CAD/CAE技术在现代注塑模具设计中的应用

摘要： 现代产品对模具的精度要求越来越高，本文探讨介绍了基于UG软件的注塑模具设计，利用Moldflow软件进行注塑分析模拟，并且运用CAD技术对开模、合模及制品被推出的过程进行仿真，以减少修模时间，为注塑模具设计制造提供有效的途径，如果检查出模具结构设计的不合理处，应及时地予以更正。

Abstract： In this paper， injection mould design based on the UG software was discussed， injection molding simulation analysis was carried out using Moldflow software， and die sinking， die assembly as well as the process of production were simulated with CAD technology， so as to reduce time for repairing mould， and provide effective way for injection mould design and manufacture. We should corrected ueasonable aspect of the mold structure design timely.

关键词： CAD/CAE；注塑模具；Moldflow

Key words： CAD/CAE；injection mould；Moldflow

中图分类号：TP39；TH16 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）33-0036-02

0 引言

随着科学技术的不断进步和社会的高速发展，设计人员必须花费大量的时间来绘制模架、顶杆、滑块等部件，为了表达清楚设计意图，设计人员必须随时紧跟产品更新换代的速度。目前，CAD/CAE的发展，大大提高了模具设计和制造的水平，缩短塑件研制周期，特别是近几年来，模具CAD/CAE技术发展很快，为广大模具设计人员提供了方便。应用范围日益扩大，并取得了可观的经济效益。

1 CAD/CAE技术的概念

1.1 CAD概念 运用CAD技术使模具设计师从繁琐、冗长的手工绘图和人工计算中解放出来，帮助广大模具设计人员由注塑制品的零件图迅速设计出该制品的全套模具图，将精力集中于方案构思、结构优化等创造性工作。

1.2 CAE概念 CAE技术分析型腔中塑料的流动、保压和冷却过程，借助于有限元法、有限差分法和边界元法等数值计算方法，计算制品和模具的应力分布，预测制品的翘曲变形，以达到优化制品和模具结构、优选成型工艺参数的目的，由此分析工艺条件、材料参数及模具结构对制品质量的影响。塑料注射成型CAE软件主要包括翘曲预测、模具刚度强度分析和应力计算、冷却模拟、流道平衡分析、流动保压模拟等功能。

图1为注塑模具流程图。

2 CAD/CAE技术在模具设计中的应用

随着计算机的发展，CAD/CAE技术逐渐取代了传统的模具设计理念和设计方法，这种技术使得模具在进行真实的生产（包括样品生产）之前就已经通过了计算机应用软件进行了精确的结构设计、结构分析以及成形仿真过程。

2.1 注塑模CAD

2.1.1 参数化设计 参数化设计是随着约束的概念引入CAD技术而出现的，又叫做尺寸驱动，是指对零件上各种特征施加各种约束形式，各个特征的几何形状与尺寸大小用变量的方式来表示，这个变量不仅可以是常数，而且可以是某种代数式，如果定义某个特征的变量发生了改变，则零件的这个特征的几何形状或尺寸大小将随着参数的改变而改变，随之刷新该特征及其相关联的各个特征，而不需要再重新画图。参数化设计技术为初始设计、产品模型的修改、系列零件族的生成、多方案比较等提供了强大的手段。参数分为尺寸约束参数和几何约束参数两种。

参数化设计的方法主要有两种：①程序参数化设计：这种方法的程序编制量大，柔性差，直观性不好，仅在早期的CAD系统中运用。②交互参数化设计：无需考虑设计细节尽快地画出零件草图，经过对草图的反复修改来得到所需的设计，而且还可改变约束参数来更新设计，实现的方法有几何推理法，作图规则匹配法，变量几何法等。

2.1.2 建模技术 CAD技术的核心是几何形体的构造，即通常所说的几何建模。在CAD技术的发展过程中，几何形体的构造由简单到复杂，所包含的信息也由贫乏到丰富，到目前为止，主要有四种建模方法：线框模型、表面模型、实体模型、特征建模。

2.2 注塑模CAE 模具设计已经扩展到对模具结构分析的领域，不再仅仅停留在对外观和结构的设计上，对已经设计出的模具，运用CAE软件。通过分析检验前面的模具结构设计是否合理，对其进行强度、刚度、抗冲击试验模拟、跌落试验模拟，分析出结构不合理的原因和位置，最终确定满足要求的模具结构，在CAE软件中进行各种性能检测，在CAD软件中进行相应的修改等等。

2.2.1 疲劳和蠕变分析 对于那些处于低温或者高温条件工作的模具产品，或那些可能在集中载荷、循环载荷和常值位移作用下的模具，在模具设计中，要进行初步的疲劳分析和蠕变分析，这种分析的结果具有很大的参考价值，因为它不需要考虑外部的每一个条件，同时如果出现不合理的情况，也可以进行随时的更改，没有必要到最后一步，才进行重新的设计，那样会耗费大量的人力物力。

2.2.2 散热能力分析 通过传导、对流和辐射散发出的热量或通过模拟大功率电子元件产生的能量，来确定模具的热分布，现在的CAE技术可以模拟模具中的温度分布，然后再对各种材质模具的散热能力进行初步分析。

2.2.3 跌落试验模拟 CAE技术也可以用于分析刚度性质、抗冲击性能、防爆性能等，或由于碰撞或跌落产生的力、变形、应力、位移，对整个系统工作稳定性和完整性做出定量评估，对振动响应、产品的结构强度、联接设计作出相应的评价。

