CAE技術(shù)在注塑模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2013-07-17 by:廣州Abaqus培訓(xùn)中心來(lái)源:仿真在線

CAE技術(shù)在注塑模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

作者:青島海爾模具公司趙西金劉來(lái)英林琦

模具設(shè)計(jì)的過(guò)程一般是這樣的:從用戶那里接到塑料制品圖(可能是二維的,也可能是三維的),模具設(shè)計(jì)工程師根據(jù)產(chǎn)品的類型、特點(diǎn)以及形狀考慮采用合適的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),即采用什么樣的模具結(jié)構(gòu)可以成型出該塑料件。在此過(guò)程中,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師還要根據(jù)制品的某些特定要求結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)選擇流道類型、尺寸,澆口類型、數(shù)量、尺寸、位置并確定分流道的數(shù)量、尺寸等,以保證所設(shè)計(jì)的模具除了結(jié)構(gòu)上合理外,在澆注和冷卻系統(tǒng)方面也是可行的。

顯然,模具設(shè)計(jì)對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師的要求是十分苛刻的。他不僅要具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn),還要具有成型材料、成型工藝方面的諸多知識(shí),或者說(shuō),設(shè)計(jì)的成敗在很大程度上依賴于模具設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)。即使一個(gè)設(shè)計(jì)工程師具有很好的模具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),但是他仍然面臨許多新的問(wèn)題,因?yàn)閷?shí)際中的產(chǎn)品往往是千變?nèi)f化的。有時(shí)候一個(gè)細(xì)微的變化或者特定的產(chǎn)品要求可能使得已有經(jīng)驗(yàn)不可用,或者即使可用但在實(shí)際試模之前,也無(wú)法進(jìn)行有效的驗(yàn)證。這導(dǎo)致了模具設(shè)計(jì)過(guò)程具有明顯的設(shè)計(jì)——修正——再設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。如何減少該過(guò)程中的循環(huán)次數(shù),使初始設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到或者逼近合用的結(jié)果,這在實(shí)踐中具有重要意義。

CAE分析正是解決上述問(wèn)題的理想工具。原因是,該工具建立在相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上,從而可以近似獲得實(shí)際指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐的結(jié)果,此外,計(jì)算的快捷性使得在實(shí)際試模前,可以對(duì)于多個(gè)澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估直至優(yōu)化,從而達(dá)到縮短設(shè)計(jì)和制造周期,提高質(zhì)量的目的。

本文就CAE分析中注意的幾個(gè)問(wèn)題、做法作一些介紹,并給出一些事例進(jìn)行說(shuō)明。

(1)明確分析要求和重點(diǎn)。不同的制品,進(jìn)行CAE分析的目的是不同的。對(duì)于外觀件,不允許在表面上出現(xiàn)影響外觀的注塑缺陷,如熔結(jié)痕等;對(duì)于非外觀件,燒結(jié)痕的位置并不重要,但是如果制品具有嚴(yán)格的裝配關(guān)系,則允許的翹曲和變形量成為追求的主要目標(biāo)。此外,所有的制品一般都要求能夠滿足平衡流動(dòng)、均勻填充的要求。實(shí)踐中,同時(shí)滿足多種要求是困難的,多數(shù)情況下是以滿足一個(gè)主要的要求為主,在此前提下,再滿足別的要求。因此在明確分析要求的基礎(chǔ)上,還要分清楚哪些是本次分析的主要要求。

確定了分析的要求和重點(diǎn)后,還要初步認(rèn)定修改或者變動(dòng)哪些參數(shù)。比如說(shuō),影響熔結(jié)痕位置的主要因素是澆口的位置和制品的形狀特點(diǎn),而制品的形狀一般是不允許變動(dòng)的;影響翹曲和變形量的因素則主要是制品的形狀,從工藝的角度看,注射壓力過(guò)大、保壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和冷卻不均勻都可以導(dǎo)致翹曲變型過(guò)大。除了制品結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)外,澆口、流道的尺寸都可以直接影響到型腔內(nèi)的注射壓力,冷卻水道的尺寸和布置情況則直接影響到冷卻的均勻程度。這些因素又間接地影響到了制品的變形和翹曲。

(2)分析制品結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。使用專業(yè)的CAE分析軟件進(jìn)行注塑流動(dòng)模擬,首先都要進(jìn)行幾何建模,一般來(lái)說(shuō),這一過(guò)程要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間。為此,要對(duì)幾何模型作適當(dāng)程度的簡(jiǎn)化以縮短建模時(shí)間,提高計(jì)算效率。目前,一些CAE軟件已經(jīng)具有從專業(yè)化的CAD軟件中直接輸入實(shí)體模型,再使用該軟件中特定的中性面抽取工具提取中性面進(jìn)行計(jì)算的功能,但是在制品的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時(shí)會(huì)產(chǎn)生諸多問(wèn)題。因此,簡(jiǎn)化對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不顯著的細(xì)節(jié)仍然具有很大的意義。

簡(jiǎn)化的方法可以根據(jù)專業(yè)化軟件提供的不同功能進(jìn)行。簡(jiǎn)化的原則是與整個(gè)制品的尺度相比較可以忽略的細(xì)微結(jié)構(gòu),距離澆口較遠(yuǎn)或與料流方向相互平行的細(xì)節(jié)也可以忽略。至于網(wǎng)格的劃分,最好根據(jù)制品的不同結(jié)構(gòu),在不同的區(qū)域采用不同尺度的網(wǎng)格,以獲得計(jì)算精度較高的結(jié)果,在計(jì)算翹曲和變形時(shí)尤其如此。

