5 模具CAE的应用基础

4 4 模具模具CAECAE的应用基础的应用基础 本章内容：介绍本章内容：介绍CAE技术在注塑模具分技术在注塑模具分析以及覆盖件模具分析中的应用知识析以及覆盖件模具分析中的应用知识 n对注塑流动、保压、冷却等注塑成型过程进行对注塑流动、保压、冷却等注塑成型过程进行数值模拟、可视化动态显示以及统计计算。数值模拟、可视化动态显示以及统计计算。n使得模具制造之前，预测模具设计和成型条件使得模具制造之前，预测模具设计和成型条件对产品地影响，发现可能出现的缺陷，为判断对产品地影响，发现可能出现的缺陷，为判断模具设计条件是否合理提供科学的依据。模具设计条件是否合理提供科学的依据。n有效降低产品、模具设计的盲目性。有效降低产品、模具设计的盲目性。n縮短制造周期，降低生产成本。縮短制造周期，降低生产成本。塑料成型分析的优点塑料成型分析的优点4.2 注塑成型分析系统主要功能注塑成型分析系统主要功能 n浇口位置预测浇口位置预测 分析系统根据用户输入的材料特性参数、工艺分析系统根据用户输入的材料特性参数、工艺参数、模具状态参数，结合几何模型造型特征，参数、模具状态参数，结合几何模型造型特征，预测最合适的浇口位置，使熔体尽可能同时充满预测最合适的浇口位置，使熔体尽可能同时充满整个型腔，塑料件在成型过程中产生最小的变形，整个型腔，塑料件在成型过程中产生最小的变形，避免熔接痕和气孔的产生。避免熔接痕和气孔的产生。n流动分析流动分析 流动分析可以预测熔体流经流道、浇口填流动分析可以预测熔体流经流道、浇口填充型腔的过程。充型腔的过程。n预测所需的注射压力和锁模力预测所需的注射压力和锁模力 n平衡流道系统设计平衡流道系统设计 n预测熔接线的位置预测熔接线的位置 n预测可能存在的气穴位置预测可能存在的气穴位置 n预测制品中的分子流动或纤维取向预测制品中的分子流动或纤维取向 一维流动分析一维流动分析 n所谓一维流动，指的是熔体的流动可以用单方向的路所谓一维流动，指的是熔体的流动可以用单方向的路径来表征，简称为流动（径来表征，简称为流动（flow）。）。注塑型腔内塑料熔注塑型腔内塑料熔体的流动可以分为三种基本形式体的流动可以分为三种基本形式：1）圆管流动）圆管流动 2）矩形板流动）矩形板流动 3）径向流动）径向流动一维流动的三种形式一维流动的三种形式二维流动分析二维流动分析 n二维流动分析就是将任意形状的三维塑件模型展平成二维流动分析就是将任意形状的三维塑件模型展平成二维模型并分解成许多一维流动的基本单元来进行一二维模型并分解成许多一维流动的基本单元来进行一维分析。维分析。三维模型无盖盒子展开为二维模型三维模型无盖盒子展开为二维模型展平展平三维模型圆桶近似展开为二维模型三维模型圆桶近似展开为二维模型展平展平三维模型圆桶近似展开为二维模型三维模型圆桶近似展开为二维模型n冷却分析冷却分析 通过冷却分析可以优化加工条件；改进型通过冷却分析可以优化加工条件；改进型腔表面冷却均匀性；减少残余应力的翘曲变形，腔表面冷却均匀性；减少残余应力的翘曲变形，改善制品质量；缩短冷却周期，提高生产率；改善制品质量；缩短冷却周期，提高生产率；改进制品设计，避免局部冷却不均；确定冷却改进制品设计，避免局部冷却不均；确定冷却条件，冷却设备；降低生产成本。条件，冷却设备；降低生产成本。n据统计，注塑成型周期中据统计，注塑成型周期中5%的时间用于注塑的时间用于注塑成型，成型，15%时间用于顶出，时间用于顶出，80%的时间用于的时间用于冷却。冷却。n注射成形后的塑件在型腔中的冷却，其注射成形后的塑件在型腔中的冷却，其8095的热量是通过模具金属传导至冷却水路中的热量是通过模具金属传导至冷却水路中去，所以模具温度的设计可以看成冷却水路的去，所以模具温度的设计可以看成冷却水路的设计。设计。衡量冷却系统优劣的标准主要有两条：衡量冷却系统优劣的标准主要有两条：n冷却时间是否最短；冷却时间是否最短；n塑料制品表面温度是否均匀。塑料制品表面温度是否均匀。n翘曲分析翘曲分析 翘曲分析可以获得翘曲变形的完全描述，翘曲分析可以获得翘曲变形的完全描述，包括线性、线性弯曲和非线性，并形象化的显包括线性、线性弯曲和非线性，并形象化的显示不同位置的翘曲量，同时指出产生翘曲的主示不同位置的翘曲量，同时指出产生翘曲的主要原因以及相应的补救措施。要原因以及相应的补救措施。n材料和注塑工艺分析材料和注塑工艺分析 在注塑成型分析中同时可以进行塑料材料在注塑成型分析中同时可以进行塑料材料和注塑工艺的分析。