隨著計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)與計算機(jī)輔助制造(CAM)技術(shù)的發(fā)展及其在塑料模具設(shè)計技術(shù)中的應(yīng)用，逐步形成了以計算機(jī)模擬為手段剖析塑料加工過程并完成模具優(yōu)化設(shè)計的塑料模具計算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)。CAE技術(shù)目前已成為開發(fā)塑料制品，優(yōu)化模具設(shè)計及產(chǎn)品加工的最有效途徑。Moldflow是一款具有強(qiáng)大功能的專業(yè)注射成型CAE軟件，目前被廣泛應(yīng)用于注射成型領(lǐng)域中的模流分析。

　　1 注塑模CAE技術(shù)的內(nèi)容、原則

　　在塑料制品成型過程中，塑料在型腔中的流動和成型與材料性能、制品的形狀尺寸、成型溫度、成型速度、成型壓力、成型時間、型腔表面情況和模具設(shè)計等一系列因素有關(guān)。注射成型CAE分析可以為模具設(shè)計和制造提供可靠、優(yōu)化的參考數(shù)據(jù)，其中主要內(nèi)容包括：①澆注系統(tǒng)的平衡，澆口的數(shù)量、位置和大小;②熔接痕、氣穴的位置預(yù)測;③型腔內(nèi)部的溫度變化;④注塑過程中的注塑壓力和熔體在填充過程中的壓力損失;⑤熔體的溫度變化;⑥剪切應(yīng)力、剪切速率。

　　根據(jù)注射成型的CAE分析結(jié)果，可以判斷模具及其澆注系統(tǒng)的設(shè)計是否合理，其基本原則為：①各流道的壓差要比較小，壓力損失基本一致;②整個澆注系統(tǒng)要基本平衡，即保證熔體要同時到達(dá)、同時充滿型腔;③型腔要基本同時填充完畢;④填充時間要盡可能短，總體注塑壓力要小，壓力損失也要小;⑤填充結(jié)束時熔體的溫度梯度不大;⑥熔接痕和氣穴位置合理，不影響產(chǎn)品質(zhì)量。

　　2 Moldflow軟件功能簡介

　　Moldflow軟件是美國MOLDFIOW公司的產(chǎn)品，該公司自1976年發(fā)行了世界上第一套塑料注射成型流動分析軟件以來，一直主導(dǎo)塑料成型CAE軟件市場，目前已成為塑料模具分析領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。

　　Moldllow軟件包括兩部分：

　　(1)產(chǎn)品優(yōu)化顧問(MPA)：在設(shè)計完產(chǎn)品后，運(yùn)用MPA軟件模擬分析，在很短的時間內(nèi)就可以得到優(yōu)化的產(chǎn)品設(shè)計方案，并確認(rèn)產(chǎn)品表面質(zhì)量。

　　(2)注射成型模擬分析(MPI)：對塑料制品和模具進(jìn)行深人分析的軟件包。它可以在計算機(jī)上對整個注塑過程進(jìn)行模擬分析，包括填充、保壓、冷卻、翹曲、纖維取向、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和收縮，以及氣體輔助成型分析等，使設(shè)計者在設(shè)計階段就找出未來產(chǎn)品可能出現(xiàn)的缺陷，提高一次試模的成功率。

　　使用Moldflow軟件能夠優(yōu)化塑料制品，得到制品的實(shí)際最小壁厚，優(yōu)化制品結(jié)構(gòu);能夠優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，得到最佳的澆口位置、合理的流道與冷卻系統(tǒng);能夠優(yōu)化注塑工藝參數(shù)，確定最佳的注塑壓力、保壓壓力、鎖模力、模具溫度、熔體溫度、注射時間、保壓時間和冷卻時間，以注塑出最佳的塑料制品。

　　3 應(yīng)用實(shí)例

　　圖1所示為MP3前面板注塑件。筆者以該注塑件為實(shí)例介紹Moldflow軟件在注塑模CAE技術(shù)中的應(yīng)用，說明MPI中基本模流分析流程及相關(guān)內(nèi)容。

　　MP3前面板要求表面光滑、美觀，并且抗摔、耐磨、有足夠的強(qiáng)度，筆者選用(丙烯睛/丁二烯/苯乙烯)共聚物(ABS)作為成型材料。

　　3.1 分析前處理

　　前處理是指注塑件幾何形狀的建立及有限元網(wǎng)格的剖分、注塑材料特性參數(shù)及注塑工藝條件的交互輸人，以便為注塑過程的計算機(jī)模擬創(chuàng)造必要的條件。

　　在Pro/E中對該MP3前面板進(jìn)行三維實(shí)體造型，并將STL格式文件導(dǎo)人到Moldflow/MPI模塊中。對被分析對象進(jìn)行網(wǎng)格劃分及修改，最終使最大縱橫比為12.89，匹配率為91.2%，以使得分析結(jié)果準(zhǔn)確;在Moldflow提供的材料庫中選擇GE Plas-tics公司的ABS;設(shè)置分析類型為冷卻+流動+翹曲(Cool+Flow+Warp);為了使數(shù)值化模擬結(jié)果與實(shí)際的注射成型結(jié)果具有一定的可比性，在MPI中的CAE模型應(yīng)盡可能與注塑模相吻合，創(chuàng)建一模兩腔的澆注系統(tǒng)并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，參考分析得到的最佳澆口位置設(shè)計進(jìn)澆位置，其中主流道為圓錐形，采用圓形分流道，側(cè)澆口;創(chuàng)建并列排布式冷卻流道并劃分網(wǎng)格;設(shè)置注塑過程工藝參數(shù)：模具溫度為40℃，熔料溫度默認(rèn)為230℃，填充控制、注塑壓力及速度/壓力控制轉(zhuǎn)換均為默認(rèn)設(shè)置。

