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CAE技术在模具设计开发中的应用
2006年3月10日 9:20  

  [引言]:模具是生产各种工业产品的重要工艺装备,随着塑料工业的迅速发展以及塑料制品在航空、航天、电子、机械、船舶和汽车等工业部门的推广应用,产品对模具的要求越来越高,传统的模具设计方法已无法适应产品更新换代和提高质量的要求。计算机辅助工程(CAE)技术已成为塑料产品开发、模具设计及产品加工中这些薄弱环节的最有效的途经。同传统的模具设计相比,CAE技术无论在提高生产率、保证产品质量,还是在降低成本、减轻劳动强度等方面,都具有很大优越性。近几年,CAE技术在汽车、家电、电子通讯、化工和日用品等领域逐步地得到了广泛应用。

  目前,世界塑料成型CAE软件市场由美国上市公司Moldflow公司主导,该公司是专业从事注塑成型CAE软件和咨询公司,自1976年发行了世界上第一套流动分析软件以来,一直在此领域居领先地位。利用CAE技术可以在模具加工前,在计算机上对整个注塑成型过程进行模拟分析,准确预测熔体的填充、保压、冷却情况,以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况,以便设计者能尽早发现问题,及时修改制件和模具设计,而不是等到试模以后再返修模具。这不仅是对传统模具设计方法的一次突破,而且对减少甚至避免模具返修报废、提高制品质量和降低成本等,都有着重大的技术经济意义。

  在今天,塑料模具的设计不但要采用CAD技术,而且还要采用CAE技术。这是发展的必然趋势。注塑成型分两个阶段,即开发/设计阶段(括产品设计、模具设计和模具制造)和生产阶段(包括购买材料、试模和成型)。传统的注塑方法是在正式生产前,由于设计人员凭经验与直觉设计模具,模具装配完毕后,通常需要几次试模,发现问题后,不仅需要重新设置工艺参数,甚至还需要修改塑料制品和模具设计,这势必增加生产成本,延长产品开发周期。采用CAE技术,可以完全代替试模,CAE技术提供了从制品设计到生产的完整解决方案,在模具制造之前,预测塑料熔体在型腔中的整个成型过程,帮助研判潜在的问题,有效地防止问题发生,大大缩短了开发周期,降低生产成本。

  近年来,CAE技术在注塑成型领域中的重要性日益增大,采用CAE技术可以全面解决注塑成型过程中出现的问题。CAE分析技术能成功地应用于三组不同的生产过程,即制品设计、模具设计和注塑成型。三方面的应用分述如下:

  1、制品设计

  制品设计者能用流动分析解决下列问题:

  (1)制品能否全部注满这一古老的问题仍为许多制品设计人员所注目,尤其是大型制件,如盖子、容器和家具等。

  (2)制件实际最小壁厚如能使用薄壁制件,就能大大降低制件的材料成本。减小壁厚还可大大降低制件的循环时间,从而提高生产效率,降低塑件成本。

  (3)浇口位置是否合适采用CAE分析可使产品设计者在设计时具有充分的选择浇口位置的余地,确保设计的审美特性。

  2、模具设计和制造

  CAE分析可在以下诸方面辅助设计者和制造者,以得到良好的模具设计:

  (1)良好的充填形式对于任何的注塑成型来说,最重要的是控制充填的方式,以使塑件的成型可靠、经济。

  单向充填是一种好的注塑方式,它可以提高塑件内部分子单向和稳定的取向性。这种填充形式有助于避免因不同的分子取向所导致的翘曲变形。

  (2)最佳浇口位置与浇口数量为了对充填方式进行控制,模具设计者必须选择能够实现这种控制的浇口位置和数量,CAE分析可使设计者有多种浇口位置的选择方案并对其影响作出评价。

  (3)流道系统的优化设计实际的模具设计往往要反复权衡各种因素,尽量使设计方案尽善尽美。通过流动分析,可以帮助设计者设计出压力平衡、温度平衡或者压力、温度均平衡的流道系统,还可对流道内剪切速率和摩擦热进行评估,如此,便可避免材料的降解和型腔内过高的熔体温度。