2.2.4 抗冲击试验模拟 CAE技术能够用于分析随时间变化的载荷，为分析产品提供了完整的评估与解决方案，研究在特殊与恶劣的环境和工作条件下的物理响应、可靠性与耐用性，如CAE技术对瞬态分析、模态分析、谐波响应分析，和交变载荷、冲击载荷、随机载荷和其它瞬态力等对结构的影响等。

2.2.5 强度和刚度分析 运用CAE技术，分析模具的强度和刚度是否达到规定要求，通过对模具施加约束等外部条件来模拟模具的真实应用情况，强度和刚度主要是模具设计中最重要的一项性能要求。模具CAE技术经过短暂的时间，已经在实际中指导生产，例如冲压模、挤压模、压铸模、锻模、注塑模等模具的优化问题，在工程实际中，一般应用ANSYS、ALGOR、DEFORM等进行分析计算。

3 注塑模具流动模拟软件分析结果的指导作用

它能够辅助模具设计者优化模具结构与工艺，注射模流动模拟软件的指导意义十分广泛，指导产品设计者从工艺的角度改进产品形状，当变更塑料品种时对现有模具的可行性做出判断，选择最佳性能的塑料，帮助模具制造者选择合适的注射机，分析现有模具设计弊病，把握熔体流动的基本原则，能够帮助模具工作者熟悉熔体在型腔内的流动行为。下面逐项分析三维流动软件的主要输出结果是如何用来指导设计的。

3.1 多浇口的平衡 为不影响制品的表面质量及结构的完整性，得到理想的简单流动，当采用多浇口时，有一种避免各浇口的充填不平衡的方法，即根据情况及时调整浇口的位置，来自不同浇口的熔体相互汇合，可能造成流动的停滞和转向。这一方法就很好地避免了这一现象。

流动模拟软件在优化设计方案更显优势。可以获得最佳的成型质量，通过对不同方案的模拟结果的比较，可以辅助设计人员选择较优的方案。

3.2 熔合纹/气穴 熔合纹不仅影响外观，而且材料结构性能也受到削弱。在单浇口时，由于制品的几何形状以及熔体的流动情况，很容易会出现裂纹。在多浇口方案中熔合纹也是不可避的，因为在两个流动前沿相遇时极易形成熔合纹，改变流动条件使其处于制品低感光区和应力不敏感区，可以控制熔合纹的位置，主要是在非“关键”部位。而气穴为熔体流动推动空气最后聚集的部位，此时就应该加设排气装置，局部过热、气泡、甚至充填不足等缺陷，都是因为该部位排气不畅造成的，保证这个部位的通畅由此就显得极为重要，流动模拟软件可以为用户准确地预测熔合纹和气穴的位置。

3.3 剪切应力 剪切应力值大，残余应力值也大。熔体的剪切应力值不要过大，剪切应力也是影响制品质量的一个重要因素，以避免制品翘曲或开裂。

3.4 剪切速率 该值对熔体的流动过程影响甚大。剪贴速率又称应变速率或者速度梯度。流动软件能给出不同填充时刻型腔各处的熔体剪切速率，能判断熔体的最大剪切速率是否超过该材料所允许的极限值，有助于用户判断在该设计方案下预测的剪切速率是否与推荐值接近。剪切速率分布不均匀会使熔体各处分子产生不同程度的取向，剪切速率过大将使熔体过热，导致聚合物降解或产生熔体破裂等弊病。通过调整注射时间可以改变剪切速率。因此避免因收缩不同，而导致制品翘曲的现象。

3.5 熔体温度 流动模拟软件可鉴别在填充过程中熔体是否存在着因剪贴发热而形成的局部热点，提供型腔内熔体在填充过程中的温度场。能避免易产生表面黑点、条纹等并引起机械性能下降等问题，温差太大是引起翘曲的主要原因，判断熔体的温度分布是否均匀，熔体接合点的温度还可帮助判断熔合纹的相对强度，判断熔体的平均温度是否太低（引起注射压力增大）等。

3.6 型腔压力 在填充过程中最大的型腔压力值能帮助判断，何处最可能产生飞边，在各个流动方向上单位长度的压力差是否接近相等，在指定的注射机上熔体能否顺利充满型腔（是否短射），是否存在局部过压（容易引起翘曲），最有效的流动形式其实是沿着每个流动分支熔体的压力梯度相等。流动模拟软件还能给出在熔体填充模具所需的最大锁模力，以便用户选择注射机。

3.7 熔体流动前沿动态显示 三维流动模拟软件可以判断熔体的流动是否较理想，它能显示熔体从进料口逐渐充满型腔的动态过程。若熔体的填充过程不理想，可以改变进料口的尺寸，经过几次修改，得到较为满意的流道设计就好，对数量和位置，反复进行软件模拟，一直到获得理想的流动形式为止，最后再运行非等温三维流动分析。

4 结束语

在产品设计、模具设计中应用UG软件建立产品实体模型，建立好模具结构后将相关信息转到Moldflow中进行分析，使其集成形成一体化技术。同时根据产品模型生成模具型芯、型腔及装配图等模具结构关系，根据分析结果对注塑模CAD进行优化，再进行仿真加工，CAD/CAE是模具设计、制造的发展方向。缩短了产品的开发和制造周期，提高了设计质量。

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