流動(dòng)模擬技術(shù)在注射模具設(shè)計(jì)及成型工藝中的應(yīng)用

1、流動(dòng)模擬技術(shù)在注射模具設(shè)計(jì)及成型工藝中的應(yīng)用長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的注射模設(shè)計(jì)主要依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和直覺，通過(guò)反復(fù)試模、修模修正設(shè)計(jì)方案，缺乏科學(xué)依據(jù)，具有較大的盲目性，不僅使模具的生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高，而且質(zhì)量也難以保證。對(duì)于大型精密、新結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，問題更加突出。隨著塑料制品應(yīng)用的日益廣泛，傳統(tǒng)的注射模生產(chǎn)方式已不能適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展對(duì)塑料制品產(chǎn)量、質(zhì)量和更新?lián)Q代速度的需求。多年來(lái)，人們一直期望能預(yù)測(cè)注射成型時(shí)塑料熔體在模具型腔中的流動(dòng)情況及塑料制品在模具型腔內(nèi)的冷卻、固化過(guò)程，以便在模具制造之前就能發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題，修改圖紙而不是返修模具。注射模CAE技術(shù)的出現(xiàn)，使人們的這一愿望能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。 注射模

2、CAE技術(shù)就是根據(jù)塑料加工流變學(xué)和傳熱學(xué)的基本理論，建立塑料熔體在模具型腔中的流動(dòng)、傳熱的物理數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值計(jì)算理論構(gòu)造其求解方法，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)在計(jì)算機(jī)屏幕上形象、直觀地模擬出實(shí)際成型中熔體的動(dòng)態(tài)充填、冷卻過(guò)程，定量地給出成型過(guò)程的狀態(tài)參數(shù)(如壓力、溫度、速度等。利用注射模CAE技術(shù)可在模具制造之前，在計(jì)算機(jī)上對(duì)模具設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析和模擬來(lái)代替實(shí)際的試模，預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)中潛在的缺陷，突破了傳統(tǒng)的在注塑機(jī)上反復(fù)試模、修模的束縛，為設(shè)計(jì)人員修改設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)。CAE技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)的直接好處是省時(shí)省力，減少試模、修模次數(shù)和模具報(bào)廢率，縮短模具設(shè)計(jì)制造周期，降低成本提高產(chǎn)品質(zhì)量。隨著塑料注射

3、成型工藝在汽車、家用電器、儀器儀表等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，有關(guān)注射過(guò)程規(guī)律的把握，注射成型工藝參數(shù)優(yōu)化配置的研究在國(guó)際上得到了廣泛的重視，一些學(xué)者在該領(lǐng)域做了大量的工作，推出了一些有關(guān)注射成型工藝計(jì)算機(jī)輔助分析軟件系統(tǒng)，其中較有代表性的注射模CAE軟件有美國(guó)AC-TECH公司的C-MOLD和澳大利亞MOLD-FIOW公司的MOLDFLOW等。C-MOLD提供了模擬非等溫狀態(tài)下不可壓縮性粘性聚合物熔體在流道和模腔內(nèi)作一般Hele-Shaw流動(dòng)時(shí)的充模流動(dòng)和熱動(dòng)力學(xué)的分析程序。模擬過(guò)程采用了混合的有限元、有限差分方法求解壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)，并采用控制體積法跟蹤流動(dòng)熔體的前沿位置，通過(guò)分析可獲得一系列對(duì)模具結(jié)

4、構(gòu)和成型工藝評(píng)價(jià)和改進(jìn)的有價(jià)值的資料。1 流動(dòng)技術(shù)的數(shù)學(xué)模型注射成型填充過(guò)程的數(shù)值模擬是建立在數(shù)學(xué)模型和算法的基礎(chǔ)上的。充模過(guò)程是一個(gè)瞬變、非等溫流動(dòng)的過(guò)程，它由連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程控制。（1） 連續(xù)方程（2） 動(dòng)量方程（3） 能量方程在一定坐標(biāo)系下結(jié)合邊界條件對(duì)上述基本控制方程進(jìn)行簡(jiǎn)化便可以得到聚合物熔體充模過(guò)程的非等溫、非牛頓和非彈性流動(dòng)時(shí)的控制方程，這就是著名的GHS模型。該模型為注射工藝分析模擬技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。注射成型中模擬充模流動(dòng)時(shí)所涉及的一個(gè)重要性能是塑料熔體的粘度特性。一般認(rèn)為熔體粘度受溫度、剪切速率及壓力所影響，目前，有兩種粘度模型即冪率模型和Cross模型被普遍采用。

