CAE分析和优化（精选6篇）
CAE分析和优化 篇1
引言
随着现代医疗设备的发展, 医用C臂具有自身独特的优势已发展具有小C、中C、大C的规格尺寸, 在运用上也从简单的低端X光机发展成为高端的悬吊, 血管造影, DR等直接数字成像的高端X光机上, 并随着现代科技的发展, C臂的运用越来越广泛, 其在高端产品上的运用将是未来一段时间发展的趋势。据市场调查预计X光机每年以9.5%速度发展, C臂利用也将随之提升, 每年可产生的经济效益也是以数亿美元递增。因此, C臂从以往的设计、加工方法来考虑, 已不能满足现代医疗设备的需求。因此采用好的加工工艺能从大程度上解决现有的矛盾, 找到合适加工工艺一直是很多生产厂家渴求的。
以前的C臂设计及加工大都是依照以往的设计经验摸索, 从截面结构尺寸, 再到开发模具注塑, 最后就是机加工到装机试验。这种设计存在周期长、费用高安全性差等缺陷。虽然各生产厂家对C臂从材料到截面结构尺寸, 加工工艺进行探索, 但没有形成规模, 存在一定局限性。
一、优化设计
1、定义材料
工程结构都是由特定材料制成的, 相同的材料在不同的载荷环境下也会表现出不同的力学性能, 例如金属在载荷不大时产生的变形是可以恢复的, 当载荷大到一定程度时就会产生不可恢复的永久变形。我们建模时定义材料模型及其参数, 对研究对象的结构也要有特殊要求, 截面尺寸, 实体长度与整体外形在力学性能上有特定的要求, 要和实际结构的材料力学行为相一致。
由于C臂的特性要求其具有材料轻、强度高、耐腐蚀、耐磨性好等特点, 我们仍选用市场上通用的铝合金, 目前市场上大多运用的都是6系列的铝合金, 以6063居多, 这次我们以6082为选型材料。它具有中等强度, 耐腐蚀性能好, 焊接性能好, 工艺性能好 (易挤压出成形) 氧化着色性能好。
2、定义单元特性
定义单元特性, 是要赋予单元以物理特性, 使单元具有力学意义。单元特性包括单元的材料属性和几何属性。
3、加工工艺
定义好截面结构尺寸, 就从加工工艺入手, 简化C臂的加工周期和成本, 我们已选定的铝合金6系列的6082不再从以往的铸造开始, 我们首先按C臂的截面结构尺寸开发出模具, 由于6082易挤压出成形, 我们就按模具把它拉出直线型铝材, 然后按C臂所需的直线尺寸断开, 把它夹装在拉弯夹具上进行冷拉弯, 在拉弯过程中夹具的设计以及拉弯的力尤为重要, 否则C臂可能被拉断或有裂纹, 同时在拉弯时要考虑材料的弯曲应力, 弹性变形。
二、C臂的有限元分析
1、C臂三维实体建模
三维实体建模的软件很多, 现采用Solid Works软件进行建模。
Solid Works可以从三维模型自动转换出二维工程图, Solid Works支持的三维数据有STEP、IGES、VRML、STL格式;支持的二维数据格式有:DWG、DXF格式;支持的图象文件格式有TIF格式。
2、C型臂有限元模型的创建
C型臂有限元分析的力学模型是由两端连接的球管和增强器自重系提供的重力和力矩共同作用, 重力作用于C臂整个表面, 我们以C臂最重一端及球管一端为伸出端时C臂所处的最不利条件分析, C臂与支臂通过轴承架相连接固定, 球管固定在C臂的一端, 增强器固定在另一端, 一个约束条件;支臂又通过主轴连接在导轨上, 因此成为另一个约束条件。
3、C臂的有限元执行过程
(1) 添加材料属性。
(2) 载荷及边界处理。
(3) 网格划分。
(4) 运行计算。
4、有限元结果分析
(1) 根据C型臂有限元分析结果可知:C臂的最大节点应力为17.29MPa, 位于C臂端面部分, 根据强度校核公式, 其安全系数n=142.47/17.29=8.24, 其强度完全符合设计要求。最大节点位移为31.71μm, 而且应变非常小, 材料适合。
(2) 根据C臂的应力、位移、应变云图分析:由于安全系数比较大, 具有可操作性。
三、结论
有上述分析结果可知, 在理论上新的工艺是可行的, 并且该工艺能够很大程度上节约成本, 减少加工周期, 具有可观的经济效益。
四、讨论
