基于流动模拟的注塑模并行设计方法

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分类号：TH122　文献标识码：A
, R  a; g# j7 A/ H" a/ J5 N文章编号：1001-3997(2000)01-0033-02
Study on the Plastics Injection Molding Concurrent Design based
on Computer Aided Flow Simulation Method
XIANG Hui-yu SUN SHENG
(Shandong Univ.OF Technology Jinan 250061 China)
Abstract：This paper introduces the main characteristics of the concurrent design method of plastics injection molding based on computer aided flow simulation, meanwhile, a practical case has been discussed to illustrate the priority of this method with contrast to the traditional experience-based design method.
Key words：Mould Injection Molding process； Computer Aided Engineering▲
1　引言
5 E$ F; r4 X- d: E　　并行工程(Concurrent Engineering)作为一种设计思想，是一种共时性的系统设计开发方法。它以缩短产品投放市场的时间、提高产品质量和降低生产成本为目标，由于在产品设计阶段，同时进行生产过程和支持过程的设计，从而使不同设计要求引起的矛盾在初始阶段就得到协调解决，避免了设计—制造—检测—修改的反复过程所引起的设计时间的延长和制造成本的提高。传统的塑料模具的设计制造过程一般具有串行流程的特点，即根据设计者的经验进行模具设计，然后由制造工程师进行工艺规划，最后交付车间进行模具加工，加工装配后进行试模，根据得到的试件对模具的设计进行评价，如发现问题则进行相应的改进。一般而言，模具在交付使用之前都要反复修改，从而造成了模具设计周期的延长和浪费。对比较复杂的异型件，模具流道板等部件的返工也时有发生，另外型腔填充情况，熔接痕位置的确定等都是设计人员所经常面临的较难把握的问题。目前在家电、汽车等行业中，形状复杂、精密度高的塑料模具进口的比重较大，每年企业在这方面投资都是巨大的。从企业长期发展的战略眼光着眼，模具设计和制造水平决定着产品的水平和市场竞争力，因而国内许多企业都将模具设计和制造技术作为企业技术改造的重点，这在客观上对模具设计和制造方法和水平提出了更高的要求，一方面，要求模具设计和制造水平高，一次试模成功率高；另一方面，模具设计和开发的周期要短，以适应市场经济对产品更新换代快的要求。
/ A  f$ Z' ]0 Z$ g: o' [　　从并行设计的角度看，塑料注射模具的设计应遵循这样的路线：根据塑料件的形状，建立对应于该塑件的流动模拟和冷却模拟几何模型，模拟填充过程流动模式，预测流动前沿和熔接线位置，评价设计方案，发现问题，修改方案，直至得到满意结果。在此基础上，借助于其他软件平台，完成相关模具设计和制造工作。理想的模式是完全实现CAD/CAM/CAE的集成。模具生产过程需要综合考虑待加工零件的功能结构，生产批量、模具材料、模具结构等多方面的因素，不可避免会有设计——制造——再修改的反复过程，将并行工程设计思想注入模具设计和制造过程中，使模具设计师在设计模具时并行的考虑产品的功能需求、模具结构设计要求及模具零件的加工性等，及时的协调各方的意见，这样可望实现模具设计的一次成功。
　　图1和图2给出了两种设计模式的特点和差异，从中可以看出采用串行设计模式，设计成功与否将很大程度上依赖设计者的经验，而且对复杂零件浇口位置的合理与否，排气槽位置的设置、熔接线位置的确定等都十分困难。模具在交付使用之前一般需经过反复试模修改，直到得到合格的产品为止，从而不可避免的造成了生产周期的延长而且一般也难以得到最优的设计方案和工艺参数。而并行设计模式则不然，由于在模具设计构思阶段，设计利用CAE手段对所设计模具进行了流动填充过程进行了模拟，使得通常只有在模具试模阶段才能发现的问题，如型腔难以充满，熔接线出现在外观零件表面或对强度要求较高的位值等得以避免，同时帮助设计人员完成诸如流道系统的平衡设计，排气槽的设置，合理注射工艺参数的确定等工作，这样使得通常在必须反复试模修改而确定的模具结构参数和工艺参数在模具设计构思阶段得以确定，大大地缩短了模具设计周期，提高了模具设计质量。所以实现注塑模并行设计的核心技术之一是流动模拟方法。
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1 g3 b& m% p2 I; }
+ J4 G1 x/ X, W/ ~图1　模具串行设计过程流程图