5、在此理論基礎(chǔ)上產(chǎn)生了流動(dòng)模擬技術(shù)的有限差分法、有限元法和邊界元法。2 常用注射成型工藝參數(shù)的合理設(shè)置2.1 注射溫度注射溫度是注射成型過(guò)程中一個(gè)重要的技術(shù)參數(shù)。注射溫度過(guò)低, 塑料可能熔化不完全或者粘度太高而使流動(dòng)性能變差。反之, 如果溫度太高, 塑料又容易發(fā)生分解, 特別是象心和類樹脂更容易分解。塑料牌號(hào)不同, 其熔融溫度和對(duì)應(yīng)的模具溫度也稍有不同。對(duì)于精密塑料件的注射成型, 應(yīng)選用供應(yīng)商提供的推薦值。生產(chǎn)過(guò)程中, 型腔表面溫度一般應(yīng)高于冷卻介質(zhì)的溫度, 因而冷卻介質(zhì)的溫度一般比模具溫度低10一20 , 如果模具溫度為40一50或者更高, 則應(yīng)考慮在模具固定板與模具之間增加隔熱裝置, 以節(jié)省

6、能源并提高工藝的穩(wěn)定性。2.2 注射壓力 注射壓力是注射成型過(guò)程中又一個(gè)重要的工藝參數(shù)。在一定注射溫度下, 注射壓力的大小受注射制品的厚度、澆口尺寸、流動(dòng)長(zhǎng)度、制件表面復(fù)雜程度及注射填充時(shí)間等因素所影響。一般說(shuō)來(lái), 制品厚度越小、澆口截面越窄、流動(dòng)長(zhǎng)度越長(zhǎng)、表面越復(fù)雜, 所需的注射壓力就越大。而注射時(shí)間對(duì)注射壓力的影響比較復(fù)雜, 注射時(shí)間相對(duì)太短或太長(zhǎng), 都需增大注射壓力, 選擇合理的注射時(shí)間對(duì)注射成型制品的質(zhì)量至關(guān)重要, 通常在實(shí)際操作中需反復(fù)試模方可得?，F(xiàn)可采用CAE軟件系統(tǒng)計(jì)算獲得。2.3 設(shè)置螺桿行程轉(zhuǎn)換開關(guān)位置螺桿行程轉(zhuǎn)換開關(guān)位置是指螺桿處于由注射過(guò)程向保壓過(guò)程轉(zhuǎn)換的位置緩沖距離是指

7、從轉(zhuǎn)換開關(guān)位置到螺桿行程的終點(diǎn), 緩沖距離內(nèi)應(yīng)包含足量的塑料以保證后注射階段少量的塑料進(jìn)入型腔, 以補(bǔ)償由收縮所缺的料, 否則, 補(bǔ)償量不足, 制品表面易產(chǎn)生縮痕。2.4 設(shè)置注射速度及排氣注射速度高, 有助于增加注射長(zhǎng)度, 降低流動(dòng)阻力, 并可提高熔接痕處的強(qiáng)度。但是, 注射速度的提高, 必須設(shè)置好排氣孔。排氣不暢, 易在型腔內(nèi)產(chǎn)生氣穴, 當(dāng)型腔內(nèi)溫度和壓力都很高時(shí), 易引起燒痕、塑料降解或充填不足等現(xiàn)象。一些注射流動(dòng)模擬軟件提供了熔接痕和氣穴產(chǎn)生的位置, 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以參考。另外, 還應(yīng)注意經(jīng)常清洗模具型芯、型腔表面及排氣系統(tǒng), 特別是加工和類材料更應(yīng)重視這一問題。關(guān)于注射成型的其它工藝參數(shù)

8、, 如注射時(shí)間、注射過(guò)程中螺桿轉(zhuǎn)速變化規(guī)律等, 將結(jié)合下面的設(shè)計(jì)實(shí)例加以說(shuō)明。3 采用模擬技術(shù)改進(jìn)模具設(shè)計(jì)的實(shí)例流動(dòng)模擬技術(shù)的目的是預(yù)測(cè)塑料熔體流經(jīng)流道、澆口并填充型腔的過(guò)程, 計(jì)算流道、澆口及型腔內(nèi)的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、剪切應(yīng)變速率及剪切應(yīng)力分布, 并將這些結(jié)果以圖表、等值線圖及著色圖等方式顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。通過(guò)流動(dòng)模擬可優(yōu)化澆口布置及注射工藝參數(shù), 預(yù)測(cè)注射壓力、鎖模力及可能出現(xiàn)的制品缺陷等。CAE軟件只是一種輔助分析的工具，因此，和其它工具一樣，能否做到物盡其用取決于用戶的使用水平。盡管關(guān)于注射模設(shè)計(jì)和介紹注射模CAE技術(shù)的文獻(xiàn)很多，但如何將CAE分析結(jié)果用于指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)方面的文獻(xiàn)