在C型臂改进新的工艺后, 其中最难的工序就是铝型材回弹力控制和冷拉弯力的控制, 对于不同的铝型材弹性模量E不同, 回弹力 (即弹性形变) 也不同, 一般弹性模量E越大, 回弹力越大, 同时冷拉弯时拉弯力的大小需要在实际操作中确定。因此新的工艺, 也需要在实践中进一步细化、探索。
参考文献
[1]W.Kubli, J.Reissner, 使用专业软件AUTOFORM[J]的板料成型工艺的最优化, J.Mates.Proc.Tech.50 (1995) 292-305。
[2]Hyunbo Shim, 任意形状冲压件的形状最优化确定, J.Mates.Proc.Tech.121 (2002) 116-122。
塑料把手的CAE模拟优化分析 篇2
模具注塑过程的CAE流动分析是应用计算机辅助分析软件,模拟塑料熔体以高压高速注入模具型腔时的流动情况来模拟分析注塑产品质量的一种方法。该方法能判断不同材料性能的复杂性对注射成型过程的具体影响,因而能够克服仅凭经验解决注射成型问题时的缺点。本文以某把手塑件产品为例,结合模流分析软件Moldflow对产品的注塑过程进行模拟分析,以优化模具结构,为最终加工奠定基础。
1 塑件的成型工艺分析
把手产品结构如图1所示,产品材料为ABS,大批量生产。把手为圆柱盖形结构,产品规格为Φ90mm×30mm,壁厚为5mm。盖形结构表面有1个通孔,直径为Φ16。要求产品外表面光滑,无缩痕,无毛刺。从成型质量和产品外观考虑,采用侧浇口进浇,模具采用一模两腔结构。在注塑产品的成型过程中,温度、注射压力、注射速度、保压压力及各段压力作用时间等参数的设置对塑件最终质量有着重要的影响。
2 塑件模拟分析过程和结果
2.1 充填分析及结果
模具结构为一模两腔。主流道设计成锥形。充填阶段重要参数包括充填时间和注射压力,充填时间是注塑机螺杆向前移动并推动塑料前进所消耗的时间。通过Moldflow分析得到充填时间如图2(a)所示,制品整体需4.072s的充填时间。图2(b)为注射位置压力曲线,把手最大注射压力(在3.993 9s)=14.330 5MPa。注塑压力的影响因素包括塑料的种类、壁厚、产品的结构和喷嘴的种类等。图2(c)是气穴结果,气穴是指熔体前沿在塑料内部或者模腔表面形成的气泡。
2.2 冷却分析及结果
冷却是指在保压阶段之后、产品从模具取出之前的这一段时间。冷却时模腔内压力下降,模腔内塑料在这段时间内继续保持冷却,以保证足够的刚度而不变形。在制品脱模时,模腔内、外压力发生变化,温度也发生变化。图3为冷却过程模拟。
2.3 翘曲分析及结果
所谓翘曲,就是不均匀的内部应力导致的制件缺陷。导致制品收缩变化过大的主要原因有收缩不均匀、取向不均匀和冷却不均匀。图4为翘曲分析及结果。从图4中可看出,整体变形的最大位置在产品外沿。因此获得稳定准确的成型尺寸的方法主要有:(1)选用收缩率较小且收缩均匀的材料,缺点是该材料通常都价格昂贵,提高了产品成本;(2)设置合理的工艺条件。
3 模具结构的改进
根据充填、冷却和翘曲分析结果,对把手产品的模具结构做如下改进:(1)充分排气,将气穴放置在容易排气的位置或者利用顶杆排放气体,对模具结构顶杆位置做适当调整;(2)将冷却水管直径增大12,其位置距离产品外侧缩短,以增加冷却效果,降低模具温度;(3)将两产品之间的距离缩短到25mm,以缩短充填时间。
4 结束语
模流分析在优化设计方面更显优势,使用计算机辅助模流分析可以简化模具设计流程,得出最优设计。CAE能够帮助设计者得到精度更高、质量更优的塑料制品,不仅提高了生产效率,也降低了成本,在生产实践中得到了广泛的应用。
参考文献
[1]段志军.手机电池后盖CAE模拟优化分析[J].模具工业,2011(3):50-52.
[2]赵建平.基于CAD/CAE技术的塑料盖注射模设计[J].模具制造,2014(2):44-48.
[3]赵伟阁.模具设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,2010.
