模具之家讯：模具是生产各种工业产品的重要工艺装备，随着塑料制品在航天、航空、电子、机械、汽车和船舶等行业的广泛应用，对模具的要求越来越高，传统的模具设计加工方法已无法适应产品更新换代和提高质量的要求。计算机辅助设计制造技术(CAD／CAE／CAM)为高质量的模具设计制造提供了最有效的途经。
Moldflow公司的MPI（Moldtlow Plastics Insight）软件是在注塑模具设计中被广泛应用的注塑成型CAE软件。Moldllow／MPI软件提供了强大的分析功能、可视化功能和项目管理工具。它可以在计算机上对整个注塑过程进行模拟分析，包括填充、保压、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力和收缩，以及气体辅助成型分析等。应用MPI软件可以在试模前预测出熔体在填充、保压、冷却等过程中可能出现的缺陷，帮助技术人员进行分析，及时对产品的几何形成、材料的选择、模具的流道系统与冷却系统等进行优化，提高一次试模的成功率，缩短开发周期，降低成本。
本文以某仪表面板为例，介绍应用MPI软件进行注塑成型模拟分析，优化模具设计的过程。
1 MPI应用流程和方法
应用MPI软件进行模拟分析的一般流程和方法如下：
(1)创建工程项目；
(2)导入或新建CAD模型。可在Pro／E、UG等CAD软件建模，MPI可以通过图形接口直接读入CAD模型；或在MPI的建模模块中建模。
(3)对被分析对象进行有限元网格划分。网格划分是否合理将直接影响到制品最终分析结果，进行网格划分时应根据制件的壁厚选择中性(Midplane)、表面(Fusion)和三维(3D)网络模型中的一种进行网格划分。
(4)网格检查及网格修改。对划分的网格进行统计，检查是否达到分析要求。对于Fusion模型，网格必须满足以下一些原则删：
1)Connectivity regions(联通域)的个数应该为1；
2)Free edges(自由边)和Non-manifold edges(非交叠边)个数应该为0；
3)Elements not oriented(未定向的单元)应该为O；
4)Element intersections(交叉单元)个数应该为0；
5)Fully overlapping elements(完全重叠单元)个数应该为0：
6)Aspect ratio(单元纵横比)一般最大值应控制在lO-20
之间；
7)Match ratio(网格匹配率)表示上下表面网格单元的匹
配程度，应大于85％；
8)Zero area triangle elements（零面积单元）个数应该为0。
如果网格匹配率达不到85％，则需选择合适的网格边长重划分网格，如果是除此之外的其他项不符合以上网格条件，则可通过MPI网格工具进行修改，不必重新划分网格。
(5)选择分析类型和顺序。MPI有最佳浇注口、填充、流动、冷却、翘曲、工艺窗、试验设计法等多种独立分析类型及组合分析类型供选择。
(6)根据制件质量要求选择成型材料。MPI有一个内容丰富、功能强大、使用方便的材料库。
(7)设定工艺参数。对不同的成型类型，要设置不同的成型工艺参数。MPI系统会根据成型材料特性自动默认一组可行的工艺参数，分析人员可以根据需要对默认的工艺参数进行修改。
(8)创建浇注系统。对形状比较简单的浇注系统应用MPI的runner system wizard(浇注系统向导)可以快速建立。对于较复杂的浇注系统则需要应用MPI的直线、曲线的创建功能勾画出浇注系统中心线，在对中心线进行杆单元的网络划分来创建。
(9)创建冷却系统。冷却系统创建与浇注系统相似，MPI系统也提供了冷却系统向导工具和手动创建两种冷却系统创建方式。
(10)MPl分析计算。完成以上的步骤后，即可以运行MPI的“立即分析”命令进行分析计算。
(11)分析结果评估。对分析结果进行分析评估，如果分析结果不能达到制件质量要求，调整方案后(包括制件结构、模具浇注系统、冷却系统、加热系统、成型工艺参数等)重新分析，直达得到满意结果，确定最终方案。
2 应用实例
分析对象为某仪表面板，如图1所示。模具采用一模两腔。塑件材料选用GE塑料公司的ABS材料，牌号为Cycoloy C2950。其注塑工艺性能见表1。
图1 仪表面板
表1 Cycoloy C2950注塑工艺性能

