【導(dǎo)讀】development.techniques.

　　

【正文】 模具設(shè)計史上的一次重大變革。 注塑模 CAE 技術(shù)的作用 圖 1和圖 2 給出了利 用傳統(tǒng)方法設(shè)計注塑模具和利用注塑模 CAE 技術(shù)設(shè)計模具的特點和差異。從中可以看出利用傳統(tǒng)方法設(shè)計注塑模具，設(shè)計成功與否將很大程度上依賴設(shè)計者的經(jīng)驗，而且對復(fù)雜零件澆口位置的合理與否，排氣槽位置的設(shè)置、熔接線位置的確定等都十分困難。模具在交付使用之前一般需經(jīng)過反復(fù)試模修改，直到得到合格的制品為止，從而不可避免地造成了生產(chǎn)周期的延長，而且一般也難以得到最優(yōu)的設(shè)計方案和工藝參數(shù)。而利用注塑模 CAE 技術(shù)設(shè)計模具則不然，由于在模具設(shè)計構(gòu)思階段，可利用注塑模 CAE 技術(shù)進行流動過程模擬，使得通常只有在模具試模階段才能發(fā) 現(xiàn)的問題，如短射，熔接線或氣孔出現(xiàn)在外觀零件表面等問題得以避免。同時幫助設(shè)計人員完成諸如流道系統(tǒng)的平衡設(shè)計，排氣槽的設(shè)置，合理確定注塑工藝參數(shù)等工作，這樣使得通常在必須反復(fù)試模修改而確定的模具結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)在模具設(shè)計構(gòu)思階段得以確定，縮短了模具設(shè)計制造周期、提高了模具設(shè)計質(zhì)量。 所以注塑模 CAE 軟件的作用主要表現(xiàn)為： （ 1）優(yōu)化塑料制品設(shè)計 塑料的壁厚、澆口的數(shù)量及位置、流道系統(tǒng)的設(shè)計等對于塑料制品的質(zhì)量有重大影響。以往全憑設(shè)計者的經(jīng)驗，用手工方法實現(xiàn)，費時費力，而利用 CAE 技術(shù)，可快速設(shè)計出最佳的制品 。 （ 2）優(yōu)化塑料模具設(shè)計 可以對型腔尺寸、澆口位置及數(shù)量、流道尺寸和冷卻系統(tǒng)等進行優(yōu)化設(shè)計。在計算機上模擬試模、修模和提高模具質(zhì)量，減少實際試模次數(shù)。 （ 3）優(yōu)化注射工藝參數(shù) 對注射過程進行模擬，發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的成型缺陷，確定最佳的注 射壓力、鎖模力、模具溫度、熔體溫度、注射時間和冷卻時間等。 由此可見，注塑模 CAE 技術(shù)無論在提高生產(chǎn)率、縮短模具設(shè)計制造周期和保證產(chǎn)品質(zhì)量，還是在降低成本、減輕勞動強度等方面，都具有很大的優(yōu)越性和重大的技術(shù)經(jīng)濟意義。 注塑模 CAE 軟件種類及其簡介 到目前為止，成熟的商業(yè)注塑模 CAE 軟件比較多， Moldflow 公司的 Moldflow 軟件和 ACTech 公司（ 2020 年 2 月，被 Moldflow 公司合并）的 CMold 軟件是其中的優(yōu)秀代表；另外還有國外的TMCONCEPT、 CADMold、 Fidap、 Stirm100、 Polyflow 和我國臺灣地區(qū)的 Moldex 等軟件應(yīng)用也比較廣；而國內(nèi)在 “ 八五 ” 期間才開始這方面的研究，現(xiàn)在華中理工大學(xué)的 HSCAE 軟件和鄭州大學(xué)的 ZMold 軟件在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。 Moldflow 軟件是專業(yè)從事注塑成型 CAE 軟件和咨詢的 Moldflow公司的系列產(chǎn)品 ，該公司自 1976 年發(fā)行了世界上第一套注塑模 CAE軟件以來，一直主導(dǎo)注塑模 CAE 軟件市場。至 2020 年， Moldflow 軟件在全球注塑模 CAE 市場的占有率達 75%。 MoldFlow 軟件包括三部分： MoldFlow Plastics Advisers（產(chǎn)品優(yōu)化顧問， MPA）、 MoldFlow Plastics Insisht（注塑成型模擬分析， MPI）和 MoldFlow Plastics Xpert（注塑成型過程控制專家，MPX）。 