CAE分析和优化 篇3
注塑工艺参数的正确制定是为了保证塑料熔体良好塑化, 并顺利地充模、冷却与定型, 以便生产出质量合乎要求的制品。在注射成型过程中, 保压阶段是一个非常重要的过程, 保压参数设置的合理性直接影响着注塑件的成型质量, 因此对其进行分析及优化是非常有意义的。因此, 薄壁注塑成型的定义应该是一个相对的概念, 随着工业技术的发展其定义也将发生变化。但是, 随着产品更新换代的速度加快, 产品的复杂性及精确性的要求越来越高, 因此, 很难在一次试模调机中得到一组合理的保压参数。通过反复试模调机进行参数调整, 不仅效率低而且成本高;CAE技术可以模拟注射成型过程并数字化地显示结果, 这样就可以根据CAE的模拟分析结果对保压阶段的重要参数进行调整而得到最优的参数组合。
薄壁注塑成型 (Thin-Wall Injection Molding) 技术也称为薄壁塑件注塑成型技术。目前关于薄壁注塑成型还没有统一的定义:Mahishi和Maloney[1]把其定义为流长厚度比L/T, 即从熔体进入模具到熔体必须充填的型腔最远点的流动长度L和相应平均壁厚T之比在100或者150以上的注塑为薄壁注塑;而Whetten和Fasset[1]定义为:所成型塑件的厚度小于1mm, 同时塑件的投影面积在50cm2以上的注塑成型;还有学者把所成型塑件的壁厚小于1mm[2], 或者是t/d (塑件厚度t, 塑件直径d, 针对圆盘型塑件) 在0.05[3]以下的注塑成型定义为薄壁注塑成型。随着技术的发展, 现在的薄壁概念已经超越了人们通常所认为的低于1mm的壁厚, 发展到了小于0.5mm甚至更薄的、不到0.3mm的壁厚。因此, 薄壁注塑成型的定义应该是一个相对的概念, 随着工业技术的发展其定义也将发生变化。
1 理论模型
注塑成型CAE是根据塑料加工流变学、数值计算方法、计算机科学和连续介质力学等基本理论来建立熔融塑料在模具型腔中流动、传热等数学模型。熔融胶体在模具型腔中的流动被视为广义Hele-Shaw流动, 其流动控制方程为[4]:
连续性方程:
运动方程:
能量方程:
型腔内保压过程的控制方程[2]:
质量守恒方程:
x方向上的动量方程:
y方向上的动量方程:
能量守恒方程:
式 (1) ~ (8) 中, x、y是平面坐标, z是厚度方向上的坐标;u、v、w分别是熔体在x、y、z方向上的流动速度;ρ、Cp、K、η、γ分别表示密度、比热容、热导率、粘度和剪切速率;t表示时间, P表示压力, T表示温度。
冷却过程的导热控制方程[2]:
式 (9) 中, kx、ky、kz分别为x、y和z方向的热导率;x、y、z为空间坐标;t为时间, T为温度, ρ为密度, CP为比热容。
翘曲变形的有限元计算方程[5]:
式 (10) 中, [K]e为由热弹性或粘弹性递推公式得到的单元刚度矩阵, RT为等效温度场载荷, R0为初始应力的等效载荷。
2 保压工艺分析
翘曲变形严重地影响着注塑件的外观与尺寸, 主要由制件的收缩不均所引起。影响制件的翘曲变形因素很多:产品结构、模具设计、塑料材料以及成型工艺等都对制件造成不同程度的翘曲变形。在注射成型过程, 通常制件的结构以及塑料材料都有设计与确定, 因此, 调整注射成型工艺参数成为减小制件翘曲变形的最常用方法, 而保压阶段的工艺参数直接影响到制件的收缩率大小, 其参数的设置合理与否对制件的成型质量尤其重要。
保压阶段的主要工艺参数是保压压力与保压时间。在高的保压压力下制品厚度变化更加均匀, 即制品的最厚处与最薄处的差值最小, 但过高的保压压力容易造成塑胶的残余剪切应力高及塑胶的压应力高, 容易造成制件翘曲变形和脱模困难;保压压力太低, 浇口附近容易发生熔体回流, 不仅容易产生残余剪切力, 而且由于保压压力过小, 填充进入模具型腔中的熔体没有被压实, 制件中心层的体积收缩率大于制件表面层的体积收缩率, 形成制件的收缩率存在差异, 容易产生翘曲。通常可以采用式 (11) 来计算制品允许的最大保压压力[6]:
此外, 保压时间太短, 螺杆松退时浇口附近因熔体没有冷凝而产生回流, 导致残余应力大而容易产生翘曲变形;保压时间过长不仅浪费能源, 而且直接延长了制件的生产周期, 降低生产效率。因此, 正确选择保压压力和保压时间成为保证制件质量的关键。此外, 模具压力的均匀性也是影响制件质量的一个重要因素。模腔压力分布不均匀将导致制件收缩的不均匀, 引起制件厚度的不均匀分布, 在不均匀性较大的情况下会引起制件的翘曲变形。通常保压时间可以由浇口的凝固时间来决定, 而模腔压力分布均匀性可用模腔各点压力曲线重合时间长短来表征, 重合时间越短, 模腔压力分布越均匀, 制品均匀性越好。
