CAE技术在模具设计过程中的并行应用

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. a' Q7 i: g" p; O& F; a

CAE技术在模具设计过程中的并行应用
                                    杨 　 斌 　 李延杰 　 杨晓志 　 周利民
' H2 u5 k1 g2 t7 i- _" E; C                                  (青岛海尔模具有限公司,青岛　 266103)
摘要
　 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 h0 ]6 I) Z) n2 m关键词
4 K& A0 b3 ~+ P' o* @　CAE　 Mold flow软件 　 并行工程 　 模具优化设计


( I2 A8 M, B$ ?3 g. h
  C0 ?/ W: u. S1 B' a; o
) Q5 a+ ?& P" |# j8 Z4 a  C8 S6 R　　 随着模具行业的发展 , 计算机辅助工程(CAE)
技术已经在塑料模具行业得到越来越广泛的应用。
它通过模拟塑料制品的成型过程 ,辅助模具设计工
1 b) F) @* ^* ~& u! P6 O程师设计出精确、 高效的模具;指导工艺师正确设定
生产工艺参数。在注塑模具行业 ,CAE软件能在模
: ?8 B7 B  S/ |2 G7 |4 {0 W4 r具制造之前预测塑料熔体在型腔内的流变行为 ,因
4 n. ~7 ?2 d, T# D而能提高模具设计质量、 降低模具成本、 缩短模具制
造时间 ,因而得到注塑模具行业的极大关注[1 ]
6 c' J  @: d1 V, e, X$ _/ M。
& V# p3 ~2 t* ]8 w5 }( X5 Y青岛海尔模具有限公司作为我国模具行业的大
/ G# \2 v7 w4 I4 v& _型企业之一 ,面对激烈的市场竞争不断地进行技术
创新 ,在模具设计阶段采用制品和模具设计并行工
1 T! M, x6 q% D9 L$ ~4 \程 ,将 CAE技术应用于模具并行开发过程 ,已取得
了较好的效果 ,提高了制品设计、 模具设计的质量和
4 f; p( v  a% |% y0 G8 I效率 ,最大限度地发挥了 CAE技术的作用。
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" W4 R, P: ^4 o$ q; f1 a
8 ?2 [% E6 C  `1 　CAE并行设计
! x8 c! s" m8 P% V7 |" X; E1. 1 　 基本思想
8 a0 E* Y6 w* ^+ m' d6 p/ D# x以往在模具设计过程中 ,由于受到 CAE工程师
技术水平和 CAE软件的限制 ,CAE技术主要用于分
, X3 `6 b- ~3 W/ K5 b4 I# ]7 S+ c析、 验证模具的结构设计 ,即结构设计工程师先将模
+ Z- c: r. a; e# E! S3 |4 A  Y! ~0 G具浇注系统和冷却系统设计完成 ,然后由 CAE工程
师进行 CAE分析 ,通过流动、 保压、 变形分析验证浇
% k  ^3 q. v. X9 H: F- S注系统及冷却系统的可行性。这样一来 ,一般周期
较长 ,当设计任务较为繁重时 ,无法及时完成分析任
! l# D2 i4 ]  @/ p: T务 ,限制了 CAE作用的发挥。通过不断地实践和经
4 K7 \/ U, |2 J验积累 ,CAE 工程师提高了自身的技术水平 ,加之
4 N" E, C: Y2 J8 ?; d8 H+ ~4 lCAE软件的升级更新 ,CAE分析的效率和质量大为
8 G5 `& C& u: g* }2 u提高。为进一步提高 CAE技术的应用效率 ,我们在
0 A9 a5 s( w2 O4 s模具设计过程中引入 CAE并行分析 ,不仅对制品设
计进行验证 ,而且对模具浇注系统及冷却系统进行
! S) O( V& }! L- j指导性设计 ,优化制品及结构设计方案 ,提高整个设
计过程的效率。
+ L" Z% N5 l0 D: N1. 2 　CAE设计过程对比
9 D- {6 q9 X+ \+ b0 f( E传统模具设计过程是制品、 结构、 数模顺序的设
9 r/ G/ c8 n) f6 l3 z计 ,见图1。CAE分析处于模具结构设计之后 ,主要
7 z! e; G) R& D4 t, P" J是对模具结构设计结果的验证 ,同时验证制品设计。
- h4 a0 E7 Z% |$ o  M- g6 x, o当分析结果发现缺陷时 ,则需反馈给结构或产品部
1 G3 P+ H  F& h( E3 v门进行改进 ,提出改进措施。但由于时间的滞后 ,往
# W; x- X4 o: `) v往会造成设计工作的重复及工作量的增加 ,影响了
模具设计进度。
图1　传统模具设计流程图   
, `2 x1 z5 y( b! i; A8 V                                                                                                        

