模具設計過程中CAE 軟件的應用

葛丹

（廈門建霖健康家居股份有限公司，福建 廈門361023）

作為重要的工藝裝備，模具在電器制造、汽車制造等多個領域得到了運用。而想要保證模具的加工精度，還要合理設計模具，確保產品整體加工獲得完整形式。運用CAE 軟件建立模流分析技術體系，能夠對模具設計問題展開系統分析，縮短模具開發時間的同時，保證設計質量，從而使模具設計水平得到提升。

1 CAE 軟件概述

CAE 軟件為CAE 技術的載體，可以劃分為專業類和通用類。專業CAE 軟件用于對特定對象，能夠實現性能分析、預測和優化，包含Moldflow、Autoform 等多種。通用CAE 軟件能夠用于對不同對象進行力學和物力性能分析，通過模擬分析和預測優化完成產品技術創新，包含ANSYS、NASTRAN 等。而CAE 為Computer Aided Engineering 的縮寫，指的是計算機輔助工程技術，能夠利用計算機對CAD 幾何模型的物理性能展開分析。通過對產品運行狀態進行仿真模擬，能夠為產品設計改良提供支持。在復雜工程問題求解過程中，也可以采用該技術進行力學分析，通過近似數值分析實現結構性能改良。搭載CAE 技術的軟件通常由前后處理器和求解器構成。其中，前處理器用于建模、網格劃分、邊界條件設定等操作，輸出的結果將被求解器接收。結合條件，通過數值分析能夠得到問題的答案，輸出有規則的數據。利用后處理器進行接收和處理，能夠得到接口圖形，便于用戶辨別。

2 模具設計過程中CAE 軟件的應用方法

2.1 在注塑模具設計中的應用

在塑料模具設計方面，由于多采用注塑成型技術。應用CAE 軟件，能夠運用材料流變理論對塑料射出成型過程展開分析。根據能量守恒、質量守恒等原理，通過模擬高分子材料熱力變化過程，分析保壓、填充等行為，能夠掌握相關工藝參數，如模穴內材料的壓力、速度等。在模具冷卻成型階段，可以通過分析參數間的關系對其變形行為進行預測，為工藝參數調節和品質改善提供依據。

現階段，專門用于分析注塑模型設計問題的CAE 軟件較多，最為常見的為Moldflow，能夠用于對塑件成型過程中材料填充流動過程展開分析，使試模次數得到減少。從軟件應用效果來看，能夠使模具開發周期得到縮短，并通過降低不良率節省開模成本。

實際應用CAE 軟件對注塑模具設計過程展開分析，需要先完成熔體充模過程的仿真模擬分析。在注塑過程中，熔體將從澆口、流道等位置通過，然后才會進入型腔。期間將發生復雜流動，通過模擬分析對澆口流道位置、數量等進行確認，完成注塑壓力等參數的合理預測。針對分析發現的不合理參數進行改良，能夠使熔接痕等缺陷得到減少。對保壓過程展開分析，能夠根據得到的保壓時間等參數實現澆口結構優化設計，使熔體收縮過程中產生的變化得到有效控制。模擬冷卻過程，能夠掌握模具加工過程中的熱交換情況，通過科學預測給出最佳的冷卻介質流速等參數[1]。塑件容易發生翹曲變形，而通過CAE 軟件展開分析，能夠掌握加工過程中塑件承受的應力，通過修正加工條件改善塑件性能。

在計算機上完成模具設計過程模擬，根據發現的加工問題進行模具合理設計，能夠使模具返修問題得到減少，因此能夠在控制成本的同時，使產品加工質量得到提高。

2.2 在沖壓模具設計中的應用

在工業制造過程中，也將采取沖壓成型工藝。能否加工得到高質量的工件，不僅取決于工藝技術，也將受到模具設計因素的影響。以往多根據人員經驗進行模具設計，然后通過試模確認能否滿足成型要求，期間需要浪費較多材料，產生一定時間成本。應用CAE 軟件進行沖壓過程分析，能夠將材料選擇、工藝技術與模具設計結合在一起，通過仿真分析實現改進，從而加快模具設計。利用有限元算法，能夠對毛坯加工的各個步驟展開分析，針對出現的缺陷進行成因分析，為模具設計改進提供依據。現階段，常見專用軟件為DEFORM-3D，能夠對建模、成型性能分析等功能進行集成，通過分析模具應力、金屬微結構等情況完成模擬仿真，為模具設計提供強有力的技術支持。

從CAE 軟件應用過程來看，需要先利用軟件建立沖壓成型模型，可以直接利用系統接口導入不同格式的數據，利用軟件算法建立相應模型。通過有限元分析，能夠實現數據離散化處理，根據邊界條件建立非線性方程組。通過迭代分析完成方程求解，能夠得到有線網格。利用軟件完成網格劃分后，可以對工件實施應力分析。對工件應力進行模擬，可以將荷載在模具對應位置上映射。根據得到的可視化分析結果，能夠獲得模擬分析數據，通過改進設計使沖壓成型過程中出現的拉裂、起皺等缺陷得到消除[2]。