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图2　模具并行设计过程流程图
& G1 o) U2 i; D" E9 y0 L2　注射模流动模拟技术的数学基础
　　塑料注射成型过程是一个相当复杂的物理过程，其成型工艺，模具设计及其模具加工的水平的影响到制品质量的高低。因此，只有对塑料成型过程有深入的了解，才能有助于产品与模具设计人员改进设计，生产出高质量的产品。从六十年代开始，英国、美国、加拿大等国的学者如J.R.Pearson(英)、J.F.Stevenson(美)M.R.Kamal(加)K.K.Wang(美)等开展了一系列有关塑料熔体在模具型腔内流动与冷却的基础研究。在合理的简化的基础上，60年代完成了注塑过程一维流动与冷却分析程序，70年代完成了二维流动与冷却分析程序，80年代开展了三维流动与冷却分析，并把研究扩展到保压分析，分子纤维取向，以及翘曲与变形预测等领域。进入90年代后开展了流动、保压、冷却、应力分析等注塑工艺全过程的集成化研究。这些卓有成效的研究成果，为开发实用型的注塑模工艺过程分析软件奠定了基础。国内一些高校和科研单位也在该领域进行了许多卓有成效的工作，取得了一些成果。注射成型填充过程的数值模拟是建立在数学模型和算法的基础上的。充模过程是一个瞬变，非等温流动过程。它由连续方程，动量方程和能量方程控制。
9 e. U6 [* L/ s# o, `6 U.NEW YORK,U.S.A.1997.
( F( ^% v4 m2 P2 B2.1　连续方程

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式中：
　　
6 ~8 p9 a; M4 g+ H" I1 Thttp://www.ourjx.com/attachment/godhelp/2005112622345966277804_chinacnw_com.gif
+ H2 ~# m, ~) {6 A" F0 `+ t' H——流体密度对时间的变化率；
4 b$ n: G" z& I& Z8 R　　
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——Hamilton算子，下同；
　　
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1 Q* ^! Q2 T; B/ H$ C" n——速度向量，下同；
　　对于不可压缩的流体，ρ=常数；
' n# J4 H6 P. B- I2 q) J2.2　动量方程
# P. G6 ^' w: C6 [" |3 N# e! Q( C9 W) ]
/ {$ Z+ @8 ^9 ?2 t$ |; w% z$ Ehttp://www.ourjx.com/attachment/godhelp/2005112622345993377807_chinacnw_com.gif

6 B2 I. G9 `7 E% W7 p式中：
4 |/ D7 s8 W! x, a& U5 Q　　
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——流体速度的随体导数；
" x; K/ `1 y- t$ g5 l" r5 |　　
3 L( F/ p* D  R& R; ^; d( uhttp://www.ourjx.com/attachment/godhelp/20051126223506377809_chinacnw_com.gif
  B6 m6 q3 {4 L0 g! H——单位流体体积的质量力；
2 @* b' g8 J5 u& q$ n　　
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( F8 X; Z' M4 m/ w——应力张量；
　　根据广义牛顿内摩擦定律，应力张量
" _& {! U; k. ~; j, I4 G3 Chttp://www.ourjx.com/attachment/godhelp/2005112622350123778010_chinacnw_com.gif
9 T; _1 i. z2 s3 Z形变速率张量
4 G  }8 z& t" j+ ehttp://www.ourjx.com/attachment/godhelp/2005112622350233778011_chinacnw_com.gif
的关系(即本构方程)为：