2.1 分析项目的创建及模型的导入
点击MPI主菜单的Fil8一Project命令弹出创建新项目对话框，在Project文本框中输入项目名称“panel”，按照需要设置项目管理路径。
导入CAD模型。本制件三维模型在Pm厄软件中完成，为了节省分析计算时间，对制件进行简化处理，删除不影响分析质量的后部边缘细小卡边等结构，然后转化成sd格式，导入MPI软件中。在MPI采用fusion网格模型进行网格划分，有限元分析模型数据为：单元数7146，节点数为3568，匹配率94．6％。所建立的网格模型可以得到可靠准确的分析结果。仪表面板在MPI中经网格自动划分后的网格模型见图2。


图2 塑件网格模型


2.2 设置工艺参数
根据所选材料工艺要求，工艺参数设置为：模具表面温度70℃，料温275℃。
2.3 浇注系统优化
浇口位置的设定直接关系到熔体在模具型腔内的流动，从而影响聚合物分子取向和产品成型后翘曲，所以浇注系统决定着制品的内在性能及表观质量应用，选择合理的浇口位置在模具的设计中十分重要。
应用MPI的浇口位置(gate location)分析模块模拟分析出制件理论最佳浇口位置在制件上表面。由于制件的上表面质量和外观要求高，不能简单地把浇口位置设计在该处，本研究在最佳浇口位置附近设计了2个可能的实际浇注系统方案，并应用MPI对各个实际浇注系统方案进行成型过程模拟分析，综合比较模拟结果最终确定出最优实际浇注系统，如图3所示。#p#分页标题#e#


图3 浇注系统布局

2.4 冷却系统优化
冷却管道的布局决定了制件冷却的均匀性。可用MPI软件来分析模具冷却系统的冷却效果，通过分析冷却系统对流动过程的影响，优化冷却管路的布局和工作条件，从而产生均匀的冷却，并由此缩短成型周期，减少产品成型后的内应力。本例冷却系统采用型芯和型腔同时进行冷却的方式，冷却系统分布如图4。


图4 冷却系统方案 图5 冷却介质温度分布图


冷却分析结果：图5为冷却介质温度分布图，从图5可以看到，本方案的冷却水的温升仅0.05℃，满足冷却介质温升应该小于2～3℃的要求。图6为冷却结束时制件表面温度。由图6可知，制件最高温度低于顶出温度，表明冷却管道设置比较合理，该冷却方案可行。


图6 制件表面温度


2.5 流动分析
流动分析可以预测热塑性聚合物在模具内的流动行为。图7为填充时间等值线结果图，从图可知等值线分布比较均匀，说明填充比较均衡。图8为熔体流动前锋温度模拟结果，由图8可见，塑件的温度差为7.3℃，温度分布均匀，表明熔体流动是平衡的，制件表面的质量得到保证。


图7 填充时间等值线 图8 熔体流动前锋温度


MPI分析出的注塑机的锁攥力分布图如图9所示。其最大锁模力为100t，利用该分析结果，可以帮助工艺人员选择合适的注塑机。


图9 锁模力分布


2.6 翘曲分析
通过翘曲分析可以了解塑件的变形情况，从而有助于设计者在模具设计时对材料收缩率进行预测，以控制塑件的变形量。图lO为翘曲分析的结果，制件总体最大变形量为O.2694 mm。分析表明，本没计方案能满足制件质量要求。


图10 翘曲分析结果


3 结论
采用Moldflow／MPI软件，对注塑成型过程进行模拟分析，得到的分析结果和成型工艺参数，有助于模具设计人员更快捷地优化模具设计和工艺人员合理地选用成型工艺参数，为获得优质的塑料制件提供了可靠的理论保障。
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