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

/ s7 W: d0 k; T3 b/ G- ?+ r+ D
# Q4 c  d  @$ V' _* ?6 q
CAE技术在模具设计过程中的并行应用
; \; q& |/ s$ P5 i                                  杨　斌　李延杰　杨晓志　周利民; w1 x1 T. y+ |1 R
                              (青岛海尔模具有限公司,青岛　 266103)
/ D+ H5 ~2 a  x$ P- b% D摘要' }1 h; o# b2 p% D9 Z! h- h
　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 x3 b/ V4 @: C8 g) k, e
关键词
, g# k! Y; o5 J* L! ]) Y2 p/ c　CAE　 Mold flow软件　并行工程　模具优化设计" M) f" p7 F% F  {3 f% y2 A
0 N. b3 X9 X1 l* E4 Z

9 s1 u- X7 a0 G3 w. V% V: i, {. e6 D  X1 h' U
; K- F7 D' b0 B6 Y2 P
　　随着模具行业的发展 , 计算机辅助工程(CAE)
/ N) b: w' s/ l0 R+ _技术已经在塑料模具行业得到越来越广泛的应用。& }# s2 c! K5 V, x; K4 v" z
它通过模拟塑料制品的成型过程 ,辅助模具设计工
: }) x  |& b/ `程师设计出精确、高效的模具;指导工艺师正确设定2 v/ a6 O* y, Q, }
生产工艺参数。在注塑模具行业 ,CAE软件能在模
2 ~# E- O; \; ]具制造之前预测塑料熔体在型腔内的流变行为 ,因
: e* m$ }1 L7 v9 e而能提高模具设计质量、降低模具成本、缩短模具制
; i0 ~) @# p; P; C3 p4 Y3 o造时间 ,因而得到注塑模具行业的极大关注[1 ]* J: |  a6 U1 P2 E
。- m; V4 J+ B8 ~5 Z7 H) Q
青岛海尔模具有限公司作为我国模具行业的大9 U7 m7 e+ H, a) F8 `* v
型企业之一 ,面对激烈的市场竞争不断地进行技术( ?  W+ {# V8 W" R0 w
创新 ,在模具设计阶段采用制品和模具设计并行工0 j+ H2 C7 k( G4 Q0 x9 b: I0 j
程 ,将 CAE技术应用于模具并行开发过程 ,已取得5 L. a: A4 d9 W# f: U! S% u& g
了较好的效果 ,提高了制品设计、模具设计的质量和
: h8 t0 `+ X' P效率 ,最大限度地发挥了 CAE技术的作用。$ U: \, X3 S1 G" n

7 q8 k6 y3 ]( [1 E( |2 Z3 b) s1 M6 X- A' c% X7 `2 T% _
1 　CAE并行设计
. ]* g; b/ _3 Y( a* w! r; ]2 J7 U1. 1 　基本思想
; M: g' `& D* h8 ?1 r5 j- s  x以往在模具设计过程中 ,由于受到 CAE工程师+ {) G) ?8 {1 O3 ]' a- T$ L
技术水平和 CAE软件的限制 ,CAE技术主要用于分
  a) r6 c5 G+ H1 \- P) o; l1 [析、验证模具的结构设计 ,即结构设计工程师先将模
* M, S& o: A$ f8 x具浇注系统和冷却系统设计完成 ,然后由 CAE工程  k& B$ G9 o" N* q
师进行 CAE分析 ,通过流动、保压、变形分析验证浇
0 {2 x' R3 n4 M  e% c+ [$ s注系统及冷却系统的可行性。这样一来 ,一般周期4 f- F) W. j" Z) k9 Y
较长 ,当设计任务较为繁重时 ,无法及时完成分析任+ i7 Z& P( Y( j
务 ,限制了 CAE作用的发挥。通过不断地实践和经
6 u# s6 c' S3 \& w; @验积累 ,CAE 工程师提高了自身的技术水平 ,加之* x, \) R* u- I- ]; |" o
CAE软件的升级更新 ,CAE分析的效率和质量大为
5 V  k  _) A% c/ _1 P7 O  K提高。为进一步提高 CAE技术的应用效率 ,我们在) O4 W/ _8 s# B2 e# F
模具设计过程中引入 CAE并行分析 ,不仅对制品设
8 |4 k8 D1 h. N1 I计进行验证 ,而且对模具浇注系统及冷却系统进行7 S% t  p3 w) y' v. @7 b5 I6 d/ s
指导性设计 ,优化制品及结构设计方案 ,提高整个设5 j) B5 A4 G- N% {% b4 S2 ^
计过程的效率。
; D. v8 y1 Q* a) Z' U* }- h9 |$ b1. 2 　CAE设计过程对比, M  ~! `, W- t# q
传统模具设计过程是制品、结构、数模顺序的设
5 u9 v& D  {! |% L计 ,见图1。CAE分析处于模具结构设计之后 ,主要
$ h4 o% w! d; A是对模具结构设计结果的验证 ,同时验证制品设计。% }( Z+ N4 W( f9 ~& S
当分析结果发现缺陷时 ,则需反馈给结构或产品部% y7 d! p/ X9 X3 m( m
门进行改进 ,提出改进措施。但由于时间的滞后 ,往! c$ F0 u: ~. ^4 |7 q0 ^
往会造成设计工作的重复及工作量的增加 ,影响了
6 H( k) `8 \# m3 G9 V  \: W% e模具设计进度。
% u7 W2 {" q2 g+ j! Q3 M# |9 L图1　传统模具设计流程图
0 t5 Y3 m/ d0 U- {% E6 m                                                                                                       & V- }) ?" [4 N0 }$ n
, V# z) ?6 Z+ V/ v( l
　　随着计算机辅助设计技术的发展 ,以及工程数) j' p7 F0 h. o" R" L
据库和参数设计的综合运用 ,并行工程被有效地应
! E  a( d7 t9 h用到模具设计过程中 ,极大地提高了设计效率[2 ]7 K4 e+ ?+ c7 i; Z; L+ [. k
。
  [: e7 N: \" B* w) H图2为模具并行设计流程。
1 B9 G- p/ {/ F3 _3 C3 R$ W& |# e2 _' U1 H$ w

