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注塑成形模拟技术在模具设计中的应用.pdf注塑成形模拟技术在模具设计中的应用.pdf -- 1 元

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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TP391.7文章编号1004132X2006S2019803TheApplicationofInjectionMoldingSimulationinMoldDesignSunQiangZhouHuaminHuangZhigaoLiDequn1.StateKeyLabofPlasticFormingSimnlationandDieMouldTechnology,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,430074AbstractInthedesignofplasticmoldwithmulticavity,itistheemphasisanddifficultytogettherationaldimensionsofgateandrunnertoensurethesamemoldingpressureandtemperatureandtofillthecavitiesatthesametime.Anoptimizationalgorithmofrunnerandhowtosimulateflow,coolingandoptimizeprocesswithHSC3DRFarediscussedinwhichemphasisisputonthenonnaturalbalacedrunnersystem.Keywordsplasticmoldingflowsimulationflowbalancecoolingsimulation收稿日期200608080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CAE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CAE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CAE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CAE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Ft1m∑mi1∑nj1|pi,jpi|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,pi,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,pi,j指第j个型腔在第i个时间步的流动路径末端的压力,pi,j由流动分析结果获得。pi是第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FtFt1Ftε2式中,ε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Ft的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HSCAE3D611三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Laplace方程的求解。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Laplace方程为K52T5x252T5y252T5z203式中,K为热传导系数T为温度。三维瞬态温度场为K52T5x252T5y252T5z2ρC5T5t4式中,ρ为密度C为热容。初始温度及对流边界条件为TT0x,y,zt10TmTb5K5Tm5mλTmTc6式中,T0为初始温度t1为冷却时间Tm为接触面上的温度Tb为模壁温度λ为对流换热系数Tc为冷却介质温度。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Re分布及温升、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Pro/E、SOLIDWORKS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HSCAE3D611三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CAE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.计算机软件与应用,2001413O17.2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,2001152O59.4叶显高,李德群,陈兴.一模八腔注射模浇注系统设计J.模具工业,1994615O16.5WangVW.AnInteractiveComputerProgramforMoldDesigninInjectionMoldingM.NewYorkCornellUniversity,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CAD/CAE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快捷的数据搜索查询灵活的数据查看和使用动态的数据升级和软件服务该手册共分26篇,内容包括常用设计资料、通用基础标准、机械工程材料、机械零部件结构设计、疲劳强度设计、摩擦设计、轴及轴毂连接、连接与紧固、弹簧、滚动轴承、滑动轴承、密封、管路附件、起重和搬运零件、操作件、标牌和常用手工工具、箱体、机架与导轨、液压传动与控制、气压传动与控制、液力传动与控制、电子传动控制系统、电动机、联轴器、离合器和制动器、减速器和变速器、齿轮传动及其装置、带传动和链传动、动轴轮系齿轮传动及其装置等。本图书由化学工业出版社装备与信息出版中心出版。如要出版新著,请与编辑联系。如要本图书的内容简介和详细目录或者更多的专业图书信息,请登录www.cip.com.cn。地址北京市朝阳区惠新里3号100029邮购01064982530,64982511发行部编辑01064982557,64982532装备与信息出版中心002中国机械工程第17卷增刊2006年10月
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