优化模具设计的热流道有限元分析

模具设计过程中需要考虑很多因素，采用热流道系统需要考虑的因素更多。当设计者面对所有这些未知因素的时候，优化模具设计的最佳途径是什么？是否先设计和制作模具然后根据第一次打样的结果再调整模具？然而对大多数的项目来说，不允许有这么多的时间和费用来进行模具的调试。

热流道模具的优化工作可以通过CAE（计算机辅助工程）模拟来完成。类似于用mold flow分析塑料件来提高注塑模具设计的质量和效率，热流道系统也可以用FEA(有限元分析)来完成同样的工作。

这些分析的结果，加上能够利用这些分析结果的热流道系统，将会帮助设计者完成最优的模具设计。

1 热流道系统FEA的基本步骤

正如前面指出的，进行热流道系统的FEA分析与使用mold flow进行注塑件的仿真类似。区别在于在热流道系统的FEA是模拟流道系统中的流动而不是塑料件的流动

首先，热流道系统的初始化设计是必需的。设计要明确表示出热流道所需的点数，模具上注嘴的大致位置和零件大概的重量。无论使用何种FEA软件，CAE模型应该要能表示出热半模的设计。流道的长度和距离可以在以后经过初步分析再进行调整。

既然这是一个热流道系统的FEA分析，塑料件只需要简单表示就可以了。要得到更精确地结果，可以结合mold flow对塑料件的分析数据来进行。

其次，从材料库选择此次分析所用材料的特性。最后输入所需的模具参数：模具温度、熔融温度、保压压力。有了这些在线信息，FEA就可以运行了。

2 如何理解和使用FEA结果

下面是从模拟中得到的一些结果，可以用来优化模具设计（见附图2）：压力降，温度变化、剪切速率，剪切应力，流道系统容积，零件冷却时间和锁模力计算。利用其中的一个或者综合几个结果将有助于确定最终和优化的模具设计。

1）浇口的数量。压力降的分析结果有助于决定是否采用更多的注嘴。如果经过注嘴的压力降比较高，设计中就需要添加更多的注嘴来降低填充塑件所需的注射压力。

2）型腔的数量。对于多腔模具或者成套制品模具（family mold），压力降和流道系统的容积分析结果也能够帮助设计者决定设计中采用合适的浇口数量。按照设计对象的注塑压力，型腔的数量可以随着流经注嘴的压力降增加或者减少。如果考虑到熔体在流道板内驻留时间的问题，流道系统的容积可用来计算流道板内驻留了多少个注射次数的熔料。如果流道板内驻留的料过多，可以减少设计中型腔的数量。

3）注嘴的位置。注嘴的数量确定以后，则可以开始检查注嘴在模具中的位置是否合理。FEA分析将会显示热流道系统的填充结果，设计者可以直观地检查基于当前注嘴位置的热流道系统是否达到了平衡。由于CAE模型很容易修改，可以将注嘴的位置移到另一个地方，然后再运行FEA分析，通过对比将有助于找到模具设计中的最佳注嘴位置。

4）浇口的尺寸。热流道系统中一个具有挑战性的设计就是为材料确定合适的浇口尺寸大小。浇口部位的压力降、剪切速率，剪切应力的分析结果可用来决定浇口的尺寸。可以修改CAE模型中浇口的直径进行不同的分析，直到得到满意的分析结果。

5）针对不同材料的设计。既然初始的CAE模型可以不依赖于材料的选择而运行分析，就可以考虑使用不同的材料进行多样化的模拟分析。这将有助于设计者优化浇口位置的壁厚，浇口尺寸和零件上需要做出的修改。

6）模具冷却。要降低成本，模具的成形周期很关键。热流道系统的FEA分析可以计算基于材料、模具和熔体温度的冷却时间。如果基于以上参数计算出的冷却时间太长系统也会提出警告。因为FEA分析并不考虑模具实际的冷却水道，而只是对塑件的最小限度的冷却作了一些假设，这个分析结果将决定是否需要更多的冷却。

7）压力校核。锁模力的计算结果可以很好的校核所设计模具的合模力是否足够。如果这是个关键点，应该要考虑模具的变化。

3 结束语

模具的优化设计是高质量的产品制造过程中的一个重要部分。随着不同类型的CAE工具可以用于模具设计（如热流道系统的有限元分析），模具项目的预算应该包括使用这些有用工具的开支。在模具设计阶段的时间和费用的消耗将应该比任何在模具测试和打样后修改模具的花费要小得多。