9、并不多見。以下通過(guò)一些典型的CAE分析示例來(lái)說(shuō)明如何用CAE技術(shù)解決模具設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題。3.1 流動(dòng)分析及其在模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 流動(dòng)分析的目的是預(yù)測(cè)熔體流經(jīng)流道澆口填充型腔的過(guò)程。通過(guò)流動(dòng)模擬，可幫助優(yōu)化產(chǎn)品和型腔設(shè)計(jì)，確定合理的澆口和流道，預(yù)測(cè)所需的注射壓力和鎖模力，發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的缺陷。由于塑料熔體的非牛頓特性和流動(dòng)過(guò)程的非等溫性、非穩(wěn)態(tài)性，導(dǎo)致熔體充模流動(dòng)過(guò)程模擬相當(dāng)困難，必須借助于數(shù)值方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 流動(dòng)分析的方法主要有兩種:一種是分支流動(dòng)法，它以一維流動(dòng)分析為基礎(chǔ)，把三維塑件從幾何上分解成一系列由一維流動(dòng)單元串聯(lián)組成流動(dòng)路徑，在計(jì)算過(guò)程中，利用迭代計(jì)算，在滿足各流動(dòng)路徑的流量之和等于總

10、的注射量條件下，使各流動(dòng)路徑壓力降相等。這種方法計(jì)算時(shí)間短，但難以分析形狀復(fù)雜的塑件。另一種是流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)法，它的基本思想是將整個(gè)型腔劃分為網(wǎng)格，并形成相應(yīng)于各節(jié)點(diǎn)的體積單元，建立節(jié)點(diǎn)壓力和流入節(jié)點(diǎn)體積單元流量之間的關(guān)系，得到一組以各節(jié)點(diǎn)壓力為變量的控制方程，并且根據(jù)節(jié)點(diǎn)體積單元的充填狀況更新流動(dòng)前沿。目前，流動(dòng)分析普遍采用廣義Hele一Shaw流動(dòng)模型，利用有限元/有限差分法混合來(lái)求解控制方程，它基本上沿用流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)法基本思想，利用控制體積法建立壓力場(chǎng)求解的有限元方程，并對(duì)時(shí)間和沿厚度方向差分，建立溫度場(chǎng)求解的能量方程，以實(shí)現(xiàn)注射模充填過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬。 3.2 流動(dòng)分析在模具型腔設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 對(duì)于

11、形狀復(fù)雜的注射模型腔，產(chǎn)品形狀及其厚度的變化都會(huì)影響到它的充填模式。不同區(qū)域的充填信息以及關(guān)于缺料、熔接線、氣穴位置等信息對(duì)型腔設(shè)計(jì)至關(guān)重要。為了得到這些信息，傳統(tǒng)的方法都是利用實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呋蛘鎸?shí)模具經(jīng)過(guò)一次次的“缺料”注射來(lái)得到，而利用流動(dòng)分析可以在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段得到型腔設(shè)計(jì)中的一些關(guān)鍵信息，如熔接線/熔合線和氣穴位置、流動(dòng)平衡程度、跑道效應(yīng)、熔體的滯流和加速流動(dòng)，任一時(shí)刻或任一充填體積下的充填狀況等，利用這些分析結(jié)果，可判斷如何修改產(chǎn)品以獲得較佳的充填模式。 圖1為一個(gè)帶有筋條淺盒制品，側(cè)壁和筋條厚度為3mm，底板厚度為1 .5 mm，從底部中心進(jìn)料，其充填模式見圖la，該設(shè)計(jì)在產(chǎn)品的底部

