CAE技术在模具设计过程中的并行应用

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CAE技术在模具设计过程中的并行应用
* I; V+ {3 z% H0 z. }$ Q4 e                                    杨 　 斌 　 李延杰 　 杨晓志 　 周利民
                                  (青岛海尔模具有限公司,青岛　 266103)
( _# z# F/ B1 d9 N- r摘要
" [! b5 Q2 n; J! Y6 v: k& p; R5 v9 c　 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
　CAE　 Mold flow软件 　 并行工程 　 模具优化设计


  y* `3 o5 @0 W6 B* e5 I( [/ W
( U7 c. s0 c4 f. ?. u: q$ K
　　 随着模具行业的发展 , 计算机辅助工程(CAE)
6 \6 Z2 o" q  b1 J7 U  e技术已经在塑料模具行业得到越来越广泛的应用。
4 k# L/ p1 ^! D" e' q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
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
+ x' o! ^  g. ~$ V; z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 ]
。
# ?# K: x# G0 X: }0 a; M3 x青岛海尔模具有限公司作为我国模具行业的大
" g, S$ U# v* Y, o( o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
9 `+ g* {1 S. U; ^' I8 ?7 K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。
5 m; U1 S: I$ E+ T

1 　CAE并行设计
1. 1 　 基本思想
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
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
- A% K5 v- }; S0 W4 H9 S; R6 y师进行 CAE分析 ,通过流动、 保压、 变形分析验证浇
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
6 i6 n+ ]7 O4 ]. I* T8 A验积累 ,CAE 工程师提高了自身的技术水平 ,加之
; W/ q4 L& F2 Z: M! Y3 c6 NCAE软件的升级更新 ,CAE分析的效率和质量大为
$ e9 v* B1 p* H2 q+ k' r8 ]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
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。
/ K3 _9 ]+ K  \( j1. 2 　CAE设计过程对比
/ I9 R3 z! R1 ?$ q* w传统模具设计过程是制品、 结构、 数模顺序的设
# c' D; ^# L% r计 ,见图1。CAE分析处于模具结构设计之后 ,主要
; V5 }9 e: q% C; n  y" @" N是对模具结构设计结果的验证 ,同时验证制品设计。
当分析结果发现缺陷时 ,则需反馈给结构或产品部
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。
! h& D3 ?! M( w6 U9 H2 E( L图1　传统模具设计流程图   
, g4 y  ]( x- Y* Z: e# B6 L0 r                                                                                                        
& u: b" W, ?( {
　　 随着计算机辅助设计技术的发展 ,以及工程数
2 i0 m+ S. ^2 R; r% i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 ]
. d) ?! M8 D, K+ M. Z* r  I. f+ P  ^。
/ [6 o9 R( u/ }4 [& x( \0 ^图2为模具并行设计流程。

  c$ @7 d4 T8 A: e  K. I" g8 ~
/ t2 }7 Y. \5 }* i# k$ ~; Q5 I; D　　CAE并行设计过程的主要思想是在制品设计中
, X: T4 j' e: i1 u8 l. X后期通过 CAE 的简单分析 ,验证制品设计的合理
0 I* |  c  H" h7 ?性 ,同时根据制品性能要求优化选择制品材料 ,根据
$ @/ j6 {* w% _" j  v8 u# K2 W9 S% v1 ]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
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
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
( W5 y8 p$ ^- C7 h  V了充分的技术支持 ,提高了模具设计的水平和试模
8 K2 A# i# }# ?的一次成功率。


& m1 t0 l8 O7 B5 [7 Q, ]1 f' u2 　CAE并行设计实例
) a. ~0 D- A; z' N. L0 j; i  u　　 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
( @- d: i- `% G设计在门盖模具设计过程中的应用。
  F% W# _* U& W; u3 F2. 1 　 制品优化设计
- Z5 m0 `& [& L4 ?% J( R. a　　 最初制品设计壁厚分布及初步确定的浇口位置
( H# z1 S$ _, I4 m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
: k% h7 N# d- O3 |' T! P+ O' @7 c: _mm ,浇口形式为一侧进胶。用户要求制品为外观透
& r! R7 g$ ]% S- x, p( _, q明制件 ,预选材料为透明聚碳酸酯( PC) ,制品收缩
率为0. 5 %。
. M& t6 Y; [6 @" i$ W

- J) d1 W5 w  \
                      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
" Q1 X! {' [- Z- P7 n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。

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8 O+ F' J( i3 O% B) J; K
　　 根据用户对制品的质量要求 ,结合相应的 CAE
分析结果 ,综合考虑模具成本、 制品质量及效率 ,对
7 v3 s+ T* S( Y$ A5 i制品设计及成型方案提出优化设计方案为:注塑材
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
8 {7 f( v+ ^, E6 e) l" O6 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。


2 W  ?0 D0 y! b7 ]* D. n7 q　图4　优化设计制品壁厚分布图　
& d" ~3 e" Z2 o5 L5 X8 n9 ]

- p5 F' ^1 V2 y7 x+ \将制品优化设计方案重新输入到MPI 4. 0中进
* k% m$ {: M' A0 I! c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。
" q( H0 w/ y# F+ H) p3 k2 Y0 Z表2　优化设计方案成型分析

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# E6 i( _0 s( r6 O. D- p: Z. @

成型结果 40 6 - 500 160～230 - 0. 4～0. 6
2 k5 \! O9 Z  w, ?+ V( c结论 成型压力 适中 锁模力 适中 高于迟滞 温度 变形不大
. H4 G7 V9 t7 ?% C　　 通过比较分析结果 ,改进后的制品设计方案成
/ Y- D- a7 c8 ^; V: V) L型性能提高 ,在保证制品质量的同时 ,大大降低了制
品成本及模具成本 ,满足了用户的要求。
9 E' u- l/ e9 Z* ^2. 2 　 结构优化设计
7 F8 O# }$ h4 w6 h4 v3 c1 p　　 由于采用了模具设计并行工程 ,在完成制品优
4 Y- Q1 M. C% \8 r2 |5 y$ p% q' W化设计的同时 ,模架设计也基本完成 ,在确定模具的
+ |8 F* }6 x- S+ K9 S* i型腔数、 制品定位、 模架大小后 ,可以根据以上输入
# E( h# u7 \+ D1 S) {( K( l& H条件设计出准确的 CAE模型 ,CAE设计模型如图 5
$ b9 u) s* D, S; {, J. g: o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
, m" [6 l/ _- A6 T& Z边斜度为2° ,高度为110 mm。
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                      图5　CAE设计模型图
5 K" Z* |1 P4 y% u　　 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
* q4 n# s2 j# x条件 ,进行 CAE详细分析。通过准确的成型结果确
2 s* O8 Z- }  S' D) O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
  p  r. O2 y. b8 a7 q! A' [实践证明 ,通过 CAE技术在模具设计过程中的
, P% H. U! {  l8 i- ?" u: _并行应用 ,可以提供制品优化设计方案 ,指导模具结
  @9 `3 D+ Q: S3 {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。

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参 考 文 献
9 B$ |# h$ I* L, B3 m1　李德群,唐志玉,周华民,等.中国模具设计大典— — —轻工模具设
9 T7 L* c: M) z8 y- z3 b, N# I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