　　 随着计算机辅助设计技术的发展 ,以及工程数
据库和参数设计的综合运用 ,并行工程被有效地应
2 i0 H: F# z. ]. ^5 z2 u用到模具设计过程中 ,极大地提高了设计效率[2 ]
。
( H% _; t1 p# b2 Y+ L* L% l图2为模具并行设计流程。
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  b( j: q2 I4 J6 P  J　　CAE并行设计过程的主要思想是在制品设计中
( W6 e9 A7 @) O后期通过 CAE 的简单分析 ,验证制品设计的合理
性 ,同时根据制品性能要求优化选择制品材料 ,根据
$ c' A/ x5 M$ h. }2 Q1 L制品外观要求讨论制品进胶方式和可能出现的制品
$ ^0 Q& T! N$ a缺陷等。这样可基本确定浇注系统的大体形式 ,进
( n& O3 z" J  r9 S+ [1 V& q0 d( t- z行模架订购。在模架设计基本完成时 ,根据模具的
% X5 s3 y# m7 H5 ^# T基本尺寸、 产品放置位置等技术条件 ,进 行 CAE 详
* B; A% A' y6 n& k0 S  H细分析 ,从而确定浇注系统的具体位置及尺寸 ,对于
有特殊要求的制品进行冷却变形分析。这种分析过
程充分利用了 CAE分析软件的优越性 ,同时发挥了
CAE工程师的技术优势 ,对模具产品、 结构设计提供
% Y) x) u( {' M1 ]2 U, M了充分的技术支持 ,提高了模具设计的水平和试模
的一次成功率。
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- p0 I9 J6 r$ B- u, @7 |% p: v
9 k: j  H; h7 m3 Z4 R. V2 　CAE并行设计实例
　　 现以使用MPI(moldflow Plastics Insight) 4. 0 软件
设计空气取水机门盖模具为例 ,简要介绍 CAE并行
) u' C% B# P7 V" E设计在门盖模具设计过程中的应用。
; e3 a. k: {/ `8 l/ `. Y3 z$ Y$ `2. 1 　 制品优化设计
' Y% }* Z- v3 H4 `1 m5 p3 b　　 最初制品设计壁厚分布及初步确定的浇口位置
5 K/ ^" q1 J$ V3 V6 H4 Q如图 3 所示。制品最大外形尺寸为 605 mm(长) ×
3 e* a/ W# B* r$ h360 mm(宽) ,主要壁厚为 3 mm ,筋位最薄处为0. 8
9 N! _( p2 N/ P1 J0 F  d( }mm ,浇口形式为一侧进胶。用户要求制品为外观透
明制件 ,预选材料为透明聚碳酸酯( PC) ,制品收缩
" P1 W1 }3 }! J1 }; K  C1 R率为0. 5 %。


8 W& i( x2 X, q) s4 S$ _/ Y
2 q- R% y; n4 L" {2 [                      图3　初始制品壁厚分布图
　　 在MPI 4. 0 中输入制品模型、 注塑材料及成型
% O/ n4 ~& X8 k$ s( B工艺等初始条件以后 ,进行流动、 保压、 变形分析 ,通
过分析相关成型结果 ,得出表1所列的结论。

