本帖最后由 老诚 于 2010-10-11 18:48 编辑 2 s% d& B% |( _# G
- M: `$ }, G' o8 B; A0 J% e0 e. l8 W6 P7 |
( T' d. H; W0 e5 yCAE技术在模具设计过程中的并行应用
D1 f) l1 }" w0 C m" u5 Q 杨 斌 李延杰 杨晓志 周利民; t# {' V7 W1 p+ T2 W; S3 K+ L* J
(青岛海尔模具有限公司,青岛 266103)
6 G. K; _# J7 r I& c3 d1 x: H& X5 N摘要
. H5 T9 O# f4 I5 z: ~* L1 _5 ? 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。
Z; i1 E; b- I2 u4 E6 c* _1 w关键词 S! a. j2 X2 `- t
CAE Mold flow软件 并行工程 模具优化设计" C% L% n* O: ^
( T* |9 _. ?: W$ j
) T# V2 [' Y+ G: @% ~! k
, i8 N2 ?4 r, H5 [ @; P4 |( M0 ]3 X9 H. u. ~8 e6 k. v0 D
随着模具行业的发展 , 计算机辅助工程(CAE)
! a M$ Y$ p& @9 X% C7 `6 Z技术已经在塑料模具行业得到越来越广泛的应用。9 c3 s7 m; V3 l6 ]9 z- t( h
它通过模拟塑料制品的成型过程 ,辅助模具设计工
. M$ x. K" G: `" c9 k, h/ _+ y程师设计出精确、 高效的模具;指导工艺师正确设定: C; \ W% V# l
生产工艺参数。在注塑模具行业 ,CAE软件能在模
* T2 D! w2 a$ W/ ~. s5 @具制造之前预测塑料熔体在型腔内的流变行为 ,因4 H/ ^- R7 ]% Q2 C! m+ w+ F) i
而能提高模具设计质量、 降低模具成本、 缩短模具制
5 K$ J+ Y; M( \0 R) ~' j造时间 ,因而得到注塑模具行业的极大关注[1 ]- |/ `/ x1 c4 _
。
5 f( q+ i0 y* T% n* K* ?) a青岛海尔模具有限公司作为我国模具行业的大
5 y& ?7 T9 N5 W9 S6 S4 s型企业之一 ,面对激烈的市场竞争不断地进行技术. t% n1 A J/ u
创新 ,在模具设计阶段采用制品和模具设计并行工
; @# K0 p5 _8 H$ d3 |% {: `程 ,将 CAE技术应用于模具并行开发过程 ,已取得/ b: ]5 d* B }3 l2 o2 {. m
了较好的效果 ,提高了制品设计、 模具设计的质量和
. q3 ^' X! T3 U+ v2 Y效率 ,最大限度地发挥了 CAE技术的作用。
$ X6 v/ |! f4 p; {! I. ]% n( T" I
k/ `7 m; n2 |0 v4 W( a/ i$ q6 T6 T
1 CAE并行设计- ~' o( z- F* T2 U' F7 A$ G; d
1. 1 基本思想
% ?. T" s) ~7 ~3 c1 Q以往在模具设计过程中 ,由于受到 CAE工程师
' U: s, C8 _$ p$ U" {, o技术水平和 CAE软件的限制 ,CAE技术主要用于分
. y+ C/ Q' `2 H1 T$ _/ @5 s- l析、 验证模具的结构设计 ,即结构设计工程师先将模
! _8 E6 Z* b$ ^: @3 S具浇注系统和冷却系统设计完成 ,然后由 CAE工程6 k" h$ W5 T, b) E7 h
师进行 CAE分析 ,通过流动、 保压、 变形分析验证浇" L5 N, z: t5 W. R7 }
注系统及冷却系统的可行性。这样一来 ,一般周期 j& i* g2 B8 ]
较长 ,当设计任务较为繁重时 ,无法及时完成分析任
