注塑成形模拟技术在模具设计中的应用[1].pdf

注 塑 成 形 模 拟 技 术 在 模 具 设 计 中 的 应 用孙 强 周 华 民 黄 志 高 李 德 群华 中 科 技 大 学 塑 性 成 形 模 拟 及 模 具 技 术 国 家 重 点 实 验 室 ,武 汉 ,430074摘 要 :在 一 模 多 腔 的 注 塑 模 具 设 计 中 ,合 理 地 设 计 分 流 道 和 浇 口 的 尺 寸 ,保 证 塑 料 熔 体 以相 同 的 成 形 压 力 和 温 度 ,在 同 一 时 间 充 满 型 腔 一 直 是 设 计 的 重 点 和 难 点 。 以 非 自 然 平 衡 浇 注系 统 为 重 点 ,阐 述 了 浇 道 和 冷 却 系 统 的 优 化 算 法 以 及 如 何 利 用 华 塑 三 维 模 拟 成 形 分 析 软 件 进行 流 动 模 拟 和 工 艺 优 化 。关 键 词 :注 塑 成 形 ;流 动 模 拟 ;流 动 平 衡 ;冷 却 模 拟中 图 分 类 号 : 7 文 章 编 号 :1004 132X(2006) 0198 03 ab 430074 In of it is t he to t of to t he to he at An of to h in is p ut on t he 日 期 :2006 08 080 引 言在 注 射 模 设 计 中 ,采 用 一 模 多 腔 方 案 ,是 提 高生 产 率 的 有 效 手 段 。 多 型 腔 模 的 浇 注 系 统 有 自 然平 衡 和 非 自 然 平 衡 两 种 方 式 。 如 果 分 流 道 、 浇 口及 型 腔 的 尺 寸 和 冷 却 条 件 完 全 相 同 ,则 称 自 然 平衡 系 统 。 在 非 自 然 平 衡 的 浇 注 系 统 中 ,由 于 各 流道 到 各 型 腔 的 分 流 道 长 度 各 不 相 同 ,因 此 有 必 要调 整 分 流 道 的 尺 寸 ,使 塑 料 熔 体 能 以 相 同 的 成 形压 力 和 温 度 ,在 同 一 时 间 内 充 满 型 腔 1 。在 非 自 然 平 衡 浇 注 系 统 中 ,为 了 保 证 塑 料 熔体 能 同 时 充 满 各 个 型 腔 ,依 靠 传 统 的 设 计 方 法 已很 难 达 到 理 想 的 设 计 效 果 ,利 用 模 具 三 维 软 件 进 行 模 拟 分 析 、 计 算 ,对 分 流 道 截 面 、 长 度 及浇 口 尺 寸 模 拟 优 化 ,就 能 很 快 得 到 最 佳 设 计 方 案 。最 好 能 保 证 塑 料 熔 体 同 时 到 达 浇 口 。 为 了 最 终 达到 塑 料 熔 体 同 时 以 相 同 的 成 形 压 力 充 满 各 个 型腔 ,还 必 须 保 证 熔 体 流 出 浇 口 时 的 压 力 相 等 、 流 量相 等 。1 注 塑 成 形 模 拟 技 术 的 发 展 概 况注 塑 成 形 模 拟 技 术 是 技 术 在 注 塑 模 具开 发 和 塑 料 制 品 生 产 中 的 具 体 应 用 技 术 。 它 是 根据 塑 料 加 工 流 变 学 和 传 热 学 的 基 本 理 论 ,建 立 塑料 熔 体 在 模 具 型 腔 中 的 流 动 、 传 热 的 物 理 数 学 模型 ,利 用 数 值 计 算 理 论 构 造 其 求 解 方 法 ,利 用 计 算机 图 形 学 技 术 在 计 算 机 屏 幕 上 形 象 、 直 观 地 模 拟出 实 际 成 形 中 熔 体 的 动 态 充 填 、 冷 却 过 程 ,定 量 地给 出 成 形 过 程 的 状 态 参 数 (如 压 力 、 温 度 和 速 度等 ) 。 利 用 注 塑 模 拟 成 形 技 术 可 在 模 具 制 造 之 前 ,在 计 算 机 上 对 模 具 设 计 方 案 进 行 分 析 和 模 拟 来 代替 实 际 的 试 模 ,预 测 设 计 中 潜 在 的 缺 陷 ,突 破 了 传统 的 在 注 塑 机 上 反 复 试 模 、 修 模 的 束 缚 ,为 设 计 人员 修 改 设 计 提 供 了 科 学 的 依 据 ,它 在 产 品 开 发 、 生产 过 程 中 的 流 程 如 图 1 所 示 。 