12、形成了氣穴，原因主要是由于壁厚變化所引起的非均勻流動(dòng)(跑道效應(yīng)收斂所致，如果該處的空氣無(wú)法排出，會(huì)在產(chǎn)品底部形成焦痕，必須在氣穴處設(shè)計(jì)一個(gè)頂出銷使空氣由頂出銷孔逸出。同時(shí)可以通過(guò)改變澆口位置或制品厚度，盡量避免氣穴出現(xiàn)在模具內(nèi)部，而使氣穴出現(xiàn)在產(chǎn)品的邊緣或分模線處，空氣可由模具間隙或外加的排氣孔排出，圖1b為底部厚度增加到3mm時(shí)分析結(jié)果。由此可以看出，熔體前沿均勻地向前推進(jìn)，最終將氣體全部擠到了產(chǎn)品的邊緣，使氣體從分型面排出，簡(jiǎn)化了模具結(jié)構(gòu)。 3.3 流動(dòng)分析在澆口設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 澆口的類型很多，一般常見的有側(cè)澆口、點(diǎn)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(chǎng)合，澆

13、口一般都比較細(xì)小，因此流動(dòng)阻力很大，細(xì)微的變化都會(huì)對(duì)塑料熔體的充填產(chǎn)生很大的影響。澆口設(shè)計(jì)主要包括澆口的數(shù)目、位置形狀和尺寸的設(shè)計(jì)。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(dòng)性質(zhì)。澆口設(shè)計(jì)一方面應(yīng)該保證提供一個(gè)快速、均勻、平衡、單一方向流動(dòng)的充填模式，另一方面應(yīng)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(dāng)產(chǎn)品中有厚薄差異較大的區(qū)域時(shí)，塑料熔體會(huì)朝著較厚易填充的方向流動(dòng)，較薄處的塑料熔體將會(huì)發(fā)生停滯不動(dòng)的現(xiàn)象，必須等較厚區(qū)域全部充滿后，塑料熔體才會(huì)回過(guò)頭來(lái)充填較薄處。如果塑料熔體停滯時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，將會(huì)在停滯點(diǎn)冷卻凝固進(jìn)而造成短

14、射或流動(dòng)剪切應(yīng)力急劇上升，而當(dāng)凝固的熔體被推向制品表面時(shí)，將會(huì)在表面上形成滯流斑。利用流動(dòng)分析可以發(fā)現(xiàn)滯流現(xiàn)象所在位置，通過(guò)修改澆口位置來(lái)改善這一現(xiàn)象，圖2為一簡(jiǎn)單示例。 當(dāng)澆口設(shè)置在A處(圖2a時(shí)，熔體將在薄壁處發(fā)生滯流現(xiàn)象。如果將澆口位置設(shè)在B處(圖213時(shí)，熔體將會(huì)首先充滿厚壁處，然后加速充填薄壁處而不會(huì)發(fā)生滯流現(xiàn)象。因此為了避免滯流現(xiàn)象，一方面應(yīng)該避免產(chǎn)品厚度的突變，另一方面澆口應(yīng)該設(shè)置在易充填的厚壁區(qū)域并盡可能遠(yuǎn)離厚度突變區(qū)域。 流動(dòng)平衡要求所有流動(dòng)路徑在同一時(shí)間被充滿，否則會(huì)由于欠壓或過(guò)壓引起非均勻取向而產(chǎn)生殘余應(yīng)力；澆口位置和數(shù)目對(duì)于流動(dòng)平衡影響很大，對(duì)于復(fù)雜制件，往往無(wú)法確定合

15、適的澆口位置和數(shù)目以保證型腔內(nèi)的流動(dòng)平衡，利用流動(dòng)分析，可以很快地預(yù)測(cè)到不同澆口位置和數(shù)目對(duì)流動(dòng)平衡的影響。圖3為一模兩腔的洗衣機(jī)蓋板產(chǎn)品。初始設(shè)計(jì)時(shí)(圖3a考慮到大蓋板充填體積大，在大蓋板上設(shè)置了兩個(gè)澆口，小蓋板上一個(gè)澆口，試模時(shí)發(fā)現(xiàn)大蓋板已發(fā)生脹模而小蓋板還未充滿。利用流動(dòng)分析也充分驗(yàn)證了這一點(diǎn)，究其原因是小蓋板的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動(dòng)阻力較大，充填困難，導(dǎo)致兩個(gè)型腔中流動(dòng)不平衡。根據(jù)流動(dòng)分析結(jié)果，在小蓋板上設(shè)置兩個(gè)扇形澆口，而在大蓋板上只設(shè)置一個(gè)澆口，使流動(dòng)達(dá)到了平衡并使注射壓力大大降低，如圖3（b）所示。 在多澆口型腔模具中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)不平衡，熔接線位置不易改變等問題，利用閥澆口，可以控制

