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硕士学位论文 小尺寸皂呆躁零件模具设计研究 摘要 本文研究了小尺寸显示器零件注射模具的设计。首先简要阐述了塑料工业及其 成型设备即塑料模具的发展概况，并对本文中模具设计的方法进行研究。然后结合 注射成型的特点，从粘性流体运动的基本定律出发，建立简化条件下注塑模具c a e 技术的填充、保压、冷却、翘曲分析的数学模型。 在具体模具设计前，研究了模具设计的流程和c a e 分析前处理技术，并运用节 点合并、移动等方法对本文涉及的有限元模型进行网格划分和优化。在具体模具设 计过程中，由于浇注系统设计是否合理在同模异穴注射模具中起着极其重要的作 用，本文重点研究模具c a e 技术在浇注系统流动平衡设计中的应用。设计时运用模 具设计的理论和经验先对小尺寸显示器零件同模异穴模具进行初步设计，然后运用 模具c a e 技术对方案进行数值模拟，通过模拟分析来修改模具浇注系统，解决了成 型短射问题。在考虑温度控制系统的基础上对模具局部进行加热系统设计，以此解 决了充填时流动平衡问题。 研究注射工艺对塑料制品成型质量的影响并在分析、研究的基础上总结解决问 题的原则和策略。通过m o l d f l o w 软件对小尺寸显示器零件同模异穴注射模具进行 保压、冷却的模拟，确定注射成型时的基本工艺参数。结果表面，在复杂模具设计 时应用边设计边模拟分析进行改进设计的方法具有实际的意义。 关键词：注射模具，数值模拟，浇注系统，温控系统，成型工艺 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h es m a l ls i z eo fd i s p l a yp a r t si n j e c t i o nm o l dh a sb e e nd e s i g n e d b r i e f l ye x p l a i n e dt h a tt h ep l a s t i c si n d u s t r ya n dp l a s t i c m o l df o r m i n ge q u i p m e n t t h e d e v e l o p m 咄m o l dd e s i g na n dm e t h o d o ft h i sp a p e rt os t u d y t h e nc o m b i n et h e c h 娥比t 耐s t i c so fi n j e c t i o nm o l d i n g ，f r o m t h eb a s i cl a w so fv i s c o u sf l u i dm o t l o n p r o c e e d i n gu n d e rs i m p l i f i e dc o n d i t i o n s e s t a b l i s h e dc a et e c h n o l o g yi n j e c t i o nm o i d f i l l i n g ，p a c k i n g ，c o o l i n g ，w a r p a g eo f t h em a t h e m a t i c a lm o d e l d e s i g no fs p e c i f i cm o l db e f o r et h em o l dd e s i g np r o c e s so ft h ec a e a n a l y s i sa n d p r e p r o c e s s i n 函a n du s en o d em e 喀e ，m o v e ，e r e t h i sm e t h o di n v o l v e s f i n i t ee i e m e n t m o d e la n dm e s ho p t i m i z a t i o n i nt h es p e c i f i cm o l dd e s i g np r o c e s s ，b e c a u s eg a t i n g s y s t e md e s i g i li sr e a s o n a b l ed i f f e r e n tp o i n t si nt h eg a l l i c m o l di n j e c t i o nt o o l dp l a y sa n i n l p o r t 眦r o l e ，t h i sa r t i c l ef o c u s e so n m o l dc a et e c h n o l o g yi nt h eg a t i n gs y s t e md e s l 驴 f l o wb a l a i l c e d e s i