利 用 技 术 在产 品 开 发 的 任 何 一 个 阶 段 ,都 可 以 检 验 设 计 方 案的 可 行 性 ,防 患 于 未 然 。 由 于 计 算 机 能 在 较 短 时间 内 测 试 几 种 甚 至 几 十 种 设 计 方 案 ,较 之 传 统 的修 模 、 换 模 和 试 模 ,就 人 工 、 时 间 、 经 费 、 材 料 、 能 源和 场 地 而 言 ,都 具 有 明 显 的 优 势 2 。图 1 采 用 注 塑 成 形 模 拟 技 术 的 模 具 设 计 方 法注 塑 模 技 术 的 研 究 工 作 主 要 集 中 在 流动 模 拟 、 冷 却 模 拟 、 保 压 、 翘 曲 和 工 艺 参 数 的 优 化891中 国 机 械 工 程 第 17 卷 增 刊 2006 年 10 月等 方 面 。 按 照 技 术 的 发 展 历 程 ,注 塑 成 形 模 拟 技术 主 要 经 历 了 中 性 层 模 拟 、 三 维 真 实 感 模 拟 和 三维 实 体 流 模 拟 三 个 阶 段 ,各 个 阶 段 都 有 不 同 的 特点 。 本 文 将 就 应 用 最 新 的 三 维 实 体 流 分 析 技 术 进行 一 模 多 腔 模 具 的 设 计 进 行 讨 论 。2 一 模 多 腔 模 具 的 浇 道 优 化对 于 非 自 然 平 衡 的 一 模 多 腔 系 统 ,通 过 流 动 、保 压 数 值 模 拟 技 术 及 优 化 方 法 ,可 使 各 型 腔 均 匀充 填 ,即 每 个 时 间 步 各 型 腔 有 相 同 的 型 腔 压 力 ,从而 保 证 塑 件 的 质 量 、 密 度 均 匀 。 从 原 理 上 讲 ,可 以利 用 保 压 分 析 的 每 一 步 数 值 分 析 结 果 建 立 如 下 目标 函 数 : 1m 1 1| j - (1)式 中 , t 为 保 压 分 析 时 的 迭 代 次 数 ; m 为 时 间 步 数 ; n 为 型腔 数 目 。对 于 各 型 腔 形 状 相 似 的 情 况 , j 指 第 j 个 型腔 在 第 i 个 时 间 步 的 入 口 压 力 ;对 于 各 型 腔 形 状相 差 较 大 的 情 况 , j 指 第 j 个 型 腔 在 第 i 个 时 间步 的 流 动 路 径 末 端 的 压 力 , j 由 流 动 分 析 结 果获 得 。 第 i 个 时 间 步 的 型 腔 平 均 压 力 。通 过 迭 代 精 度 判 断 是 否 达 到 优 化 目 标 : (2)式 中 , 为 型 腔 优 化 的 目 标 值 ,其 取 值 由 迭 代 精 度 设 定 值决 定 。由 于 目 标 函 数 变 化 与 浇 道 尺 寸 的 变 化相 关 ,通 过 计 算 模 拟 ,可 完 成 浇 道 平 衡 布 置 与 尺 寸的 优 化 ,实 现 一 模 多 腔 的 充 填 平 衡 。 流 道 尺 寸 的 优化 , 通 过 流 动 、 保 压 数 值 分 析 完 成 。 在 华 塑 3 维 实 体 流 分 析 系 统 中 , 可 以 通过 系 统 的 一 模 多 腔 设 计 系 统 ,建 立 分 流 道 和 各 型腔 的 浇 注 系 统 ,通 过 选 定 材 料 和 注 射 工 艺 参 数 ,经过 分 析 获 得 多 种 可 行 的 方 案 3 。3 运 用 模 拟 系 统 进 行 模 具 的 冷 却 系 统设 计在 注 射 成 形 过 程 中 ,模 壁 温 度 的 高 低 及 均 匀性 直 接 影 响 到 塑 件 生 产 的 效 率 和 质 量 。 注 射 模 的温 度 状 态 受 多 种 因 素 的 影 响 ,但 其 控 制 和 调 节 由模 具 温 控 系 统 来 完 成 。 