16、每一澆口打開的時(shí)間，因此可以改變充填模式和熔接線位置。利用流動(dòng)分析可以幫助設(shè)定不同閥澆口的打開時(shí)間以獲得較好的充填模式和熔接線位置。圖4給出了利用閥澆口設(shè)計(jì)來(lái)消除多澆口型腔模具中熔接線應(yīng)用實(shí)例，圖4（a）為開始時(shí)只有中心澆口打開，當(dāng)熔體前沿到達(dá)兩邊澆口時(shí)(圖4(a狀態(tài)，再打開兩邊澆口，這時(shí)中心澆口可以關(guān)閉也可繼續(xù)充填，圖4(b為最后充滿狀態(tài)。 3.4 流動(dòng)分析在流道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 流道主要用來(lái)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(chǎng)合及加工方便性而定。若以相同的截面面積來(lái)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(xué)

17、直徑來(lái)比較其流阻大小，流道的截面尺寸和長(zhǎng)度將影響其流阻的大小。如果流阻太大，會(huì)使注射壓力大部分浪費(fèi)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(huì)延長(zhǎng)冷卻時(shí)間，增加材料消耗。利用流動(dòng)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(dāng)?shù)牧鞯莱叽纭?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(dòng)是平衡的，每個(gè)型腔可以在相同的壓力、溫度條件下同時(shí)充滿。另一類是非自然平衡流道布置。對(duì)于自然平衡流道布置，可以利用流動(dòng)分析，按照流道設(shè)計(jì)原則通過(guò)改變各流道段的長(zhǎng)度和截面尺寸，調(diào)整流道系統(tǒng)內(nèi)的壓力損失

18、，使得充模壓力最優(yōu)。對(duì)于非自然平衡流道布置，利用流動(dòng)平衡分析，調(diào)整主流道和各分支流道的長(zhǎng)度和截面尺寸，使各型腔基本上同時(shí)充模以達(dá)到人工平衡布置。 圖5為一模八腔非自然平衡流道設(shè)計(jì)，在各分支流道和流道采用相同的截面尺寸時(shí)，當(dāng)注射速率較低時(shí)，由于熔體在首先遇到的澆口處發(fā)生滯流，導(dǎo)致最外邊的型腔將首先充滿。而當(dāng)注射速率較高時(shí)，最里面的型腔將首先充滿，如圖5（a），在給定的工藝條件下，利用流道平衡分析可以直接給出合理的澆道尺寸而使每個(gè)型腔同時(shí)充滿，見圖5(b。 3.5流動(dòng)分析在模具設(shè)計(jì)中的其它應(yīng)用 流動(dòng)分析不僅能夠得到總體的充填模式、熔接線與氣穴位置，任意時(shí)刻型腔壓力、溫度等，而且還能夠得到許多有用的

19、信息如流動(dòng)前沿面積(MFA、鎖模力、剪切應(yīng)力和剪切速率等，這些信息也能夠?qū)δ＞咴O(shè)計(jì)提供很大的幫助。 MFA是指任意時(shí)刻熔體前沿面積的總和，它隨著充填位置的變化而變化。澆口位置、流道尺寸等都會(huì)因影響充填而改變MFA。因此MFA可以用來(lái)檢驗(yàn)流動(dòng)平衡程度，流動(dòng)愈平衡，則MFA變化愈小。對(duì)于給定的復(fù)雜塑件模具，可以利用流動(dòng)分析得到的MFA曲線來(lái)幫助設(shè)計(jì)者比較不同流道及澆口設(shè)計(jì)，以找到最佳的平衡充填設(shè)計(jì)方案。 鎖模力的計(jì)算是將型腔內(nèi)各部位的熔體壓力乘以該部位在開模方向的投影面積的計(jì)算結(jié)果的疊加而得到。鎖模力會(huì)隨著型腔的充填而逐漸變化，要降低鎖模力的最大值，最重要的是設(shè)法降低充填所需壓力，這可以利用流動(dòng)分

20、析來(lái)考慮型腔、流道、澆口的設(shè)計(jì)，熔體流動(dòng)性愈好，需要的鎖模力也就越小。 剪切應(yīng)力和剪切速率的大小反映了熔體在流動(dòng)過(guò)程中分子受力大小以及分子取向程度，如果分子承受過(guò)大的力，將會(huì)把分子鏈拉斷而影響制品的機(jī)械性能，如果分子取向過(guò)大會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力而造成制品的變形。因此，每一種材料都有允許的剪切應(yīng)力上限，利用流動(dòng)分析可以檢查剪切應(yīng)力是否超過(guò)上限值，而修改設(shè)計(jì)使剪切應(yīng)力最小也是模具設(shè)計(jì)的基本原則。 4 冷卻分析與冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì) 對(duì)熱塑性塑料的注射成型，模具冷卻時(shí)間占整個(gè)成型周期的2/3。冷卻過(guò)程中熔融塑料發(fā)生固化，固化過(guò)程中放出的熱量通過(guò)模具由冷卻介質(zhì)帶走。該過(guò)程中模具型腔溫度的高低及均勻性直接影響到塑件生

