基于CAE的冲水按键壳注塑模具设计

基于CAE的冲水按键壳注塑模具设计

基于CAE的冲水按键壳注塑模具设计

文献综述

Autodesk Moldflow是一款应用在塑料产品、注塑模具设计的行业软件。企业通过Moldflow 这一有效的优化设计软件，透过简化注塑成型的模拟来帮助模具设计者优化模具设计，特别是重要的特征，如浇注系统浇口的选择、冷却系统的排位等，引导设计者从分析开始建立直到结果解析，并帮助他们认识到通过壁厚、浇口位置、材料、产品几何的变更等是如何影响产品成型的可行性。

通过Moldflow软件对成型工艺的模拟，设计者可以轻松找出并解决潜在的问题，比如外观质量（包括熔接线、料花、缺料、顶白等缺陷）、材料的选择（满足质量需求下可以尽量降低企业成本）、结构的优化（拔模角、壁厚等）、浇口的位置和流道（冷流道和针阀式热流道）的优化等。

国内外学者在研究模具结构对塑件质量的影响时，都把研究的方向重点放在研究浇注系统对塑件质量的影响。可以利用CAE软件求解分析复杂工程，对模具工作状态和模具成型进行模拟，及早发现设计缺陷。塑料熔体在模具型腔内的流动过程可以用CAE软件来模拟。CAE 软件能够分析优化浇注系统的形状、尺寸参数等，这样可以大大减少成型出现缺陷的塑料制品，从而提高了产品的质量。

许多国内外学者在研究模具结构时，当不用改变制品结构时，利用改变模具的浇注系统以提升制品的成型质量。利用CAE软件可以得到恰当的浇口位置和浇注系统模型，之后利用CAE 软件模拟分析制品的成型过程。从而能够减少制品成型缺陷，使得制品质量得以提升。（一）国外研究现状

在理论方面，上世纪60年代，Copper,Ballman和Toor对塑料熔体在模具型腔中的流动进行了数值计算。上世纪70年代，Dusinberre和Hieher研究出塑料熔体在模具型腔中的二维流动数学模型，AustinC和WangH.P在此基础上，运用有限元分析法对熔体的冷却温度场进行了计算。从80年代中期起，计算机辅助设计(Computer Aided Design)、计算机辅助制造(Computer Aided Manufacture)和计算机辅助工程(Computer Aided Engineering)被广泛应用到模具设计与数值模拟分析的各个环节。80年代后期，研究人员通过运用有限元法对塑料熔体于模具型腔中的三维流动进行分析来确定熔体前沿流动位置。90年代后期，众多学者在对塑料熔体在模具型腔中的充填方式、冷却效果及成型缺陷分析进行了大量研究的基础上，展开了对注塑模CAD/CAE技术集成化的研究。注塑模CAD/CAE技术的应用主要体现在软件的开发上，如知名的商业化软件Moldflow、美国的C-MOLD,I-DEAS软件以及德国的CADMOLD 软件等。由于CAE技术在注塑模具中的大量运用，全球许多的研究机构对CAE技术进行了大量的研究。国外在注塑CAE软件上的研究比国内早，其研究的过程主要有三个部分（70年代、80年代和90年代）。

1970年以前，那时的计算机水平还很差，例如，计算机的计算效率低、内存不足等，还不能满足大量的计算，而且有限元知识发展得也不够完善，因此，许多都是通过中性面的手段对流体做一个填充流动研究。

从1970年到1980年，有限元研究手段在结构研究与环境研究方面有了非常大的进展，因此，计算机的工作速率、内存的运用还有软硬件的配置等方面的技术水平得到了深入的研究，双层面手段慢慢代替了中性面手段，而且还使用于填充流动和冷却研究过程中，也就是二维流动研究技术。可是，在进行二维流动模拟研究时，发现了一些问题，比如，如何可以清楚知道某个时间段的料流前端坐标、流动边缘位置是如何解决的。

1980年之后，开始进行三维流动模拟研究。三维的研究是通过流动的途径和有限元相结合，得出三维产品的流动研究结果，并且能够得出许多场的研究，比如温度场、速度场等。

1990年之后，由于CAE软件的许多功能得到了改进，同时，CAE软件的可用范围对几何模型也产生了越来越高的要求，因此，许多科研部门也把研究的重点转到了CAD/CAE/CAPP技术之间的集成上面。

