CAE技术在模具设计过程中的并行应用

lzh.810

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8 i2 B3 h3 z$ w6 H" G+ vCAE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
8 O6 s0 N$ ^) b% T                                  (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。
关键词
. H8 o: |, X1 P　CAE　 Mold flow软件 　 并行工程 　 模具优化设计
( x7 L$ Z1 _- q7 g% ?; I- A

1 J. ~- C8 z3 I$ q, K2 Q% G
$ e8 e- Y% Y2 o. a- a
9 x3 b& R; t9 M- F* p! E. H" s　　 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。
0 V+ O. ?: d- g! Z7 ^它通过模拟塑料制品的成型过程 ,辅助模具设计工
程师设计出精确、 高效的模具;指导工艺师正确设定
8 f0 ?1 d2 C" N- q! i生产工艺参数。在注塑模具行业 ,CAE软件能在模
具制造之前预测塑料熔体在型腔内的流变行为 ,因
0 r% \& ^% |: w2 p4 Y8 J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 O1 u3 Z3 a( H  s。
1 |' u( g+ ]" M1 o1 D- r* b青岛海尔模具有限公司作为我国模具行业的大
9 n+ H2 T5 |' j/ \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
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
效率 ,最大限度地发挥了 CAE技术的作用。
$ Z% g6 c) D3 Z9 N! l( q3 H
5 h! B- a$ x7 C9 G
1 　CAE并行设计
0 _5 X( u; K3 F3 p) n5 ?! s1. 1 　 基本思想
以往在模具设计过程中 ,由于受到 CAE工程师
; T6 @# o1 R2 p* _. k技术水平和 CAE软件的限制 ,CAE技术主要用于分
析、 验证模具的结构设计 ,即结构设计工程师先将模
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
$ i; k3 _4 T; i. Y! ?4 L: ]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
务 ,限制了 CAE作用的发挥。通过不断地实践和经
( s) E. X' D: @. ]5 x- A验积累 ,CAE 工程师提高了自身的技术水平 ,加之
CAE软件的升级更新 ,CAE分析的效率和质量大为
5 e5 C: q4 ~2 A4 b* V) z提高。为进一步提高 CAE技术的应用效率 ,我们在
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
& z* I( o: m5 i% S  j) Y指导性设计 ,优化制品及结构设计方案 ,提高整个设
& v6 X5 ^, L* t; H6 J: w! S0 d计过程的效率。
1. 2 　CAE设计过程对比
传统模具设计过程是制品、 结构、 数模顺序的设
4 V: j; `8 _4 S1 d计 ,见图1。CAE分析处于模具结构设计之后 ,主要
是对模具结构设计结果的验证 ,同时验证制品设计。
; c$ f  L, `) [$ u当分析结果发现缺陷时 ,则需反馈给结构或产品部
$ `* M8 ?' O+ W! W* i  S6 }门进行改进 ,提出改进措施。但由于时间的滞后 ,往
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   
  ?$ D+ w4 S' M* d9 e                                                                                                        

0 J1 U! h" ~; S" o9 s0 P　　 随着计算机辅助设计技术的发展 ,以及工程数
4 Y9 ?# M+ ^6 }/ r* Y据库和参数设计的综合运用 ,并行工程被有效地应
用到模具设计过程中 ,极大地提高了设计效率[2 ]
。
  |0 z" k2 w+ H9 J图2为模具并行设计流程。
* c$ [2 w/ H+ f  Q0 _, H
- W8 L5 ]5 s9 p4 r- x
　　CAE并行设计过程的主要思想是在制品设计中
8 B) Q$ D# {0 I' \# m8 v9 H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
制品外观要求讨论制品进胶方式和可能出现的制品
缺陷等。这样可基本确定浇注系统的大体形式 ,进
5 Z1 S; L* v9 F. t# Y; |; G' N行模架订购。在模架设计基本完成时 ,根据模具的
基本尺寸、 产品放置位置等技术条件 ,进 行 CAE 详
$ U7 U* @3 k  }. k5 b9 P+ U7 f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
% x, T5 S9 v& j! e, r; x程充分利用了 CAE分析软件的优越性 ,同时发挥了
; Y+ v4 ]# C! lCAE工程师的技术优势 ,对模具产品、 结构设计提供
了充分的技术支持 ,提高了模具设计的水平和试模
% q% L$ b% w/ k  R) A# j* f的一次成功率。