(3)選用恰當(dāng)?shù)淖⑺懿牧稀AE分析結(jié)果的可信程度取決于三個(gè)方面:一是計(jì)算時(shí)采用的熔融狀態(tài)流體的數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確程度如何;二是計(jì)算時(shí)間的幾何模型同實(shí)際制品的差異大小;三是所采用的注塑材料的數(shù)據(jù)來(lái)源是否準(zhǔn)確、可靠。一般來(lái)說(shuō),由數(shù)學(xué)模型來(lái)的誤差在實(shí)踐中是可以接受的,商業(yè)化的CAE分析軟件多年的實(shí)踐考驗(yàn)證明了這一點(diǎn)。實(shí)踐證明,只要按照模型簡(jiǎn)化原則對(duì)模型作適當(dāng)簡(jiǎn)化,則由此帶來(lái)的對(duì)計(jì)算誤差也是可以接受的。相反,如果采用的材料數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,即使幾何模型精確程度再高,則計(jì)算結(jié)果也相差甚遠(yuǎn)。
為此,必須明確用戶選用的制品材料的名稱、牌號(hào)、生產(chǎn)廠商甚至生產(chǎn)批次。實(shí)際中,同種材料生產(chǎn)批次不同帶來(lái)的數(shù)據(jù)誤差是可以忽略的,不同廠商生產(chǎn)的同種材料由于配方、工藝等方面的差異,其材料數(shù)據(jù)可能差別很大。同種材料不同牌號(hào)的數(shù)據(jù)相差應(yīng)更大了。

目前,國(guó)外商業(yè)化的CAE分析軟件都建立了一定數(shù)量的材料數(shù)據(jù)庫(kù),但其中幾乎不涉及國(guó)產(chǎn)材料。顯然,采用國(guó)外的材料數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算只能得到相當(dāng)粗略的計(jì)算結(jié)果。因此有條件的用戶,可以根據(jù)自己的產(chǎn)品特點(diǎn),篩選一些常用的材料進(jìn)行流變參數(shù)實(shí)驗(yàn),在此基礎(chǔ)上可以得到CAE分析的輸入?yún)?shù),建立起適合本企業(yè)的常用材料數(shù)據(jù)庫(kù)。

(4)分析結(jié)果的分析與評(píng)價(jià)。分析結(jié)果的評(píng)估一定要結(jié)合分析的具體要求來(lái)進(jìn)行。即是否達(dá)到了本次分析的主要目標(biāo),如果沒(méi)有達(dá)到要根據(jù)模擬結(jié)果尋求新的方案,包括調(diào)整某些參數(shù)、位置等,然后再進(jìn)行新的模擬。在尋求新的澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)方案前,一定要仔細(xì)分析改善方案或者修正什么參數(shù)才可以使得計(jì)算結(jié)果逐步接近分析要求,而不是偏離分析目標(biāo)。

對(duì)于計(jì)算結(jié)果的評(píng)價(jià)一定要綜合考慮,因?yàn)樽罱K的模擬結(jié)果往往是多種條件的一個(gè)折中,即計(jì)算結(jié)果可能“只有更好,沒(méi)有最好”。這就要求工程技術(shù)人員對(duì)于分析結(jié)果有一個(gè)綜合的權(quán)衡。比如,在滿足流動(dòng)平衡的前提下,注射壓力可能會(huì)大一些,這也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題。但是只要這樣的注射壓力不會(huì)帶來(lái)過(guò)高的剪切速率或者其他注射方面的缺陷,那么可以認(rèn)為該方案是合用的,此時(shí)就可以結(jié)束分析。當(dāng)然,在時(shí)間允許的前提下,對(duì)盡可能多的方案進(jìn)行CAE分析對(duì)于尋找更為合適的解是最好不過(guò)了。分析與評(píng)價(jià)工作最好由CAE分析人員會(huì)同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師、注塑車間有經(jīng)驗(yàn)的工藝人員進(jìn)行。

(5)正確認(rèn)識(shí)CAE分析在模具設(shè)計(jì)中的作用。注塑流動(dòng)的CAE分析可以幫助工程師事先對(duì)多個(gè)可能的方案進(jìn)行評(píng)估,從而獲得相對(duì)好的澆注系統(tǒng)方案和冷卻系統(tǒng)方案。但是,不能期望計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況吻合的很好,原因是在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí),由材料數(shù)據(jù)帶來(lái)的誤差、由計(jì)算的數(shù)學(xué)模型帶來(lái)的誤差以及由幾何模型簡(jiǎn)化帶來(lái)的誤差使得計(jì)算結(jié)果同實(shí)際注塑過(guò)程存在一定程度的差異,這種差異隨著上述誤差的增大而顯著增加。再加上實(shí)際注射過(guò)程的復(fù)雜性,使獲得確定性的分析結(jié)果較為困難。

如果材料數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,模型簡(jiǎn)化得當(dāng),獲得比較可信的分析結(jié)果是完全可能的。此時(shí)使用獲得的數(shù)據(jù)作為指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的工藝數(shù)據(jù)也是有意義的。

最后講一下誰(shuí)來(lái)做CAE分析的問(wèn)題。CAE分析由于涉及材料、注塑工藝、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等多個(gè)科學(xué),因此對(duì)分析工程師的綜合素質(zhì)有一定要求。經(jīng)驗(yàn)表明,CAE分析人員最好由具有高分子材料學(xué)科背景的工程師來(lái)?yè)?dān)任?？偠灾?對(duì)于模具結(jié)構(gòu)、注塑工藝、材料知識(shí)了解越多,現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)越豐富,那么CAE分析的結(jié)果越可能接近于真實(shí)情況,對(duì)生產(chǎn)的指導(dǎo)性也越大。