高 效 、 均 衡 的 冷 却 系 统 设 计可 以 缩 短 冷 却 时 间 ,提 高 成 形 效 率 ,并 减 小 塑 件 的残 余 应 力 ,保 证 塑 件 的 尺 寸 精 度 和 稳 定 性 ,提 高 塑件 质 量 。 模 具 加 热 系 统 控 制 较 简 单 , 此 处 不 作 论述 ,只 就 冷 却 系 统 的 数 学 模 型 和 实 现 过 程 进 行介 绍 。注 塑 模 冷 却 过 程 是 一 个 瞬 态 不 稳 定 的 导 热 过程 ,模 具 内 任 一 点 的 温 度 和 热 流 受 冷 却 系 统 中 各几 何 参 数 和 物 理 参 数 的 影 响 ,需 要 用 具 有 周 期 性边 界 条 件 的 三 维 热 扩 散 方 程 来 求 解 。 但 由 于 计 算起 来 太 复 杂 ,不 可 能 在 实 际 中 应 用 ,因 此 ,考 虑 到当 模 具 稳 定 运 转 后 ,一 个 周 期 内 模 具 内 任 一 点 的温 度 随 时 间 的 变 化 一 般 较 小 ,可 以 用 稳 态 冷 却 代替 瞬 态 过 程 。 模 具 的 三 维 温 度 场 计 算 最 终 归 结 为对 程 的 求 解 。 边 界 元 法 只 需 离 散 区 域边 界 ,适 用 于 模 具 温 度 场 分 析 。熔 体 三 维 稳 态 温 度 场 的 程 为K(52 T5 52 T5 52 = 0 (3)式 中 , 传 导 系 数 ; T 为 温 度 。三 维 瞬 态 温 度 场 为K(52 T5 52 T5 52 = 5t (4)式 中 , 为 密 度 ; 容 。初 始 温 度 及 对 流 边 界 条 件 为T = x , y , z) ( 0) 5)- K(5 = ( (6)式 中 , 初 始 温 度 ; 冷 却 时 间 ; 触 面 上 的 温度 ; 模 壁 温 度 ; 为 对 流 换 热 系 数 ; 冷 却 介 质温 度 。根 据 模 具 的 结 构 特 点 ,冷 却 模 拟 需 输 入 以 下数 据 :(1) 模 具 材 料 的 密 度 、 塑 料 材 料 的 密 度 和 冷却 液 的 密 度 、 热 容 、 热 传 导 率 及 冷 却 液 的 粘 度 等 材料 性 能 参 数 ;(2) 型 腔 的 形 状 、 尺 寸 及 冷 却 孔 的 位 置 、 尺 寸和 连 接 关 系 等 几 何 参 数 ;(3) 塑 料 熔 体 的 注 射 温 度 、 脱 模 温 度 、 冷 却 液的 流 量 及 温 度 等 成 形 工 艺 参 数 。通 过 冷 却 分 析 可 预 测 出 冷 却 介 质 的 流 动 状 态(冷 却 液 的 流 量 、 雷 诺 数 布 及 温 升 ) 、 模 壁 的温 度 和 热 流 分 布 及 冷 却 时 间 等 ,为 设 计 人 员 评 估设 计 方 案 、 优 化 模 具 设 计 提 供 了 先 进 实 用 的 工 具 。4 一 模 多 腔 模 具 分 析 应 用 实 例根 据 产 品 的 外 形 和 结 构 , 利 用 E、S 等 三 维 造 型 软 件 进 行 实 体 造 型 或反 求 技 术 提 取 点 云 ,并 调 入 三 维 软 件 进 行 后 处 理得 到 实 体 ,然 后 应 用 华 塑 3 维 流动 分 析 软 件 进 行 分 析 ,根 据 需 要 布 置 型 腔 和 设 计浇 道 、 浇 口 ,并 立 刻 进 行 流 动 、 保 压 和 冷 却 模 拟 分析 ,通 过 方 案 对 比 ,选 择 出 最 佳 的 设 计 方 案 4 ,5 。对 于 自 然 平 衡 的 浇 注 系 统 ,其 分 流 道 长 度 、 截991注 塑 成 形 模 拟 技 术 在 模 具 设 计 中 的 应 用 孙 强 周 华 民 黄 志 高 等面 及 浇 口 均 为 对 称 设 计 ,但 对 不 同 结 构 和 大 小 的零 件 ,利 用 华 塑 软 件 ,可 以 对 浇 注 系 统 (如流 道 长 度 、 截 面 大 小 及 浇 口 尺 寸 和 位 置 )进 行 有 效的 优 化 ,使 塑 料 熔 体 同 时 以 相 同 的 成 形 压 力 充 满各 个 型 腔 ,从 而 保 证 零 件 的 充 填 和 流 道 结 构 的 合理 性 。 