对于熔体充填不理想的情和注塑工艺的分析。对于熔体充填不理想的情况，可以重新选择合适的注塑材料，如流动性况，可以重新选择合适的注塑材料，如流动性能的提高等。此外可以修改注塑的工艺，由此能的提高等。此外可以修改注塑的工艺，由此为模具的试模和制品的生产提供指导性的意见。为模具的试模和制品的生产提供指导性的意见。4.3 注塑模具注塑模具CAECAE软件的组成部分软件的组成部分 n数据库数据库 常用的一些注塑模流动模拟分析软件如常用的一些注塑模流动模拟分析软件如Moldflow软件包均带有塑料材料性能数据库，软件包均带有塑料材料性能数据库，提供世界各国主要塑料制造企业所生产的各种提供世界各国主要塑料制造企业所生产的各种塑料的性能参数，以供系统在计算中查询。塑料的性能参数，以供系统在计算中查询。n几何造型和网格划分模块几何造型和网格划分模块 几何造型模块用于型腔、浇注系统和冷却几何造型模块用于型腔、浇注系统和冷却系统的实体造型，是整个系统的实体造型，是整个CAE分析的基础。一分析的基础。一般的注塑模拟软件均提供造型功能，可以方便般的注塑模拟软件均提供造型功能，可以方便的生成浇口、浇道、分流道、冷却管等模型元的生成浇口、浇道、分流道、冷却管等模型元素。素。n工艺参数设置模块工艺参数设置模块 在分析之前要预先指定工艺参数，包括充在分析之前要预先指定工艺参数，包括充填时间，注塑温度，流量，注塑压力，模具表填时间，注塑温度，流量，注塑压力，模具表面温度等，供分析计算模块调用。面温度等，供分析计算模块调用。n分析计算模块分析计算模块 包括流动分析、保压分析、冷却分析和翘包括流动分析、保压分析、冷却分析和翘曲分析模块等，是注塑模曲分析模块等，是注塑模CAE分析软件的核心。分析软件的核心。n结果显示结果显示 将将CAE软件得到的结果可视化，可提供压软件得到的结果可视化，可提供压力场、速度场、温度场、应力场等的瞬态图及力场、速度场、温度场、应力场等的瞬态图及动画显示。模具设计人员根据这些图表和数据，动画显示。模具设计人员根据这些图表和数据，判断模具设计是否合理，并进行修改。判断模具设计是否合理，并进行修改。4.4 注塑成型分析的一般流程注塑成型分析的一般流程 分析材料库选择材料材料文件塑件库编辑模型网格文件工艺库选择工艺工艺文件流动分析冷却分析翘曲分析结果流动分析翘曲分析冷却分析三维冷却分析的步骤：三维冷却分析的步骤：（1）塑件造型；）塑件造型；（2）冷却线路造型；）冷却线路造型；（3）运行分析程序；）运行分析程序；（4）显示分析结果，进行评价；）显示分析结果，进行评价；（5）修改冷却线路或者改变冷却液温度和流量；）修改冷却线路或者改变冷却液温度和流量；（6）重新运行分析程序，优化结果。）重新运行分析程序，优化结果。计算步骤计算步骤n前置处理前置处理n工艺参数设置工艺参数设置 n分析计算分析计算 n后置处理后置处理 前置处理前置处理n所谓前置处理是指在进行计算机辅助分析之前所谓前置处理是指在进行计算机辅助分析之前所要做的数据准备，如分析对象的计算机辅助所要做的数据准备，如分析对象的计算机辅助造型、有限元网格的划分，以及初始数据设置。造型、有限元网格的划分，以及初始数据设置。造型中的曲面缺陷造型中的曲面缺陷由于存在隙缝，分析时可能造成错误。由于存在隙缝，分析时可能造成错误。网格划分后的手机外壳网格划分后的手机外壳图13.3-6 网格划分后的手机外壳注塑分析的参数设置注塑分析的参数设置n材料选择材料选择 工艺设置工艺设置n充填控制充填控制n速度速度/压力压力n保压控制保压控制n模具温度模具温度n塑料温度塑料温度n纤维方向纤维方向工艺设置工艺设置注塑件成型分析注塑件成型分析 n经过流动模拟分析，结果如可见熔融塑料在型经过流动模拟分析，结果如可见熔融塑料在型腔中流动填充情况良好，无短射现象；但有大腔中流动填充情况良好，无短射现象；但有大量熔接线及气穴，熔接线及气穴位置如图所示。量熔接线及气穴，熔接线及气穴位置如图所示。压力及温度分布压力及温度分布n型腔压力场和温度场分布情况显示压力与温度均型腔压力场和温度场分布情况显示压力与温度均以浇口位置为中心递减，最大压力为以浇口位置为中心递减，最大压力为148.6MP。n流动过程中的剪切应力和剪切速度，均在材料要流动过程中的剪切应力和剪切速度，均在材料要求范围内，模壁处最大剪切应力为求范围内，模壁处最大剪切应力为8.7MP。