& k+ K$ c9 g0 ?, n% v; N; g
" W2 S6 A1 ]( f- P2 D5 U2 　CAE并行设计实例
- Y- T5 t0 k( F- ]" l　　 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
6 f9 [$ ]: _4 Y  ]5 X设计在门盖模具设计过程中的应用。
% J$ S) D+ c' n9 M5 _7 `2. 1 　 制品优化设计
　　 最初制品设计壁厚分布及初步确定的浇口位置
0 z" H5 ?3 n+ n$ m( G如图 3 所示。制品最大外形尺寸为 605 mm(长) ×
360 mm(宽) ,主要壁厚为 3 mm ,筋位最薄处为0. 8
7 t. ^5 ^8 C, F. j& C: Fmm ,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
率为0. 5 %。



3 F5 }7 b: S) D6 F+ q                      图3　初始制品壁厚分布图
% {- P4 E  r: O; e; _1 f7 X　　 在MPI 4. 0 中输入制品模型、 注塑材料及成型
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。



7 E1 x. S5 B3 _* ?) f& ]
( ~5 m. b3 V8 Y4 W, A　　 根据用户对制品的质量要求 ,结合相应的 CAE
' t0 }) `3 _( f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
, m2 s8 n* Q6 I1 Y- v: Y料改用流动性相对较好的透明(丙烯腈/丁二烯/苯
乙烯) 共聚物(ABS) ,浇口位置改为制品正面中心
处 ,为掩盖浇口痕迹 ,在制品上设计一凹槽表面覆盖
! K; i5 N, Q4 ]! A5 t8 C4 U标牌 ,制品周边进胶位置的壁厚改为 2. 5 mm ,筋位
最薄处改为1 mm ,优化设计的制品见图4。
' ]4 C/ B9 R0 n# }" M# J& P
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　图4　优化设计制品壁厚分布图　
# P/ n- u8 q2 p9 i

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。
表2　优化设计方案成型分析
  X( C' ^# _/ u" D7 [

( M4 e0 i& B: H9 o+ C7 R3 ^4 j
( j2 \* z* B$ p& p
成型结果 40 6 - 500 160～230 - 0. 4～0. 6
8 g) |9 D  }, D& w0 u1 s4 b5 L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
8 t6 b# s) d# q/ I' V型性能提高 ,在保证制品质量的同时 ,大大降低了制
0 y$ ?  X6 |: {8 Q品成本及模具成本 ,满足了用户的要求。
2. 2 　 结构优化设计
. ^" ?+ i1 B9 @8 }& u! q　　 由于采用了模具设计并行工程 ,在完成制品优
4 N1 m* o% i9 s" J: B# Q* v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
条件设计出准确的 CAE模型 ,CAE设计模型如图 5
! D* e7 r4 e: c; d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。
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                      图5　CAE设计模型图
4 [+ Y7 t- l$ i! f　　 在完成初步分析的基础上 ,在 MPI 4. 0 中输入
2 U, H6 E$ P* b- [$ Y优化的螺杆曲线数值及注射、 保压、 冷却时间等工艺
8 u" E( k2 V4 v8 e  K7 @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。
3 　 结语
( A* V" o% P* K) e实践证明 ,通过 CAE技术在模具设计过程中的
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
发挥 CAE的技术优势。


参 考 文 献
1 c) x& `1 v; y9 X9 p5 H5 O1　李德群,唐志玉,周华民,等.中国模具设计大典— — —轻工模具设
计.南昌:江西科学技术出版社,2002.
; b; x0 i+ z6 b* F9 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★

海尔模具的确不错