1 概述

    注射模cae技術是以計算機模擬為手段分析塑料加工過程并完成模具優(yōu)化設計的塑料模具計算機輔助工程。它是進行產(chǎn)品設計、制造、工程分析、仿真、試驗等信息處理，并包含相應數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在內(nèi)的計算機輔助設計綜合系統(tǒng)。

    塑料注射成型是一個復雜的物理過程，非牛頓假塑性的高溫塑料熔體在壓力下通過澆注系統(tǒng)流向模具型腔，熔體由于模具中的冷卻系統(tǒng)而快速固化，同時伴隨熔體有剪切生熱、體積收縮、分子取向和結晶過程。因此全面深入理解注射成型需要高分子物理學、傳熱學、流變學以及成型工藝學等多方面的綜合知識。

    注射模CAE技術就是根據(jù)塑料加工流變學和傳熱學的基本理論，建立塑料熔體在模具型腔中的流動、傳熱的物理數(shù)學模型，利用數(shù)值計算理論構造其求解方法，利用計算機圖形學技術在計算機屏幕上形象、直觀地模擬出實際成型中熔體的動態(tài)充填、冷卻過程，定量地給出成型過程的狀態(tài)參數(shù)(如壓力、溫度、速度等)。利用注射模CAE技術可存樟具制造之前，在計算機上對模具設計方案進行分析和模擬來代替實際的試模，預測設計中潛在的缺陷，突破了傳統(tǒng)的在注塑機上反復試模、修模的束縛，為設計人員修改設計提供科學的依據(jù)。CAE技術的應用帶來的直接好處是省時省力，減少試模、修模次數(shù)和模具報廢率，縮短模具設計制造周期，降低成本提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2 流動分析及其在模具設計中的應用

    流動分析的方法主要有兩種:一種是分支流動法，它以一維流動分析為基礎，把三維塑件從幾何上分解成一系列由一維流動單元串聯(lián)組成流動路徑，在計算過程中，利用迭代計算，在滿足各流動路徑的流量之和等于總的注射量條件下，使各流動路徑壓力降相等。這種方法計算時間短，但難以分析形狀復雜的塑件。另一種是流動網(wǎng)絡法，它的基本思想是將整個型腔劃分為網(wǎng)格，并形成相應于各節(jié)點的體積單元，建立節(jié)點壓力和流入節(jié)點體積單元流量之間的關系，得到一組以各節(jié)點壓力為變量的控制方程，并且根據(jù)節(jié)點體積單元的充填狀況更新流動前沿。目前，流動分析普遍采用廣義Hel。一Shaw流動模型，利用有限元/有限差分法混合來禍合求解控制方程，它基本上沿用流動網(wǎng)絡法基本思想，利用控制體積法建立壓力場求解的有限元方程，并對時間和沿厚度方向差分，建立溫度場求解的能量方程，以實現(xiàn)注射模充填過程的動態(tài)模擬。

  2.1 流動分析在模具型腔設計中的應用

    對于形狀復雜的注射模型腔，產(chǎn)品形狀及其厚度的變化都會影響到它的充填模式。不同區(qū)域的充填信息以及關于缺料、熔接線、氣穴位置等信息對型腔設計至關重要。為了得到這些信息，傳統(tǒng)的方法都是利用實驗模具或真實模具經(jīng)過一次次的“缺料”注射來得到，而利用流動分析可以在產(chǎn)品的概念設計階段得到型腔設計中的一些關鍵信息，如熔接線/熔合線和氣穴位置、流動平衡程度、跑道效應、熔體的滯流和加速流動，任一時刻或任一充填體積下的充填狀況等，利用這些分析結果，可判斷如何修改產(chǎn)品以獲得較佳的充填模式。

  2.2 流動分析在澆口設計中的應用

    澆口的類型很多，一般常見的有側澆口、點澆口、潛伏式澆口、扇形澆口、薄膜澆口等多種，根據(jù)其特性不同使用在不同場合，澆口一般都比較細小，因此流動阻力很大，細微的變化都會對塑料熔體的充填產(chǎn)生很大的影響。澆口設計主要包括澆口的數(shù)目、位置形狀和尺寸的設計。澆口的數(shù)目和位置主要影響充填模式，而澆口的形狀與尺寸主要影響熔體流動性質(zhì)。澆口設計一方面應該保證提供一個快速、均勻、平衡、單一方向流動的充填模式，另一方面應該避免射流、滯流、凹陷等現(xiàn)象的發(fā)生。

