摘要:注塑模具设计、生产周期决定了塑料产品更新换代频率，为缩短产品开发周期,降低成本及提高产品质量,CAE 技术越来越多地运用在注塑成型的模具设计中。以的外壳为例,通过比较分析结果来确定制品注塑成型中的浇口位置和数量,并对浇注系统进行了优化。

　　关键词: 注塑成型;CAE ;浇口布置;浇注系统; 蓝牙耳机

　　引言：歌尔声学股份有限公司为了增强模具设计的可靠性，引进了美国Molldflow/MPI料流分析软件进行注塑过程模拟分析(CAE)，包括填充、保压、气辅、翘曲等各个阶段。通过把注塑CAE技术与公司多年从事模具开发所积蓄的丰富经验实践经验相结合，在确定模具浇注系统和工艺方案、帮助改进产品设计、预测并改善注塑缺陷等方面发挥了十分显著的作用。大大提高了模具开发的可靠性系数，缩短了产品开发周期，取得了显著的经济效益。

　　一、注塑CAE 技术简介

　　CAE ( Computer Aided Engineering)技术从字面上理解是计算机辅助工程，是继计算机辅助设计(Computer Aided Design )和计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing)技术之后迅速发展起来的计算机工程应用的又一重要领域。早期的CAE系统主要用于机械设计中的力学分析，如ANASYS、ALGOR、NASTRAN 系统等等。20世纪80年代初，机械CAE技术中的有限元法(Finite Element Method，简称FEM)被成功地应用到注射成型过程分析，逐步形成了注射模CAE 系统，如澳大利亚MOLDFLOW、 美国的C—MOLD、 华中科大的HSCAE系统等等。注射模CAE技术是力学、流体、热学、高分子材料、注射成型工艺、注射模设计、有限元分析和计算机等多学科相交叉的新兴学科。它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填充、冷却等过程，定量地给出成型过程中的状态参数(如压力、温度、速度等)。注塑CAE 技术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，预测设计中潜在的缺陷，工程师可以根据注射模CAE系统的分析结果，结合自身的经验，在模具制造之前对产品结构、模具的浇注系统冷却系统以及产品的注射工艺进行优化设计，从而减少试模次数，缩短模具设计制造周期，提高模具质量，降低模具成本和开发风险。因此，近年来注射模CAE技术受到了模具企业的广泛重视。

　　图1为注塑CAE分析的一般流程。

输入CAD模型 划分网格并处理分析模型 选择分析类型 设定边界条件 进行初始方案分析 评估分析结果 调整分析方案 对调整后的方案进行分析 对分析结果进行评估 可行? 生成CAE分析报告 否OU 图1 注塑CAE分析的一般流程

　　CAE中有限元法，简单地说，就是利用假想的线(或面)将连续的介质的内部和边界分割成有限大小的、有限数目的、离散的单元来研究。这样，就把原来一个连续的整体简化成有限个单元的体系，从而得到真实结构的近似模型，节点、位移与网格面积的关系：

　　对于三角形单元的三个节点i、j、k设经过时间Δt后，节点沿x、y方向的位移为(ui，vi)、(uj，vj)、(uk，vk)。三角形单元内任意一点(x，y)的位移是利用位移函数进行插值的。最简单的位移函数为线性多项式：

u=l1+l2x+l3y

　　v=l4+l5x+l6y (1)

　　将节点i、j、k的坐标(xi，yi)、(xj，yj)、(xk，yk)和位移(ui，vi)、(uj，vj)、(uk，vk)带入式(1)中，即可求得l1、l2、l3……，，从而求得三角形单元内各点的位移。

l1=(aiui+ajuj+akuk)/2A

　　l2=(biui+bjuj+bkuk)/2A (2)

　　l3=(ciui+cjuj+ckuk)/2A

　　期中A为三角形单元的面积。

　　A=(xiyj+xkyi+xjyk-xjyi-xiyk-xkyj)/2

　　ai=xjyk-xkyj

　　bi=yj-yk

　　ci=xk-yj

　　其余系数将下标循环代换即可。最后可得三角形单元内各点的位移u、v：

u=[(ai+bix+ciy)·ui+(aj+bjx+cjy)·uj+(ak+bkx+cky)·uk]/2A

　　v=[(ai+bix+ciy)·vi+(aj+bjx+cjy)·vj+(ak+bkx+cky)·vk]/2A (3)

　　利用线性位移函数式(2)，在相邻单元之间的位移连续条件可自动满足。因为，沿三角形边界的位移可由该边两节点的位移完全确定，故从该边内侧至外侧的位移是连续的。有限元法可采用矩阵形式表达，编制计算机程序并进行计算。由于分析的注塑件均为薄壁零件，故分析结果与实际成型非常接近。

　　二、蓝牙耳机注塑FEM技术成型工艺分析

　　根据塑料产品的尺寸和形状，利用proE完成其三维造型STL 格式存储，再moldflow来分析计算。现以一款蓝牙耳机外壳为例说明应用步骤。

　　< >分析前处理

　　图2　浇口充填分析

　　图3 压力与时间曲线

　　2、流动分析(FLOW)

　　模拟注塑流动过程及塑料件成型质量预测实际生产中，对于任何注塑成型来说，最重要的是控制塑料熔体的流动方式，以使塑件成型可靠、经济。CAE的流动分析可帮助我们提前预测塑料熔体在模具中的流动情况及其填充可信度分析，这对模具设计是非常有利的。

　　3、冷却过程的模拟计算(COOL)

　　通过分析冷却系统对流动过程的影响，优化冷却管路的布局和工作条件，从而产生均匀的冷却，并由此缩短成型周期，减少产品成型后的内应力。由图4可以看出，绝大部分冷却均匀良好，这给开设冷却水道提供了依据。

图4 冷却时间

　　4、缺陷的预测

　　4.1 翘曲分析

　　翘曲是由收缩变化过大引起的制件缺陷。原则上，导致收缩变化过大的原因有：收缩不均匀、取向不均匀和冷却不均匀。翘曲不仅影响外形美观，严重的还会影响正常使用。从图5看，翘曲变形在允许变形范围内，基本上不会影响塑件的使用性能和外观质量。

　　图5 翘曲

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