  (4)冷却系统的优化设计通过分析冷却系统对流动过程的影响,优化冷却管路的布局和工作条件,从而产生均匀的冷却,并由此缩短成型周期,减少产品成型后的内应力。

  (5)减小反修成本提高模具一次试模成功的可能性是CAE分析的一大优点。反复地试模、修模要耗损大量的时间和金钱。此外,未经反复修模的模具,其寿命也较长。

  3、注塑成型

  注塑者可望在制件成本、质量和可加工性方面得到CAE技术的帮助:

  (1)更加宽广更加稳定的加工裕度流动分析对熔体温度、模具温度和注射速度等主要注塑加工参数提出一个目标趋势,通过流动分析,注塑者便可估定各个加工参数的正确值,并确定其变动范围。会同模具设计者一起,他们可以结合使用最经济的加工设备,设定最佳的模具方案。

  (2)减小塑件应力和翘曲选择最好的加工参数使塑件残余应力最小。残余应力通常使塑件在成型后出现翘曲变形,甚至发生失效。

  (3)省料和减少过量充模流道和型腔的设计采用平衡流动,有助于减少材料的使用和消除因局部过量注射所造成的翘曲变形。

  (4)最小的流道尺寸和回用料成本流动分析有助于选定最佳的流道尺寸。以减少浇道部分塑料的冷却时间,从而缩短整个注射成型的时间,以及减少变成回收料或者废料的浇道部分塑料的体积。

  尽管CAE技术有如此多的优点,是技术发展的必然趋势,但是目前在我国CAE软件,尤其是国产的CAE软件却和者盖寡。原因何在呢?我国著名塑料成型CAE软件专家、华中科技大学材料学院院长、模具技术国家重点实验室教授李德群指出:塑料企业对CAE软件普遍不重视,很少有企业主动采用。可以说,国产CAE软件的市场阻力非常大,坚持自己的品牌做下来很不容易。

  1、企业观念落后

  CAE软件?我们从来不用!我们只用制造模具使用的绘图和数控加工软件做模具就够了。类似的回答在中小模具厂中十之八九。

  其实,对塑料模具厂家来说,仅仅使用制造模具用的绘图和数控加工软件是远远不够的。因为通过塑料成型CAE软件分析,可以在模具设计已完成、还没开始制造时,就提前对设计好的模具进行模拟分析,及时纠正模具的设计缺陷。

  因此使用CAE软件对模具厂家来说是减少坏模、降低生产成本的重要手段,这种预先模拟检测的方法在国外十分普及。

  中国模具工业协会副秘书长周永泰认为,现在国内确实存在CAE软件应用不广的现象。这是由于国内塑料模具企业普遍存在凭经验生产的现象,往往是通过反复试模来修改模具。其实这种传统的生产方式不仅成本高,而且不精确。

  2、市场推广乏力

  有关专家认为,国内企业不爱用CAE软件,这与CAE软件宣传力度小、企业认识不到使用CAE软件的经济利益有关。因此,国产CAE软件应当向国外企业学习,加大宣传力度,并适当做些培训,使模具企业充分感受到CAE软件的好处,这样有利于提高市场份额。

  但国产CAE软件企业自有难处,国产CAE软件几乎全部为政府立项,依托在各个大学和研究院所中,靠国家拨款进行研发。华塑CAE软件就是一个典型。华塑CAE软件原先只有一个4人研发小组,软件研发成功后,算是立项成功,国家拨款自然减少。而软件又不同其他产品,要较快地更新升级,因此后期研发经费也很巨大。有限的人力和资金既要用于研发,又要市场推广,困难可想而知。

  据了解,美国Modelflow软件在国内市场营销上有庞大的市场开发资金。他们还建立了Moldflow应用技术培训体制,将其作为一项技术认证,通过工程人员的认证加强了市场推广力度。业内人士希望,国内也能够引进这种做法。

  3、盗版软件猖獗

  国内软件市场普遍存在一种现象:正版的推不动,盗版的很畅销。CAE软件也面临着同样的问题。

 
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