8 `' Z+ q4 t- Q+ m: ^　　CAE并行设计过程的主要思想是在制品设计中
$ ?7 k$ V' P1 m% g: Q后期通过 CAE 的简单分析 ,验证制品设计的合理
& a. f# B: \" a: p- c/ C0 C, a3 ]性 ,同时根据制品性能要求优化选择制品材料 ,根据
, u1 q: p# k1 i* v7 d* Z6 e& c$ M制品外观要求讨论制品进胶方式和可能出现的制品7 ~% Y. e+ n- E' d0 [5 d8 J5 g
缺陷等。这样可基本确定浇注系统的大体形式 ,进) F( f5 C0 J& C3 Z! @3 U- d, r
行模架订购。在模架设计基本完成时 ,根据模具的" m* R# A& t9 V1 r- Y8 D, q/ V
基本尺寸、产品放置位置等技术条件 ,进行 CAE 详
+ G6 ~1 ]* y* D! \4 C, a细分析 ,从而确定浇注系统的具体位置及尺寸 ,对于$ W2 l( ?  o: P( Z% Y
有特殊要求的制品进行冷却变形分析。这种分析过  P, f6 ~6 o  w: i# M5 i# h9 p
程充分利用了 CAE分析软件的优越性 ,同时发挥了3 w7 q# s& B$ w
CAE工程师的技术优势 ,对模具产品、结构设计提供3 A9 u- \) Z& u5 t' q. A7 w
了充分的技术支持 ,提高了模具设计的水平和试模
; f' y3 q" c. [; Q: l的一次成功率。& @8 k* ~" h  p4 {2 [. i

6 S$ Y$ T6 i/ \$ ]
& _8 c6 m3 i: p" c2 　CAE并行设计实例
  A- W8 d- ?( i- O2 N  G# z2 G　　现以使用MPI(moldflow Plastics Insight) 4. 0 软件
/ U1 k) Q8 h' f+ f1 P设计空气取水机门盖模具为例 ,简要介绍 CAE并行
4 B$ ]& B1 {8 g# ?: o" Y/ r设计在门盖模具设计过程中的应用。1 I5 ]! ~" C! K' f6 Y% K
2. 1 　制品优化设计0 M9 s8 N& l' f& {- b  C0 q+ B0 w
　　最初制品设计壁厚分布及初步确定的浇口位置+ k1 k) D4 d9 C5 U- Y
如图 3 所示。制品最大外形尺寸为 605 mm(长) ×
6 D1 ]7 q% L* M! C360 mm(宽) ,主要壁厚为 3 mm ,筋位最薄处为0. 8+ @" t& A; V, h- T2 C4 j1 C$ e' m
mm ,浇口形式为一侧进胶。用户要求制品为外观透1 t% z9 \* Q; l! U0 x; C9 \6 C
明制件 ,预选材料为透明聚碳酸酯( PC) ,制品收缩
/ }+ y) U" U7 A& O0 T% g2 V率为0. 5 %。
% p; c& V5 u% @) k
; z8 M. |9 h: G3 Y) Q4 ?* W; O* W' y+ f' U, o( R
, |  r  X. D9 R6 _' \
                  图3　初始制品壁厚分布图: `0 I% R. @8 B/ _+ R- q
　　在MPI 4. 0 中输入制品模型、注塑材料及成型
1 w- n$ t; ?0 N- I$ T+ s8 z工艺等初始条件以后 ,进行流动、保压、变形分析 ,通
+ M" E8 T/ f6 D" O8 T% b; D* o过分析相关成型结果 ,得出表1所列的结论。
1 Y" X' i2 |4 G5 Q3 i2 Z

