汽車輕量化、環(huán)保化發(fā)展的需求，使得越來越多的塑料類產(chǎn)品應(yīng)用到汽車上。同時(shí)，在推出的各種新車型上，更換最為頻繁也是塑料材質(zhì)的汽車內(nèi)飾件、外飾件。在實(shí)際生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的注塑方法主要是依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模具，通常需要反復(fù)進(jìn)行試模和修改工藝參數(shù)，生產(chǎn)成本高且產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)。隨著汽車工業(yè)對(duì)塑料模具的需求越來越大，傳統(tǒng)方法已無法滿足生產(chǎn)需求，隨之CAE技術(shù)逐漸成為主流。
使用CAE軟件可以在計(jì)算機(jī)上模擬出注塑成型過程，從而在模具制造和實(shí)際投入生產(chǎn)之前應(yīng)用模擬結(jié)果對(duì)模具設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)及材料做出相應(yīng)地改進(jìn)和修正，輔助優(yōu)化模具設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)和優(yōu)選材料。
注塑模CAE軟件介紹
注塑模CAE軟件是根據(jù)塑料加工流變學(xué)、傳熱學(xué)和數(shù)值計(jì)算方法的基本理論，建立塑料熔體在模具型腔中流動(dòng)、傳熱的物理數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)在計(jì)算機(jī)屏幕上形象、直觀地模擬出實(shí)際成型中熔體在型腔中的動(dòng)態(tài)充填過程、保壓過程和冷卻過程，定量地給出成型過程的狀態(tài)參數(shù)。
塑料制品的許多缺陷都與樹脂在模具中的流動(dòng)方式有關(guān)，MPI（MoldFlow Plastics Insight注塑成型模擬分析，簡(jiǎn)稱“MPI”）通過數(shù)值分析，可以對(duì)充填過程進(jìn)行模擬、預(yù)測(cè)和顯示熔體流動(dòng)前沿的推進(jìn)方式、充填過程的壓力和溫度變化、氣穴和熔接痕的位置等，幫助工藝人員在試模前對(duì)可能出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)，找出缺陷產(chǎn)生的原因并加以改進(jìn)，提高一次試模的成功率。
充填過程的數(shù)值分析
聚合物熔體在模具型腔中的流動(dòng)是非牛頓不可壓縮流體的具有自由面的非等溫瞬態(tài)Laminar流動(dòng)。利用廣義的Hele－Shaw流動(dòng)模型，熔體在型腔內(nèi)流動(dòng)的控制方程為：
其中，μ、ν分別是x、y方向的速度分量；P、Cp、T、ρ、η、κ、y分別為壓力、定壓比熱容、溫度、密度、粘度、熱傳導(dǎo)系數(shù)和剪切速率?？紤]到熔體的剪切變稀行為和冷卻效應(yīng)，采用與溫度、剪切速率和壓力有關(guān)的修正Cross－WLF粘度模型。
控制方程的求解主要包括三個(gè)部分：壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和流動(dòng)前沿位置的自動(dòng)更新。沿用FEM/FDM/CVM的基本思想，型腔內(nèi)的壓力場(chǎng)采用有限元法求解，通過對(duì)時(shí)間和厚度方向的差分求解溫度場(chǎng)，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)控制體積的充填狀態(tài)更新流動(dòng)前沿，從而實(shí)現(xiàn)了充填過程的動(dòng)態(tài)模擬。
MPI流動(dòng)分析應(yīng)用實(shí)例
1. 模型輸入及其網(wǎng)格劃分
制件名稱為汽車螺栓塑料防護(hù)帽，1模6腔，左右各3個(gè)，均成對(duì)稱排列，因此只取其一進(jìn)行充填過程的模擬。汽車螺栓塑料防護(hù)帽的幾何模型及有限元網(wǎng)格劃分如圖1所示。
圖1 幾何模型及有限元網(wǎng)格
2. 設(shè)定成型條件：熱塑性塑料注射成型。
3. 設(shè)定分析序列：充填。
4. 選擇材料：聚丙烯（PP）。