) d9 {! |. a% K! q! F7 D8 B
& Y, }0 y1 \6 T1 t
' C$ A( s$ u3 L! B0 R7 m
　　 根据用户对制品的质量要求 ,结合相应的 CAE
  {9 w6 k. y5 J2 y分析结果 ,综合考虑模具成本、 制品质量及效率 ,对
制品设计及成型方案提出优化设计方案为:注塑材
( R" N* w% F4 X" O, Z; C料改用流动性相对较好的透明(丙烯腈/丁二烯/苯
) i6 h: e8 g1 p! N' p& }( k乙烯) 共聚物(ABS) ,浇口位置改为制品正面中心
2 M* W* L; G  p# k- W9 x. [! a# K处 ,为掩盖浇口痕迹 ,在制品上设计一凹槽表面覆盖
标牌 ,制品周边进胶位置的壁厚改为 2. 5 mm ,筋位
+ h' ?9 `0 Q5 @7 _/ G最薄处改为1 mm ,优化设计的制品见图4。
- O5 ?7 Q& d  w4 g* D- l6 \
2 {4 x/ a; h( ~
　图4　优化设计制品壁厚分布图　
; V' U5 j+ G- c+ i4 j# W5 L2 S
' Z# {9 u6 u% {9 o/ G* ^1 y! {) I' W/ {
将制品优化设计方案重新输入到MPI 4. 0中进
行流动、 保压、 变形分析 ,同时对注塑工艺进行初步
优化 ,得出的结论见表2。
) s/ i, M, r# M2 C0 D, Q表2　优化设计方案成型分析
/ O# S  J1 T1 A  l, c. v# Q: W# `8 _

2 e: L) k/ N9 T' `) Q, A

* d: ]/ E. k( d& }成型结果 40 6 - 500 160～230 - 0. 4～0. 6
结论 成型压力 适中 锁模力 适中 高于迟滞 温度 变形不大
　　 通过比较分析结果 ,改进后的制品设计方案成
型性能提高 ,在保证制品质量的同时 ,大大降低了制
! {+ H& n  R$ N& f品成本及模具成本 ,满足了用户的要求。
: E1 ~6 F1 N3 w2. 2 　 结构优化设计
) A" q! P0 T+ d9 O( u8 S/ d0 i+ f　　 由于采用了模具设计并行工程 ,在完成制品优
化设计的同时 ,模架设计也基本完成 ,在确定模具的
型腔数、 制品定位、 模架大小后 ,可以根据以上输入
( N9 o$ H, Q) x+ O4 c条件设计出准确的 CAE模型 ,CAE设计模型如图 5
所示。此套模具采用两板模直浇口 ,浇口位于制品
中心凹槽处。主流道尺寸为入口直径 ,达 4 mm ,双
边斜度为2° ,高度为110 mm。



2 `- i% I% S/ O, L6 J0 C                      图5　CAE设计模型图
) N" v- L5 o* O" p) z4 L　　 在完成初步分析的基础上 ,在 MPI 4. 0 中输入
优化的螺杆曲线数值及注射、 保压、 冷却时间等工艺
条件 ,进行 CAE详细分析。通过准确的成型结果确
定优化成型方案 ,提供浇注系统详细的设计尺寸 ,指
导模具结构设计。
! j- }2 \3 r. v( P3 　 结语
+ L' _# a- N7 n" `* I实践证明 ,通过 CAE技术在模具设计过程中的
7 D0 h& B5 g+ ^并行应用 ,可以提供制品优化设计方案 ,指导模具结
构设计 ,提高设计质量 ,缩短设计周期 ,最大限度地
5 R. \0 k; T/ s. i& e3 Z发挥 CAE的技术优势。

: s4 d1 V, B$ A( e3 L3 I
' E2 ^+ c# k* y) O* K参 考 文 献
( z( Y- c& ~% \2 p) W9 M1　李德群,唐志玉,周华民,等.中国模具设计大典— — —轻工模具设
1 o$ j) W2 S3 e/ c% B计.南昌:江西科学技术出版社,2002.
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

★情有独钟★

海尔模具的确不错