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

; l6 l+ d# z/ k
1 S" x8 \+ N0 t% \6 {5 U& g: ^1 d1 _
CAE技术在模具设计过程中的并行应用
; @! U9 b; Z' b$ S1 p                                  杨　斌　李延杰　杨晓志　周利民
+ Q* H8 I; s' u2 ?4 H                               (青岛海尔模具有限公司,青岛　 266103)
" J1 G9 |1 M6 J0 E摘要3 V5 r! ~- ?) x- c7 ]
　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。
7 w/ s0 X6 e/ z6 o  ~0 k8 _关键词! m8 A: u3 i" X' M1 ~7 }* |
　CAE　 Mold flow软件　并行工程　模具优化设计
" I* B7 d1 m  t, R; G4 @% I+ T' `5 J& |8 F

# ^9 J# ~8 J" k6 T
, U7 ^. [$ k' a# l* C+ U+ a+ Q% n8 \
　　随着模具行业的发展 , 计算机辅助工程(CAE)9 c, X7 @) l5 E7 y0 r3 `
技术已经在塑料模具行业得到越来越广泛的应用。
3 [) E7 ~5 z$ V它通过模拟塑料制品的成型过程 ,辅助模具设计工
/ p+ a+ ?0 @. O' L  J程师设计出精确、高效的模具;指导工艺师正确设定. r& E8 l8 l& |. e5 E! y
生产工艺参数。在注塑模具行业 ,CAE软件能在模
" e0 y: B8 k2 Y% P" h3 X9 W0 E. i具制造之前预测塑料熔体在型腔内的流变行为 ,因
  Z/ Q/ v& `$ j- k6 m0 ^而能提高模具设计质量、降低模具成本、缩短模具制
' m1 c& J* A8 |* f& y3 t: |造时间 ,因而得到注塑模具行业的极大关注[1 ]& s0 a; r" i2 {9 q( N- C3 G* N7 n
。
4 `1 j4 h# h5 A青岛海尔模具有限公司作为我国模具行业的大# E: F% o5 |- @1 x
型企业之一 ,面对激烈的市场竞争不断地进行技术3 P" v5 x5 ?, J0 B7 b
创新 ,在模具设计阶段采用制品和模具设计并行工1 D  z! E( W. r$ q1 _9 f. I  I
程 ,将 CAE技术应用于模具并行开发过程 ,已取得
8 s3 _2 l* U" T' ]了较好的效果 ,提高了制品设计、模具设计的质量和& k& U" f& q1 {- Y! {! c
效率 ,最大限度地发挥了 CAE技术的作用。
; p" c9 m7 O) p5 l# _+ @' P( H9 f" W4 M9 d7 [5 N2 p, f8 L' [

$ Q/ b/ E/ F: f1 　CAE并行设计4 u# L7 D' @3 K: L7 I, R3 E
1. 1 　基本思想. o+ X0 F* R$ Y& _& Y
以往在模具设计过程中 ,由于受到 CAE工程师$ v7 t, G, Q4 C" G, o+ D0 L2 i7 d4 Y
技术水平和 CAE软件的限制 ,CAE技术主要用于分
6 Y5 M0 i+ P: i7 l' s8 B7 ~1 x析、验证模具的结构设计 ,即结构设计工程师先将模; E4 G* F+ e8 J2 V! ?
具浇注系统和冷却系统设计完成 ,然后由 CAE工程! v1 z$ q2 A1 g" }
师进行 CAE分析 ,通过流动、保压、变形分析验证浇
+ ^: V/ l  e# d1 F2 J8 V0 _7 k注系统及冷却系统的可行性。这样一来 ,一般周期% f* ^- j5 E! z+ {
较长 ,当设计任务较为繁重时 ,无法及时完成分析任
7 n% e7 v' ^* Q6 V7 b务 ,限制了 CAE作用的发挥。通过不断地实践和经
: O& R$ j; F0 D验积累 ,CAE 工程师提高了自身的技术水平 ,加之
' R3 ~6 f0 q. R8 ~, s7 FCAE软件的升级更新 ,CAE分析的效率和质量大为
. Z" C4 l# |7 s; @& w, l% X提高。为进一步提高 CAE技术的应用效率 ,我们在# Q. r/ z0 F- C* }8 o  ^% H
模具设计过程中引入 CAE并行分析 ,不仅对制品设
1 f9 H" F5 W! \, x计进行验证 ,而且对模具浇注系统及冷却系统进行4 _8 M7 y: Z& o( n+ B# n7 W8 |9 [
指导性设计 ,优化制品及结构设计方案 ,提高整个设' N! G( z& k/ H
计过程的效率。9 [: C/ X; j) h
1. 2 　CAE设计过程对比! j8 C) I( E. Z( I( W6 n, E
传统模具设计过程是制品、结构、数模顺序的设) @  o2 P/ N6 `2 O% W
计 ,见图1。CAE分析处于模具结构设计之后 ,主要
3 i7 a4 b" ^; V0 l是对模具结构设计结果的验证 ,同时验证制品设计。
. f& C" c" v: T6 n, F6 o3 X当分析结果发现缺陷时 ,则需反馈给结构或产品部
' {2 j0 }; T3 }门进行改进 ,提出改进措施。但由于时间的滞后 ,往
0 K5 V/ ~( r- ?: O/ X往会造成设计工作的重复及工作量的增加 ,影响了
: \9 L2 }+ f4 g- f8 z, W6 c模具设计进度。  E! N# A; V* T. }
图1　传统模具设计流程图 % a: ^) t. ~3 P3 ^0 O# _+ u

