CADCAE技术在塑料模具中应用.docx

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CADCAE技术在塑料模具中应用

合肥通用职业技术学院

毕业设计论文

题目：

CAD/CAE技术在塑料模具中的应用

系别：

数控与材料工程系

专业：

模具设计与制造

学制：

三年

姓名：

张成

学号：

15130237

指导教师：

葛婧

二零一六年五月十日

指导教师评语及成绩：

指导教师：

年月日

CAD/CAE技术在塑料模具中的应用

摘要

在现在生活中越来越多地人使用塑料产品，例如应用在通信器材、办公设备、汽车、仪器表、航天航空、建材、日用品、家用品电器等领域中的各种塑料产品，它们的形状和结构越来越复杂，对它们的要求也越来越高，通常的图纸已很难准确和详尽的表达塑料产品的结构和形状。

当前市场的特点是产品品种多，更新换代快，市场竞争激烈残酷，而客户对模具设计与制造的要求是模具质量要好，生产周期要短，模具价格要低。

因此，现代模具设计与制造者为了应对当前经济的发展要求，因采用先进的管理手段和技术，并推动现代模具设计与制造企业的迅猛发展。

CAD/CAE技术的日益完备和在模具设计与制造中的应用，使其在现代模具设计与制造中发挥着越来越重要的核心作用,CAD/CAE技术已成为现代模具设计与制造的必然趋势。

关键词：

塑料模具;CAD;CAE

第一章塑料模具CAD技术…………………………………………1

1.1CAD技术的简介…………………………………………………1

1.2CAD软件简介…………………………………………………1

1.2.1UG软件………………………………………………………1

第二章塑料模具CAE技术…………………………………………2

2.1CAE技术的简介…………………………………………………2

2.2CAE软件的简介………………………………………………2

2.2.1Moldflow软件简介……………………………………………2

2.3CAE技术的作用………………………………………………3

2.4CAE技术在注塑模具中的主要应用……………………………4

2.4.1优化塑料制品设计………………………………………………4

2.4.2塑料模结构分析…………………………………………………4

2.4.3优化注塑工艺参数………………………………………………5

2.4.4模具设计的重要工具……………………………………………5

2.4.4.1确定模具浇注系统方案………………………………………5

2.4.4.2冷却分析………………………………………………………5

2.4.4.3翘曲分析………………………………………………………5

第三章CAD/CAE技术在塑料模具中的应用实例………………6

3.1建模及前处理……………………………………………………6

3.2浇口位置的分析…………………………………………………7

3.3浇注系统及冷却系统的建立……………………………………8

3.4充填分析过程及后处理分析……………………………………9

总结……………………………………………………………………………12

参考文献………………………………………………………………………13

插图清单

图1-1UG界面………………………………………………………………1

图2-1Moldflow界面………………………………………………………3

图2-2传统的注塑成型方法基本步骤………………………………………4

图2-3现代模具CAE开发步骤………………………………………………4

图3-13D模型………………………………………………………………6

图3-2划分网格后的模型……………………………………………………6

图3-3最佳浇口位置分析……………………………………………………7

图3-4进浇口位置的确定……………………………………………………7

图3-5带浇注系统的两腔模…………………………………………………8

图3-6带浇注系统及冷却水道的模型………………………………………8

图3-7时间为1.07s时的充填图……………………………………………9

图3-8时间为1.45s的充填图………………………………………………9

图3-9熔接痕分析结果………………………………………………………10

图3-10困气情况分析…………………………………………………………10

图3-11流程图分析（平均速度）……………………………………………11

第一章塑料模具CAD技术

1.1CAD技术的简介

计算机辅助设计（ComputerAidedDesign,CAD）是20世纪50年代末发展起来的综合性计算机应用技术。

它是以计算机为工具，处理产品设计过程中的图形和数据信息，辅助完成产品设计过程的技术。

CAD技术包含的内容有：

①利用计算机进行产品的造型、装配、工程图绘制以及相关文档的设计；②进行产品渲染、动态显示；③对产品进行工程分析，如有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动学及动力学仿真等。

