1、模具优化设计课程论文学生姓名： 李成斌 学 号： 200848480216 专业班级： 材控 0802 指导教师： 耿铁 2012 年 4 月 7 日摘要：CAE 技术的应用带来的直接好处是省时省力，减少试模、修模次数和模具报废率，缩短模具设计制造周期，降低成本，提高产品质量。本文探讨了注塑模拟 CAE 软件的原理，介绍了 Moldflow 系统的结构，分析了塑料的基本力学模型和粘度模型，建立起注射填充过程、保压阶段及冷却阶段的数学模型，确定相应边界条件后，便可对数学模型进行求解。阐述了如何使用 CAE 优化浇注系统，阐述了塑件浇注系统设计的理论计算方法，包括平衡布置流道系统、非平衡布置和单型
2、腔多浇口模具的流道系统，并就非自然平衡流道系统的情况作了举例分析。还阐述了浇口设计的相关准则，包括浇口的类型选择，浇口尺寸及浇口位置的确定，并举例作了分析。分别讨论了温度、压力、时间等工艺参数对注塑成型的影响以及各参数的确定方法。但不同的塑料制品，不同的模具，其成型过程中出现的问题是不同的，须比较分析才能确定，从而找到解决问题的办法。关键词：CAE 注塑模 注射成型 工艺参数 优化设计近年来，由于工程塑料制品的精度和强度等得到很大提高，因而各种工程塑料零件的使用范围在不断扩大。预计今后随着微型计算机的普及和汽车的轻型化，塑料制品的使用范围将会越来越大，尤其在国防和尖端科学技术领域中占有越来越重
3、要的地位。同时，随着世界经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，人们对塑料制品品位的要求越来越高，而且不断地更新换型。成功的产品上市要早，质量要好，价格要合理，在这种情况下，产品的复杂度和精度常常要求很高，而产品的开发时间却越来越短。塑料注射成型是生产塑料制品的主要手段之一。注射模具由于能够一次成型形状复杂、尺寸准确的产品，适用于高效率、大批量的生产方式，使用范围愈来愈广泛。据统计，塑料模具约占模具的 38.0% 。在成千上万种材料、千变万化的几何造型及各种不同的工艺中，要想找出理想的组合，传统的注射模设计方法是很难在短时间内实现的。长期以来，我国的注射模设计主要依靠设计者的经验和直觉，通过反
4、复试模、修模，不断修正设计方案，缺乏科学依据，具有较大的盲目性，不仅使模具的生产周期长、成本高，而且质量也难以保证, 甚至可能因此而失去市场竞争力。计算机辅助设计（Computer Aided Design ，CAD）技术能使模具设计人员从繁重的劳动中解脱出来，多年来，人们一直期望能预测注射成型时塑料熔体在模具型腔中的流动情况及塑料制品在模具型腔内的冷却、固化过程，以便在模具制造之前就能发现设计中存在的问题，修改图纸而不是返修模具。注射模CAE 技术的出现，使人们的这一愿望能变为现实。计算机辅助工程（Computer Aided Engineering ，CAE ）能迅速完成各种计算和分析。采
5、用 CAD/CAE 技术，则会事半功倍，取得显著的经济效益。注射模 CAE 技术就是根据塑料加工流变学和传热学的基本理论，建立塑料熔体在模具型腔中的流动、传热的物理数学模型，利用数值计算理论构造其求解方法，利用计算机图形学技术在计算机屏幕上形象、直观地模拟出实际成型中熔体的动态充填、冷却过程，定量地给出成型过程的状态参数，如压力、温度、速度等。利用注射模 CAE 技术可在模具制造之前，在计算机上对模具设计方案进行分析和模拟来代替实际的试模工作。CAE 软件的具体作用可概括如下： 1、优化塑料制品设计 模具设计质量直接关系到塑料制品的质量、成本及生产周期如果模具设计不合理，则制品可能出现明显的表
6、面熔接痕、充填不足、凹痕、焦斑、翘曲及残余应力过大等缺陷。塑件壁厚、浇口数量及位置、注塑模流道系统的设计等对于塑料制品的成败和质量关系极大。以往完全依赖于设计者个人的经验，用手工方法去实现，往往费力、费时，设计出的制品不尽合理利用注塑模 CAE 系统，可以快速地设计出最优的塑料制品。 2、优化塑料模具设计 每次试模不成功后，往往要修改的是浇注系统。利用注塑模 CAE 系统，可以对浇口位置及尺寸、流道尺寸、冷却管道尺寸、冷却管道布置及联接方式等进行定量分析，在计算机上模拟试模和修改设计方案，可以大大提高模具质量，减少实际试模次数。 3、优化注射工艺参数 注塑模 CAE 系统可以帮助注塑工艺人员确