g n e dt ou s et h e i re x p e r i e n c e i nm o l dd e s i g na n dt h et h e o r ya n dt h ef i r s t p a r to ft h es m a l ls i z eo fd i s p l a yp o i n t sw i t h d i f f e r e n tm oj um op r e l i m i n a r yd e s i g na n d t h eu s eo fm oj uf a i l ga nc a e j i s h uo nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt h r o u g ht h es i m u l a t l o n a n a l y s i st 0m o d i 黟t h em o l dg a t i n gs y s t e m ，s o l v i n ga s h o tm o l d i n gd u a nw e nn h c o n s i d e r i n gt h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mb a s e do n l o c a lh e a t i n go ft h em o l dd e s i g n ，m o r d e rt os o l v et h ep r o b l e m o ff i l l i n gt h ef l u i db a l a n c e o fi n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s so nt h eq u a l i t yo fp l a s t i cp r o d u c t sa n di nt h ea n a l y 3 1 s ， m es t u d vc o n c l u d e do nt h eb a s i so ft h ep r i n c i p l e sa n ds t r a t e g i e st os o l v ep r o b l e m s b y m o l d f l o ws o 赍w a r ef o rs m a l ls i z ed i s p l a y sp a r t sw i t h d i f f e r e n th o l ei n j e c t i o nm o l d sm o l d p a c k i n 氍c o o l i n gt h es i m u l a t i o n , t o d e t e r m i n et h eb a s i ci n j e c t i o nm o l d i n gp m c e s s p 娥l m e t e r s r e s u l t so fm es u r f a c e ，w h e na p p l i e d i nc o m p l e xm o l dd e s i g ns i d ee d g e d e s i g ns i m u l a t i o nm e t h o d st oi m p r o v e t h ed e s i g no fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw 。r d s ：i n je c t i o nm o l d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , g a t i n gs y s t e m ，t e m p e r a t u r ec o n 砌 s y s t e m ，m o l d i n gp r o c e s s i i 硕士学位论文小尺寸显示器零件模具设计研究 1 绪论 1 1 塑料工业的发展概况 上世纪7 0 年代中期以来塑料就成为全球用途最广泛的材料，其使用量超过了 钢铁、铜、铝合金的体积之和1 1 i 。近年来，随着塑料原材料研究的不断开展和深入， 塑料制品的强度得到了极大的加强，同时由于数控技术、精密与特种加工技术在塑 料模具制造环节的应用以及更完善的注射理论和注射工艺在塑料制品注塑成型过 程中的应用等，使得塑料制品的精度也有了很大提高。这样就使得在工业生产中用 塑料代替钢材、铝材成为必然趋势，目前塑料制品已广泛运用于家电、汽车、建筑 等众多领域，且所占的比例正逐步提高。 改革开放以来，我国塑料工业经过不断的努力得到了长远的发展，特别是本世 纪以来，伴随着国民经济的腾飞，塑料工业的发展更是取得了跨越式的突破，成就 令人瞩目。近年来，塑料工业的发展一直保持强劲的势头，在塑料原材料生产、成 型设备生产和塑料产品的生产上均保持了高速的增长。