CAD/CAE在塑料模具设计中的应用

　　前言

　　塑料作为高分子化学和材料科学发展的重要成果，早已为人们熟悉，塑料产品已经成为人类生产和生活中不可缺少的重要组成部分。多年来，塑料产品制造业一直在迅速发展，而当前全球范围的以塑料代替金属的趋势又进一步加速了这一发展速度。塑料产品一般采用模塑成型方法生产，因而塑料模具早已成为一种重要的生产工艺装备，在国民经济中起着越来越重要的作用。随着塑料产品在家电、电子等产品和日常用品中的越来越广泛应用，对塑料模具的设计和制造的要求也越来越高。传统的手工设计与制造方式早已满足不了生产发展的需要。CAD/CAM的发展正适应了这种客观实际要求。CAD/CAM可以显著提高塑料产品和塑料模具的设计制造效率，提高设计制造质量，减少试模修模时间，从而缩短从塑料产品设计、模具设计、模具制造到进行产品模塑生产的整个周期。

　　一、塑料模具CAD

　　CAD是设计人员和计算机的有机结合、发挥各自特长的新型设计方法。即设计人员在设计过程中，充分发挥计算机的强大运算功能、信息存储与快速查找的能力，完成信息管理、数值计算、分析模拟、优化设计和绘图等任务而设计人员集中精力进行有效的创造性思维，从而更好地完成从设计方案的提出、评价、分析模拟与修改到具体设计实施的全过程。

　　CAD的发展大致经过：电子图板系统(二维计算机绘图技术)、曲面造型系统、实体造型技术、参数化技术和变量化技术。电子图板系统是用传统的三视图方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流。曲面造型系统是开发者在二维绘图系统的基础上，采用贝赛尔算法，推出三维曲面造型系统，它是CAD的第一次革命。实体造型技术可准确表达零件的质量、重心、惯性距等特征，它的普及应用标志着CAD的发展史上的第二次革命，代表着未来CAD的发展方向。参数化技术是一种比无约束自由制造更新颖更好的算法，它的特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。参数化技术的应用主导了cAD发展史上的第三次革命。由于“全尺寸约束″这一硬性规定干扰和制约了设计者的创造力及想象力，在设计中关键形体的拓扑关系发生改变，失去了某些约束的特征就会造成系统数据混乱，因而提出了以参数化技术为蓝本的更先进的实体造型—变量化技术。

　　二、塑料模具CAE

　　CAE ( Computer Aided Execution)(31即计算机辅助工程技术，它的出现是计算机辅助设计/计算机辅助制造(CAD/CAM )技术向纵深方向发展的要求。一般M为它是一个包含数值计算技术、数据库、计算机图形学、工程分析与仿真等在内的一个综合性软件系统，其核心技术是工程问题的模型化和数值实现方法。就塑料模具计算机辅助工程技术而言，它主要是利用高分子流变学、传热学、数值计算方法和计算机图形学等基本理论，对塑料成型过程进行数值模拟，在模具制造之前就可以形象、直观地在计算机屏幕上模拟实际成型过程，预测模具设计和成型条件对产品的影响，发现可能出现的缺陷，为判断模具设计和成型条件是否合理提供科学的依据。随着计算机技术的快速发展，对各种塑料　成型过程的模拟成为塑料加工业研究的热点。下面介绍一下CAE技术在注射成型和气体辅助注射成型中的应用。

　　（一）注射成型

　　在注射模CAE中，可作充模流动、保压、冷却及翘曲变形等分析。

　　充模流动分析主要可以作以下工作:优化浇注系统，包括在平衡流动的基础上确定合理的流道尺寸、分布及最佳的浇口数量、位置和形状;优化注射工艺参数、流动前沿的分析;熔接线和气穴位置的分析;压力场、温度场和速度场的分析。

　　保压过程是指为了得到满意的制品，在充模结束时仍需在较高的保压压力的作用下向型腔内继续注料，以弥补由于温度、压力变化造成的体积收缩。保压过程的实质是补料，主要用于预测熔体在型腔补料与压实过程的压力场、温度场，计算体积收缩和型腔剪切应力及密度变化的情况。