21、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(lái)完成。冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)包括:冷卻管道的尺寸、連接關(guān)系及位置等幾何參數(shù)和冷卻介質(zhì)的流量、進(jìn)口溫度等物理參數(shù)。一個(gè)高效、均衡的冷卻系統(tǒng)可以縮短冷卻時(shí)間，提高成型效率，并減少或避免塑件的殘余應(yīng)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(shè)計(jì)參數(shù)后，注射模冷卻分析軟件即可預(yù)測(cè)出冷卻介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)，模壁的溫度分布及冷卻時(shí)間等，為設(shè)計(jì)人員評(píng)劃設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了先進(jìn)實(shí)用的工具。圖6為蓄電池盒(材料為PP注射模的冷卻系統(tǒng)幾何模型，該蓄電池盒底部和側(cè)壁厚度為5mm，中間隔板的厚度為2.5 mm。該產(chǎn)品模

22、具為3板雙分型面結(jié)構(gòu)，從產(chǎn)品3個(gè)空腔底部的中心進(jìn)料，模具材料為P20。該模具冷卻系統(tǒng)由4條冷卻水道組成，型腔上3條(環(huán)繞側(cè)壁2條，底部1條，型芯上1條(有3個(gè)翻水孔。冷卻分析所需的工藝參數(shù)為熔體溫度240，冷卻水溫度40，冷卻水流量101m3/ min,脫模溫度110。圖7和圖8為由冷卻分析得到的塑件壁厚方向的溫差分布及冷卻時(shí)間分布。 由圖7可看出，該設(shè)計(jì)方案中，型芯與型腔的冷卻并不均衡，每個(gè)空腔的角上溫差最大(該處等值線最密，由此產(chǎn)生的不平衡力矩將可能導(dǎo)致塑件翹曲。由于型芯冷卻水管道中的Re已超過(guò)10 000，冷卻介質(zhì)已處于交流狀態(tài)，增大型芯上翻水孔中的流量不能明顯改善冷卻效果。為改善冷卻不

23、平衡程度，只能在型芯上增設(shè)翻水孔或增大翻水孔直徑并使翻水孔頂端靠近模壁，但冷卻介質(zhì)的流量也應(yīng)按比例增加，以維持冷卻介質(zhì)的紊流狀態(tài)，保證有效的換熱。 從圖8可以看出，由于厚度的差異，中間隔板較四周和底部冷卻得快，收縮較小，冷卻速率不同產(chǎn)生的收縮應(yīng)力可能導(dǎo)致隔板的變形。此外由于要使箱體的底部和四周得到足夠冷卻，須延長(zhǎng)冷卻時(shí)間。為減小和避免隔板的變形，應(yīng)減小不同部分冷卻速率的差異，在此可通過(guò)減小箱體四周和底部的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)。如用加筋的辦法在滿足塑件剛度要求的條件下將厚度比從2:1減小到1.5:1，這樣，不但可以改善產(chǎn)品質(zhì)量，還可以明顯縮短冷卻時(shí)間，提高成型效率。 采用美國(guó)AC一TECH公司的C一MOL

24、D軟件系統(tǒng)對(duì)洗滌粉盒面板的注射成型過(guò)程進(jìn)行了充模過(guò)程流動(dòng)模擬, 并依此結(jié)果對(duì)模具澆口和流道系統(tǒng)的原設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。根據(jù)模擬結(jié)果推薦的注射工藝參數(shù)經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證得到了滿意的結(jié)果。根據(jù)C一MOLD的分析結(jié)果可以幫助模具設(shè)計(jì)人員解決下列問題 ：(1確定澆口的數(shù)目和位置, 保證填充過(guò)程熔體流動(dòng)場(chǎng)的均勻和注射壓力的降低;(2預(yù)測(cè)熔接線的位置和強(qiáng)度, 并使之處在理想的位置；(3預(yù)測(cè)可能存在的氣穴位置, 以確定正確的排氣位置；(4預(yù)測(cè)制品中的分子流動(dòng)或纖維取向, 并使之處于預(yù)先設(shè)想的狀態(tài)；(5估算鎖模力和優(yōu)化成型工藝參數(shù)；(6提供注射機(jī)螺桿運(yùn)動(dòng)曲線, 指導(dǎo)注射工藝。洗滌粉盒面板采用進(jìn)口聚丙烯塑料（PP 7728