Jiang C.Y.，Shen H.L.通过CAD软件创建了浇注系统和冷却系统，运用Moldflow软件对双斜齿轮产品进行了CAE数值模拟分析，并对注塑成型工艺进行了优化，从而获得了满足双斜齿轮注塑成型的工艺要求[12]。

（二）国内研究现状

上世纪60年代末，我国以线框模型的CAD系统开发为标志，展开了对CAD/CAE技术的研究。直到20世纪70年代末，我国对模具CAD/CAE技术的研究才正式起步。然而，由于技术的局限性，早期的工作仅限于二维的CAD/CAE系统的研究。从90年代开始，我国才真正开始对复杂三维的CAD/CAE软件进行开发与研究。随后，国内各类中大型研究机构不断开发出专业化的CAD/CAE实用系统，而且还对国外先进的CAD/CAE系统进行了适当的二次开发。近些年来，国内的学者在注塑模CAD/CAE技术的理论创新和实践应用中取得了许多成果:我国在1980年之后发表了一些和CAE软件相关的文章，研究得比较晚，研究的内容仅仅处于二维CAE的研究上。1990年以后，受国际上注塑模具设计手段的影响，我国才把研究的重心放在三维实体的CAE技术上。现在，我国的注塑模CAE水平和之前相比有了很大的提高，设计的CAE产品的数量也增加了很多，而且，进行注塑模CAE软件研发设计的机构也多了很多，如华中科技大学模具重点实验室、郑州大学橡塑模具工程研发中心等。

肖国华等通过对电脑显示器外壳模仁加工困难、外观质量要求高等问题的分析，利用Moldflow软件改进了电脑显示器外壳模具浇注系统和冷却系统，使产品的设计达到了规定的技术要求。梅明亮等[7]利用Moldflow软件对手机壳注塑成型进行了模拟分析，对手机壳注塑模具的浇注系统进行了改进，使模具的维护更加简单。

刘玲等利用CAD软件设计了手机壳的3D模型，用Moldflow软件对注塑模具进行了分析，从而提高了设计效率，缩短了设计时间，节约了设计成本。

张文建等通过Moldflow Insight软件对手机外壳注塑成型进行了全面分析，找出了其产生翘曲变形的根源，然后针对翘曲变形的原因采取了一系列的措施，改进了相关的设计和工艺参数，使手机外壳成型达到了设计的要求。

赵灵依据传热学原理，以Moldflow软件为优化工具，提出了基于显示器前盖模具温度场的CAE优化设计问题，并应用Moldflow软件的分析结果来优化冷却系统设计，提高了冷却效率，缩短了注塑成型时间。

刘玲等，在运用Moldflow软件进行模流分析的基础上，利用CAD软件完成了对手机后盖塑注塑模结构的优化设计，缩短了模具设计周期，降低了生产成本。

梅明亮等，通过运用Moldex3D软件对手机中框进行注塑成型模拟，重新设计了模具浇注系统，找出了便捷的模具维修方法。

肖国华等，针对平板电脑面壳外饰注塑量大、外观要求高、加工工艺难的特点，通过运用Moldflow软件对模具浇流系统、注塑成型工艺进行了优化和调整，使制品总翘曲变形量降低至0.2左右，改善了产品的翘曲变形缺陷。

张文建等，选用Moldflow Insight软件对普通手机外壳进行了CAE分析，确定了手机外壳产生翘曲变形的原因。并通过调整保压压力和保压时间，优化了成形工艺参数，翘曲变量降低了38%，减少为至0.2626mm，满足了产品要求。

刘长华等，运用Moldflow软件，分析得出双分流道浇流系统下手机后盖零件产生翘曲变形的原因。同时，结合六因素三水平的Taguchi试验对影响翘曲变形量的工艺参数进行了优化，使翘曲变形量降低了31.8%。

段新豪等，基于CAE软件Moldflow采用正交试验方法进，对平板手机后盖塑件成型工艺进