　　冷却过程中熔融塑料发生固化，固化过程中放出的热量通过模具由冷却介质带走。该过程中模具型腔温度的高低及均匀性直接影响到注塑件的生产效率和质量。苌主要设计参数包括:冷却，管道的尺寸、位置及各冷tp管道的连接关系等几何参数和冷却介质的流量、进口温度等物理参数。一个好的冷却系统应该使模具达到快速、均衡的冷却，以减少冷却时间，提高成型效率，并减少或避免塑件翘曲变形、残余应力及表面质量缺陷等，提高产品质量。翘曲变形分析是应用力学的基本原理及有限元/有IsW差分等数值算法，计算塑件的成型尺寸及变形量。

　　（二）气体辅助注射成型

　　气体辅助注射成型是在传统注射成型的基础上发展起来的一种创新的注射成型工艺。其特点在于:在充填阶段，向型腔内注入高压气体;在保压阶段，继续注入高压气体，以弥补因　熔体冷却而引起的收缩。

　　由于气体、熔体这两种性质完全不同的物质动力　学相互作用，使得成型过程的模拟非常复杂。控制方程　采用非牛顿流体非等温下的Hele—Shaw流动，但假设在气熔界面，认为气体、熔体两相介质不混合。这样，流　场的求解变为对熔体流动方程的求解，仅在气熔界面上力口上气体压力的边界条件。一般采用粒子跟踪法或控制气体法确定气熔界面。

　　用气体辅助设计成型过程的CAE技术，可以解　决下列问题:发现气体、气穴冲透等潜在的质量问题;　确定熔体的最优体积、注人气体的最佳切入时间等工艺参数;获得多型腔系统在整个加工过程中的物料及　气体分布;优化流道、浇注系统的尺寸、布置方案等。

　　三、 CAE软件简介

　　MF软件是由一家专门从事塑料计算机辅助工程分析(CAE)的软件和咨询公司(MOLDFLO~)开发的。MOLDFLO~软件可以模拟整个注射过程以及这一过　程对注射成型产品的影响。它主要包括流动模拟模块(MF~Flow)、冷却模拟模块( MF/Cool )、保压分析模块(MFIPack )、翘曲分析模块( MFl9Crrap )、MF/SHRINK模腔尺寸确定、MF/STRESS结构应力分析、MF/O~M注塑机参数优化、MF/GAS气体辅助注射分析、MF/FIBER塑件纤维取向分析等模块，通过模拟与分析可以判断模具结构的合理性和成型工艺参数的适宜性。最新版本可以自动建立和运行一系列的分析，分析结束后，分析结构将自动生成。

　　四、CAD/CAE设计模具的一般步骤

　　塑料模的型腔和型芯是根据塑件的几何形状设计的，因此，设计时第一步是对塑件的形状进行描述，将塑件的三位模型在计算机中准确地建立起来，使它成为模具设计整个过程的基础和依据。然后进行模具方案的初步设计，设计模具的浇注系统和冷却系统，利用CAE软件作模流分析，从而优化模具结构设计，根据分析结果对浇注、冷却系统进行修正。将塑件三维模型加入收缩比即可得到模具成型零件三维模型。将其与模具配合零件(如镶块、抽芯等)的三维模型装配进行干涉检查。对装配模型进行投影、剖切等操作即可得到模具总装图，对模具成型零件进行相同的操作即可得到相应的二维工程图。模具成型零件的三维模型可用于CAM以产生NC加工程序。

　　五、结束语

　　目前，塑料模具设计、制造一般采用通用机械的CAD/CAM软件与专用塑料模CAE软件相结合。开发与推广专用模具CAD软件是面临的一个课题。CAE分析只能在设定条件下对塑料成型过程进行模拟，还不能对分析结果进行优化，更不能对设计过程作专家指导。集成专用的塑料模具CAD/CAE软件，提高其智能化程度，是塑料模CAD/CAE技术发展的趋势。

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