自 然 平 衡 浇 注 系 统 的 分 析 结 果 如 图 2所 示 。图 2 一 模 四 腔 精 密 注 塑 制 品 自 然 平 衡 的 温 度 分 布对 非 自 然 平 衡 的 浇 注 系 统 ,设 计 人 员 需 根 据零 件 的 大 小 和 结 构 ,凭 借 以 往 的 设 计 经 验 ,首 先 对浇 口 的 位 置 进 行 设 置 ,并 对 流 道 和 浇 口 参 数 进 行初 次 设 定 ,然 后 进 行 流 动 模 拟 分 析 ,根 据 流 前 分 析结 果 ,对 浇 注 系 统 进 行 优 化 ,如 完 成 充 模 过 程 过 早的 零 件 ,应 适 当 增 长 分 流 道 的 长 度 、 减 小 截 面 面 积或 减 小 浇 口 尺 寸 ;对 于 压 差 存 在 的 问 题 ,应 对 浇 注系 统 各 参 数 和 注 塑 工 艺 进 行 适 当 调 节 ,直 到 得 出理 想 的 设 计 效 果 为 止 ,从 而 有 效 保 证 模 具 设 计 的一 次 成 功 率 。 非 自 然 平 衡 的 浇 注 系 统 流 动 前 沿 的分 析 结 果 如 图 3 所 示 。图 3 一 模 三 腔 注 塑 制 品 流 动 前 沿 的 时 间 分 析5 结 束 语通 过 模 拟 分 析 与 实 际 应 用 的 对 比 ,验 证 了 运用 注 塑 成 形 模 拟 技 术 在 一 模 多 腔 模 具 设 计 中 的 重要 作 用 ,可 以 使 模 具 的 生 产 周 期 缩 短 ,一 次 成 功 率明 显 提 高 ,使 新 技 术 的 应 用 在 模 具 设 计 中 得 到 了拓 展 。参 考 文 献 :1 张 宜 生 ,周 华 明 ,李 德 群 . 基 于 实 体 模 型 的 三 维 真 实感 流 动 保 压 模 拟 的 研 究 与 开 发 J 机 软 件 与 应用 ,2001 (4) :132 李 德 群 . 现 代 模 具 设 计 方 法 M . 北 京 :机 械 工 业出 版 社 ,2001.3 周 华 民 ,张 宜 生 ,李 德 群 . 基 于 三 维 表 面 模 型 的 注 射成 形 充 填 模 拟 J . 应 用 基 础 与 工 程 科 学 学 报 ,2001(1) :524 叶 显 高 ,李 德 群 ,陈 兴 . 一 模 八 腔 注 射 模 浇 注 系 统 设计 J 工 业 ,1994 (6) :155 W. M . 1983.(编 辑 何 成 根 )作 者 简 介 :孙 强 ,男 ,1970 年 生 。 华 中 科 技 大 学 塑 性 成 形 模 拟及 模 具 技 术 国 家 重 点 实 验 室 博 士 研 究 生 。 研 究 方 向 为 注 塑 模 和 新 型 汽 车 电 子 产 品 的 开 发 。 发 表 论 文 10 余 篇 。周 华 民 ,男 ,1974 年 生 。 华 中 科 技 大 学 塑 性 成 形 模 拟 及 模 具 技 术国 家 重 点 实 验 室 教 授 、 博 士 研 究 生 导 师 。 黄 志 高 ,男 ,1977 年 生 。华 中 科 技 大 学 塑 性 成 形 模 拟 及 模 具 技 术 国 家 重 点 实 验 室 博 士 研究 生 。 李 德 群 ,男 ,1945 年 生 。 华 中 科 技 大 学 塑 性 成 形 模 拟 及 模具 技 术 国 家 重 点 实 验 室 教 授 、 博 士 研 究 生 导 师 。 机 械 工 程 师 电 子 手 册 定 价 :98. 00 元 / 套 综 合 性 机 械 设 计 资 料 查 询 软 件 以 中 国 机 械 工 程 学 会 编 撰 的 中 国 机 械 设计 大 典 (第 1 卷 第 6 卷 )为 基 础 参 考 最 新 的 国 家 标 准 、 部 颁 标 准 及 行 业 标 准 丰 富 的 设 计 资 料 和 数 据