: @( F! o9 e, W% Q
) E0 N2 m: P3 Z/ k4 o6 [, _+ B- \- A1 e
　　根据用户对制品的质量要求 ,结合相应的 CAE
- D2 z: B8 B1 \3 H分析结果 ,综合考虑模具成本、制品质量及效率 ,对
1 {. }, z/ B& B4 [3 _( F6 M/ |3 }制品设计及成型方案提出优化设计方案为:注塑材9 }% N: j. |, k% }; i  ?7 s
料改用流动性相对较好的透明(丙烯腈/丁二烯/苯
8 v! f1 L" [* b) q1 U0 b3 ~1 G乙烯) 共聚物(ABS) ,浇口位置改为制品正面中心
. B- S2 v; e* T+ I处 ,为掩盖浇口痕迹 ,在制品上设计一凹槽表面覆盖
3 K* P- [* c9 h0 l% U标牌 ,制品周边进胶位置的壁厚改为 2. 5 mm ,筋位
  [9 I8 z& h& ?- e最薄处改为1 mm ,优化设计的制品见图4。( M) r. T& d! ?: {0 V1 d) @, |7 A: _

' K. X% M# e, y( B. p5 p5 r' ]# v8 g2 L3 Z$ s  s
　图4　优化设计制品壁厚分布图　 / ]2 e8 G+ h4 e3 C" E
% g( C& P/ x+ x1 N+ B$ S2 k$ O. f  @/ I
+ x9 G3 \* h$ M/ A" W) T
将制品优化设计方案重新输入到MPI 4. 0中进. r0 F5 M4 B0 |( o5 R7 i: j
行流动、保压、变形分析 ,同时对注塑工艺进行初步
4 U# V/ n9 u: r" }. D优化 ,得出的结论见表2。
9 U! U0 t8 i) O" v4 |* M9 q- w表2　优化设计方案成型分析; k1 A  j7 P1 Z' u) p& X
5 o- w) l- k2 @8 M

, m+ E, m# a& H6 p. C( y% \7 m5 P$ \9 F, j+ ?' E  j

6 b0 x: c" z0 F1 c0 o成型结果 40 6 - 500 160～230 - 0. 4～0. 6
: X( U, ]9 c* y, X9 Y& k9 K结论成型压力适中锁模力适中高于迟滞温度变形不大& c; s3 U  M4 X( z1 J2 k6 ]- T) K
　　通过比较分析结果 ,改进后的制品设计方案成
( t( J/ L  z) h. E( G& X$ f型性能提高 ,在保证制品质量的同时 ,大大降低了制) o; K0 q6 l" K: `! `) T  }2 f+ I
品成本及模具成本 ,满足了用户的要求。& ^; l4 R- g  \/ Q3 f# M/ w
2. 2 　结构优化设计
( H: V  F8 L3 O9 s0 l　　由于采用了模具设计并行工程 ,在完成制品优
+ l# F$ x4 f& d化设计的同时 ,模架设计也基本完成 ,在确定模具的; t% W8 K* T% H! Z' v7 }
型腔数、制品定位、模架大小后 ,可以根据以上输入5 S) H! z' ~2 q0 U( ?
条件设计出准确的 CAE模型 ,CAE设计模型如图 5
) M0 c4 y( T+ s  a" N所示。此套模具采用两板模直浇口 ,浇口位于制品
0 r: D; h! B5 [; ~( I中心凹槽处。主流道尺寸为入口直径 ,达 4 mm ,双
, d  [3 ^, t: N( i5 \边斜度为2° ,高度为110 mm。' C: x7 d- |4 L/ f$ j: o7 }8 ~

8 ~9 Q6 u, C# s8 v+ Y0 r' \1 u: Z( j- f5 z

) l2 x# X/ j4 P2 Z9 m/ ?                   图5　CAE设计模型图6 ?& e9 g) G4 k1 t+ t9 v* J
　　在完成初步分析的基础上 ,在 MPI 4. 0 中输入- M9 ]: m+ H4 A) h7 h
优化的螺杆曲线数值及注射、保压、冷却时间等工艺% r1 |! k- ^! h/ I( \' y
条件 ,进行 CAE详细分析。通过准确的成型结果确
% T' m0 y# }4 w8 ]( P% U% L# I定优化成型方案 ,提供浇注系统详细的设计尺寸 ,指
$ V! o6 F5 \. ]) V. {9 L导模具结构设计。
6 \# n+ _8 P% B' \3 　结语7 ]! }- y% d8 M) {% v
实践证明 ,通过 CAE技术在模具设计过程中的
' L9 C5 B1 d7 G并行应用 ,可以提供制品优化设计方案 ,指导模具结0 {! g" M* A" j1 K! \
构设计 ,提高设计质量 ,缩短设计周期 ,最大限度地
0 Q. @% e7 H: e% Y发挥 CAE的技术优势。
& D. |5 H3 P, @; a4 ]" O, p0 N. M
( n/ k3 H: V! ]" [2 ~6 w
参考文献/ C$ N' H- X$ R- s
1　李德群,唐志玉,周华民,等.中国模具设计大典— — —轻工模具设
- d; L+ E  i3 V6 }) a* M) V计.南昌:江西科学技术出版社,2002.
+ V7 f' _" \* p* y/ l9 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
5 s2 z6 c! B% U6 @8 d' 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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