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CAE技術(shù)在注塑模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 |
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關(guān)鍵詞：CAE技術(shù) 注塑 模具
2009-3-19 來源:寧波塑機(jī)網(wǎng) |
模具設(shè)計(jì)的過程一般是這樣的: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，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，也無法進(jìn)行有效的驗(yàn)證。這導(dǎo)致了模具設(shè)計(jì)過程具有明顯的設(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題的理想工具。原因是，該工具建立在相對準(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，可以對于多個(gè)澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行評估直至優(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)問題、做法作一些介紹，并給出一些事例進(jìn)行說明。
(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，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，注射壓力過大、保壓時(shí)間過長和冷卻不均勻都可以導(dǎo)致翹曲變型過大。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，一般來說，這一過程要花費(fèi)很長的時(shí)間。為此，要對幾何模型作適當(dāng)程度的簡化以縮短建模時(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)生諸多問題。因此，簡化對計(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�。CAE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)來源是否準(zhǔn)確、可靠。一般來說，由數(shù)學(xué)模型來的誤差在實(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，只要按照模型簡化原則對模型作適當(dāng)簡化，則由此帶來的對計(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，但其中幾乎不涉及國產(chǎn)材料。顯然，采用國外的材料數(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。
(4)分析結(jié)果的分析與評價(jià)。分析結(jié)果的評估一定要結(jié)合分析的具體要求來進(jìn)行。即是否達(dá)到了本次分析的主要目標(biāo)，如果沒有達(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)。
對于計(jì)算結(jié)果的評價(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，沒有最好”。這就要求工程技術(shù)人員對于分析結(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)帶來一些問題。但是只要這樣的注射壓力不會(huì)帶來過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，對盡可能多的方案進(jìn)行CAE分析對于尋找更為合適的解是最好不過了。分析與評價(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多個(gè)可能的方案進(jìn)行評估，從而獲得相對好的澆注系統(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)帶來的誤差、由計(jì)算的數(shù)學(xué)模型帶來的誤差以及由幾何模型簡化帶來的誤差使得計(jì)算結(jié)果同實(shí)際注塑過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。
最后講一下誰來做CAE分析的問題。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)科背景的工程師來擔(dān)任�？偠灾瑢τ谀＞呓Y(jié)構(gòu)、注塑工藝、材料知識(shí)了解越多，現(xiàn)場經(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，對生產(chǎn)的指導(dǎo)性也越大。 |
| （蔚藍(lán)） |
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