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7 e: T/ }: i$ G4 O" i9 M: N' L" v2.3　能量方程
, |) p, {* |5 w3 U  h7 i7 X: F
1 M) R$ i" \" X' W/ s4 Ehttp://www.ourjx.com/attachment/godhelp/2005112622350393778013_chinacnw_com.gif
9 q) @$ k8 f8 l  \2 D2 v# f+ S& m
2 _( \8 Y1 k1 {$ |* Y" ?式中：
+ i4 I  N7 z& ?- Q+ Q4 f- W　　
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0 o& x; |) e, ]——温度的随体导数；
　　Cv——定容比热容；
+ g9 T3 g/ i6 B; S% o, {2 x　　φ——粘性耗散项；
　　k——热导率；
　　q——单位体积的热源强度。
0 K4 I9 U) `) G+ _1 S# p4 _/ p　　对基本控制方程进行简化便得到聚合物熔体充模过程的非等温、非牛顿和非弹性流动时的控制方程，也就是著名的GHS(The Generalized Hele-Shaw flow Model)模型。这个模型为注射模工艺分析模拟技术奠定了基础。注射成型充模流动模拟时，所涉及的一个重要的聚合物性能是聚合物熔体的粘度特性。它是进行流动模拟计算时不可缺少的数据资源。一般认为熔体粘度受温度、剪切速率及压力的影响，目前，有两种粘度模型被普遍采用，即幂率模型和Cross模型。在此理论基础上产生了流动模拟技术的有限差分法、有限元法和边界元法等。上述解算方法在国内外有关文献中阐述较多，在此不再赘述。
　　注塑成型流动模拟作为一种辅助设计的工具，可以帮助模具工艺师解决下列问题：
　　(1)预测熔接线的位置和强度，并使之处在理想的位置；
　　(2)预测可能存在的汽穴位置，以确定正确的排气位置；
% P/ f) {9 x, i# f5 M3 g4 l9 Y　　(3)预测制品中的分子流动或纤维取向并使之处于预先设想的状态；
1 y0 J3 Z( A6 I/ U. e1 m　　(4)估算锁模力和优化工艺参数；
　　(5)提供注射机螺杆运动曲线指导注射工艺；
5 v5 X  B& l, g9 {# O3 i　　(6)确定浇口的数目和位置；
$ q5 s! G& B) I0 H' s+ R, Z　　(7)平衡流道系统设计，并尽可能的减小流道系统的总体积。
  G* M% w3 P2 [5 x6 p1 M5 b$ v9 V　　流动模拟结果能为模具工作者提供熔体在流动过程中的动态图，提供不同时刻熔体及制品在型腔内各处的温度、压力、剪切速率、切应力以及注塑过程所需的最大的锁模力等。其模拟结果对改进模具浇注系统及调整注塑成型工艺参数有着重要的指导意义。
3　设计实例
0 A0 ~( c/ |! [* {3 O　　这里采用美国AC-TECH公司著名的注射模CAE软件C-MOLD软件系统对某家电产品的过滤网架的注射成型程进行了充模过程流动模拟，得出了一组优化的工艺参数，依据此结果对模具浇口和流道系统进行了设计，得到了满意的效果。过滤网采用聚丙稀树脂注射成型，由于零件过滤孔多，所以注射成型时容易产生填充不足、缩痕等缺陷，采用流动模拟技术，可以获得理想的设计参数，获得均匀一致的流动场，从而避免了上述缺陷的发生，提高一次试模成功率，提高了成品质量。该零件注射成型过程中的主要工艺参数如下：
　　最大锁模力：150ton；
　　最大注射量：286cm3；
　　最大注射速率：7100cm3/s；
+ I& }2 M( G5 q- l　　环境温度：24.50℃；
　　塑料注射温度：227℃。
　　该零件对外表面质量要求不高，中间分布着十多个方形通孔，壁厚较均匀，一般为2毫米，采用进口PP.7728聚丙稀材料，成型过程中易发生的缺陷主要是孔间薄壁填充量不足，解决这个问题的关键有两点，一是合理的选择流道和浇口的尺寸及位置，二是根据模拟结果得到合理的注射参数，如注射温度，注射时间、注射压力和优化的螺杆运动曲线等。判断流场合理与否的依据可以在流场的均匀性上得出。所谓流场均匀，即流动前沿速度MFV(Melt Front Velocity)在注射过程不同时刻，流经不同截面时流动速度保持均匀，这样制品质量好，不易出现缩痕等缺陷，不能产生短射充不足现象，同时熔体在型腔内的流动场均匀，保证了聚合物纤维趋向的均匀，可获得较高的表面质量。该零件机构对称，长度较长而宽度较小，为减少注射压力，采用双点侧浇口对称分布，以保证零件质量。采用C-MOLD软件进行流动模拟分析的基本步骤和普通有限元方法相同，也包括以网格划分为目的的几何建模和材料定义(前处理)、分析解算、和分析结果显示和分析评价(后处理)三个阶段。在进行流动模拟分析前，需要首先构造用以流动分析的零件中面的三维模型，中面模型的构造可采用两种方法，一种方法是在通用CAD环境中完成零件的设计，提取出零件的中面模型，然后通过合适的数据接口转换成C-MOLD可接受的数据模型；另一种方法是利用C-MOLD中的MODELER模块直接构造零件中面模型。在获得中面模型以后，即可进行有限元网格剖分，指定注射浇口的位置，并确保浇口点在网格节点上，然后即可进行有限元模拟运算。该零件共划分为2504个节点，两个点浇口，4138个三角形单元。从分析结果可以看出，上述工艺条件下，零件成形时，相临时间间隔内，熔体峰面分布均匀，说明聚合物流动场是均匀的［见图3］，成型质量高；图4给出了分析预测出的现有结构下，注射成型过程中型腔内空气可能汇集产生气穴或焦化痕的位置，模具设计时，应考虑在这些位置增设排气槽，以保证制件质量，避免气穴、焦痕等缺陷。图5给出了经流动模拟后推荐的螺杆运动速度曲线，注射成型时按照上述提供的运动曲线，取几个离散点的值，调整螺杆运动速度，从而有效地保证了流动场的均匀合理，保证了制品分子纤维取向的合理，在一定程度减少了缩痕等缺陷产生的可能性，使得制品质量比通常的注射过程中螺杆恒定运动速度时有着明显地提高。