常见的保压方式有以下4种:恒压保压、阶梯降压保压、先恒压后线性递减保压以及线性递减保压。恒压保压方式虽然压力设定和控制比较简单, 但模腔中的压力沿着流动方向始终存在着较大的压力梯度, 模腔压力分布很不均匀, 而且恒压保压方式在保压结束后仍然有较大的模腔压力, 这会使塑件内部留有较大的残留应力, 造成塑件脱模后发生翘曲变形[7];阶梯降压保压方式的参数设定与控制也较为简单, 其模腔压力分布比恒压方式要均匀得多, 但是由于阶梯降压保压方式所设定的压力会突变、填充熔体的黏弹性特点以及注塑机的响应性能限制, 可能出现模腔压力高于保压压力而产生倒流, 引起制件的质量不稳定;先恒压后线性递减保压的模腔压力分布可以获得均匀的模腔压力分布, 而且模腔内的最大压力值也较高, 如图1所示;线性递减保压方式与先恒压后线性递减保压方式一样可以获得均匀的模腔压力分布, 但模腔内的最高压力为一个点, 加上填充熔体的黏弹性特性, 模腔内压力无法很快地响应保压压力的变化。线性递减过程中随保压压力的递减幅度增大, 塑件表面粗糙度值随之减小。但保压压力递减幅度不能过大, 否则会导致保压过程中出现模腔压力高于保压压力的情况, 这会造成熔体倒流, 影响塑件的表面质量和力学性能[8]。
本文以一薄壁导光板为例, 导光板尺寸为:44mm×30mm×0.4mm, 材料为PC 1225Y, 通过式 (11) 计算出最大保压压力为142MPa, 保压时间为10s, 确保制件完全凝固, 利用Moldflow有限元分析软件进行数值模拟。得到图3所示的模腔压力分布曲线和图4所示的制件体积收缩率, 模拟分析模型如图2所示, 模拟分析的成型工艺参数如表1所示。
3 保压工艺优化
从上述恒压保压的模拟结果可得知熔体填充末端冷却到不流动温度所需的时间和浇口部位的凝固所需时间, 采用先恒压后线性递减的保压方式重新进行数值模拟;保压曲线如图5所示。整个保压阶段分成两段:先是在填充结束后, 压力即刻增加到保压压力数值直到熔体填充末端冷却到不流动温度时, 然后保压压力开始线性递减直到塑件的浇口部位达到凝固, 此时保压压力降低为零。保压阶段结束后制件在无压力的状态下进行冷却。
对上述首次分析的结果进行查询, 得到制件浇口的凝固时间为1.9s, 熔体填充末端冷却到不流动温度所需时间为0.8s;因此, 恒定保压时间为:熔体填充末端冷却到不流动温度所需时间-填充时间=0.8s-0.2s=0.6s;线性递减保压时间为:制件浇口的凝固时间-熔体填充末端冷却到不流动温度所需时间=1.9s-0.8s=1.1s。由图4可见浇口附近区域出现过保压现象, 故对保压压力进行下调整, 每次下调最大保压压力的5%, 直到满意制件要求为止。
如果对结果不满意, 可再次调整保压参数后再进行模拟分析, 直到得到满意的结果为止。按照塑料熔体填充的顺序, 注塑件可分为末端、中间、浇口三个区域, 通过调整保压参数分别对这三个区域进行调整: (1) 缩短恒定压力的保压时间, 制件末端区域的体积收缩量增大, 相反地, 延长恒定压力的保压时间, 制件末端区域的体积收缩量减小, 如图6 (a) 所示; (2) 保压压力的线性递减速度变慢, 浇口附近区域的体积收缩量下降, 相反地, 保压压力的线性递减速度变快, 浇口附近区域的体积收缩量上升, 如图6 (b) 所示; (3) 藉由不同阶段的压力变化来校正中间区域的收缩量, 起初压力减小较快, 体积收缩增加, 相反地, 起初压力减少较慢, 体积收缩减小如图6 (c) 所示。一般应先调整塑件末端区域的收缩量, 如果有必要, 再调整浇口附近区域, 最后调整中间区域。
4 保压工艺优化验证
从图3与图7两模腔压力曲线分布图可看出, 首次分析的模腔压力存在着压力梯度差, 压力分布不均匀, 而优化后的模腔压力分布曲线的重合性较好, 模腔压力分布较为均匀。为了进一步验证上述的CAE分析结果, 本文采用上述所述制件进行实际注塑实验, 材料为PC 1225Y;注塑成型工艺参数如表1所示, 保压设置采用上述的恒压保压方式与先恒压后线性递减保压方式。实验结果如图8所示。实验结果表明, 恒压压力的模腔内压力分布不均匀, 制件收缩不均匀, 容易产生较大的残余应力, 导致制件翘曲变形, 如图8 (左) 所示;采用先恒压后线性递减保压方式可以获得较均匀的模腔压力分布, 制件的收缩较为均匀, 成型质量较好, 如图8 (右) 所示。
5 结论
保压阶段对注塑制件的成型质量至关重要, 本文分析了保压阶段的参数设置对制件成型质量的影响, 同时分析了常用的4种保压方式对制件成型的影响;利用Moldflow软件对制件的保压曲线进行模拟分析, 恒压保压方式的模腔压力分布不均, , 容易产生较大的残余应力, 甚至导致制件的翘曲变形;而先恒压后线性递减的保压方式的模腔压力较为平均, 制件成型质量较好, 最后通过一实例对保压曲线的优化前后进行实际生产注塑对比, 实验结果与分析相符合。
摘要：保压阶段是注塑成型工艺的重要环节, 保压工艺设置不恰当就会引起模腔中的压力分布不均匀, 引起制件的翘曲变形、尺寸精度下降等严重的质量问题。介绍了薄壁注塑成型的定义, 分析了保压工艺对薄壁制件成型的影响以及常见的保压方式对模腔压力分布的影响, 利用Moldflow软件进行数值模拟, 调整保压曲线, 均衡模腔中的压力分布, 并进行了注塑实验验证, 结果表明:保压工艺对注塑件的翘曲变形有着显著的影响, 与恒定保压相比, 先恒压后线性递减的保压方式可获得较均匀的模腔压力分布, 制件的体积收缩较均匀, 制件的成型质量较好。
关键词：薄壁注塑成型,保压工艺,CAE分析
参考文献
[1]Xu GJ.Study of Thin-Wall Injection Molding: (Doctor Dissertation) [M].Ohio:The Ohio State University, 2004.