压力分布压力分布应力分布应力分布三种浇口改进方案三种浇口改进方案三种方案的分析结果三种方案的分析结果改进改进方案方案填充填充时间（时间（S）最大最大锁模力锁模力(T)最大注射最大注射压力压力(MP)最大最大收缩率收缩率(%)A0.9916.1860.794.19B1.1119.0890.283.96C1.1118.1486.545.14塑件产生翘曲的因素塑件产生翘曲的因素 n塑件本身的结构和形状导致产品易变形；塑件本身的结构和形状导致产品易变形；n模具结构的设计导致的变形；模具结构的设计导致的变形；n注塑工艺的设计与控制导致的变形。注塑工艺的设计与控制导致的变形。手机外壳注塑时的温度分布手机外壳注塑时的温度分布手机外壳模具的冷却水道布局手机外壳模具的冷却水道布局 塑件翘曲分析塑件翘曲分析 改进后分析改进后分析n由于手机外壳的结构由其功能设计已定，因此由于手机外壳的结构由其功能设计已定，因此只有进一步改进模具上的冷却系统。根据上述只有进一步改进模具上的冷却系统。根据上述分析，减少上表面冷却水道的数量，而增加下分析，减少上表面冷却水道的数量，而增加下表面冷却水道的数量，并将愿来位于圆弧凹槽表面冷却水道的数量，并将愿来位于圆弧凹槽处的冷却水道移离，冷却管与型腔的距离调整处的冷却水道移离，冷却管与型腔的距离调整为为12mm，比上表面比上表面15mm减少减少3mm，以增以增加下表面的冷却作用。加下表面的冷却作用。n经翘曲分析后，手机外壳的翘曲变形明显改善，经翘曲分析后，手机外壳的翘曲变形明显改善，由原来的最大翘曲量由原来的最大翘曲量0.71mm，减小到减小到0.23mm。4.8 覆盖件分析覆盖件分析覆盖件的展开计算覆盖件的展开计算覆盖件分析广泛应用于覆盖件分析广泛应用于n汽车工业汽车工业n汽车的外壳，各种零部件。汽车的外壳，各种零部件。n日用品工业日用品工业n茶杯、热水器、水池等。茶杯、热水器、水池等。n电子工业电子工业n各种支架及插件。各种支架及插件。覆盖件锻压加工常见问题：覆盖件锻压加工常见问题：n下料尺寸的精确定义。下料尺寸的精确定义。n材料的厚薄变化。材料的厚薄变化。n材料的起皱。材料的起皱。n材料的开裂。材料的开裂。n覆盖件的回弹。覆盖件的回弹。一个应用例子FASTFORM的应用实例的应用实例选择FASTBLANK菜单，选择所有面。选择材料，这里内置数据库可以自定义。选择材料厚度选择压力方向，系统默认为Z轴。则网格划分的对话框出现，输入网格的尺寸。或者则网格划分的对话框出现，输入网格的尺寸。或者由系统自动生成。由系统自动生成。关闭渲染，观察网格，选择YES或NO。系统自动计算下料尺寸和形状并显示在零件的下方。零件变薄分布分析这里以百分数显示，20表示比原厚度薄20。在分析中施加压边力在分析中施加压边力n应用上压边力应用上压边力设置在钣金零设置在钣金零件网格模型的件网格模型的边界上，并将边界上，并将压边力转换为压边力转换为单元边界上的单元边界上的法向张力法向张力 图715 压边力的施加安全区域分析安全区域分析零件成形之后的边界变化的位移情况零件成形之后的边界变化的位移情况 图724 边界位移图成形极限图成形极限图 n成形极限图是一个模型应变状态图，每个节点成形极限图是一个模型应变状态图，每个节点的应变被绘制到主应变和次应变轴上，在成形的应变被绘制到主应变和次应变轴上，在成形极限图上的每个点的位置可以用于确定成形的极限图上的每个点的位置可以用于确定成形的模式和零件在局部区域的成形能力，所谓成形模式和零件在局部区域的成形能力，所谓成形能力是指零件是否安全或者是否具有一些拉裂能力是指零件是否安全或者是否具有一些拉裂或起皱趋势的区域或起皱趋势的区域 图725 成形极限图分析的优点：分析的优点：n改善下料预测和材料成本计算的精确性，可以精确到改善下料预测和材料成本计算的精确性，可以精确到1.4%。n在对材料报价时可以快速得到结果。在对材料报价时可以快速得到结果。n减少模具的试验时间。减少模具的试验时间。n改善一个公司的管理计划。改善一个公司的管理计划。本章思考题本章思考题n注塑流动分析可以解决模具设计制造哪些问题？注塑流动分析可以解决模具设计制造哪些问题？n解决塑料件的熔接痕有哪些方法？解决塑料件的熔接痕有哪些方法？n塑料成型分析的主要步骤？塑料成型分析的主要步骤？n在塑料成型分析中从哪些分布可以了解到塑件在塑料成型分析中从哪些分布可以了解到塑件成型的质量？成型的质量？n覆盖件分析可以了解哪些问题？覆盖件分析可以了解哪些问题？