25、）經(jīng)注射成型制得, 其主要成型工藝參數(shù)如下：洗滌粉盒面板屬于外置件, 對(duì)外表面質(zhì)量要求較高, 制件壁厚基本均勻, 約2mm, 設(shè)計(jì)時(shí)采用側(cè)澆口。為保證制件質(zhì)量, 一方面要求在給定條件下不能產(chǎn)生短射、充填不足現(xiàn)象, 使熔體在型腔內(nèi)的流動(dòng)場(chǎng)盡可能均勻, 即流動(dòng)前沿速度在注射過(guò)程不同時(shí)刻流經(jīng)不同截面時(shí)保持流動(dòng)速度均勻, 這樣才能保證制品質(zhì)量, 不易出現(xiàn)縮痕等缺陷, 同時(shí)可保證聚合物分子纖維取向合理, 獲得較高的表面質(zhì)量, 而且殘余應(yīng)力較小, 成型后翹曲變形小。另一方面, 由于該制件外觀要求較高, 因而應(yīng)使型腔內(nèi)熔體的熔接痕盡可能地位于側(cè)面或不明顯的位置。另外, 由于注射成型時(shí)間較短, 注射溫度較高,

26、 流動(dòng)速度快, 要求型腔排氣順暢, 否則易產(chǎn)生氣孔、焦化等缺陷, 因此應(yīng)在型腔內(nèi)氣體匯聚易產(chǎn)生氣穴的位置設(shè)置排氣槽。如果僅憑設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)很難完全滿足上述要求, 而采用CAE定量分析方法可反復(fù)模擬給定設(shè)計(jì)參數(shù)下的填充結(jié)果, 直到滿意為止。同普通有限元分析方法一樣, 注射成型流動(dòng)模擬方法也包括前處理、分析解算和后處理三個(gè)步驟。采用C一MOLD分析前, 先采用C一MOLDER刃模塊構(gòu)造零件中面的三維模型, 然后進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分, 指定注射澆口的位置, 并確保澆口點(diǎn)在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上, 該制件共有1072個(gè)節(jié)點(diǎn), 一個(gè)澆口, 2038個(gè)三角形單元。圖1為充模過(guò)程中在不同時(shí)間內(nèi)熔體流動(dòng)前沿位置預(yù)測(cè)。從圖1可

27、看出是否有填充不足等缺陷, 也可根據(jù)相鄰流動(dòng)前沿鋒線的間距判斷填充過(guò)程中流動(dòng)速度是否均勻。圖1中鋒線間距均勻, 說(shuō)明成型過(guò)程中流動(dòng)場(chǎng)十分均勻, 流動(dòng)速度波動(dòng)不大, 成型質(zhì)量較好。由于澆口位置在制件側(cè)面中部, 可將澆口位置設(shè)置在制件側(cè)面中部幾個(gè)不同位置, 運(yùn)用分析軟件計(jì)算預(yù)測(cè)各種條件下熔接痕可能產(chǎn)生的位置。圖2為其中一種情況。從圖2可以看出, 在這種條件下熔接痕的位置基本上位于內(nèi)筋和外觀不明顯處, 這樣可保證外表面外觀質(zhì)量。分析結(jié)果同時(shí)給出了氣穴可能產(chǎn)生的 位置(見圖3, 設(shè)計(jì)時(shí)可以在這些位置上設(shè)置排氣槽, 以避免過(guò)燒、氣穴等缺陷。另外, 由于流動(dòng)前沿截面面積差異很大, 為獲得均勻統(tǒng)一的流動(dòng)場(chǎng),