[2]HuangMing-chih, Tai Ching-chih.The Effective Factors in the Warpage Problem of an Injection-Molded Part with a Thin Shell Feature[J].Materials Processing Tech nology, 2001, 110 (1) :1-9.
[3]黄虹.塑料成型加工与模具[M].北京:化学工业出版社, 2003.
[4]陈立亮.材料加工CAD/CAE/CAM技术基础[M].北京:机械工业出版社, 2006.
[5]申长雨.塑料模具计算机辅助工程[M].郑州:河南科学技术出版社, 1998.
[6]宋光明, 张君, 董定福.基于CAE技术的注塑成型保压过程模拟分析[J].轻工机械, 2003 (3) :84-86.
[7]邱斌, 刘赣华, 李伟.注射成型中保压曲线对制品表面质量的影响[J].工程塑料应用, 2007, 35 (1) :37-39.
CAE分析和优化 篇4
随着汽车行业的飞速发展, 大型塑料制品如仪表台、保险杠、汽车门内护板等精密零部件的应用越来越广泛, 传统的注射模生产方式已不能适应现代汽车工业对塑料制品产量、质量和更新换代速度的需求。
在生产实践表明浇口设计的质量是影响注塑产品质量重要因素。近年来许多专家学者对浇口设计进行深入的探讨。1998年。Yao和Kim从长度与位置等方面对熔接痕进行了定量研究。同年, Smith使用计算几何方法描述浇口的位置, 并使用序列线性规划法对浇口位置进行了优化。
文章使用Moldflow软件对某轿车仪表板进行浇口优化。
1 浇口设计
通常所指浇注系统是指流道及浇口, 尤其是浇口直接影响着塑料制品的质量, 浇口是流道与型腔之间的节流器, 因而浇口的相对位置、形状、大小是影响注塑产品的重要因素。浇口位置影响塑料在型腔内的流动与排气、个别部位疏松。产生熔接痕, 严重影响塑料制品的成型质量及其性能。浇口尺寸过小将增加塑料流动的阻力, 增大压力损失, 使塑料流动困难还会使浇口处的塑料过早固化。
在实际工作中, 我们一般是用cad系统, 根据产品的拓扑形状及应力分布情况, 按照如下原则选择浇口的位置:
浇口不能选在壁厚最大及变化剧烈的区域;浇口应设在应力相对低且分布均匀的区域;浇口应尽量设计在型腔的对称中心;浇口不能影响表面质量;对与多浇口一般采用关于型腔几何中心对称布置;在预定了浇口方案, 流道, 水路之后, 利用Moldflow快速对多个方案注塑成型过程进行模拟分析, 准确预测熔体的填充、保压和冷却情况, 以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况。
2 实例分析
下图为某轿车仪表板, 总体尺寸为:1312×520×364mm, 产品基本壁厚为3mm, 成型材料选用聚丙烯, 牌号为PPT20, 模具温度设定为50度, 熔体温度为240度, 注塑机选用HT1800型自动控制注塑机。因仪表板产品用于汽车内部装饰, 是典型的扁长类注塑件, 要求产品的表面质量好, 收缩变形小, 强度高;由于仪表板中有很多孔洞, 熔体在型腔内部流动不畅, 浇口位置和数量对分析结果影响很大, 需要采用多浇口注料, 同时尽量均匀分布浇口位置。因外表面要求质量高, 浇口不能开在产品正表面上, 浇口可开在装配位置的凹陷处或分型面的上、下两侧, 以保证正表面光滑, 无缺陷。根据以往经验及分析比对, 制定了以下两种浇口布置方案, 分别进行分析。
初始方案中我们选用浇口型式为侧浇口, 侧浇口一般开设在分型面上, 塑料熔体从内侧或处侧充填模具型腔, 特点是由于浇口截面小, 减少了浇注系统塑料的消耗量, 同时去除浇口容易, 不留明显痕迹。经过初步流动填充分析后, 型腔大部分在4S左右可以充满, 唯有中下部圆角处充模时间过长, 会引起制品因冷却不均匀而发生变形。因此, 应更改浇口位置, 使型腔末端能尽量同时充满。同时为了达到最佳填充效果, 将5个侧浇口改为点浇口, 采用顺序阀热流道, 通过阀式浇口控制充填过程。
因实际注塑时基本上都采用时间控制的方式设置各浇口的开启关闭时间, 在Moldflow软件里可以方便快捷地分析调整各阀浇口的开关时间。点浇口可应用于各种形式的制品, 浇口附近的残余应力小, 能自行拉断浇口, 可实现自动化生产, 对于大型注塑件制口可多点同时进胶, 能够缩短流程, 减少因流动阻力而产生的变形现象发生。