3 w) w* X' f. q3 t$ Q3 j务 ,限制了 CAE作用的发挥。通过不断地实践和经
6 \3 L: j5 T6 G4 \1 f验积累 ,CAE 工程师提高了自身的技术水平 ,加之
+ x D% R5 H" K' m+ B( n2 fCAE软件的升级更新 ,CAE分析的效率和质量大为
( W' Y X n2 t提高。为进一步提高 CAE技术的应用效率 ,我们在8 I, A. z, ~" J* d
模具设计过程中引入 CAE并行分析 ,不仅对制品设/ R& e3 S; Q; R+ P4 B i
计进行验证 ,而且对模具浇注系统及冷却系统进行9 W: R& C, ]+ \
指导性设计 ,优化制品及结构设计方案 ,提高整个设
% ^/ e2 x5 K, y& x* H7 L8 e! b计过程的效率。% b0 J! M% t" y4 |6 `, F
1. 2 CAE设计过程对比* b7 y$ j, K5 H T8 P8 d
传统模具设计过程是制品、 结构、 数模顺序的设
, |* S1 I& c( x% G, U6 t计 ,见图1。CAE分析处于模具结构设计之后 ,主要. R) M3 L: v: W$ \1 g v0 ?% V) }
是对模具结构设计结果的验证 ,同时验证制品设计。- b, d3 `! C" `" w4 v1 Z9 t+ n
当分析结果发现缺陷时 ,则需反馈给结构或产品部7 d3 l- m' I! y4 X
门进行改进 ,提出改进措施。但由于时间的滞后 ,往
0 Q6 z( W- J% e& }9 E) A1 J1 t9 w往会造成设计工作的重复及工作量的增加 ,影响了- S5 {* P/ X' L [8 T
模具设计进度。
# j/ m, k5 U5 Z( }$ k) }图1 传统模具设计流程图 0 @$ j: K/ I6 s& p8 P
2 d6 a% U& C, m3 e0 G3 e
3 |) _+ ?4 R* u5 D1 S" G 随着计算机辅助设计技术的发展 ,以及工程数- u; n3 ]; p9 X J: N$ A. t
据库和参数设计的综合运用 ,并行工程被有效地应0 a9 ?6 M5 \$ b5 R" A: I
用到模具设计过程中 ,极大地提高了设计效率[2 ]8 T d8 w+ R" G* G5 w
。9 I0 ?7 ]2 z! O: E6 i
图2为模具并行设计流程。5 N7 {) B9 I% _! l
3 a2 D7 L4 A O" _
6 n4 M7 o/ j' b5 ]8 P, @ CAE并行设计过程的主要思想是在制品设计中
% y; M) J; e' G7 d# L( r) y后期通过 CAE 的简单分析 ,验证制品设计的合理3 | g$ T1 s% p9 @9 Y
性 ,同时根据制品性能要求优化选择制品材料 ,根据. D# L( O7 ^" G) V* ?) M" Q3 J
制品外观要求讨论制品进胶方式和可能出现的制品8 Y5 J- k ?* c! b! y
缺陷等。这样可基本确定浇注系统的大体形式 ,进
/ F! m9 l. U! {" ^& f行模架订购。在模架设计基本完成时 ,根据模具的5 L8 I0 x3 o8 ]- e) A" i: S! I4 T
基本尺寸、 产品放置位置等技术条件 ,进 行 CAE 详
+ V+ ^: m' n8 T0 a# d细分析 ,从而确定浇注系统的具体位置及尺寸 ,对于3 j5 O5 h. u9 R# d1 z& j
有特殊要求的制品进行冷却变形分析。这种分析过5 t: s$ {) e$ k( E \
程充分利用了 CAE分析软件的优越性 ,同时发挥了3 j: [, Z# E7 a, v, k; d! F5 s% t
CAE工程师的技术优势 ,对模具产品、 结构设计提供
" ~) Y! X" J! b了充分的技术支持 ,提高了模具设计的水平和试模
W% S! ]# I' R9 n0 Q) s的一次成功率。
