馮桂香 章巧芳

摘要:目前我國塑料模具的設計與制造主要依賴設計員的經(jīng)驗和工藝員的技巧,設計合理與否、制品有無缺陷只有通過試模才知道,模具的設計與制造周期長、成本高。采用計算機輔助工程(CAE),可以提高塑料模具的設計制造水平及制品質(zhì)量。本文從介紹注塑模CAE技術(shù)的內(nèi)容、方法及其發(fā)展著手,闡述了模流分析原理,并重點介紹了模擬分析軟件MPI(Moldflow Plastics Insight)的設計原則。

關(guān)鍵詞:塑料射出成形、CAE、模流分析,設計原則

引言

我國的塑料制品工業(yè)一直在持續(xù)快速發(fā)展,其應用數(shù)量多,范圍廣,已經(jīng)滲透到人們的日常生活中。注射成型是塑料加工的普遍采用的方法之一。適用于大批量生產(chǎn)、形狀復雜、尺寸要求精確的塑料制品。

1 塑料射出成形(injection molding)是將熔融塑料材料壓擠進入模穴,制作出所設計形狀之塑件的一個循環(huán)制程。射出成形制程根據(jù)所使用的塑料而有不同,熱塑性塑料必須將射進模穴的高溫塑料材料冷卻以定形,熱固性塑料則必須由化學反應固化定形。射出成形是量產(chǎn)設計復雜、尺寸精良的塑件之最普遍和最多元化的加工方法。除了應用于熱塑性塑料、熱固性塑料以外,射出成形也可以應用于添加強化纖維、陶瓷材料、粉末金屬的聚合物之成形。

2 現(xiàn)代化模具及塑料生產(chǎn)企業(yè)都非常重視計算機輔助技術(shù)(CAD/CAE/CAM)的應用。計算機輔助工程分析(Computer-Aided Engineering, CAE)是應用計算機分析CAD幾何模型之物理問題的技術(shù),可以讓設計者進行仿真以研究產(chǎn)品的行為,進一步改良或最佳化設計。目前在工程運用上,比較成熟的CAE技術(shù)領(lǐng)域包括:結(jié)構(gòu)應力分析、應變分析、振動分析、流體流場分析、熱傳分析、電磁場分析、機構(gòu)運動分析、塑料射出成形模流分析等等。

注塑模CAE技術(shù)是對塑料注塑過程進行模擬分析,包括充模流動模擬、保壓過程模擬、冷卻過程模擬及翹曲模擬分析。塑料射出成形的模流分析系應用質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒方程式,配合高分子材料的流變理論和數(shù)值求解法所建立的一套描述塑料射出成形之熱力歷程與充填/保壓行為模式,通過模擬分析可以預測制品填充不足、熔接痕、氣泡和翹曲變形等缺陷,還可以測定澆口的數(shù)量和位置,測定注塑時的注射壓力以及注塑時間,熔體流動前鋒的溫度變化,剪切應力,剪切速率等系列參數(shù)。

3 Moldflow軟件是專業(yè)從事注射成型CAE軟件和咨詢的Moldflow公司的系列產(chǎn)品。該公司自1976年發(fā)行了世界上第一套注射模CAE軟件以來,一直主導注射模CAE軟件市場。 它包括三個部分:Moldflow Plastics Advisers(產(chǎn)品優(yōu)化顧問,MPA),Moldflow Plastics Insisht(注射成型模擬分析,MPI)和Moldflow Plastics Xpert(注射成型過程控制專家,MPX)。通常使用MPI來對注射過程進行模擬,從而得到最佳的澆口數(shù)量和位置,合理的流道系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng),并對型腔尺寸、澆口尺寸、流道尺寸和冷卻系統(tǒng)尺寸進行優(yōu)化,并且還可以對注射工藝參數(shù)進行優(yōu)化。

Moldflow中注射成型模擬分析(MPI)設計原則:

3.1 單向和可控的流體模型

為了形成單一的取向,零件的填充模型也應該是單一的。這就要求在填充的過程中,流體自身的方向也應該一直保持不變。

3.2 流體平衡

在同一幅模具中的流路應該以相等的壓力填充完畢。對多型腔模具而言,就要求每一個型腔都同時完成充填。有自然平衡流道或幾何平衡流道和人工平衡流道之分。自然平衡流道的流體從澆口到零件所流經(jīng)長度對所有型腔而言都是相等的。與人工平衡流道相比,該類型的流道系統(tǒng)有較大的傳送距離。人工平衡流道系統(tǒng)通過改變流道的尺寸達到平衡。優(yōu)先使用自然平衡流道系統(tǒng)。