以上两种方案, 从浇口到填充末端的距离都较长, 经过初步流动填充分析后, 得到以下结果:例1中填充时间:7.925S, 最大注射压力:59.23Mpa, 最大锁模力:1264.1ton;而例2中填充时间:8.506S, 最大注射压力:53.85Mpa, 最大锁模力:1314.2ton。将熔合线和气穴的结果图叠加, 可以看出, 物料熔合时温度在222.5~230.5度, 最低熔合温度仅比注射时温度低3.5度, 因此物料能很好的熔合, 不会出现熔接痕。气穴主要出现在熔合线和分型面上, 因而可在熔合线处开设排气槽, 不仅排气方便, 而且可增加熔合线的牢度。
优化后的浇注系统不仅缩短了充模时间, 而且保证了熔体流动时的平衡性, 很好地解决了排气问题, 制品也不会出现熔接痕。
3 结束语
综合以上, 通过对轿车仪表板产品的流动、冷却、变形分析, 我们对浇口布置、注射、保压、冷却水管道布置进行了优化, 一般来讲, 根据模具设计人员的经验可确定制造缺陷产生的原因和修改的措施方向, 但很难确定具体的修改值, 反复的试模及修改造成成本的浪费;而通过CAE分析, 可提前发现模具和成型技术方面存在的问题, 对高附加值的大型塑料件模具尤其重要。
摘要：文章探讨了浇口对注塑产品质量的影响, 总结了浇口设计原则。利用MOLDFLOW软件完成了轿车仪表板浇注系统、冷却系统及成型工艺的设定和优化, 通过典型例子说明了如何利用注射模CAE的分析结果解决大型注射模浇注系统和冷却系统设计中出现的问题。
关键词：注射模,CAE,流动分析,浇口设计
参考文献
[1]张志刚.注塑模具流道与浇口的设计[J].塑料科技, 1984 (3) :42-45.
[2]齐永杰, 吕航鹰.CAE技术在塑胶模具浇口设计中的应用[J].现代企业教育, 2014 (6)
CAE分析和优化 篇5
1 汽车后侧门的拉延成形
汽车侧门板属于浅拉伸件的一种, 汽车覆盖件的质量会决定其品质。覆盖件的生产标准为光滑、平顺、形状明确、整体刚度较高, 覆盖件上没有褶皱、凹凸和拉痕等问题。汽车侧门覆盖件成形是通过拉延成形的, 即用模具将板料拉延成形, 拉延是非常重要的冲压工艺之一。在产品结构比较复杂时, 可采用拉延成形技术。其他冲压工艺不能替代拉延工艺的原因是拉延工艺能大大提高生产效率, 且生产的零件强度、刚度、精度高。本文采用拉延方法制造汽车后侧门覆盖件。
考虑到汽车后侧门覆盖件成形时, 凸模表面与毛坯大面积接触会形成较浅的拉深深度, 在一定平面上的拉应力较小, 工艺零件材料变形不足, 进而导致材料应有的刚度不足, 本设计采用胀形变形的方式, 并考虑到了门窗处材料正常拉延成形的效果。
2 汽车后侧门模具分析
在具体应用拉延模具设计时, 应保证有适当的拉深间隙, 凸模和凹模的直径应根据具体参数设置, 并在合适的位置使用合适的压边力, 胀形的增加可逐步提高拉延筋的个数。汽车覆盖件后侧门的拉延深度不足时, 可使用拉延力度较大的方法促进成形。一方面, 应保证覆盖件没有磨痕;另一方面, 应提高成形质量。一定要注意工艺件的拉延方向, 从而实现较好的拉延效果。在处理后侧门拉延深度时, 应合理设计工艺补充面的深度, 且保证模具中的材料能正常流动。在材料完全进入模具后, 要确保材料的无缝对接。
车门外板在拉延成形时会遇到许多问题, 且这些问题会直接对拉延效果造成不利影响。在具体的拉延成形仿真中, 可通过模拟该过程发现其中的问题, 并找到解决办法, 从而不断改进设计思路, 减少设计中的失误, 避免因设计问题而导致的冲压变形。此外, 材料质量、成形数据的计算结果等会影响模具的质量。
3 汽车覆盖件模具制作CAE分析流程
目前, 各行业都已运用了计算机辅助技术。机械设计流程的核心是CAE技术。该技术具有很多特点, 比较典型的包括:侧重于计算能力的提升, 采用专业的数学结构, 可确保工艺零件产品设计的可操作性;在设置参数时, 可不断调整设计结构, 快速找到工艺件的最佳配置方案;采用虚拟流程, 仿真实现不同的结果, 从而发现成形流程中的不足。本设计采用计算机软件仿真, 能直观地分析覆盖件冲压成形过程, 分析过程包括确定冲压方向、设计压料面和设置延筋等。具体分析过程分为以下4 步:1在PRE三维建模软件中建立成形前的曲面模型, 然后将零件模型传到仿真软件中, 并重新设定零件的连接方式和连接间隙, 设定依据来源于冲压设备的拉延类型。