一般情況下，最常用 MPI，主要用來對注塑過程進行模擬，從而得到最佳的澆 口數(shù)量與位置，合理的流道系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)，并對型腔尺寸、澆口尺寸、流道尺寸和冷卻系統(tǒng)尺寸進行優(yōu)化，并且還可對注塑工藝參數(shù)進行優(yōu)化。 Moldflow 軟件的模流分析技術(shù)可以分為三種，即 Midplane、Fusion 和 3D[23]。 Moldflow 的 Midplane 分析技術(shù) Midplane（中面流）的應(yīng)用始于 20 世紀 80 年代。其網(wǎng)格是三節(jié)點的三角形單元，其原理是將 3D 幾何模型簡化成中性面幾何模型（即將網(wǎng)格創(chuàng)建在模型壁厚的中間處），利用所建立的中性面進行模擬分析，即以平面流動來仿真三維實體流動。此分析技術(shù)發(fā)展 至今已相當(dāng)成熟穩(wěn)定，其優(yōu)點為分析速度快、效率高。其模擬過程如圖 3 所示。 基于中面流技術(shù)的注塑流動模擬軟件應(yīng)用的時間最長、范圍也最廣。但是實踐表明，基于中面流技術(shù)的模擬軟件在應(yīng)用中具有很大的局限性，具體表現(xiàn)為： (1) 用戶必須構(gòu)造出中面模型。采用手工操作直接由實體模型構(gòu)造中面模型十分困難，往往需要花費大量的時間，而且不能從其他 CAD 模型轉(zhuǎn)換。 (2) 無法描述一些三維特征。如不能描述慣性效應(yīng)、重力效應(yīng)對熔體流動的影響，不能預(yù)測噴射現(xiàn)象、熔體前沿的泉涌現(xiàn)象等。 (3) 由于 CAD階段使用的產(chǎn)品模型和 CAE階段使用的分析模型不統(tǒng)一，使二次建模不可避免， CAD 與 CAE 系統(tǒng)的集成也無法實現(xiàn)。 Moldflow 的 Fusion 分析技術(shù) Fusion（雙面流）分析技術(shù)是基于 Moldflow 的獨家專利 Dual Domain 的分析技術(shù)。 2020 年推出的 Fusion 分析技術(shù)，使得用戶不需要抽取中性面就可以進行分析，克服了幾何模型的重建問題，大大減輕了用戶建模的負擔(dān)。網(wǎng)格也是三角形單元，而其原理是將模具型腔或制品在厚度方向上分成兩部分，有限元網(wǎng)格在型腔或制品的表面產(chǎn)生。在流動過程中，上、下兩表面的塑料熔體同時并且協(xié)調(diào)地流動，其 模擬過程如圖 4 所示。 顯然， Fusion 技術(shù)的表面網(wǎng)格是基于中性面的，仍無法解決中性面的根本問題，所以雙面流技術(shù)所應(yīng)用的原理和方法與中面流所應(yīng)用的沒有本質(zhì)上的差別，所不同的是雙面流采用了一系列相關(guān)的算法，將沿中面流動的單股熔體演變?yōu)檠厣?、下表面協(xié)調(diào)流動的雙股流。 雙面流技術(shù)的最大優(yōu)點是模型的準備時間大大縮短，這樣就大大減輕了用戶建模的負擔(dān)，將原來需要幾小時甚至幾天的建模工作縮短為幾分鐘。因此，基于雙面流技術(shù)的模擬軟件問世時間雖然只有短短 數(shù)年，但在全世界卻擁有了龐大的用戶群，得到了廣大用戶的支持和好評。 但是 雙面流技術(shù)有以下不足： (1) 由于雙面流技術(shù)沒有從根本上解決中性面的問題，所以還是無法描述某些三維特征，如不能描述慣性效應(yīng)、重力效應(yīng)對熔體流動的影響，不能預(yù)測噴射現(xiàn)象、熔體前沿的泉涌現(xiàn)象等。 (2) 上、下對應(yīng)表面的熔體流動前沿存在差別。由于上、下表面的網(wǎng)格無法一一對應(yīng)，而且網(wǎng)格形狀、方位與大小也不可能完全對稱，所以如何將上、下對應(yīng)表面的熔體流動前沿的差別控制在所允許的范圍內(nèi)是實施雙面流技術(shù)的難點。 (3) 熔體僅沿著上、下表面流動，在厚度方向上未作任何處理，缺乏真實感。 Moldflow 的 3D分析技術(shù) 以上兩種技術(shù)都忽略了厚度方向的物理量，只是二維的模擬，因而結(jié)果不是十分精確。 Moldflow 公司的 3D（三維）分析技術(shù)采用了真三維實體模流分析技術(shù)，經(jīng)過嚴謹?shù)睦碚撏茖?dǎo)與反復(fù)的驗證，將慣性效應(yīng)、非恒溫流體等因素考慮到有限元分析中，熔體厚度方向的物理量變化不再被忽略，能夠更全面地描述填充過程的流動現(xiàn)象，使分析結(jié)果更能接近現(xiàn)實狀況，適用于所有塑件制品。