CAD 与CAE 融合之缩短成型周期改善翘曲
CAD 与CAE 融合之缩短成型周期改善翘曲
■型创科技 / 罗子洪& 邵梦林
序言
近年来在工业4.0 的倡议下，智能制造与智能设计，是建立复制产品开发成功模式的必要因素。已有许多企业认识到整合设计与生产制程各环节技术能量的重要性，也开始着手在企业内部进行各单位的人员训练与技术提高，希望员工同时具备模具设计能力、CAE模流分析能力与现场调机能力的全方位技能优质工程师。同时我们也看到有了许多指标性企业成功案例与实质效益。而本文要介绍的是电子外壳案例在CAD与CAE 融合下，使用T-Mold 快速完成设计，并整合CAE 分析优化设计，从而改善冷却系统优化翘曲的目的。
智能模具设计
产品说明
此案例为电子外壳（如图所示）
其产品外型尺寸为60.18mm*100.38mm*39.50mm， 料号为M2019，并以ABS 塑料为材料。其模具与机台相关信息如下：
• 开模穴数：1*1
• 模仁材质：NAK80
• 滑块/ 斜顶材质：718H
• 参考缩水率：1.005
• 模具形式：大水口模具
• 机台吨位：T150N
模具结构设计
采用直接进浇，浇口大小3.5mm，水路直径6mm。圆顶针均匀排布，采用D8mm；进胶系统和冷却系统进出水位置后续通过模流分析验证（如图2、图3）
图2：水路排布（左） 图3：顶针排布（右）
在NX 内使用T-Mold 软件进行的智能模具设计。T-Mold 软件是基于装配体的半参数（胶位有/ 无参，模架有参）全3D 模具设计自动化解决方案。其优点在于可实现设计变更自动化，相关部件自动更新，设计风格统一，设计尺寸标准化，设计流程软件化，设计质量不再因人而异。
在对产品进行中心定位后，可利用T-Mold 进行出模分析，根据分析结果自动析出分模线，根据产品外观表面特征及分模线位置向四周自动产生分模面（如图4）。
图4：分模面的建立
析出前后模面后，自动生成前后模仁及其他胶位实体（如图5）。
图5：生成模仁
可根据模仁体积的大小，在标准模架库内自动检索适合产品大小的标准模架（如图6）。可更改式的加载建立模架。
图6：T-Mold模架库
在标准件库内选择加载合适的模架标准件、开模系统、滑块及斜顶标准件、冷却系统标准件、不同部位螺丝标准件（如图7）。
图7：加载标准件
在T-Mold 标准件系统内可以实现装配样式的加载，使设计流程标准化、知识化，让每位工程师的设计流程和质量趋于一致。根据可视化、参数化模架库便利地加载更改模架。也可以根据不同环境，配置装配树文件模板，把经常使用的模架及标准件直接建立装配树文件模板，使用时可快速实现加载，避免重复性动作。（如图8）
图8：总装配图
下面以实际的壳体产品为例，介绍运用设计软件进行一键CAE 整合。模流分析预测成型周期是否过长问题，预测变形量值是否达到公差范围内。在设计软件中进行虚拟仿真，快速进行修改验证。
智能设计与CAE 整合
在模具结构设计完成之后，使用Moldex3D SYNC，可在NX 界面进行模流分析，完整结合CAD-CAE 工作流程，如图9、图10。
图9：无缝整合
图10：本机或云端分析
根据CAD 导入CAE 的规则进行划分（属性规则和图层规则），自动判别塑件、流道等属性。只要指定进浇口就可以快速做完整分析，不需设定水路与模座，冷却结果是针对产品本身的温度分布而非模座、水路的温度与冷却效率。其中冷却相关参数设定条列如下：
• 模具温度(℃ )：公模90℃；母模70℃
• 冷却时间(s)：13 s
• 冷却液：水
• 顶出温度(℃ )：114℃
结果说明
流动结果
在NX 内利用CAE 模块快速对设计进行验证，可观测到在流动过程中是否有流动迟滞短射现象、以及可能出现的缝合线包封位置。流动波前短射分析结果如图11 所示。
图11：流动波前短射图
查看分析结果，进浇口压力约70MPa，锁模力大小约为34.4Ton。根据选择机台大小看锁模力图12 和压力图13 可作为现场成型的参考条件。借助模拟分析流动波前、压力、锁模力等综合分析，提前预测成型问题。
图12、13：进胶口压力图、锁模力图
冷却结果与改善
在此方案设计下，在NX 内一键分析产品可能存在的成型缺陷问题。通过修改水路设计增设水井，改善产品冷却时间。图2 为原始水路设计，水路离产品表面25~35mm，冷却水管单一；在不切换NX 软件前提下直接在NX 环境内切换属性，直接使用T-Mold 标准库找到合适的水路标准件，进行修改，如图14。
图14：水路设计变更
改善后的水路增设冷却水井，加强冷却效果，如图15。
图15：水路标准件
并再次进行CAE 设计验证。冷却结束的温度改善后最高温度从201.3℃降至178.2℃，如图16。
图16：冷却结果─温度分布
模穴温度则从由92.6℃降至85.1℃，如图17。
图17：冷却结果─模具温度差
显示水路的改善能有效降低模穴内温度。如果从产品固化层厚度比例来看，如图18，固化层从原本最低35% 上升到63%，明显减少了许多熔融区域。
图18：冷却结果—熔融区域
翘曲结果与改善
图19 为原始设计与设计变更后的翘曲在X、Y、Z、总方向的位移对比，在X、Y、Z、三个方向看，产品表现为向内收缩，平面微向上翘，产品翘曲结果的总位移改善后最高数值从0.71mm 降至0.46mm，产品在设计变更后翘曲变形量改善约为35%，分析结果产品翘曲在公差内，满足了变形要求。■
图19：原始设计与水路设计变更翘曲位移对比
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