    滯流或滯流斑是由于聚合物熔體的停滯所引起的表面缺陷，當產(chǎn)品中有厚薄差異較大的區(qū)域時，塑料熔體會朝著較厚易填充的方向流動，較薄處的塑料熔體將會發(fā)生停滯不動的現(xiàn)象，必須等較厚區(qū)域全部充滿后，塑料熔體才會回過頭來充填較薄處。如果塑料熔體停滯時間過長，將會在停滯點冷卻凝固進而造成短射或流動剪切應力急劇上升，而當凝固的熔體被推向制品表面時，將會在表面上形成滯流斑。利用流動分析可以發(fā)現(xiàn)滯流現(xiàn)象所在位置，通過修改澆口位置來改善這一現(xiàn)象。

  2.3 流動分析在流道設計中的應用

    流道主要用來將塑料熔體輸送到各澆口，常用的流道形狀有圓形、梯形、U型等。可以根據(jù)不同的場合及加工方便性而定。若以相同的截面面積來比較其流阻，則以圓形截面為最佳選擇，但因需雙面加工，加工難度及成本較大，一般用截面的水力學直徑來比較其流阻大小，流道的截面尺寸和長度將影響其流阻的大小。如果流阻太大，會使注射壓力大部分浪費在流道內(nèi)，而降低型腔內(nèi)壓力降所占的比例；但如果減小流道阻力而任意增大流道尺寸，則會延長冷卻時間，增加材料消耗。利用流動分析可以了解流道內(nèi)的壓力降與流量變化，如果不合適，修改后再重新分析，即可找到適當?shù)牧鞯莱叽纭?/span>

    流道的布置一般可以分為兩類，一類是自然平衡流道布置，在這種布置中，流道的特征相同，熔體的流動是平衡的，每個型腔可以在相同的壓力、溫度條件下同時充滿。另一類是非自然平衡流道布置。對于自然平衡流道布置，可以利用流動分析，按照流道設計原則通過改變各流道段的長度和截面尺寸，調(diào)整流道系統(tǒng)內(nèi)的壓力損失，使得充模壓力最優(yōu)。對于非自然平衡流道布置，利用流動平衡分析，調(diào)整主流道和各分支流道的長度和截面尺寸，使各型腔基本上同時充模以達到人工平衡布置。

3 冷卻分析與冷卻系統(tǒng)設計

    對熱塑性塑料的注射成型，模具冷卻時間占整個成型周期的2/3。冷卻過程中熔融塑料發(fā)生固化，固化過程中放出的熱量通過模具由冷卻介質(zhì)帶走。該過程中模具型腔溫度的高低及均勻性直接影響到塑件生產(chǎn)效率和質(zhì)量。注射模的溫度狀態(tài)受多種因素的影響，但其控制和調(diào)節(jié)主要靠冷卻系統(tǒng)來完成。冷卻系統(tǒng)的設計參數(shù)包括:冷卻管道的尺寸、連接關系及位置等幾何參數(shù)和冷卻介質(zhì)的流量、進口溫度等物理參數(shù)。一個高效、均衡的冷卻系統(tǒng)可以縮短冷卻時間，提高成型效率，并減少或避免塑件的殘余應力，保證塑件的尺寸粘度和穩(wěn)定性，提高塑件質(zhì)量。在給定冷卻系統(tǒng)設計參數(shù)后，注射模冷卻分析軟件即可預測出冷卻介質(zhì)的流動狀態(tài)，模壁的溫度分布及冷卻時間等，為設計人員評話設計方案，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設計提供了先進實用的工具。

4 結束語

    盡管CAE技術的出現(xiàn)使注射模設計從傳統(tǒng)的經(jīng)驗和技藝走上科學化的道路，在一定程度上改變了注射模傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，但需要指出的是，目前CAE技術并不能代替人的創(chuàng)造性工作，只能作為一種輔助工具幫助人去判斷設計方案是否合理，還難以提供一個明確的改進方向和尺度，仍需通過反復交互(分析一修改一再分析)，才能將設計人員的正確經(jīng)驗體現(xiàn)到模具設計中去，而設計方案的確定在很大程度上仍需依靠設計人員的經(jīng)驗和水平。

    同時cae技術分析是用高技術來改造傳統(tǒng)制造業(yè)，尤其是對于幾乎是單件生產(chǎn)的模具制造業(yè)，更是極為重要和關鍵的。它以數(shù)學模型為依據(jù)，在工程分析中的各個環(huán)節(jié)直接使用數(shù)字進行信息傳遞。但由于各個軟件平臺開發(fā)的背景不同，使迄今為止的許多優(yōu)秀cae軟件都有其特定的應用對象和范圍，充分利用各軟件之長，實現(xiàn)有機結合和系統(tǒng)集成，這將成為一種趨勢。