
3 X- \1 \! B9 w+ _% G所示。此套模具采用两板模直浇口 ,浇口位于制品& w7 q- I3 M4 z5 _; ^8 |! ^# V
中心凹槽处。主流道尺寸为入口直径 ,达 4 mm ,双  J! H3 f7 N# P9 Q8 W' B  ~- `: j7 ?
边斜度为2° ,高度为110 mm。
6 h; M- \# Z  N! R7 V; F8 g3 M$ P
& d) t9 P# G8 B  j/ E
) z, s0 b* B% _, A% T8 [) h: y( ]% q+ N7 L% y
                  图5　CAE设计模型图
8 x! O' ~, F& u: A7 T　　在完成初步分析的基础上 ,在 MPI 4. 0 中输入
; n, ?4 N. E% A% h' R# x优化的螺杆曲线数值及注射、保压、冷却时间等工艺
, T% J+ g0 T' x' E8 g条件 ,进行 CAE详细分析。通过准确的成型结果确
( n0 _& C  l0 }* M定优化成型方案 ,提供浇注系统详细的设计尺寸 ,指
8 \4 t9 {. @5 n导模具结构设计。0 r8 o2 {: d+ _" p8 b- Z; A$ Z
3 　结语
" Q8 x- b+ E+ ?实践证明 ,通过 CAE技术在模具设计过程中的
9 s1 l6 \/ d( L, l2 N# v并行应用 ,可以提供制品优化设计方案 ,指导模具结
& Z( G9 ^; w% O+ m6 `: i' B; u构设计 ,提高设计质量 ,缩短设计周期 ,最大限度地
3 k& y* |: j4 q$ W* J6 o发挥 CAE的技术优势。
! ~  ?9 c2 x" w" X( a: j% o9 I' P, }/ U8 p, x/ X, m
% c) \; h6 o) }+ z8 F1 D$ a! D
参考文献% L- [. w1 d! P3 e" R
1　李德群,唐志玉,周华民,等.中国模具设计大典— — —轻工模具设3 L0 L* g  S6 n- e% h* w4 g
计.南昌:江西科学技术出版社,2002.
3 I; D" U8 z  i9 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
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★情有独钟★ · 发表于 2010-10-11 20:03

海尔模具的确不错

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