CAE优化设计：注射制品、模具与工艺

在注射成型领域中，CAE、CAD和CAM是三项重要的技术。CAD技术以电子数据表述设计，并使设计自动化。CAM帮助实现设计的物质化，解决设计中的各种制造问题。本节慨述CAE在模具设计方面的应用，介绍CAE分析是如何优化注射制品、模具和工艺设计的。

1.CAE的变量

CAE运用物理和数学原理处理客观工程问题，帮助设计师科学地解决问题。在注射成型过程中，CAE分析可分为下列几类变量。

（1）物理变量 在注射成型过程中，相关的物理变量很重要。因为它能帮助设计师了解注射成型现象。

1）压力。在CAE分析中，注射成型期间塑料熔体压力是作用在单位面积上的法向力，形成可变的区域场。注射成型期间的压力是随时间和位置变化的函数。当充填刚开始时，压力是0.1MPa。塑料熔体的前锋到达后，压力连续地向后续料流递增。在CAE分析时，压力是节点的变量，有限元的单元里的压力，可运用单元的节点上变量内插。

在注射成型时所涉及的一些压力变量概念与流动有关，其中之一是压力梯度。就像水或其他液体，塑料熔体流动总是从高压向低压的方向流动，即它流动的方向与负压力梯度一致。在注射成型中，瞬时压力梯度定律指出，沿着流径的压力梯度越大，流动充填更有效。一些流动现象与压力梯度有密切关系。不稳定的压力梯度会造成一些问题，并影响制品质量。

2）温度。塑料熔体的温度是节点的变量。单元体的值是用此单元的节点温度插值计算。它是冷却分析的直接输出。在成型过程中，塑料熔体的温度随时间和位置变化。从温度分析中获知平均温度和体积温度，这在注射成型过程分析和质量控制中是很重要的。

在充模成型中，不均匀温度分布对制品质量起重要作用。不均匀温度会导致热点。热点温度过高造成焦化，进而在冷却成型中，造成不同程度的收缩和翘曲。

3）剪切速率。塑料熔体的剪切速率也是节点变量，单元体的值也能利用节点剪切速率插值确定。剪切速率定义为流速在厚度方向的微分。在流动通道里，塑料熔体中央层的剪切速率等于零。在塑料熔体与流动通道的界面上达到峰值。

剪切速率为塑料熔体的流动或变形速率。聚合物熔体剪切速率与其黏度密切相关。聚合物熔体随着剪切速率增加，各种物料黏度有不同程度下降。充模流动剪切速率的分布，影响到注射成型过程中塑料熔体的流动性。因此，设计者需要知道剪切速率分布。

4）剪切应力。塑料熔体的剪切应力是单位面积上的剪切力，它也是节点上的变量。单元体上的剪切应力是由节点的值决定。与剪切速率相似，流道中心线或中央层的剪切应力等于零。在流道壁和塑料注射模具的界面上有它的最大值。

剪切应力影响分子链的取向。剪切应力越高，聚合物的取向越严重。由于剪切应力的最大值在塑料熔体与模具型腔的界面上，最高的取向在模腔表面附近。过大的剪切应力也会使得熔体破碎，因而它的值应该控制在某个程度。在注射成型时，应避免裂纹，减小纤维方向取向，以改善注射成型制品整体质量。

5）速度。塑料熔体的流速再次成为节点变量。它表述注射成型流动中瞬间运动方向和该点的速度。有限元单元的速度用它的节点值决定。在CAE分析时，平均速度描述塑料熔体流动。平均速度通常用来定义单元体的平均速度。在充模流动中，速度与成型流动模式密切相关。它直接关系到流动的现象，例如熔合、流动痕、滞流和湍流等。单向流动的原则是指聚合物熔体在一个方向流动，流体前锋应以直线流动贯穿整个阶段。聚合物熔体流速决定了流动形态，并进而帮助设计师有效地设计浇注系统，设计能平衡浇注的流道和浇口。

6）夹紧力。锁模夹紧力可由分型面上的压力、流道和型腔的投影面积推算。它是流动充模进程中的变量和不同时间的函数。充模阶段结束时，夹紧力达到峰值。精确地计算夹紧力是困难的，但运算的估测值很有用。预测的夹紧力能用来选择注射机，并决定型腔数目。