: o0 X# N+ m) m; u4 E; S2 {/ {: `7 _
/ }$ |: P7 n0 x% J+ P I
2 CAE并行设计实例( V1 y% p$ \* M4 V" @
现以使用MPI(moldflow Plastics Insight) 4. 0 软件
2 ?7 n& ?: o! ^- {设计空气取水机门盖模具为例 ,简要介绍 CAE并行9 T: F) Z1 V6 c9 r" h' D- A+ I) O0 k
设计在门盖模具设计过程中的应用。* T: r9 u( U) {6 P) l! G
2. 1 制品优化设计. ]5 F( L" J# F& G+ O: x' J
最初制品设计壁厚分布及初步确定的浇口位置4 F; z4 U) K% G) T& [
如图 3 所示。制品最大外形尺寸为 605 mm(长) ×
2 G1 n4 S: P* t5 f, S5 ~360 mm(宽) ,主要壁厚为 3 mm ,筋位最薄处为0. 8
# L9 r% e: C# r8 ^- cmm ,浇口形式为一侧进胶。用户要求制品为外观透5 |+ g8 f, |3 x, a8 w; M5 D
明制件 ,预选材料为透明聚碳酸酯( PC) ,制品收缩: _. ~- J- Z: j& X/ j& Y7 V
率为0. 5 %。, J1 V1 b+ C. |' C
. j+ A4 M3 D. p$ I$ Y
+ j) g& H' ?' i) _8 t$ p0 j6 o: [. g
图3 初始制品壁厚分布图
$ P# x0 H9 m/ l5 ?' u* [ 在MPI 4. 0 中输入制品模型、 注塑材料及成型: W& c# j( c; _, ~
工艺等初始条件以后 ,进行流动、 保压、 变形分析 ,通0 T" O9 w8 N6 d+ s, P
过分析相关成型结果 ,得出表1所列的结论。+ d' Q5 {2 H+ E. c7 z ?- D( u: d
" k0 H4 E, m1 z8 F, p P/ e6 ^9 M6 @% E0 V4 k
! C5 ` H/ a$ x9 Z9 `& V4 Z# ^
- r+ P4 F, U" d! w @
根据用户对制品的质量要求 ,结合相应的 CAE
3 Y, v4 t% T! L2 x分析结果 ,综合考虑模具成本、 制品质量及效率 ,对
! V u3 q0 s# A& y- ^) Q; _制品设计及成型方案提出优化设计方案为:注塑材" v- F2 }0 @7 O
料改用流动性相对较好的透明(丙烯腈/丁二烯/苯: {4 m; T% L9 D% t5 F @* M$ T+ U
乙烯) 共聚物(ABS) ,浇口位置改为制品正面中心 I+ F1 T4 |9 I4 H
处 ,为掩盖浇口痕迹 ,在制品上设计一凹槽表面覆盖: j8 l+ ~7 |4 l i$ r2 Y! U
标牌 ,制品周边进胶位置的壁厚改为 2. 5 mm ,筋位! @" S( }2 c1 w% s0 O0 t* p
最薄处改为1 mm ,优化设计的制品见图4。5 T4 l8 O# t- L: z$ O' M" d& j" V
8 L, J B2 T- M7 Z4 w
$ C7 W+ X. J5 m2 Z! Q' T
图4 优化设计制品壁厚分布图 7 e2 w( r1 }' K* j" i0 i; J
' v2 \) G( F$ l- R X8 ]
3 K+ ~( I( d: A1 `" N8 G0 v' r将制品优化设计方案重新输入到MPI 4. 0中进9 ^1 w( {6 ^" c. ^
行流动、 保压、 变形分析 ,同时对注塑工艺进行初步
' h4 c z1 E9 \9 z$ j优化 ,得出的结论见表2。/ h* B* a/ e1 {9 H. |: C
表2 优化设计方案成型分析0 N- V! b' m; I/ S8 E% q
$ n2 _# r3 B; ]5 o# D* w