2 c2 |3 D1 L9 a( g' ]. Z' f# U$ B" n# B0 b9 E( G' G. u9 L& A  Y
　　随着计算机辅助设计技术的发展 ,以及工程数
! v6 x+ ?- ^) ?& U据库和参数设计的综合运用 ,并行工程被有效地应
- z" m; o0 g. o1 O# D: y# Q: J+ p用到模具设计过程中 ,极大地提高了设计效率[2 ]. ^2 b  W  R5 v" d
。. U# P1 g; q  E6 C# i# g9 |& d
图2为模具并行设计流程。& h$ h- y* e1 u, c
. }: W+ Q, m& b# `

3 z8 $ D7 o# q' E  C# q: O. @! Q　　CAE并行设计过程的主要思想是在制品设计中
+ L2 s4 Y% N/ E' d$ @后期通过 CAE 的简单分析 ,验证制品设计的合理, s; W# s8 W% Q
性 ,同时根据制品性能要求优化选择制品材料 ,根据7 P, l2 f9 j7 ^4 g) s
制品外观要求讨论制品进胶方式和可能出现的制品2 j- ~6 x' B3 m0 A
缺陷等。这样可基本确定浇注系统的大体形式 ,进; J3 Q1 h8 k7 o; X4 m  $ V6 o
行模架订购。在模架设计基本完成时 ,根据模具的5 y2 g. z( J- S. v8 u) U: e$ g5 T
基本尺寸、产品放置位置等技术条件 ,进行 CAE 详% K$ ]( I; g) }3 X
细分析 ,从而确定浇注系统的具体位置及尺寸 ,对于- R1 Z& g* L& T' \6 j$ E
有特殊要求的制品进行冷却变形分析。这种分析过
; T1 [: J6 u8 n) f7 a6 s程充分利用了 CAE分析软件的优越性 ,同时发挥了8 q3 ?2 t6 c. h  u: ]
CAE工程师的技术优势 ,对模具产品、结构设计提供' a1 P: g5 R  T6 {- g$ ]  @
了充分的技术支持 ,提高了模具设计的水平和试模+ n" g6 J6 k4 s/ I
的一次成功率。" z4 X4 D, e  ~: s
3 O2 V! k! I) R& P
5 I6 B1 P6 r. s0 X- _8 i$ h
2 　CAE并行设计实例
1 Q) Y* i, t% B* H7 @　　现以使用MPI(moldflow Plastics Insight) 4. 0 软件+ w9 [5 t. P9 {# K3 {& H3 N
设计空气取水机门盖模具为例 ,简要介绍 CAE并行' V: O" \- P; _6 Y! S1 d# j! C
设计在门盖模具设计过程中的应用。, c5 ]* ?; d0 j
2. 1 　制品优化设计
# f: X7 r6 Z1 W& L　　最初制品设计壁厚分布及初步确定的浇口位置$ v0 i% f5 |3 [0 ?. U( H
如图 3 所示。制品最大外形尺寸为 605 mm(长) ×& m; {, \1 g9 \2 F
360 mm(宽) ,主要壁厚为 3 mm ,筋位最薄处为0. 8
# I4 J3 t/ }8 V0 a' Nmm ,浇口形式为一侧进胶。用户要求制品为外观透
7 V' `1 }# o. }明制件 ,预选材料为透明聚碳酸酯( PC) ,制品收缩: ]/ k2 A5 d3 F) L  Q
率为0. 5 %。
# k& d2 V0 K9 v1 M- M9 D  k) z: S' i& Y2 o- l( g

( s- ]2 o# b9 O: r- T0 L7 T9 T8 V) {  R
                  图3　初始制品壁厚分布图
: e% f  o7 L6 l7 N　　在MPI 4. 0 中输入制品模型、注塑材料及成型
5 x& U" o0 B! z) b工艺等初始条件以后 ,进行流动、保压、变形分析 ,通2 j- }/ t2 h% J2 J  `! A8 X
过分析相关成型结果 ,得出表1所列的结论。( q' a1 o( U( J( q3 O) ]( a
. U& R8 G" c$ Q" K
$ H' g8 \7 h! t% h
( P0 E6 O7 w* [7 k0 j" k7 E
, J4 e7 Z# M7 t' g
　　根据用户对制品的质量要求 ,结合相应的 CAE% u% w0 F  S( G+ ~
分析结果 ,综合考虑模具成本、制品质量及效率 ,对
7 D& m# Y. C+ F" h制品设计及成型方案提出优化设计方案为:注塑材% w: l5 b' J% t4 [
料改用流动性相对较好的透明(丙烯腈/丁二烯/苯5 K* e9 r- R8 D% t
乙烯) 共聚物(ABS) ,浇口位置改为制品正面中心
0 i( `# T, N" d6 H' ?8 n处 ,为掩盖浇口痕迹 ,在制品上设计一凹槽表面覆盖1 D8 Q8 L. Z) M1 @' C5 D
标牌 ,制品周边进胶位置的壁厚改为 2. 5 mm ,筋位
% X& ]6 Y/ ]9 K0 X. C5 r! o最薄处改为1 mm ,优化设计的制品见图4。
2 {& e, G* S! n: t0 d: \; q2 b7 w1 A2 n8 a9 B7 E+ D