2 0 0 7 年度继续实现了稳定、 健康的发展，总体上仍然呈现出“生产稳定增长，效益保持较大增幅”的良好发展态 势，塑料工业规模以上企业达到近1 5 万个，生产总值达到8 0 0 0 亿元。2 0 0 8 年我 国塑料行业与2 0 0 7 年同期相比仍保持两位数增长，塑料制品行业规模以上企业增 长迅速，达到到1 6 3 万个，累计完成生产总量达到3 , 7 1 3 7 9 力吨，总产值达9 , 6 3 8 3 6 亿元人民币。虽受经济危机影响但发展态势仍较乐观( 中投顾问( 2 0 0 9 2 0 1 2 年中 国塑料制品行业投资分析及前景预测报告) 。 另据国务院发展研究中心数据统计：2 0 0 9 年1 1 0 月全国塑料制品产量为 3 5 8 6 6 8 万吨，同比增长8 8 3 ，可以预见2 0 0 9 年全年产量将超越2 0 0 8 年的3 ，7 1 3 7 9 万吨。目前塑料工业已成为国民经济的重要支柱，其使用范围大大超越三大传统的 基础材料木材、钢材、水泥。 由于塑料制品使用越来越广泛，而塑料件的生产又是通过塑料模具成型而来， 这就极大地促进了塑料模具行业的发展。随着社会的发展、市场的丰富，极具个性 的年轻一代用户不光注重产品的使用性能，更注重产品的外观是否新潮、独特，这 就要求产品外观必须常变、常新。为了占领更多的市场，符合不同人群对产品外观 的审美需求，企业必须对产品的外观进行多样化设计。由于每一个不同外观的产品 零件必须有一套塑料模具与之相对应，这就要求制造比以往更多的模具以适应市场 的要求，这在无形之中给塑料模具的发展带来了很好的机遇。 在塑料模具数量需求猛增的同时，人们对对塑料制件的质量要求也提高到了前 l 绪论硕七学位论文 所未有的高度。模具的设计与制造也愈发受到人们的重视。同时，由于在塑料制品 的生产过程中模具结构设计、模具的制造工艺以及注塑成型工艺和成型设备对塑料 的成型质量都有很大的影响，这就使得这些影响的因素成为近年来关注和研究的热 点。 1 2 国内外塑料模具的发展概况 2 0 世纪8 0 年代以来，由于国民经济的增长和人们生活水平的提高，塑料制品 产业部门需要制造更多的满足人们需要的塑料模具，同时在国家对塑料制品产业良 好政策的扶持下，我国的模具工业取得了前所未有的发展1 2 l 。模具工业协会在2 0 0 4 所做的统计表明，我国的模具工业年均增速高达1 3 。在保持持续增长的同时塑料 模具所占有的比例在该年还超过了4 0 ，并还在逐步增长。由于目前以塑代钢的趋 势愈来愈明显，在今后的模具市场中，塑料模具在整个模具产业中所占的比重还会 有所提高。 我国的塑料模工业虽然和发达国家相比有很大的差距，但经过6 0 多年来国人 的不懈努力，模具工业取得了辉煌的成就，模具设计和制造水平都有了显著提高。 例如，在大型塑料模具方面，我们已经能够生产重量5 0 吨以上的注蠼模、4 8 英寸 大屏幕彩电壳体的模具、6 5 k g 容量的洗衣机塑料模具以及汽车保险杠和汽车用仪 表板等塑料模具。在一模多腔的塑料模具生产方面，已经能够生产一模7 8 0 0 腔的 塑封模。在高速模具方面，已能生产挤出速度高于6 m m i n 的塑料异型材挤出模具。 注射模的成型表面质量、使用寿命均有了显著的提高，非淬火钢模具寿命可达1 0 3 0 万次，淬火钢高达5 0 - 1 0 0 万次。在模具的生产周期方面，由于提高了生产管理 水平和加工设备的自动化程度以及模具标准化水平的提高，在保证生产质量的同 时，塑料模具的生产周期也有了明显的缩短，已由以前的2 4 个月缩短到现在的3 4 周。总体说来，我国的塑料模具技术进步明显，但在看到进步的同时，我们也应 清醒地认识到和国外模具水平相比仍有很大差距，数据如表l 所示。 在成型工艺方面，近年来，双色注射模具、叠层模具、精密装饰模具和气体辅 助成型注射模具技术的使用更加熟练、有效。如大尺寸显示器壳体模具就很好地采 用了气体辅助成型技术，从而很好地解决了大型件成型翘曲问题。国内的一些模具 设计和生产企业还紧跟国际潮流使用了模具c a e 分析软件，对塑料制件的注射过程 进行模拟，以帮助确定模具的最佳结构和最优的注射成型工艺参数，取得了很好的 社会和经济效益。加入世界贸易组织以来，热流道模具技术开始大力推广，尤其在 珠三角地区，由于模具出口企业相对较多，所制造的模具大多用于出口，由于欧美 模具商均要求采用热流道模具，因此，近年来珠三角地区的很多企业逐渐采用热流 道技术，很多外贸型的模具企业热流道技术采用率高达7 0 以上。更为可喜的是在 2 硕t 学位论文小尺寸显示器零件模具设计研究 珠三角和长三角地区还出现了一些号门生产热流道模具标准件的企业。但总体而 言，我国的热流道模具使用率仍与国外的8 0 相比有很大的差距，同时标准件的设 计、生产精度、寿命等多项指标远落后于发达国家。 