一、注塑CAE技術(shù)簡介 CAE（Computer Aided Engineering）技術(shù)從字面上理解是計算機輔助工程，準(zhǔn)確地講就是工程設(shè)計中的分析計算和模擬仿真。注塑CAE技術(shù)是CAE技術(shù)中一個重要的組成部分，它是根據(jù)塑料加工流變學(xué)和傳熱學(xué)的基本理論，建立塑料熔體在模具型腔中流動、傳熱的物理、數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值計算理論構(gòu)造其求解方法，利用計算機圖形學(xué)技術(shù)在計算機屏幕上形象、直觀地模擬出實際成型中熔體的動態(tài)填充、冷卻等過程，定量地給出成型過程中的狀態(tài)參數(shù)（如壓力、溫度、速度等）。注塑CAE技術(shù)可以在模具制造之前，在計算機上對模具設(shè)計方案進行分析和模擬，預(yù)測設(shè)計中潛在的缺陷，為設(shè)計人員修改設(shè)計提供科學(xué)的依據(jù)。應(yīng)用注塑CAE技術(shù)帶來的直接好處是省時省力，減少試模、修模次數(shù)，縮短模具設(shè)計制造周期，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。 注塑CAE分析的一般流程如圖1所示。 圖1 注塑CAE分析的一般流程 二、注塑CAE技術(shù)在模具設(shè)計和開發(fā)中的應(yīng)用 介紹注塑CAE技術(shù)的文章大部分都是從軟件的角度出發(fā)，介紹軟件各模塊的功能和應(yīng)用。筆者結(jié)合幾年來從事注塑CAE分析的經(jīng)驗，從企業(yè)需求和使用的角度出發(fā)，介紹注塑CAE技術(shù)在模具設(shè)計、開發(fā)中的幾個主要的應(yīng)用領(lǐng)域。 1確定模具澆注系統(tǒng)方案 模具的澆注系統(tǒng)對于模具最終的注塑成型質(zhì)量有著決定性的影響，合理的澆注系統(tǒng)能夠使塑料熔體充填平衡、均勻，可以避免很多注塑缺陷，得到滿意的塑件質(zhì)量，并延長模具壽命。確定合理的澆注系統(tǒng)方案是注塑CAE分析最基本的工作，也是模具設(shè)計環(huán)節(jié)一個非常重要的方面，特別是對于熱流道模具，一個是要求要快，在設(shè)計工作的前期就必須提供澆口布局，以供設(shè)計人員設(shè)計相關(guān)的結(jié)構(gòu)并訂購熱流道；再一個是要求要準(zhǔn)，由于熱流道價格昂貴，而且做成之后就無法更改，因此澆注系統(tǒng)的方案一定要準(zhǔn)確。這就對料流分析工作提出了比較高的要求，目前成熟的注塑CAE分析軟件都把流動分析作為最基本的模塊，分析的準(zhǔn)確性相對也比較高。 確定合理的澆注系統(tǒng)最基本的要求是流動平衡，使熔體能夠均勻、同步地充填到制件的各個部分，同時還要照顧一些重點質(zhì)量區(qū)域，使熔接痕產(chǎn)生在不影響外觀要求的地方。下文是一個29英寸電視機后殼澆注系統(tǒng)布局的例子，澆注系統(tǒng)為四點熱流道，澆口直徑4.5mm，澆道直徑10mm，布局如圖2所示。 圖2 29英寸電視機后殼澆注系統(tǒng)布局 制件充填情況的模擬分析結(jié)果如圖3所示。 圖3 制件充填情況的模擬分析 從分析結(jié)果圖中可以看出流動比較平衡，熔體基本能夠均勻、同步地充填到制件的各個部分，達到比較滿意的注塑效果。 2確定氣輔成型方案，預(yù)測氣體穿透效果 氣體輔助注塑成型技術(shù)是一項新興的塑料注射成型技術(shù)，其原理是利用高壓氣體在塑件內(nèi)部產(chǎn)生中空截面，利用氣體保壓代替塑料注射保壓，完成注射成型過程。與普通注塑成型工藝相比，它能夠消除制件表面縮痕，降低制品內(nèi)應(yīng)力，節(jié)約原材料，延長模具壽命，生產(chǎn)周期縮短，被譽為注塑成型工藝的一次革命，在家電、汽車、家具、日常用品等幾乎所有塑料制件領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 氣體輔助注塑成型工藝過程涉及到高分子熔體和高壓氣體的氣液兩相流動及相互作用問題，因此使得氣體輔助注塑成型工藝實現(xiàn)過程的設(shè)計參數(shù)和控制參數(shù)大大增加。氣體輔助成型方案的難點主要包括兩個方面，一是氣道布局，包括進氣方式、氣道配置和截面尺寸的確定；二是氣體輔助注塑成型工藝參數(shù)，包括缺料體積、延遲時間和氣體壓力曲線的確定等。 