1.2CAD软件简介

1.2.1UG软件

UG（UnigraphicsNX）是SiemensPLMSoftware公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。

UnigraphicsNX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。

这是一个交互式CAD/CAM（计算机辅助设计与计算机辅助制造）系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。

它在诞生之初主要基于工作站，但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长，在PC上的应用取得了迅猛的增长，已经成为模具行业三维设计的一个主流应用。

图1-1UG界面

第二章塑料模具CAE技术

2.1CAE技术的简介

CAE利用计算机完成设计分析计算、评估、预测、模拟仿真。

注塑成型CAE技术是CAE的一个重要分支，它以计算机软件为工具，以仿真为手段，进熔融塑料的型腔流动模拟和冷却分析等，研究注塑成型加工条件的变化规律，预测制件的结构和性能，优化注塑成型的压力、温度、速度等工艺参数。

其原理是按照塑料加工成型的基本理论，建立模具型腔中熔融塑料充模、传热的数学模型，对整个注塑成型过程进行计算机分析与仿真，模拟成型时塑料的动态填充、保压、冷却等工艺过程。

注塑成型CAE可以在模具制造之前，在计算机上对模具设计方案进行分析和模拟，预测设计缺陷，为模具设计制造提供科学依据。

注塑成型CAE在有限元分析理论和计算机硬件的带动下，成为近年来模具及塑料加工行业发展最快的技术之一，是该领域的一个重要技术转折。

目前，注塑成型CAE技术在一些发达国家如美国、德国、日本得到普遍的应用，中国香港、台湾地区也得到较普遍的应用，国内应用和研究的还不是很普及，正处于蓬勃发展时期。

2.2CAE软件的简介

2.2.1Moldflow软件简介

Moldflow是澳大利亚溯公司开发的，占有80%以上的市场份额，是现有注塑软件行业的主流软件。

Moldflow具备制件和模具设计及注塑分析功能，提供了强大的分析、可视化功能和项目管理工具。

用户可以对制件的几何形状、材料的选择、模具设计及加工参数设置进行优化，以获得高质量的产品，并进行深入的分析和优化。

尤其是对热塑性塑料模具的流动过程及冷却的模拟分析，更有其独到之处。

该软件提供了流动分析、冷却分析、翘曲分析等全模块分析功能，能够在计算机上对整个注塑成型过程进行模拟分析，包括填充、保压、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力、收缩以及气辅成形和热固性材料流动分析，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、塑件的收缩和翘曲变形等情况。

塑料产品CAD造型后，产品及模具信息采用*.STL格式文件传入Moldflow，在Moldflow中选择塑料材料、注塑温度、注塑压力、注塑机后即可进行分析。

分析结束后，软件可提出修改意见反馈到注塑模CAD，为设计师提供实际模拟结果，找出可能出现的设计缺陷，提早修改不合理设计，进行模具优化设计。

图2-1Moldflow界面

2.3CAE技术的作用

传统的注塑模具设计主要依靠设计人员的直觉和经验,模具设计加工完以后往往需要经过反复的调试与修正才能正式投入生产,发现问题后,不仅要重新调整工艺参数,甚至要修改塑料制品和模具,这种生产方式制约了新产品的开发。

利用CAE（Mudflow）分析软件在模具加工之前,在计算机上对整个注塑成型过程进行模拟分析,包括填充、保压、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力、收缩以及气辅成型和热固性材料流动分析,找出未来产品可能出现的缺陷,提高一次试模的成功率,以达到降低生产成本、缩短生产周期的目的。

塑料模具的设计不但要采用CAD技术,而且还要采用CAE技术。

这是必然趋势。

注塑成型分两个阶段,即:

开发/设计阶段（包括产品设计、模具设计、模具制造）;生产阶段（包括购买材料、试模、成型）。

传统的注塑成型方法基本步骤如图2-2所示,图2-3为现代模具CAE开发步骤。

传统的注塑方法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。

图2-2传统的注塑成型方法基本步骤

图2-3现代模具CAE开发步骤

2.4CAE技术在注塑模具中的主要应用

2.4.1优化塑料制品设计

应用CAD技术可以设计出产品的大体结构，再通过CAE技术进行结构分析、可行性评估和优化设计。

协助设计师改进产品形状、设计合理壁厚、选择最佳成型性能塑料，快速地设计出最优的塑料产品。

采用模具CAD/CAE技术后，制件一般不必再进行原型试验，制件的形状能逼真地显示在计算机屏幕上，有限元分析能够进行力学性能检测。

塑料产品的壁厚大小、结构设计等直接影响到塑件的成型和产品质量，如果完全依靠产品设计师的经验，不但费力、费时，而且设计的产品不够合理。

CAE能够分析产品受外界载荷情况下的机械性能，预测在载荷、温度作用下产生的应力、变形，得到结构应力分布情况，优化产品的强度、刚度设计。

对于纤维增强塑料，根据流动分析和塑料品种确定材料的机械性能；对纤维化塑料，采用集成分析工具来预测和优化注塑过程的纤维取向，提高制件的性能。

2.4.2塑料模结构分析

随着模具质量要求的提高和现代设计技术的发展，模具设计不能仅仅是完成设计，而应该采用现代设计方法对设计的模具进行各种分析，检验模具结构设计是否合理，分析结构不合理的原因和位置，在CAD软件中进行相应修改，再用CAE软件进行各种性能检测，最终确定出符合性能、经济等要求的模具。

CAE对塑料模结构分析的主要应用在以下几方面：

模拟模具的实际使用条件，施加约束和载荷等外部条件，进行模具强度和刚度分析；抗冲击试验模拟，分析随时间变化的载荷对结构的影响，对模具结构提供完整的评估与解决方案；跌落试验模拟，分析模具因碰撞或跌落产生的力、变形、应力、位移对模具结构的影响；模拟模具中的温度分布，分析各种材质模具的散热能力；对在集中载荷、循环载荷和常值位移作用条件下，或在高温、低温条件下工作的模具，进行初步的疲劳和蠕变分析。

2.4.3优化注塑工艺参数

由于经验的局限性，工艺师很难精确地选择合理的注塑工艺参数。

CAE可以模拟塑件注塑成型全过程，预测产品可能产生的缺陷。

CAE通过对注塑成型过程的定性与定量描述，知晓塑料在模具型腔内的流动情况，帮助工艺师选择合适的塑料品种、成型设备，确定最佳的注塑压力、注塑时间、冷却时间、塑料温度、锁模力、模具温度、保压压力和保压时间等工艺参数，在对各种成型方案进行对比后得到最优的工艺方案。

2.4.4模具设计的重要工具

传统的模具制造要经过反复试模、修模，才能完善设计。

利用CAE技术，可以对型腔尺寸、浇口位置及尺寸、流道和冷却系统等进行优化设计，在计算机上进行试模、修模。

CAE软件可以作为设计工具，分析充填过程、冷却时间、熔接缝与气穴的位置、制件最终形状等，模具设计师可参考这些信息完成模具设计。

2.4.4.1确定模具浇注系统方案

浇注系统对注塑成型质量、模具寿命影响极大，确定合理的浇注系统是模具设计的一项重要工作，也是注塑CAE分析最基本的功能。

根据产品和塑料材料性能、工艺参数，CAE的流动分析模块可以模拟塑料在模具中的流动，从动态的填充时间、填充结果查看塑料填充流动的合理性、熔接痕位置，确保填充平衡、塑料能均匀同步地充填到制件的各部位；保压、冷却和变形等分析模块可以检验制件的质量、优化流道设计，选择浇口的最佳位置、形式，得到合理的模腔布局、模腔壁厚、材料、填充和