在模具制造技术方面，特别是进入上世纪8 0 年代以后，随着数控技术和电火 花；n - f 等特种加工与精密加工方法在模具制造行业的运用，我国的模具制造水平有 了很大提高。例如在精密塑料模具生产方面，随着加工设备质量的不断提高，模具 的制造精度己能达到0 0 1 o 0 5 m m ，表面粗糙度可达r a o 2um ，制件精度要求很 高的小模数齿轮以及光学要求很高的的汽车车灯模具等也已生产并已取得了良好 的经济效益。同时，我们还能生产厚度很薄的仅为0 0 8 m m 的一模两腔的航空杯模 具和生产制造难点较大的塑料门窗挤出模具等等。但总体上与国外相比仍有较大差 距。 在模具设计、加工和分析方面，在一批外资和合资企业进入的同时也引进了一 些专业的模具设计、编程和分析的软件，例如传统的二维绘图软件a u t o c a d ，三维 建模和分析软件如美国e d s 的u g 和参数数据公司的p r o e n g i n e e r 等，专业的模具 型腔数控编程软件以色列c i m a t i o n ，模具分析软件如澳大利亚m o l d f l o w 公司的m p a 塑模分析软件等等。这些软件的推广使用使得我国模具c a d c a m c a e 技术水平提高 到了一个很高的层次。模具c a d c a m c a e 技术的广泛运用极大的缩短了模具设计、 制造的周期，更重要的是提高了我国模具生产行业的总体水平。近年来，在国家的 支持下，我国塑料模具c a d c a m c a e 系统的开发有了很大发展，主要有北航华正软 件工程研究所开发的c a x a 系统、华中科技大学开发的注塑模h s c 5 0 系统及c a e 软 件等。但由于诸多原因，国内开发的专业软件在推广、普及方面与国外相比有很大 差距，尤其是跨学科的模具c a e 分析技术的应用更是较少。 在模具寿命方面，由于受到模具材料的影响和限制，国内模具的使用寿命比国 外要低。我国模具的综合机械性能、耐磨性、耐腐蚀性和抛光亮度均比国外材料要 差，这从根本上上影响了模具的外观质量和使用寿命。但可喜的是，近年来，国内 的模具材料选用也与国际接轨，尤其在长三角与珠三角地区，已较广泛地采用一些 国外牌号的新型模具材料，典型的如：p 2 0 ，7 1 8 、7 1 8 h 、s k d l l 等等，这些材料的 使用使得模具寿命有了很大的提高。 在模具零件标准化方面，由于模具标准化水平愈高那么模具制造水平就愈高， 提高模具的标准化水平和使用范围是塑料模具发展的必然。在模具工业协会的大力 推广下，我国塑料模具的标准模架、浇口套、顶针、支撑柱和弹簧等标准零件的使 用范围越来越广泛。同时，值得注意的是在浙江一带还出现了一些专门生产标准件 的企业，特别是在广东、上海还出现了专业生产热流动系统的生产厂家。虽然我国 的模具标准化使用范围有了很大提高，但与国外比较仍然有很大的差距。 1 绪论硕仁学位论文 表l国内外塑料模具技术比较表 项目国内国外 成型件精度i f f l lo 0 1 0 0 5o 0 0 5 o 0 l 成型件表面粗糙度1 1i l l0 1 0o 0 1 o 0 5 非淬火钢模具寿命万次 1 0 3 01 0 6 0 淬火钢模具寿命万次 5 0 - 1 0 01 6 0 3 0 0 热流道模具使用率 2 08 0 标准化程度小于4 07 0 8 0 生产周期l 2 个月2 周左右 总体而言，我国模具市场的总体发展趋势是平稳向上的，在未来的模具市场中， 塑料模具发展速度将高于其它模具，在模具行业中的比例还将逐步提高。随着制造 业的不断发展，人们必将对塑料模具提出越来越高的要求，因此，精密、大型、复 杂、长寿命塑料模具的发展将高于总体发展速度。另外，建筑业的快速发展，使各 种异型材挤出模具、p v c 塑料管材接头模具成为模具市场新的经济增长点；高速公 路的迅速发展，对汽车轮胎也提出了更高要求，因此子午线橡胶轮胎模具，特别是 活络模的发展也将高于总平均水平；以塑代木，以塑代钢使塑料模具在汽车、摩托 车工业中的需求量巨大；家用电器行业在“十二五 期间将有较大发展，特别是电 冰箱、空调器和微波炉等的零配件的塑料模需求很大；而电子及通讯产品方面，除 了彩电等音像产品外，笔记本电脑和网络机顶盒将有较大发展，这些都是塑料模具 市场的增长点。 1 3 模具c a e 技术的发展以及在塑料模具中的应用 塑料模具c a e 技术是随着塑料制品质量要求的提高i 面迅速发展起来的研究领 域。对于大规模的工业生产而言，注射成型是生产复杂形状塑料零件的最有效的成 型方法，具有生产精度高、成本低廉的优点。但由于注射成氆过程中高分子材料经 历的是一个非等温的流动、冷却的复杂过程，这就使得塑料制品的最终成型质量往 往难以得到保证，这也是注塑成型经常被人们看作是一个复杂工艺过程的原因。为 了提高塑料制品的质量，人们尝试用模具c a e 技术去提高塑料模具设计和塑料制品 的成型质量。