28、 需要對(duì)注射機(jī)注射螺桿的運(yùn)動(dòng)速度作相應(yīng)的調(diào)整。圖4給出了對(duì)應(yīng)該制件注射成型的螺桿運(yùn)動(dòng)曲線。注射成型時(shí)按照?qǐng)D中提供的運(yùn)動(dòng)曲線, 取出行程中幾個(gè)離散點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度比, 調(diào)整螺桿運(yùn)動(dòng)速度所成型的制品質(zhì)量較之螺桿恒定運(yùn)動(dòng)速度時(shí)有明顯的提高。上述工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)參數(shù)的獲得, 使得模具設(shè)計(jì)人員可以放心地進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 并可借助于其它CAD/CAM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于流動(dòng)模擬的設(shè)計(jì)加工的一體化, 顯著地提高模具的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率5 MoldFlow在注塑成型中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的注射模設(shè)計(jì)主要依靠設(shè)計(jì)人員的直覺和經(jīng)驗(yàn)，模具設(shè)計(jì)加工完后往往需要經(jīng)過(guò)反復(fù)地調(diào)試與修正才能正式投入生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)問題后，不僅要重新調(diào)整工藝參數(shù)，甚至

29、要修改塑料制品和模具，這種生產(chǎn)方式降低了新產(chǎn)品的開發(fā)速度。而利用MOLDFLOW軟件在模具加工之前，在計(jì)算機(jī)上對(duì)整個(gè)注塑成形進(jìn)行模擬分析，可以進(jìn)行填充、保壓、冷卻、翹曲、纖維取向、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、收縮以及氣輔成形等分析，找出可能出現(xiàn)的缺陷，提高一次試模的成功率，降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期?，F(xiàn)在主要介紹使用MOLDFLOW模擬分析軟件對(duì)星型注塑件不同澆口位置進(jìn)行流動(dòng)模擬分析，預(yù)測(cè)可能存在的氣泡位置和預(yù)測(cè)熔接痕的位置，確定最佳澆口位置和數(shù)目。為模具設(shè)計(jì)人員進(jìn)行模具設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 5.1模擬分析過(guò)程 1分析模型的建立圖 圖1為該零件的三維實(shí)體模型，由實(shí)體模型建立的該注塑件的有限元分析模型如圖2所示，在分析

30、中采用中性面網(wǎng)格，有限元分析模型數(shù)據(jù)為:面單元數(shù)-1547，節(jié)點(diǎn)數(shù)-821。 2澆口位置的確定及流動(dòng)分析 本文分別采用一個(gè)澆口和兩個(gè)澆口進(jìn)行分析比較:方案1一個(gè)澆口居中(如圖3所示，方案2兩個(gè)澆口居左右兩側(cè)(如圖4所示，塑件所用材料為DUPONT，相關(guān)參數(shù)為:塑料熔融溫度-215.00；模具溫度-90.00。 5.2. 流動(dòng)模擬分析結(jié)果比較 1不同澆口位置產(chǎn)生的氣泡 在塑料熔體注射充填過(guò)程中，模腔內(nèi)除了原有空氣外，還有塑料含有的水分在注射溫度下蒸發(fā)而成的水蒸氣，塑料局部過(guò)熱分解產(chǎn)生的低分子揮發(fā)性氣體等。這些氣體若不能通過(guò)排氣系統(tǒng)順利排出模腔，將會(huì)影響制品成型以及脫模后的質(zhì)量。 圖5、圖6表明，

31、注塑件在澆注結(jié)束后都會(huì)在兩股低溫流頭相遇處或流動(dòng)末尾處產(chǎn)生氣體。兩種方案氣泡出現(xiàn)情況基本一致，都不出現(xiàn)于零件的內(nèi)部，易于排除，可行。 2不同澆口位置產(chǎn)生的熔接痕 熔接痕產(chǎn)生于兩股低溫流頭相遇的位置，熔接痕的出現(xiàn)對(duì)制品強(qiáng)度有一定的影響，熔接痕會(huì)削弱制品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和制品的表面缺陷，并且在對(duì)制品涂漆等后處理時(shí)，熔接痕位置較難處理。所以應(yīng)盡量縮短熔接痕的長(zhǎng)度和避免出現(xiàn)在制品嚴(yán)重的受力部分。 圖7、8分別給出了兩種澆口位置的熔接痕的數(shù)量及分布。從結(jié)果可以看出方案1沒有熔接痕，模具流動(dòng)較均勻。方案2有熔接痕，在熔接痕處的力學(xué)性能差，影響制品的質(zhì)量。如圖8所示，因此方案1單澆口居中方案較好。 5.3 結(jié)束語(yǔ) 采用MOLDFLOW軟件對(duì)注塑件進(jìn)行流動(dòng)模擬分析，可以解決以下問題:通過(guò)澆口位置分析，可以確定澆口的位置和數(shù)目；預(yù)測(cè)可能存在的氣泡位置，以確定排氣槽的開設(shè)位置；預(yù)測(cè)熔接痕的位置，并通過(guò)比較確定更為合理的工藝