5. 設(shè)定注射位置：設(shè)置一個(gè)澆口，其分布位置如圖2所示。
圖2 澆口數(shù)量及其位置
6. 成型條件設(shè)置： 熔體溫度220℃，型腔溫度50℃，注射時(shí)間為6s。
7. 充填過程模擬結(jié)果
充填過程的模擬可得到填充時(shí)間、填充壓力、熔體前沿的溫度、熔體溫度在制件厚度方向的分布、熔體的流動(dòng)速度、分子趨向、剪切速率及剪切應(yīng)力、氣穴及熔接痕位置等，并直觀地顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。圖3是充填過程得到的部分模擬結(jié)果。
圖3 充填過程得到的部分模擬結(jié)果
從以上模擬結(jié)果可以直觀地顯示出影響產(chǎn)品質(zhì)量和外觀的諸類因素，如產(chǎn)品的表面分子取向、剪切應(yīng)力和氣穴的位置等。另外，我們都是以穩(wěn)定的注射速率為依據(jù)進(jìn)行流動(dòng)模擬的，這就造成熔體前沿部分的流動(dòng)速度急劇變化。熔體前沿流動(dòng)速度的變化所造成的分子取向不均勻是制品產(chǎn)生翹曲變形的原因之一。因此，模擬結(jié)果還給出了優(yōu)化以后的注射速率。
結(jié)束語
MPI通過對(duì)充填過程的模擬，幫助技術(shù)人員在試模前對(duì)可能出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)，找出消除缺陷的對(duì)策。借助于計(jì)算機(jī)，自動(dòng)繪圖代替了人工繪圖，自動(dòng)檢索代替了手冊(cè)查閱，快速分析代替了手工計(jì)算，模具設(shè)計(jì)師能從繁瑣的繪圖和計(jì)算中解放出來，集中精力從事諸如方案構(gòu)思和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等創(chuàng)造性的工作，在模具投產(chǎn)之前，CAE軟件可以預(yù)測(cè)模具結(jié)構(gòu)有關(guān)參數(shù)的正確性。例如，可以采用流動(dòng)模擬軟件來考察熔體在模腔內(nèi)的流動(dòng)過程，以此來改進(jìn)澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高試模的一次成功率；可以用保壓和冷卻分析軟件來考察熔體的凝固和模溫的變化，以此來改進(jìn)冷卻系統(tǒng)，調(diào)整成型工藝參數(shù)，提高制件質(zhì)量和生產(chǎn)效率；還可以采用應(yīng)力分析軟件來預(yù)測(cè)塑件出模后的變形和翹曲。模腔的幾何數(shù)據(jù)能相互地轉(zhuǎn)換為曲面的機(jī)床刀具加工軌跡，這樣可省去木模或樹酯模的制作工序，提高型腔和型芯表面的加工精度和效率。當(dāng)今的概念設(shè)計(jì)已不僅僅是停留在對(duì)外觀和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，它已經(jīng)擴(kuò)展到對(duì)模具結(jié)構(gòu)分析的領(lǐng)域。
對(duì)于運(yùn)用CAD技術(shù)已經(jīng)設(shè)計(jì)出的塑料模具可運(yùn)用先進(jìn)的CAE軟件（尤其是有限元軟件）對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、抗沖擊實(shí)驗(yàn)?zāi)M、跌落實(shí)驗(yàn)?zāi)M、散熱能力、疲勞和蠕變等分析。通過這些分析，可以檢驗(yàn)前面的概念性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，分析出結(jié)構(gòu)不合理的原因和部位，然后在CAD 軟件中進(jìn)行相應(yīng)的修改。接著再在CAE 中進(jìn)行各種性能的檢測(cè)，最終確定滿足要求的模具結(jié)構(gòu)。
通過CAE軟件的分析不僅大大減少了設(shè)計(jì)師的工作量，縮短了模具制作周期，提高了工作效率，而且可以優(yōu)化、修正產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，使設(shè)計(jì)師把更多的精力用在新產(chǎn)品的開發(fā)及創(chuàng)新上。
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