2根据设计结构具体分格, 形成有效的网格模型。如果未设计完全补充面, 则可采用软件补充漏掉的部分。部分计算机仿真软件的网格化功能无法满足求解器的要求, 因此, 在网格划分完毕后, 首先应检查网格的质量。3定义成形工具, 设计参考模型, 选择恰当的模型和设计流程, 并计算相应数据;利用计算机软件仿真成形过程, 提前估计模具的外形, 逐步形成外部尺寸, 并得到网格单元模型, 从而为下一步分析做好准备。4如果存在金属流动不畅、金属壁面褶皱等情况, 则可设置拉延筋提高零件的冲压质量, 即确定精度较高的数学模型, 并根据具体的参数设定拉延过程, 但采用该做法比较费时、费力。为了提高拉延效率, 可建立计算效率较高的数学模型, 采用相同的约束因素来延缓拉延过程, 目前, 这种做法是比较实用的, 应用非常广泛。本设计中, 采用了同比同效拉延筋的方法, 并根据得到的参数调整设计, 包括如何在拉延过程中减少误差、确定时间步长等。
4 模具CAE仿真过程
为了提高模具拉延成形的效率, 对模具的重点区域进行了重点设计和重点分析。对模具外表面的要求为:不能出现褶皱、视觉效果流畅, 压料面平顺、光滑和尽量简单化。要想保证压料面各部分进料阻力均衡、稳定, 就要合理地设计工艺悬着压料面和拉伸方向。根据上述分析和设计原则, 本次设计中的模具表面为曲面, 模具的曲率和零件的曲面率一致。实际应用的材料为36 号材料, 编号为A009。A009 材料强度较高, 能满足各种厚度板料的加工需求。仿真结果分析:在设计初期确定了拉延筋结构, 并用仿真软件对仿真过程进行了初步分析, 得到仿真结果后进行了仿真结果分析, 得到了拉延筋的形象图, 可明显地看到在零件边缘有破裂。在本次设计中发现, 减弱压边力后, 零件的破裂程度降低, 但会导致零件边缘表面出现褶皱。因此, 要想同时保证产品边缘没有明显的破裂和褶皱, 就需要不断修改压边力的数值。在不断修改的过程中发现, 问题主要发生在产品边缘地带。虽然破裂和褶皱是因压边力不一致而产生的, 但在调整压边力时候不能单纯地只调整这一个因素, 还需要考虑到模具内、外结构, 冲压方向等因素。因此, 如果要想解决上述问题, 就要修正拉延筋, 将圆弧处改为二级拉延结构, 并在直边处只设置一级拉延, 从而解决产品边缘破损的问题。本次设计主要以胀形为主, 因此, 在具体设计过程中可创造比较流畅的成形条件。重新仿真后发现, 采用上述解决办法在材料成形后, 基本上没有出现破裂和褶皱现象, 产品具有良好的外形, 在产品的重点区域不存在较大的问题。
5 汽车模具的设计过程
设计完成后要进行仿真实验;实验结束后, 会开展具体的模具设计流程, 并在后续的成形过程中逐渐修改相关数据。汽车侧门的模具分为3 种, 即凸模具、凹模具和压边模具。凸模具的外侧形状决定了汽车侧门板的外部尺寸, 进而决定了模具的成形质量;凹模具是通过凹模圆角拉延成形的;压边圈的作用是将物质压入模具中, 其运动方式为自上而下, 在下降至最底端后始终保持最下端的状态, 凸模具随之向下运动, 下降至底端后, 拉延毛坯顺着凹模的一角进入模具中, 然后快速拉延成需要的外形。在上述流程结束后, 凸模具、压边圈不断向上回动, 最终顺利弹出。
6 结束语
综上所述, 汽车覆盖件拉延成形是一个复杂的过程。本文以CAE技术为主导, 仿真了覆盖件拉延成形的全部过程。汽车覆盖件模具CAE分析改变了传统工艺, 使模具设计不断改进, 冲压工艺逐渐被定量。从冲压工艺上讲, 可经过众多试验得到重要的冲压参数, 进而实现了模具的自动设计, 从而降低了各种资源的消耗。实践证明, 汽车覆盖件设计中使用CAE技术, 可以有效提高设计效率和质量。
摘要：采用CAE软件对汽车后侧门覆盖件的工艺进行了分析, 详细阐述了汽车后侧门覆盖件的CAE模具设计流程, 以及在设计中应注意到的影响因素。在汽车覆盖件冲压模具设计中采用CAE软件技术, 能得到较为准确的设计结果, 从而提高汽车覆盖件模具的设计质量和设计效率。
关键词：汽车覆盖件,CAE,模具设计,载荷
参考文献
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[2]张正法.应用CAE技术对汽车覆盖件模具进行优化设计[D].乌鲁木齐:新疆大学, 2009.
[3]陈世平.基于CAE技术的汽车覆盖件模具设计[J].科技与生活, 2010 (17) .
