注塑成形CAE技术发展

注塑成型CAE技术的发展及应用

邱玉龙1

（1. 武汉理工大学材料科学与工程学院武汉 430070）

摘要：介绍了注塑成型技术和注塑成型CAE。讨论了注塑成型CAE技术在流动分析、冷却分析等方面的原理及应用。介绍了注塑成型分析软件MOLDFLOW，结合具体实例总结了注塑成型CAE分析的几个研究热点。展望了注塑成型CAE 技术的发展趋势。

关键词：注塑成型；CAE；应用；发展

Application and development of CAE Technology into Injection Molds

Y .L. Qiu1

(1.School of Materials Science and Engineering Wuhan University of Technology,Wuhan,430070)

Abstract:The injection molding CAE technology and its software are introduced. Then, a brief introduction is made on the principle of filling analysis、cooling analysis etc．And it narrates the use and function of MPI ( Moldflow Plastics Insight ) software. The paper list several popular research points and given example of each the simulation process. The paper also given ideas on the future development of injection molding CAE technology.

Key words: Injection mold; CAE; application;development

0 前言

塑料注射成型是最为有效的塑料加工方法之一，在工业部门中占有十分重要的地位。受热融化的材料由高压射入模腔，经冷却固化后，得到成形品。近年来，塑料制品在许多工业部门的应用范围越来越广，这就使产品对注塑模具的要求越来越高，传统的注塑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。提高模具设计和制造水平的有效途径是将CAD／CAM技术应用于塑料注射成型领域。从20世纪90年代开始，我国模具行业的一些先行者已陆续采用了塑料注射成型仿真软件。由于仿真结果能正确指导成型工艺、优化模具结构、缩短试模和修模时间、显著提高塑料制品质量，其重要性正逐渐被模具界所认识。

1 注塑成型简介

注塑成型（Injection Molding）是指，受热融化的材料由高压射入模腔，经冷却固化后，得到成形品的方法。该方法适用于形状复杂部件的批量生产，是重要的加工方法之一，注塑成型制品约占塑料制品总量的20％一30％[1]。注塑成型分为合模、注射、保压、冷却、开模、制品取出等六个阶段。注塑成型的设备是注塑成型机。注射装置将树脂材料受热融化后射入模具内的装置。如图1所示从料头把树脂挤入料筒中，通过螺杆的转动将熔体输送至机筒的前端。在这个过程中，在加热器的作用下加热使机筒内的树脂材料受热，在螺杆的剪切应力作用下使树脂成为熔融状态，将相当于成型品及主流道，分流道的熔融树脂滞留于机筒的前端，螺杆的不断向前将材料射入模腔。当熔融树脂在模具内流动时，须控制螺杆的移动速度，并在树脂充满模腔后用保压力进行控制。当螺杆位置，注射压力达到一定值时我们可以将速度控制切换成压力控制。

图 1 注塑成型机原理示意图

2 注塑成型CAE技术

计算机辅助工程CAE（Computer Aided Engineering）是一个涉及面广、集多种学科与工程技术于一体的综合型、知识密集型产品，通常认为它是包含数值计算技术、数据库、计算机图形学、工程分析与仿真等在内的一个综合性软件系统，其核心技术是工程问题的模型化和数值计算方法。其产品分为通用和专用两个大类[2]，2.1注塑成型CAE

注塑成型CAE技术就是根据塑料加工流变学和传热学的基本理论，建立塑料熔体在模具型腔中的流动、传热的物理数学模型，利用数值计算理论构造其求解方法，利用计算机图形学技术在计算机屏幕上形象、直观地模拟出实际成型中熔体的动态充填、冷却过程，定量地给出成型过程的状态参数(如压力、温度、速度等）。利用注塑模CAE技术可在模具制造之前，在计算机上对模具设计方案进行分析和模拟来代替实际的试模，预测设计中潜在的缺陷，突破了传统的在注塑机上反复试模、修模的束缚，为设计人员修改设计提供科学的依据。这样可减少模具的报废率，缩短模具设计制造周期，降低成本、提高产品质量。因此注塑模CAE技术在模具制造中具有非常重要的应用和经济价值。

图2传统的模具设计流程

图 3 现代CAE模具流程

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运用CAE技术，在制件成本、质量和可加工性方面能得到CAE技术的帮助，主要表现在以下方面：

(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，注塑者可以估定各个加工参数的正确值，并确定其变动范围，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)最小的浇注系统尺寸

流动分析有助于选定最佳的浇注系统尺寸。以减少浇注系统部分塑料的冷却时间，从而缩短整个注塑成型的周期，以及减少变成回收料或者废料的浇注系统部分塑料的体积。

2.3注塑成型CAE的商品化软件

目前市面上应用较多的软件有澳大利亚MOLDFLOW公司主要的注塑模CAE软件MOLDFLOWPLASTIC INSIGHT(MPI)以及由我国华中科技大学开发模具技术国家重点实验室开发的华塑CAE(HSCAE)。其中澳大利亚Moldflow仿真系统是国际知名品牌软件，它可以准确反应塑胶制品在成型过程中的充填过程，体积收缩，熔接痕，冷却效果以及变形等情况，同时界面华丽，材料库支持完善，得到了世界上大多数公司和科研机构的应用。我国注塑成型CAE起步于80年代，华中科技大学塑性成型模拟及模具技术国家重点实验室李德群教授、周华民教授在“七五”、“八五”、“十五”国家重点攻关和国家自然科学基金项目的支持，系统而深人地开展了塑料注射成型仿真软件系统的研究和开发。与1989年推出了华塑（HSCAE），从1989年推出的HSCAE 1.0版到2006年的6.20版，经历了从二维分析到三维分析，从实用化到商品化，并达到国际先进水平[3]。图4和图5分别展示了MPI和HSCAE的用户界面。