（2）混合变量 在注射成型中，有些现象不能用以上各个物理变量描述。这些物理现象仅能用上述变量的组合来解释。这些组合的变量也称为混合变量。

1）熔体前锋的推进。熔体前锋推进过程是塑料熔体前沿的运动。熔体前沿推进至各节点，熔体前锋推进作为节点的变量。单元内的值是用节点值来决定。它揭示模具内的重要的流动平衡现象。所有模具内流动都要求得到平衡，即以均衡压力在相等时间里充模。如果注射成型过程不平衡，有的区域过早充满，会产生溢料，而较迟充填区域会产生欠注。熔体前锋推进演示是否存在不均衡流动，并确定是否出现一些缺陷，例如熔合缝、流动痕和气囊等。详细的设计方案应该在熔体前锋推进基础上修改，例如浇口位置重新定位、流道和浇口截面的修正、调整注塑件结构参数，以取得均匀和平衡的流动。最重要的注塑件参数是壁厚，壁厚应均匀一致。

2）芯部和皮层的取向。聚合物芯部和皮层的取向是单元体的变量。芯部单元体的取向是充模结束时速度的横切方向。单元体面积上的取向通常是沿着单元的速度方向。这将会是注塑件外表层最可能的纤维取向。

揭示芯部和皮层的纤维取向，这对预测注塑件的力学性能起关键作用。可以确认，皮层取向能导致力学性能（例如冲击和拉伸强度）增强。在此基础上，模具设计者能定位合适的浇口位置，前置设计塑料熔体的流动模式，以保证注塑件在一定方向上有良好的力学性能。

3）质量缺陷。预测注塑件缺陷是CAE的主要功能之一。缺陷预测也是CAE分析的主要输出变量。通常输出预料中的一些主要缺陷有熔合缝、流动痕和气囊等。熔料分离后，相对方向的两股前锋相遇时形成熔合缝。如果两股熔料前锋相互平行流动，位于它们之间会产生熔合流动痕。气囊是在塑料熔体流动时聚集形成的。CAE分析也能帮助寻找真空泡的位置。在CAE分析基础上，以速度方向和熔体的推进，来获知这些缺陷的发生位置。应当适度改善流动均匀性，避免或限制缺陷和它的位置。通过改变浇口位置、注塑件结构、浇口和流道的尺寸，来减少敏感区。

2.CAE注射制品的优化

CAE在注射制品设计方面，帮助设计师研究解决设计中影响制品成型质量的有关问题。一般而言，CAE在注塑件设计方面的功能可以归纳为以下三个方面。

（1）注射制品结构优化 通常，塑料注射成型制品作为零件直接用于产品装配。在注塑件设计中，通过塑料熔体的流动充模模拟，帮助验证注射成型的可行性，也就验证了熔料的流程比。又通过制品实际工作环境的模拟，帮助优化它们的结构和参数，也能帮助验证和核实设计中遇到的强度和刚度问题。

1）注塑件的注射成型性能。为了保证注塑件有良好的注射成型性能，在制品设计各阶段，设计者需要考虑的首要问题是制品上浇口的位置。流行的CAE工具可以帮助设计者通过塑料流动模拟，确定最佳浇口位置。它能揭示最佳浇注位置和绝对不能接受的位置。在浇口位置决定后，设计者进一步研究注塑件的注射成型性能，分析可能存在压力、温度、剪切应力问题的区域。

2）制品质量。注射成型质量是设计师考虑的重要问题。即使最终的几何形体和参数能满足所有的技术条件，注塑件对于有些内部和表观的缺陷也不能免除。所有缺陷是一些不合理的变量值造成的，诸如剪切应力、剪切速率、冷却时间、料流前锋推进、温度和压力分布等。举例说，过大剪切应力会大大降低注塑件的强度，促使其过早失效，减少了制品的工作寿命。为了保证注塑件有良好质量，CAE工具能帮助设计者确定注塑件是否存在质量问题，并在早期设计阶段就暴露一些影响质量的变量。当然，在生产实施阶段也能帮助避免和消除质量问题。(www.xing528.com)

通常，CAE工具允许设计师在设计的早期，搜寻和识别一些关键的质量问题和注射成型性能。此外，设计师也能在CAE分析结果的基础上得到一些解决问题的启发，改善制品设计。在模具制造后期的设计修改中，要有正确判断，才能避免和消除这些物理变量和混合变量对质量的重大影响。

（2）模具设计的优化 在模具设计时，设计者需要建立最好的设计策略，要以科学的设计理论和经过验证的设计经验讨论设计方案。利用CAE分析工具，能帮助解决模具布局等问题，并获得最佳设计方案。CAE分析软件给模具设计提供各种工具，在验证注塑件设计基础上优化设计浇注和冷却系统的设计。

1）验证注塑件的设计。模具设计者在模具设计之前，需要验证注塑件质量和制造要求，必须对注塑件进行注射成型可行性和质量分析，从制品设计的角度优化它的设计。从制造的角度，模具设计者也要考虑到制造工艺性能，以确保制品质量，从而考虑模具制造企业的模具制造条件和设备。