* l! M' M) {1 l2 s9 Chttp://www.ourjx.com/attachment/godhelp/2005112622350574778015_chinacnw_com.gif
2 [( B& l7 T7 |  p( l' p7 y  h6 Z! a
图3　成型过程流动场分布(标尺为体积百分比)

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图4　气穴(焦化痕)位置预测

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图5　注射过程推荐螺杆运动速度曲线
(横坐标为行程百分比，纵坐标为螺杆速度百分比)
4　结论
- n& v, Y+ d  ]8 B　　在注射模具设计过程中，采用基于流动模拟技术的并行设计，在模具设计构思阶段，进行设计评价和缺陷预测，是提高模具设计质量的有效方法，用量化指标替代传统的定性分析，在一定程度上减少了对设计者经验的依赖，对于精密复杂的塑料模具设计一次成功具有重要的意义。■
作者单位：项辉宇（山东工业大学机械学院，济南　250061）
　　　　　孙胜（山东工业大学机械学院，济南　250061）
1 ]7 C' N( {+ o% E2 t# x参考文献：
8 x8 ^1 k% X7 j2 o3 ^［1］胡小平.模具CAD/CAM中并行设计的探索.模具工业，1995.5.
& W% ]6 l7 A0 j7 N) \［2］袁中双.注塑模CAE技术的进展与趋势.中国机械工程，1992.6.
* Z# B% w; l% T9 q/ I$ S［3］塑料模具设计手册.机械工业出版社，1997.6.
! V: Y5 C) Q  M" O［4］C-MOLD Design Guide. AC Technolgy

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