( S8 w7 ]3 [5 t! b7 S6 W# p　图4　优化设计制品壁厚分布图　 4 l2 I7 M0 A4 T' ^  {* I
6 v2 w8 @" ?6 M2 j

8 s/ i" |$ _( `5 E& y将制品优化设计方案重新输入到MPI 4. 0中进4 g$ x3 M; I6 J1 m4 V1 ?! _
行流动、保压、变形分析 ,同时对注塑工艺进行初步
: T! ]8 g& N0 \优化 ,得出的结论见表2。
% h" d8 y) w- _- [+ S8 {3 F2 Y表2　优化设计方案成型分析, |1 J5 b8 Q7 S+ N0 C
- T( o) P4 o* P- h1 a9 h' A

' f  A  l8 a; n/ }9 H
4 F- i- G% I" E$ H# u( |% g8 ~6 r& `1 K8 k) A; [
成型结果 40 6 - 500 160～230 - 0. 4～0. 6% Q# J  k( {( l# ~& W
结论成型压力适中锁模力适中高于迟滞温度变形不大
2 Q( [7 F$ i  `: H8 I　　通过比较分析结果 ,改进后的制品设计方案成1 K4 R, P- H' b+ L* n) ^+ G
型性能提高 ,在保证制品质量的同时 ,大大降低了制
( y1 N% Z1 \$ B) U9 I- x品成本及模具成本 ,满足了用户的要求。3 N% z8 {) _0 w0 V7 Q2 p! u
2. 2 　结构优化设计
: N6 N6 u+ m3 o% E　　由于采用了模具设计并行工程 ,在完成制品优
0 |5 o$ E$ K$ h化设计的同时 ,模架设计也基本完成 ,在确定模具的) J7 S3 X2 s% h" }. _% t
型腔数、制品定位、模架大小后 ,可以根据以上输入% m$ [- v- m- `
条件设计出准确的 CAE模型 ,CAE设计模型如图 5
. @/ v& y9 J! M所示。此套模具采用两板模直浇口 ,浇口位于制品
' D3 G! p/ y- p2 U5 U中心凹槽处。主流道尺寸为入口直径 ,达 4 mm ,双
8 ~1 f* K: u' A+ C0 P/ ], n边斜度为2° ,高度为110 mm。
* Y0 c8 N8 P. g# X& C. K& S8 H3 [# c2 B6 F* }- ]$ I* ^
( E0 k: @  W- m" O- @9 ?

, }. {- E" w/ P" D! S9 ?7 m1 `                   图5　CAE设计模型图
" q4 p( G+ K" J5 L# }; P- d% I# v; p　　在完成初步分析的基础上 ,在 MPI 4. 0 中输入1 a' {4 R9 f! ~6 `
优化的螺杆曲线数值及注射、保压、冷却时间等工艺
, L2 N2 I: i5 b3 D条件 ,进行 CAE详细分析。通过准确的成型结果确6 p! u5 v7 w/ V, g! A2 ^4 M
定优化成型方案 ,提供浇注系统详细的设计尺寸 ,指: |& B8 }% n2 C* E
导模具结构设计。
8 n0 H, V8 N4 O3 　结语
# b# u% ^% x+ [! {, J9 }$ e实践证明 ,通过 CAE技术在模具设计过程中的6 x5 n% B! R  `
并行应用 ,可以提供制品优化设计方案 ,指导模具结
- ~+ w( U1 {; z$ z% ]8 F构设计 ,提高设计质量 ,缩短设计周期 ,最大限度地
5 H9 l: P( c5 \( c" F9 O# Y发挥 CAE的技术优势。9 m$ O3 o/ k+ P6 c: E6 }
3 t( U2 ~: @; k9 k. j, y
% X5 P' Q! K0 [# H
参考文献
' N& w1 ^, Y- E+ y; T1　李德群,唐志玉,周华民,等.中国模具设计大典— — —轻工模具设% k0 x) g0 T6 V2 i6 `
计.南昌:江西科学技术出版社,2002.& R6 Z% D" q4 l( Q: h0 u) ~
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+ G, a2 T1 z& i

★情有独钟★ · 发表于 2010-10-11 20:03

海尔模具的确不错

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