2）模具布局。一旦制品设计被接受，就开始模具设计的实际工作。模具布局设计的第一阶段，是决定型腔数目、制品的方向和在模板上的布局。模具的型腔数目基本上根据制品生产批量决定，还要进一步考虑注射机、注射生产成本和制件的精度等情况。模具布局在CAD的概念设计中有初拟方案。多型腔模具在详细设计时，需要考虑在单个注塑件方向，确定两个型腔之间距离。在这个过程中，CAE工具帮助确定模具的布局，是基于塑料熔体流动模拟和平衡分析。最后，模具布局设计应该在浇注系统流动模拟中完成。

3）浇注系统设计。浇注系统又称流道系统或输送系统，由主流道、分流道和浇口组成。通过浇注系统，聚合物熔体流入到各个型腔内。浇注系统对注塑件质量，注射成型生产率和生产成本方面有重大的影响。注塑件要达到良好的表观和内在质量要求，浇注系统不再是单独地依靠经验设计。过去，流道系统设计是试模和纠错的过程。流道系统在多次上注射机试模中进行调整，直到获得良好效果。其流道和浇口参数被逐次扩大。进行塑料流动和冷却模拟，模具设计者可以反复研究流道的表现，直到设计者满意为止。

在浇注系统设计中，CAE工具为设计者仅提供支持决策过程的信息。整个设计遵循相关设计理念、公式和用户定义的浇注系统标准。以浇口的设计为例，浇口数目应根据充满型腔的压力和浇口最少数目来选择。模具中浇口位置对注塑件质量有很大影响。浇口位置影响模具的排气、翘曲、收缩、溢流和欠注。因此，浇口位置应该在流动平衡原则上确定。明确给定的设计标准，包括注塑件的翘曲缺陷，关于流动痕和熔合缝的外观要求，聚合物材料的冲击强度等工程特性。CAE分析工具支持的浇口设计，可用来分析浇口数目，比较位置和参数是否优化，确保满足相关设计要求。同样，在流道设计中保证有良好参数，理想的情况是能确保在同一时间有相同温度，让塑料熔料流动前峰到达流道的终点。此外，流道还要起塑料熔体流动速率平衡的作用，让熔体以相同进度将塑料充满每个型腔。因为塑料熔体在每个流道中的条件和表面阻力是不同的，所以要取得这样效果是很难的。而且，在浇注系统设计中，良好的流动模式应能避免出现任何弊端。CAE分析是迭代过程，最佳浇注系统经过设计方案修改，它的参数要经过多次流动和冷却的模拟。

4）冷却系统设计。模具的冷却时间在整个注射循环周期中占有大于75%的时间。因而，它对减少循环周期有很大潜能。改善冷却设计能提高生产率。换言之，以均匀平衡的冷却为设计的目标，能减少收缩率的差异，降低内应力和翘曲，改善注塑件的质量。因此，冷却系统的设计课题是取得注塑件快速、均匀和平衡的冷却。主要的设计变量，包括冷却管道的尺寸及其位置和连接、冷却流体及其输入温度、在每个管道中的流速。CAE分析能预测冷却时间和注射周期。预知每次循环中聚合物熔体释放的热量，了解塑料熔体温度和分布，了解每个冷却管道的热传递中携出的热量。在设计冷却系统时，在给定目标函数、变量和约束的数值分析中，得到优化的冷却管道数目、尺寸、位置和冷却液流速。

应用传统方法，进行热传递分析是困难的。热分析涉及塑料熔体、模具、冷却液和模具里的温度分布。要设计冷却管道数目、尺寸、位置，需要研究冷却设计与制品质量及生产率的关系，解决这些问题是困难的。CAE工具帮助设计者，在冷却系统设计与热传递分析中，获知从塑料制品到模具型腔表面、从模具到冷却液的温度分布。

（3）工艺设计的优化

1）注射成型工艺。注射成型过程由三个主要方面组成：充模流动、熔料保压和制品冷却。注射循环开始，在注射成型温度下塑料熔体充填型腔。在模具所有型腔充填后，一些添加的聚合物熔体在很高的压力下需要补充到型腔里，以补偿注塑件的收缩。模具冷却过程中，聚合物熔体冷却并固化。本质上是从注塑件向模具表面和冷却液传热，直到注塑件有效固化后从型腔中顶出。脱模顶出是注射循环中最后的动作过程。前三个是注射成型过程中的主要过程。