保压的工艺参数。

通过对不同浇注系统的分析比较，选择模具浇注系统的最佳设计方案。

2.4.4.2冷却分析

冷却分析系统对模具的冷却系统进行分析，优化设计冷却回路的布局和参数，使得产品冷却均匀、减小内应力。

根据冷却效果计算出冷却时间的长短，确定产品的注塑成型周期，尽量缩短冷却时间，缩短成型周期。

2.4.4.3翘曲分析

塑件的翘曲变形很复杂，尤其是薄型零件。

翘曲分析可以根据注塑设备、材料特性、环境条件和冷却情况，预测并减少翘曲变形。

通过分析整个塑件的翘曲变形，得到产品产生翘曲的主要原因以及相应的补救措施。

第三章CAD/CAE技术在塑料模具中的应用实例

3.1建模及前处理

如图3-1塑件，其整体尺寸约为224×50×35mm,形状较复杂，有较高的柱状突起，现采用moldflow软件对其成型性能进行分析。

图3-13D模型

在UG中建模,将文件格式转化为stl格式文件，然后导入moldflow，采用fusion网格进行划分，如下图3-2所示：

图3-2划分网格后的模型

对划分后的网格进行处理，包括自由边的处理，纵横比的修复，处理相交和重叠的单元，调整单元取向使其一致，网格处理完后，网格匹配率达到89.8%。

（一般网格匹配率需要85%以上分析较为准确）

3.2浇口位置的分析

先采用moldflow进行最佳浇口位置的分析，经计算，如下图所示：

深蓝色区域为较理想的浇口选择区域

图3-3最佳浇口位置分析

分析上述结果，由于考虑到脱模方向为沿柱状方向，而且本产品采用一模两件，综合考虑各个方面，最后浇口位置定为如图3-4所示：

采用侧浇口进胶。

图3-4进浇口位置的确定

3.3浇注系统及冷却系统的建立

采用软件中的型腔复制，建立两个对称模型，利用modling中的runnersystemwizard建立浇注系统如下图所示：

其中，主浇道为6mm,锥度为标准的2.38，长度50mm,分浇道为5mm，浇口为侧浇口，3mm,锥度15，成45度倾角。

图3-5带浇注系统的两腔模

接下来，是建立冷却系统，以modling中的coolingcircuitwizard向导建立四条冷却水道，根据模具的设计，确定水道距离塑件20mm,如下3-6图所示：

图3-6带浇注系统及冷却水道的模型

3.4充填分析过程及后处理分析

本次分析只分析充填过程即filling过程，选择分析的塑件材料为chimei公司的polylacPA-737,分析工艺条件采用默认值，即模温60摄氏度，熔体温度230摄氏度，填充控制、速度压力控制转换为自动设置，保压控制为填充压力与时间关系，采用默认值。

下面图组为充填结果图：

图3-7时间为1.07s时的充填图

图3-8时间为1.45s的充填图

图3-9熔接痕分析结果

图3-10困气情况分析

图3-11流程图分析（平均速度）

由上述分析结果可以看出，塑件填充基本为平衡充填，流动前沿同时到达流程最长的部位，充填时间为1.451s；在接近柱状特征处有熔接痕外，并比较短小，困气情况在边缘处比较明显，模具设计中应该开设排气槽，根据熔体的流程图也可以看出，充填过程无短射，也无明显滞留及潜流。

根据充填结果，可以认为此次浇口设置较为合理，所得产品质量有所保证，根据moldflow还可以进行翘曲和冷却分析，从而可以调整工艺参数，为设计人员提供一定的尺寸和工艺参考。

总结

目前,塑料模具设计、制造一般采用通用机械的CAD软件与专用塑料模CAE软件相结合。

开发与推广专用模具CAD软件是面临的一个课题。

CAE分析只能在设定条件下对塑料成型过程进行模拟,还不能对分析结果进行优化,更不能对设计过程作专家指导。

集成专用的塑料模具CAD/CAE软件,提高其智能化程度,是塑料模CAD/CAE技术发展的趋势。

参考文献

[1]淤星，UGNX6.0注塑模具设计情境教程（第二版），大连理工出版社，2014.6。

[2]孙燕华，先进制造技术，西安电子科技大学出版社，2006.7

[3]黄晓燕，注塑模浇口位置的优化设计，西南交通大学出版社2007.6.

[4]张兴，注塑CAE技术应用，清华大学出版社。

2010.5

[5]杨占先，模具CAD/CAE，国防工业出版社。

2015.3