3.3 等壓力梯度

在充填的過程中,流體應該以相等的壓力梯度通過零件。當大部分零件是以沿徑向的流體填充的,隨著液體前沿與另一側(cè)的中心相遇,流體前沿開始收縮,這導致壓力梯度有一個細微的增長。壓力梯度說明了模流的平衡問題,也反映了注射速度的剖面。

3.4 最大剪應力

零件的最大剪應力應低于材料數(shù)據(jù)庫指定的材料極限值。該極限值大約是材料抗拉強度的1%。零件在惡劣的工作環(huán)境中,例如高溫,重載或有化學腐蝕,最大剪應力相應要降低。反之,零件在比較理想的工作環(huán)境下,則該極限值偏低,實際應力值可以略高于極限值。

3.5 布置焊接和熔接線

當兩股流體的前沿迎面混合時,便會形成焊接線。當兩股流體前沿相遇并且流向同一方向時形成熔接線。通常相對熔接線而言,焊接線處力學性能更弱并且更明顯。但它們都是應該盡量避免。零件上每增加一個流口,就額外的形成一條焊接線或熔接線。當焊接線或熔接線無法避免時,應該將它們布置在最不敏感的區(qū)域。較高溫度下成型并且背壓較高時候,焊接線或熔接線的強度會得到改善。

3.6 避免滯流的影響

滯流是無意識流體前沿流動性的減緩。當流體前沿減緩得太厲害時,流體前沿會過冷,更嚴重的會導致凍結(jié)分離。滯流出現(xiàn)在壁厚變化大的零件上。縮短注射時間可以減少滯流的發(fā)生。澆口應遠離塑件之薄截面區(qū)域或壁厚突然變化區(qū)域,以避免滯流現(xiàn)象或產(chǎn)生凹痕與空洞。

3.7 避免下溢

下溢出現(xiàn)在充填過程中流體前沿改變方向流向時,是由于澆口的位置引起流體前沿的不平衡所致。下溢影響到零件纖維本身的取向。零件某一區(qū)域的最初充填方向是等時線表示。流體的方向正交于等時線。分子的最初取向和流體的方向一致,如果隨后的充填階段,流體方向改變了,那么靠近流道中心的分子將會取向于心得流動方向。通常分子在取向的方向上有收縮的趨勢,在出現(xiàn)下溢的區(qū)域有明顯的內(nèi)應力存在。

3.8 流量導桿和流量轉(zhuǎn)向裝置平衡

在名義壁處,流量導桿使流量局部增加,相反流量轉(zhuǎn)向裝置使流量局部減緩。

很多零件僅通過改變澆口位置無法達到平衡。稍微改變一下壁厚來提高或緩減某一方向的流體速度卻是很有效的?？梢允沽慵涮钇胶?即使從澆口到零件末端的流動長度不相等。由于零件的結(jié)構(gòu)不盡相同,該方法也不是對所有零件都行之有效。

此外,均勻冷卻、選取適當?shù)牧鞯莱叽绾秃线m的流道/型腔比也對產(chǎn)品注射成型優(yōu)化起重要作用。

4 盡管注射模CAE技術(shù)從理論研究到實際應用都取得了飛速進步,但注射模軟件無論在功能還是在精度上都有待進一步提高。Moldflow各種分析功能非常強大、實用和有效,但優(yōu)化方案的設計完全依賴使用者的經(jīng)驗和智慧,方案的制定直接關(guān)系到優(yōu)化效果,決定著優(yōu)化設計的成功與否。

應用CAE軟件必須注意到其分析結(jié)果未必能夠體現(xiàn)所有的問題,其應用重點在于有效率地針對問題提出可行之解決方案,以爭取改善問題的時效。應用CAE工具時,必須充分了解其理論內(nèi)涵與模型限制,以區(qū)分仿真分析和實際制程的差異,才不至于對分析結(jié)果過度判讀。

參考文獻

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[5]www.mouldbbs.com