7、定最佳的注射压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、保压压力和时间、冷却时间等工艺参数，以便注射出最佳的塑料制品来。由于塑料的种类和成型方法很多，塑料模 CAE 技术的应用侧重面有所不同。下面就常用的注射成型、气体辅助注射成型、挤出成型、吹塑成型和热成型等，说明现有塑料模 CAE 技术的理论方法及对工程实际的指导意义。 注射成型 注射成型是热塑性塑料成型的一种主要成型方法。注射模 CAE 技术按成型工艺过程的特点，分为流动、保压、冷却、残余应力及翘曲分析等软件模块。流动模拟采用非牛顿流体非等温下广义的 Hele-Shaw 模型描述注射充模过程；用有限元/ 有限差分算法耦合求解动量守恒方程和
8、能量守恒方程已获得压力场、温度场、速度场；用控制体积法跟踪熔体的流动前沿；用人工智能技术自动识别熔接线和气穴的位置。通过流动模拟可获得型腔内的温度、压力、速度及锁模力等信息，帮助工程技术人员合理地设计浇注系统，优选注射工艺参数，发现可能出现的成型缺陷并提出相应的对策、气体辅助注射成型 气体辅助注射成型是在传统的注射成型基础上发展起来的一种新的注射成型工艺，特点在于：在充填阶段，当型腔充填至 70%95%时，向型腔内注入高压气体，并使气体进入型腔；进入保压阶段，继续注入高压气体，以弥补因熔体冷却而引起的收缩。 在充填阶段，由于气体、熔体两种性质完全不同物质的动力学的相互作用，使得成型过程的模拟非
9、常复杂，控制方程仍采用非牛顿流体非等温下广义的 Hele-shaw 流动，但在气熔界面作了假设，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，仅在气熔界面上加上气体压力的边界条件。气熔界面的确定采用粒子跟踪法或控制体积法 利用气体辅助注射成型过程的 CAE 技术，可帮助设计、工程人员解决如下问题发现气穴、气体冲头等潜在的质量问题；确定熔体的最优体积、注入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的分布；优化气道、浇注系统的尺寸、布置方案。此外，还有反应、挤出、热成型、压延、流延模、纤维纺丝过程、吹塑模、涂覆等成型过程数值模拟也开展了广泛的
10、工作，对聚合物加工过程的分析和成型设备的设计都产生了相当大的影响。随着科学技术的迅速发展，互联网技术的普及和全球信息化，塑料模 CAE 技术功能进一步扩充，性能也进一步提高，呈现如下的发展趋势： 1、数学模型及数值算法逐步完善 塑料模 CAE 技术的实用性，取决于数学模型的准确及数值算法的精确。随着相关领域的技术进步，数学模型对成型过程的描述更准确、真实。如聚合物在三维复杂区域中的流动、传热过程的数值分析；以及入口收敛效应使模具内三维流动和出模胀大所用的本构关系更加复杂，并应考虑粘弹性及非等温性。数值算法也由二维、二维半走向真三维，计算结果更为精确；2、用户界面更加友好使用更为方便 由于计算机
11、技术及多媒体技术的发展，用户界面具有更强的直观、直感和直觉性，用户能以较少的工程知识背景，利用“向导”或语音等信息提示，实现简单的“傻瓜”操作。注射模 CAE 技术涉及大量的设计方案、标准构件、行业性的标准、规范以及大量的人类专家知识，利用模糊算法、人工智能及知识工程可自动选择合理的方案、判断计算结果的合理性，减少用户对计算程序的干涉；3、优化理论及算法使 CAE 技术“主动”的优化设计 现有的 CAE 技术是建立在科学计算的基础上，但仅仅是校验设计方案的合理性， “优化”仅是反复的校验、试凑，最终的设计方案仍需设计者的经验和技巧，通过对多个方案的反复计算、比较、分析和判断来确定，使设计和分析
12、过程仍带有盲目性和随机性。利用现有的模拟结果，借助于优化理论构造有效的反问题算法，给出明确的改进方向和尺度，对优化模具设计参数和成型工艺参数十分重要。可从根本上解决依赖经验和技巧的方法和手段；4、CAE 技术的集成化和网络化的发展 随着互联网技术的普及，宽带通讯技术的突破，以及通讯、广播和计算机三网融合步伐的加快，计算机及网络正从社会的各个方面改变着人类的学习、生活。现代设计理论的应用，如并行工程等，用户将需要五峰连接的集成化的软件，具有专业特色的CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM/ERP 产品将应运而生，逐步完成模具及成型加工全过程的模拟及控制，形成“过程工程与技术”的关键技术。该计算机与网络环境，实时设计与制造系统的全过程结合，建立整个制造过程的研究、开发、规划、设计、实施与控制及管理的新体系。为适应电子商务的发展要求，塑料模 CAE 技术，将立足于全社会的公开网络环境，实现异地的“协同设计”及“虚拟制造” ，建立专业化的虚拟网络服务环境，并开发相关产品，实施网上经销、培训与服务。