随着对注射成型注塑件质量要求提高，由于注射机种类、模具结构、操作者技能与塑料材料的性能之间关系复杂，相关生产问题使注射成型生产经常有重大的延误和提高了成本。

在注射成型工艺设计时应用CAE，帮助设计者确定工艺条件和参量。CAE应用在工艺设计中，以注塑件的结构和塑料性能为依据，能进一步提供深层次分析，用模拟结果的信息确定最佳工艺条件和参量。对一些宏观的缺陷，如欠注、飞边、焦斑、凹陷、可见的熔合缝和翘曲等，能有效解除其形成倾向。

在注射成型工艺设计中需要进行流动模拟、冷却模拟、注塑件结构和纤维取向的预测。这些分析将引导在注塑件的设计阶段或模具设计的早期，选择确定注射机的加工参量，或者调整工艺。由各种分析和模拟可揭示各自相关信息，建立不同加工工艺方案。综合众多资料，设计者能搞懂在注射成型加工循环中的内在和表观的现象，以设计最好的注射成型工艺。

2）保证制品的工艺质量。较差的注射成型工艺设计和欠缺塑料熔体流动模式，使成型塑料件会有些缺陷和弊端。为了避免缺陷，就要揭示这些质量问题的根源。应用CAE分析工具可以实现这个目标。在一定程度上，CAE分析工具可帮助避免或消除如下缺陷。

①熔合缝和流动痕。当两股或更多的塑料熔体在模具型腔里相对而遇时，会产生一条很细的熔合缝。流动途径中的塑料熔流绕过障碍分离后，在另一侧聚合成熔合缝。熔合缝是在注射成型加工期间，由于不规则的流动模式而生成的制品缺陷。

流动痕也是注射成型加工中的流动缺陷。它是两股熔体流动前锋在相同方向上相持而形成的。流动痕也是不规则的流动模式造成的。注塑件上熔合缝和流动痕会降低所在区域的力学性能。如果它们不能消除，就应该转移到不敏感的区域。

在注射成型中应用CAE软件能挑明这些缺陷的成因，并从根源上找出相应的解决方法。

②收缩。模具中的聚合物从注射成型温度下降到环境温度时，由于密度变化而造成收缩。聚合物分子链的收缩，即聚合物分子链与相邻分子链排列并缠绕，对于高度结晶的聚合物，由于形成致密的晶体结构，而有更大的收缩。较厚截面的注塑件，由于塑料熔体冷却缓慢，制品上各区域收缩变化很大，一些区域会有凹陷出现。收缩的变化在注塑件中诱发残余应力。如果残余应力超过了制品强度极限，就会产生翘曲或开裂。通常，在更高的熔料温度和模具温度下，由于更大的分子能量和随后的缠绕能力，塑料熔体会有更大的收缩。更高保压压力可以补偿它的收缩。

CAE收缩分析能预测产生收缩的原因。它首先揭示分子链或纤维取向，分析出最大收缩的方向，给出预测的收缩率，以便采取避免和限制的措施。它也能认知注塑件的不均匀温度分布和不平衡的冷却，将会产生收缩的差异。高的成型压力促使聚合物密度变化，接着使注塑件的收缩更不均匀。为预测和限制收缩率，需要将模具的冷却模拟与注射成型压力和热传递的分析结合在一起。

③翘曲。注塑件里分子链的取向会造成形体的翘曲变形。在塑料注射成型中，塑料熔体沿着很小的型腔间隙通道流动。分子链因此沿着流动方向变形延伸。当塑料冷却时，分子链试图松弛成原始的缠绕状态。但是，由于快速冷却，变形延伸的分子链不能松弛到原始的缠绕状态，大部分处于非卷绕状。注射成型凝固后的分子链试图恢复缠绕，结果造成了注塑件翘曲。另一方面，翘曲被认为是收缩率差异所致。注射成型中聚合物分子和纤维取向，温度的变化、保压变化和压力差异，都会促使收缩率产生差异。

CAE翘曲分析模拟是基于预测取向、冷却模拟、充模流动和保压分析结果，在注塑件结构分析基础上，分析翘曲原因的。这些分析可以检测翘曲位置和程度，找到限制翘曲的适当措施。注射成型中通过改善流动和冷却均匀性，减少收缩率变化，能解决翘曲问题。

④气囊。气囊是在注塑件里的气体积聚。注射成型期间的塑料熔体在流动过程中，熔体里内含的气体跟随运动，当气体不能有效排除时，它积累在注塑件中形成压缩空气泡，即气囊。

CAE流动模拟能分析气囊的形成过程和位置。它是注射成型中熔料前沿推进的结果。通常，如果气囊在注塑件的表层，用模具设计中的排气槽很容易排出。如果气囊在注塑件的里层，它已进入塑料熔体内占据了空间，并凝固成块。这些气囊在过热的位置，会使注塑件上出现热斑。CAE分析中能改变浇口位置，以避免产生气囊。