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摘要：应用计算机辅助工程CAE软件，对车载空清底座塑件的充填、保压、冷却、翘曲等进行了模拟流动分析。通过对多种设计方案的比较，以及参数调整，最终选定3种方案中的最优化设计方案。同时，通过模流分析的结果，介绍模流分析CAE在注塑模具设计优化的重要作用。CAE可以有效优化设计过程，提高开发效率和降低模具损失率。
关键词：计算机辅助工程；CAE；注塑成型；车载空清底座；优化
引言：模流分析CAE通过计算机对模具成型设计方案分析和模拟流动成型过程替代实际试模，预测设计中潜在的问题，为设计者提供理论依据。这样的优点是省时省力，减少试模、修模次数，从而降低模具损失，缩短模具加工周期，降低制造成本、提高产品品质。本文通过介绍车载空清底座的注塑成型方案选定应用实例，阐述模流分析应用对注塑模具成型方案优化的重要作用。
一、模流分析CAE的理论基础
模流分析是依据材料加工流变学和传热学为理论基础，建立熔融流体在模具型腔中的流动和传热的物理模型。熔融流体在流动过程中遵循连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程，运用有限元或有限元差分混合数值方法求出熔融流体在不同时间段的速度场、压力场、温度场等变化情况，从而对实绩生产进行模拟分析。
二、模流分析CAE的步骤
模流分析过程分为3个阶段：有限元网格的前置处理，浇注系统设计和成型方案模拟，分析结果生成报表。
2.1有限元网格的前置处理
以车载空清底座为例，所用材料PC+ABS（JH960-6208）。该制品为一模一腔的模具结构生产，产品的基本尺寸为195*338*37，平均厚度t=2.5，利用solidworks软件建立产品三维模型。
模型建立完成后转换为X_T格式导入到MOLDFLOW软件中，进行双面层网格划分。对于模流分析而言，有限元网格划分犹如一道门槛，往往大家无法执行分析，就是网格划分出错或者网格数量和网格纵横比过大导致分析执行崩溃。因此，为了提高分析效率，我们需要将过小的圆角和倒角去除，并区分大平面区域和局部细化结构的网格尺寸。同时，为了提高分析准确性，在确保网格化后的壁厚尽量还原产品模型，需要对有问题的网格修复。一般而言，网格最大纵横比不超过6，网格匹配率不小于90%。本制品所划分的网格最大纵横比为5.632，平均纵横比为2.341，网格匹配率为97.45%，满足网格质量要求。
2.2浇注系统设计和成型参数设置
正如大家所知，注塑的充填阶段，V/P切换点和保压过程必须准确控制，以便得到高品质部品。为避免熔体过快冷却，需要控制充填速度，以及保压阶段控制保压压力，补充材料收缩和避免材料倒流。而保压阶段的最佳压力曲线应当是在冷却过程中应当和等容变化曲线一致。为了达成以上效果，保压阶段应遵循最佳的PVT变化曲线。从A到B时充填过程，材料温度被认为基本处于不变。材料冷却从B点开始，现按等压曲线变化，模温降至C点，C点是无须克服模内最大压力而能进行等容变化的点。从C到D继续冷却，此时模内压力按等容路径直到降至大气压力D点处。冷却持续到E点，此时可以开模取件。根据PVT曲线，成型参数设置如下：
浇口是熔融流体进入型腔的最后通道，对塑件品质尤为重要。浇口在流道中横断面积最小，长度最短，起着剪切流体使熔体温度上升、黏度降低，控制流体速度、保压补缩等作用。同时，浇口位置和数量充填模式，而形位尺寸决定流动方向和平衡。当流动不平衡时容易造成不均匀收缩和翘曲变形，影响气泡和熔接线的位置，从而影响内应力取向；不合适的浇口位置常常导致排气不良造成短射、气穴、烧焦等缺陷。为了得到最佳方案的浇注系统，就必须对塑件的外形和注塑流动过程进行模拟和分析。
2.3模拟结果分析
2.3.1流动波前温度分布
根据流动波前温度模拟结果，可得塑料保压过程的流动动态行为。流动前沿温度是熔体充填一个节点时的中间温度，代表的是截面中心温度。流动前沿温度图可与熔合线图结合使用，荣熔合线形成的温度高，则熔合线强度高。方案2&3的温度差为12℃左右，该值推荐值控制范围20℃内，表示温差较小，意味塑件表面品质可保证。由于温差降较少，故熔合线强度可保证。
2.3.2体积收缩率
由于成形温度的制品尺寸无法测量，故用常温尺寸代之。因此，模具型腔尺寸与塑料收缩率有直接关系。实际上可分3种：塑料固有收缩率引起的收缩；塑件形状引起的收缩；成形条件引起的收缩。由此可知，制品收缩率和品种、材料特性、浇口形位尺寸和工艺参数等有关系，产生较大变动。方案3缩水最小为5.3%，整体收缩均匀。由于没有负收缩率，可以得知没有过保压问题。
2.3.3翘曲分析
产品变形的原因主要是注塑过程中制品收缩不均匀，主要有如下表现：①塑件不同位置的收缩率不一致；②沿塑件厚度方向收缩率不同；③与分子取向平行和垂直方向收缩率不同。翘曲分析可考虑注塑机性能、材料特性、环境因素和冷却参数的影响，模拟翘曲变形量。比较整体变形量和Z方向的变形量，方案3最小。
对于翘曲变形，我们改善变形的措施主要为：优化保压参数；尽量使制件壁厚均匀；在允许范围内，适当提高熔体温度和充填时间等。
结束语：
通过模流分析CAE软件对车载空清底座塑件注塑过程进行充填、保压、冷却、翘曲等模拟分析后，得到最佳的浇注系统方案为方案3。
研究结果可以为产品设计、模具开发提供合理的注塑成型方案，优化浇口位置、流动平衡、注塑参数设置提供重要的理论依据，协助产品设计、模具开发、工艺设置人员在试模前对可能出现的缺陷预测，找到问题真因，有针对性对策，提供一次试模成功率，降低模具损失，缩短商品开发周期，加速新商品投入市场。
参考文献：
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