成熟的CAE氣輔分析可以解決這兩個方面的問題，通過在計算機上完成氣輔注塑的仿真過程，預(yù)測熔體及氣體在型腔內(nèi)的流動及穿透情況，優(yōu)化產(chǎn)品和模具設(shè)計，改進氣道的布局、尺寸，優(yōu)化成型工藝參數(shù)，可以大大提高氣輔模具開發(fā)的可靠性。 下面是29英寸電視機前殼氣輔模具的CAE模擬分析實例：分析用料：BASF 466I；進氣方式：噴嘴進氣；氣道截面形式如下圖所示。 工藝參數(shù)：模具溫度：50；熔體溫度：230；注射時間：3 s；冷卻時間：20 s；注入熔體體積：98%；進氣延遲時間：0.5 s；氣體壓力控制曲線如下圖所示。 氣體穿透效果如圖4和圖5所示。 圖4氣體穿透情況（1） 圖5氣體穿透情況（2） 從上面的分析結(jié)果圖中可以看到，經(jīng)過科學(xué)的CAE模擬分析，確定了合理的氣道布局和氣輔工藝參數(shù)，氣道沿著料流方向均衡地配置到整個制件上，氣體能夠有效地穿透到氣道的末端，充分起到保壓作用，對于解決制件表面縮痕問題，提高制件的表面質(zhì)量起到顯著的作用。后期的試模情況也充分驗證了這一結(jié)果。 3產(chǎn)品調(diào)整滿足流動平衡或設(shè)計需要 對于一些模具，其澆口位置只能限定在一定區(qū)域內(nèi)，如采用直澆口的電視機后殼，其澆口只能放在制件背面正中貼標(biāo)簽的方框中，不能放在其它位置。而這種情況下可能無法保證料流平衡，為了解決這一點，通常需要對產(chǎn)品局部的形狀和壁厚進行調(diào)整。例如在充填比較快的方向上減壁厚或設(shè)置阻流槽，在充填比較慢的方向增加壁厚或減少部分散熱孔等，最終的目的就是達到均衡充填。下面是一個液晶電視后殼的例子，采用位置固定的直澆口，兩側(cè)流動平衡性差異較大，通過調(diào)整局部壁厚，達到了流動平衡。 圖6 初試方案的充填情況 初試方案的充填情況如圖6所示，可以看出兩側(cè)流動平衡性差異較大，右側(cè)充填較慢。根據(jù)右側(cè)充填較慢的情況，將下圖所示的黑線內(nèi)部區(qū)域壁厚增加0.3mm，起到引流作用。壁厚調(diào)整后的流動情況如圖8所示。可以看出，整個制件的流動平衡性明顯改善，兩側(cè)基本同步充填。 4預(yù)測、改善注塑缺陷 在注塑過程中可能出現(xiàn)的缺陷有多種，和澆注系統(tǒng)布局關(guān)系比較大的有熔接痕、困氣、縮凹和翹曲等，這些缺陷都可以通過CAE分析來改善。 熔接痕是熔體流動前鋒匯合后在制件表面形成的細線狀的印痕，它不僅影響塑件的外觀，也降低制件的強度。但由于大部分的模具都有多個澆口，而且制件上也會有各類形狀的孔，因此熔接痕的產(chǎn)生是不可避免的，只能通過修改澆注系統(tǒng)或調(diào)整壁厚使熔接痕減少、減輕或處于相對不重要的區(qū)域，減少對塑件外觀或強度的影響。例如電視機前殼熔接痕不能位于四個角，因為那是固定顯象管受力最大的地方，可以設(shè)法使其處于兩側(cè)的喇叭窗網(wǎng)孔區(qū)域，而電視機后殼則可以設(shè)法使其處于散熱孔或裝飾條紋區(qū)域。 困氣是由于熔體流動前鋒匯合后，中間包圍的空氣無法排出而形成的，它會造成燒焦、短射或表面斑紋等缺陷。對于困氣，可以通過調(diào)整澆注系統(tǒng)、制件局部壁厚等措施，將空氣趕到分型面或其他易于排出的地方，通過排氣槽將其排到模具之外。如果無法達到這一點，則可以通過分析準(zhǔn)確預(yù)測困氣的位置，在對應(yīng)的部位加設(shè)排氣鑲件，達到排氣效果。 縮凹也是比較常見的表面缺陷，主要是由于保壓不足引起的，一般發(fā)生在厚壁或背面有筋、柱等結(jié)構(gòu)的地方。雖然縮凹一般不會影響制件的強度和功能，但卻對制件外觀造成致命的影響。通過注塑CAE軟件的保壓分析，可以預(yù)知可能發(fā)生縮凹的區(qū)域，有針對性地采取相應(yīng)措施，如減薄壁厚、調(diào)整澆口位置和大小、在筋或柱的根部采取防縮措施等。對于實在無法達到要求的，可以考慮采用氣體輔助注塑。 翹曲變形比較容易發(fā)生在平板件、長條件及盒形件上，主要是由于塑件內(nèi)部的殘余內(nèi)應(yīng)力引起的。導(dǎo)致翹曲變形的原因比較復(fù)雜，主要包括塑料內(nèi)高分子鏈的取向差異、流動方向和垂直方向體積收縮的不均勻以及制件冷卻不均勻?qū)е碌膹澢鷳?yīng)力等。通過注塑CAE軟件的翹曲分析，可以預(yù)知變形的趨勢以及各種因素所占比例的大小，以便有針對性地采取相應(yīng)措施。但由于導(dǎo)致翹曲變形的因素十分復(fù)雜與敏感，很難準(zhǔn)確地定量預(yù)測變形的大小，只能定性地預(yù)測翹曲變形的趨勢和相對量，為采取相應(yīng)措施提供參考。