注塑模冷却系统的CAE优化探析 篇6
关键词：注塑模,冷却系统,CAE
如今, 在众多工业领域, 塑料的应用范围逐步扩大, 成为了十分重要的工业物料。在塑料的制造过程中, 通常会选择一定的模具, 即注塑模具。模具冷却是制造塑料的关键阶段, 冷却效果影响着塑料成品的力学性能、尺寸大小以及变形程度等, 这个阶段所占时间最长, 由此可见, 冷却系统显得尤为重要, 它直接决定着注塑的生产效率, 对塑件质量有着很大影响。关于冷却系统的设计, 传统方法效率很低, 因此必须引进新的技术, 本文介绍一种计算机辅助工程技术, 即CAE技术。
1 冷却系统的重要意义
在注塑成型的过程中, 模具温度相当重要, 对塑料的质量有着直接影响, 必须将其控制在适当范围内, 只有如此, 才能使塑件的外观、尺寸、性能等得到良好的保障。在整个成型的过程中, 冷却时间占了近80%。可以说, 冷却系统的好坏很大程度上影响着成品质量。在模具冷却期内, 冷却时间过长或者过短都不利于塑件的形成, 从而影响工作效率, 因此, 为提升效益, 保证质量, 必须设计出一个高效的冷却系统。通过分析模具冷却系统对模具和制品温度场的影响, 优化冷却回路的布局, 以达到塑件快速、均衡冷却的目的。
2 CAE技术
模具结构不同, 工艺技术各异, 再加上熔体的流动性也是各有特色, 出现的问题也是五花八门, 不同程度地都加大了注塑成型的难度, 使其过程变得更为复杂。只依靠经验性的公式或者设计原则, 很难全面准确地把握这些因素, 而且, 塑料的材料在不断更新, 其质量要求也越来越高, 经验性的公式或原则往往不符合这些新发展。为此, 专业人员吸取国外经验, 开始将重点放在CAE技术的研究上。
CAE技术主要是对成型过程进行分析和仿真, 以便能够从微观角度定量地重新认识塑料的制成过程, 从而能够对模具设计进行优化, 对生产、工程加以有效控制。
总而言之, CAE技术的运用发挥着深远影响, 首先, 它能提前提供科学的数据资料, 为设计工作带来许多方便, 从而使设计方案更加完美。其次, 如果是人工操作, 可能会受经验限制, 或因工作失误而出现一些意外, CAE技术则能克服这些不足, 促进新产品、新工艺
的进一步发展, 以适应日益激烈的竞争环境。同时, 它也有利于提升操作人员对工艺参数影响制品性能的预测的准确率。
在塑料成型过程中, 因受力和热的作用, 常会发生一些相应的变化, 如果对这些变化认识不清, 很容易会影响到产品的质量, 而CAE技术通过对成型加工过程进行数值模拟, 实现了成型加工与计算机辅助技术的完美结合, 能够很好的保证产品的质量。因此该技术在当前工程领域很受重视。自我国引进该技术以来, 结合国内具体的状况, 研发出一套较为实用的注射成型过程计算机模拟系统, 对我国塑料加工工业和模具制造业有着积极影响。
3 CAE技术的优化
3.1 建立预测模型
CAE技术能够对塑料成型过程中的传热和流动性做较好的处理分析, 并对产品的外形、性能等因素进行有效预测, , 与传统方法相比, 具有较高的精确性。其缺陷在于, 模型过于复杂, 需要花费较长的时间计算, 直接应用于注塑成型的难度很大。作为一种新算法, 人工神经网络具有很多优越性, 如实时性、非线性等, 在诸多领域都得到了广泛应用。利用CAE的分析结果随机抽取数据对神经网络进行训练, 最终确定神经网络的各个参数和内部结构。二者结合形成的ANN模型, 既能把握好计算时间, 又能很好地反映出参数和质量间的关系。
3.2 优化工艺参数
通过建立神经网络的逆模型, 根据已有的质量指标可获得相应的工艺条件。遗传算法是一种以自然进化的机理为前提, 随机进行全局搜索的方法, 对自然界的繁殖变异等现象做了模拟。该算法借助一个具有潜在解的群体来完成相应的解空间的搜索工作, 对参数空间进行编译, 并通过选择、交叉引导整个搜索过程, 朝着最好的趋势发展。
3.3 质量控制
对注塑成型工艺的控制, 可通过模型参考自适应控制来完成。一般而言, 神经网络模型系统包括两个部分, 一是作为控制器实现对被控对象得到控制操作, 二是作为系统辨识器代替被控对象为神经网络控制器提供实际输出对控制矢量的偏导数。利用CAE的分析结果完成辨识器和控制器的建立工作, 并实现注塑成型过程控制仿真。在线测量通常会有一定的难度, 可在外层制品质量控制环内加一个神经网络, 作为制品质量预测器, 以便能够更好地完成对质量的在线控制。在现实应用中, 可将该方法结合SQC方法同时使用, 由SQC中的定时测量器对制品的质量进行调节, 以保证预测的准确度。CAE技术能够对各种控制方法产生的效果做实时考察, 建立更适合注塑成型过程的理论方法, 缩短计算时间, 节约成本。
4 结束语
如今, 注塑模技术越来越重要, 我国在这方面起步较晚, 总体水平显得很低。注塑制件的质量很大程度上取决于冷却系统, 冷却系统的设计不能再依靠以往的经验法, 而应采取一种符合当下的技术。CAE技术使模具设计更具有科学性和可靠性, 与相关理论结合, 有利于实现模具和工艺参数的自动优化。
参考文献
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