因此在沖壓模具設計過程中，CAE 軟件為重要輔助工具，能夠實現自適應分析和處理，生成成型缺陷分析報告。根據報告中的數據進行模具設計，能夠保證工件加工精度，同時使試模時間得到有效減少，因此能夠帶來一定經濟效益。

2.3 在壓鑄模具設計中的應用

在壓鑄模具設計方面，主要可以采用Cast designer 進行模流分析。作為專用軟件，Cast designer 能夠用于對鑄造過程中金屬流動、凝固等過程展開分析，并通過熱傳遞分析、力學分析等手段得到模擬仿真數值，為模具設計提供依據。利用軟件進行流道設計，可以結合鑄件體積、尺寸等對充填時間、充填率等參數進行預測分析，通過比對為模具澆口、流道等各部分設計提供科學數值，繼而使模具得到優化設計。

3 模具設計過程中CAE 軟件的應用實踐

3.1 項目概述

某塑件屬于下蓋部分，外形尺寸為205mm×50mm×16mm，厚度為1.2mm，采用PC+ABS 材料，通過注塑方式加工成型。利用進口膠進行塑件充填，設計采用4 點羊角澆口，保證成型完整。模具利用四個滑塊進行抽芯脫模，最大的一個在側孔位置，需要利用支斜頂脫模。按照工件加工外觀要求，拉模角度為3°，非外觀為1.5°，利用圓角過渡，以免出現應力集中問題。由于外觀面無法設置澆口，還要在側面開設澆口進料，通過方形料片連接產品。

圖1 產品澆筑示意圖

3.2 模流分析

圖2 填充時間

采用Moldflow展開分析，對0.701s、0.801s、0.901s、1.201s 四個不同時間點塑件填充狀態進行確認，可以發現塑件四個角是最后被充滿的，直至1.2001s 才熔體充填結束。在四個角位置，將從注塑速度向壓力轉換，容易出現短射問題。利用軟件展開分析，發現在1.140s 時能夠達到98%以上充填，轉換壓力達到57.0MPa。在進澆口位置，壓力達到45.6MPa，然后持續補縮，直至模具型腔被充滿。為保證工件整體裝配效果，需要利用軟件進行翹曲分析，確定變形情況。

從軟件分析結果來看，在x、y、z 三個方向變形分布相對均勻。但在末端充填位置，將發生0.3～0.5mm 的變形。結合這一特點，還應增加末端冷卻和排氣，達到嚴格控制變形量的目標。從末端流體前沿溫度分析結果來看，最低能夠達到226.8℃，最高為230.5℃，均在合理范圍內。而溫度最低的位置仍然為末端，還應加強排氣，以便使成型效果得到改善。從氣穴分布情況來看，多數分布在下蓋四周和熔接線位置。為解決困氣問題，還要在熔接線位置完成排氣孔開設，并在主分型面上進行排氣槽開設。在與產品相連的位置，還應將深度控制在0.02～0.03mm 范圍內，尾部應達到0.2mm。

3.3 模具設計

根據模流分析結果進行模具設計，外形尺寸應為500mm×400mm×490mm，為多點羊角澆口熱流道模。結合模芯尺寸及模具強度，需配合采用HTF-280t 海天注射機。模具共包含四個滑塊和十五個支斜頂，利用六只斜導柱和對應復位彈簧對滑塊進行滑動，使工件從四周側向位置脫模。考慮到模具結構復雜，還要開設KO 孔進行注射機頂桿固定，通過強制復位保證結構穩固。利用點澆口熱流道進料，能夠使結構得到簡化，并通過后期噴漆將熔接線蓋住，使模具成本得到降低。在模具使用過程中，需要使定位圈與注射機定位孔對正，將安全門關閉后，可以進行定模合攏，使熔融態物料擠入模具。通過充填、保壓，冷卻20s后可以將工件取出，利用模塊將工件與模具分離開來。直至開模達到450mm 的距離，可以徹底將工件斜頂脫出。從模具設計效果來看，利用模流分析數據進行結構設計，能夠一次性完成模具設計與加工。用于注塑加工，得到的產品外觀性能良好，且質量穩定，能夠達到加工要求。

4 結論

應用CAE 軟件進行模流分析，能夠對模具使用過程進行模擬，通過發揮軟件強大數據處理和分析功能確定各項參數是否合理，完成工件加工缺陷產生原因分析，為模具設計提供科學依據。從軟件使用情況來看，能夠使試模次數減少40%左右，使每套模具成本減少約20%，時間平均減少30%，因此能夠使模具設計水平得到提升。