1 n3 I0 E8 ]4 @, j+ j' _, {/ @1 V0 j1 T
) T r; E2 @7 e+ L成型结果 40 6 - 500 160～230 - 0. 4～0. 6
$ c6 v+ V2 q/ A结论 成型压力 适中 锁模力 适中 高于迟滞 温度 变形不大7 i+ Y8 Z+ Z, f% E3 Z; c
通过比较分析结果 ,改进后的制品设计方案成
* O( K4 m, u ~; E4 E0 q8 d型性能提高 ,在保证制品质量的同时 ,大大降低了制
0 n, J% V4 d7 C: b4 e3 ~# V品成本及模具成本 ,满足了用户的要求。) B' X9 g% m! `6 L5 \- m; f
2. 2 结构优化设计& |4 Z8 U% H! M/ T: b. @; z5 j
由于采用了模具设计并行工程 ,在完成制品优, r- s/ I4 L5 Q/ B) y" `0 B! c$ k
化设计的同时 ,模架设计也基本完成 ,在确定模具的2 [1 v* R% p+ Q
型腔数、 制品定位、 模架大小后 ,可以根据以上输入
3 |1 l4 r( t( f2 J条件设计出准确的 CAE模型 ,CAE设计模型如图 59 P0 q3 x! B+ R* |1 k5 u* p( U: X" `
所示。此套模具采用两板模直浇口 ,浇口位于制品
& l7 i0 h3 o- ~/ z( }中心凹槽处。主流道尺寸为入口直径 ,达 4 mm ,双
: z/ A8 E) F( Z# P6 j3 a8 {边斜度为2° ,高度为110 mm。
7 s5 Z+ T1 x$ B) Q2 C; h* i, W8 H$ I5 A: i
" X0 P) [7 ]5 [0 P5 R6 K w: q9 S
J' a2 E% c3 e# Z; ~ 图5 CAE设计模型图3 H- J- L% ?/ m
在完成初步分析的基础上 ,在 MPI 4. 0 中输入4 g' F, m5 X) U* R' Z! T
优化的螺杆曲线数值及注射、 保压、 冷却时间等工艺- h, l8 ]) ^ O1 B4 D v$ p P4 v* t
条件 ,进行 CAE详细分析。通过准确的成型结果确
$ y( X+ N9 H3 t: i定优化成型方案 ,提供浇注系统详细的设计尺寸 ,指
. G+ s1 x8 g: }0 v. ?# Y# y8 ?导模具结构设计。2 ]6 _. A1 S s9 Z" k
3 结语
. c' c( h8 y6 e/ h3 D实践证明 ,通过 CAE技术在模具设计过程中的/ ]- d( u/ e% Q2 m5 U/ N5 n4 T9 q
并行应用 ,可以提供制品优化设计方案 ,指导模具结0 ^4 r, z) S% l: q. A' x
构设计 ,提高设计质量 ,缩短设计周期 ,最大限度地' f7 e1 S5 f# Z2 `& A( @
发挥 CAE的技术优势。
X& i0 n8 u$ c3 F5 B. i$ [% f9 u( o4 B. F, v. G& Q* K% Z2 a' A
( ^) ?0 H( z5 d/ r% t p参 考 文 献
; m; ]$ Y$ Z% C8 U5 {/ @' u$ i1 李德群,唐志玉,周华民,等.中国模具设计大典— — —轻工模具设5 [$ m% D* i4 ?+ w: C
计.南昌:江西科学技术出版社,2002.
' s' o; X+ K& R9 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
V% d* g& B% y/ K1 w" |; Q, P |
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狗仔卡
发表于 2010-10-11 17:12
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