其立體網(wǎng)格是由四節(jié)點的四面體單元組成。并采用全新的 3D 立體顯示技術(shù)，可快速清楚地顯示出模型內(nèi)、外部的流動場、溫度場、應(yīng)力場和速度場等分析結(jié)果。對于上述分析結(jié)果也可利 用等位線或等位面方式顯示，讓實體模型內(nèi)、外部各變量的變化情形顯示更清楚， Moldfiow 還提供動畫的功能，透過 3D 動畫的方式顯示塑料熔體在型腔中的流動變化，讓用戶更直觀地看清設(shè)計與制造過程中可能遇到的問題。 但是 3D 技術(shù)的網(wǎng)格劃分要求很高，控制方程更加復(fù)雜，計算量大、時間長，計算效率低，不適合開發(fā)周期短并需要通過 CAE 進行反復(fù)修改驗證的注塑模設(shè)計。因此，目前該技術(shù)普及率不是很高，不過它最終必將取代中面流技術(shù)和雙面流技術(shù)。 注塑模發(fā)展趨勢 注塑模 CAE 技術(shù)不論從理論上還是在應(yīng)用上都取得了長足的進步，但在以下幾 個方面仍有待于進一步完善和發(fā)展 [45]： （ 1）數(shù)學(xué)模型、數(shù)值算法逐步完善 注塑模 CAE 技術(shù)的實用性，取決于數(shù)學(xué)模型的準確性及數(shù)值算法的精確性。目前的商品化模擬軟件模型沒有完全考慮物理量在厚度方向上的影響，為了進一步提高軟件的分析精度和使用范圍，必須進一步完善目前的數(shù)學(xué)模型和算法。 （ 2）注塑成型全過程模擬 目前，注塑成型模擬軟件主要有填充、流動、保壓、冷卻、應(yīng)力應(yīng)變和翹曲分析等模塊，各模塊的開發(fā)是基于各自獨立的數(shù)學(xué)模型，這些模型在很大程度上進行了簡化，忽略了相互之間的影響。但是，從注塑成型工藝過程來看， 塑料熔體的填充、流動、保壓和冷卻是交織在一起并相互影響的，因此，填充、流動、保壓和冷卻分析模塊必須有機地結(jié)合起來，進行耦合分析，才能綜合反映注塑成型的真實情況。 （ 3）優(yōu)化理論及算法，使 CAE技術(shù)“主動”地優(yōu)化設(shè)計 將人工智能技術(shù)，如專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等加入設(shè)計計算中，使模擬程序能 “ 智慧 ” 地選擇注塑工藝參數(shù)、提供修正制品尺寸和冷卻管道布置方案，減少人工對程序的干涉。 （ 4）對新的注塑成型方法進行模擬分析 目前，在常規(guī)注塑成型技術(shù)的基礎(chǔ)上，又發(fā)展出了一些新的注塑成型方法，比如氣體輔助注射、薄壁注塑成型、反應(yīng)注 射和共注射等。但是還沒有專門針對這些成型方法的模擬軟件，所以亟待開發(fā)。 （ 5）注塑模 CAD/CAE/CAM的集成化與網(wǎng)絡(luò)化 目前的商品化注塑模 CAE 軟件與 CAD、 CAM 軟件之間的數(shù)據(jù)傳遞 主要依靠文件的轉(zhuǎn)換，這容易造成數(shù)據(jù)的丟失和錯誤。因此在設(shè)計制造過程中采取單一模型，建立注塑模 CAD/CAE/CAM 系統(tǒng)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，加強三者之間的聯(lián)系是今后的發(fā)展方向之一。為適應(yīng)電子商務(wù)的發(fā)展要求，這個集成系統(tǒng)將實現(xiàn)異地的 “ 協(xié)同設(shè)計 ” 和 “ 虛擬制造 ” 。 結(jié)束語 盡管通過大量的實踐證明，在塑料模具工業(yè)中引入 CAE 技術(shù)后，大大縮短 了模具設(shè)計和制造周期，提高了模具的使用壽命和制造精度。同時， CAE 技術(shù)的出現(xiàn)也使注塑模設(shè)計從傳統(tǒng)的經(jīng)驗和技藝走上科學(xué)化的道路，在一定程度上改變了注塑模傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，但目前CAE 技術(shù)并不能代替人的創(chuàng)造性工作，只能作為一種輔助工具幫助工程師了解方案中存在的問題，還難以提供一個明確的改進方案，仍需通過反復(fù)交互（分析－修改－再分析），才能將設(shè)計人員的正確經(jīng)驗體現(xiàn)到模具設(shè)計中去，而設(shè)計方案的確定很大程度上仍需依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗和水平。