　　前處理完成后，得到的整體分析模型見圖2。

　　3.2 過程模擬

　　對于注塑過程模擬，按時間順序依次為聚合物熔體的流動模擬、壓實(shí)模擬和冷卻模擬。聚合物熔體是連續(xù)介質(zhì)，且流動是非穩(wěn)態(tài)、非等溫性的，通常遵循質(zhì)量、動量和能量守恒原理，即遵循連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，為確定聚合物熔體在外部因素作用下的響應(yīng)，還需知道反映其宏觀性質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系。在建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型時，要使用一系列適用于各階段的假定，將本構(gòu)方程、守恒方程和狀態(tài)方程簡化，并聯(lián)立求解。應(yīng)用Moldflow軟件，在完成了產(chǎn)品模型的前處理之后，即可進(jìn)行過程模擬，整個解算器的計算過程基本由MPI系統(tǒng)自動完成。

　　3.3 結(jié)果分析

　　(1)填充時間分析

　　填充時間(Fill time)為動態(tài)結(jié)果，它可以顯示從開始進(jìn)料到完成充模整個注塑過程中任一時刻流動前鋒的位置。對MP3前面板的填充時間分析結(jié)果如圖3所示，在0.7905 s的短時間內(nèi)完成了對注塑件的完全填充。填充時間分配較均勻，注塑件邊緣末端的充滿時間在0.5～0.79s，相差約0.3s，流動較為均衡，熔體基木上在同一時刻到達(dá)型腔端部。

　　(2)壓力曲線變化分析

　　圖4示出進(jìn)料口位置的壓力在注射、保壓、冷卻整個過程中的變化。從圖4可以看出，從剛開始注射一直到快充滿型腔時，注塑壓力直線上升，最大為90 MPa，隨后壓力迅速降低至約72 MPa，一直持續(xù)到11s，從11s以后壓力逐漸降低為0.整個周期約22s。

　　(3)溫差分析

　　圖5示出注塑件的溫度分布情況。除去澆注系統(tǒng)外，該注塑件在水路布置形式下，溫度分布比較均勻，在26.03～34.73℃之間，溫差為8.7℃，該值在推薦值控制范圍(20℃)之內(nèi)，溫差較小，注塑件的表面質(zhì)量可以得到保證。

　　(4)熔接痕分析

　　熔接痕不僅影響注塑件的外觀質(zhì)量，更重要的是損害其力學(xué)性能，應(yīng)盡量控制。經(jīng)Moldflow分析得到的熔接痕位置如圖6所示。注塑件的孔洞結(jié)構(gòu)附近出現(xiàn)線狀熔接痕，原因是熔料在匯合處融合不完全，可通過適當(dāng)提高料溫、提高注塑壓力來改善。

　　(5)氣穴位置分析

　　氣穴的存在會影響注塑件成型及脫模后的質(zhì)量，使注塑件內(nèi)部產(chǎn)生空洞、短射或表面瑕疵。經(jīng)Moldflow分析得到的氣穴位置如圖7所示，基本分布在注塑件側(cè)壁邊緣。在模具設(shè)計時，要特別注意這些部位的排氣問題，可以通過分型面間隙及推桿與凸模嵌塊的配合間隙實(shí)現(xiàn)排氣。另外，ABS塑料表面極易吸濕，吸水率約在0.2%～0.45%之間，成型之前必須干燥，防止因塑料干燥不良而含有水分、溶劑和揮發(fā)性氣體。

　　(6)翹曲分析

　　所謂翹曲，就是不均勻的內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致注塑件形狀、尺寸的缺陷，其產(chǎn)生的原因?yàn)槭湛s不均勻。原則上，導(dǎo)致收縮變化過大的原因有3點(diǎn)：區(qū)域收縮不均勻、取向不均勻、冷卻不均勻。MoldOow的翹曲分析用于判定采用熱塑性材料成型的注塑件是否會出現(xiàn)翹曲以及翹曲的參數(shù)。

　　圖8示出翹曲分析結(jié)果。由圖8可知，注塑件的最大變形量為0.4311mm，主要分布在冷卻系統(tǒng)進(jìn)水處。由此推斷，冷卻不均勻是導(dǎo)致該注塑件翹曲的主要原因。在實(shí)際模具設(shè)計時，要適當(dāng)調(diào)整冷卻系統(tǒng)的排布。

　　4 結(jié)語

　　Moldflow是塑料模具CAE技術(shù)中不可缺少的軟件。適當(dāng)、正確地應(yīng)用該軟件及CAE技術(shù)，可以在模具加工前，在計算機(jī)上對整個注射成型過程進(jìn)行模擬分析，準(zhǔn)確預(yù)測熔體的填充、保壓、冷卻過程，以及制品的收縮和翹曲變形，出現(xiàn)氣穴、熔接痕等缺陷的情況，以便設(shè)計者能盡早發(fā)現(xiàn)問題，及時修改注塑件和模具設(shè)計，而不必等試模以后再返修模具。這不僅是對傳統(tǒng)模具設(shè)計方法的一次突破，而且對減少甚至避免模具返修報廢、提高制品質(zhì)量和降低成本等都有著重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。