可喜的是，在注射成型过程的数值模拟分析模型研究和计算机技术取 得突破的的基础上，模具c a e 技术已成为现实，并获得了广泛的运用。 模具c a e 技术的理论研究成果主要依赖于康奈尔注塑计划( c i m p ) ，该计划是 1 9 7 4 年美国国家科学基金会授予的在塑料模具c a e 技术方面的研究。经过多年的努 力，c i m p 建立了从材料特性、流量分析以及对零件质量预报的科学依据。目前的研 4 硕t 学位论文小尺寸显示器零件模具设计研究 究工作主要是在改进该项研究的诸多方面，其中计算效率和精度一直是商业软件开 发商的研究莺点，目前三维流动分析方法也已引起产业界的一致关注。同时，研究 活动仍在继续对纤维填充材料和活性聚合物成型以及不断扩大的成型过程进行研 究，如气体辅助成型，共注成型，微成型等等。在未来，仿真精度和效率还会继续 提高。同时，为了达到更高的自动化程度人们会更加重视智能在线过程控制技术在 模具c a e 技术中的运用。基于w e b 的c a e 工具、生产、过程监控和远程控制也将随 着互联网技术的不断发展而得到大力发展。随着企业全球化趋势的继续，模具c a e 技术最终将集成到企业资源规划( e r p ) 系统当中，极大地推动企业的发展。 随着模具c a e 技术的研究和商业软件的开发与发展，为了提高零件质量人们将 模具c a e 技术运用到模具的设计之中。传统的注塑方法是在模具生产之前，模具设 计人员根据经验设计出模具图纸，根据模具图纸生产模具，在模具装配完成后进行 试模，如果发现问题再对模具进行修改。由于塑料填充、冷却的复杂性，使得这种 方法不但要耗费很多精力，往往在生产大型塑料制件时还会导致失败。使用模具c a e 技术时，我们可以在模具设计的起始阶段在计算机上对填充过程、冷却过程、保压 过程进行模拟，分析塑料件缩水、翘曲变形等成型缺陷的原因，从而帮助我们确定 模具的最佳结构，同时还可以得到模具注射过程的最佳工艺参数。模具c a e 技术的 使用提高了模具设计的成功率，缩短了模具生产周期1 3 i ，减少了试模次数，在提高 塑料制品质量的同时大大提高了模具企业的经济效益。 1 4 本文研究的主要意义及内容 本文研究的小尺寸显示器零件模具，其主要特征是显示器上壳与按键排布在同 一副模具中，由于模具中的型腔形状、体积各不相同，流道分布为非平衡布置。因 此，必须要解决流道平衡设计的问题。通常情况可以运用流道平衡优化的计算方法 来提高模具设计的成功率。但在模具的开发过程中，由于多种因素的影响，最终设计 出的模具仍会存在缺陷，在试模过程中仍会出现诸多如短射、翘曲变形等问题。 而本文运用模具c a e 技术，可以使得模具设计人员在模具制造之前对模具的注 射过程进行各种参数的模拟，将传统的试摸方法即加工好、装配好模具后在注塑机 上的试模、修模搬到计算机上进行科学的分析。这样就可以在模具加工前对模具注 射过程中塑料制品可能出现的缺陷进行分析，从而在生产的起始阶段对模具结构如 浇注系统、冷却系统等进行改进，从源头控制模具设计、加工、注射时可能出现的 不良状况，大幅度提高模具设计、生产的质量，减少模具试模次数和成本，缩短模 具的生产周期，进而提高企业的竞争力。因此，将成型模拟技术、优化设计理论与 模具设计方法有机结合起来，从而优化模具设计的结构和控制成型的工艺过程是具 有重要的实际工程意义的，也是本文力求实现的研究目标。 1 绪论硕 学位论文 当前，如文献1 4 一i 国内注射模具充填平衡的研究主要在于解决同种塑料制品一 模多腔的非平衡布置时的充填问题，而本文主要对体积和质量差异较大的不同制品 流动平衡的问题展开研究。通过模拟分析来优化模具浇注系统和冷却系统并在分析 注射成型缺陷的基础上对注射成型工艺进行优化。主要研究工作如下： 1 结合注塑成型特点，从粘性流体运动的基本定律出发，建立简化条件下注塑 模具c a e 技术的填充、保压、冷却、翘曲分析的数学模型。 2 阐述流道设计的理论计算方法，包括平衡布置流道系统和非平衡布置流道 系统；由于浇注系统设计是否合理在同模异穴注射模具中起着极其重要的作用，本 文将重点研究模具c a e 技术在浇注系统流动平衡设计中的应用；在考虑局部加热系 统的基础上对模具结构进行优化。 3 通过m o l d f l o w 软件对小尺寸显示器零件同模异穴注射模具进行保压、冷却 的模拟，对注塑制品的成型缺陷进行分析并研究解决问题的策略，讨论运用模具c a e 分析的方法进行注射工艺优化从而减少甚至避免注塑制品的成型缺陷。 1 5 本章小结 本章简要介绍了塑料制品的发展概况以及国内外塑料模具发展的情况。简要阐 述了模具c a e 技术的发展以及在注塑模具中的应用，提出了本文研究的主要内容及 意义。 6 硕t 学位论文小尺寸显示器零件模具设汁研究 2 注射模c a e 技术的主要原理 2 1 注射模具c a e 技术的基本方法 注射模具计算机辅助工程( c a e ) 技术是随着计算机辅助设计( c a d ) 与计算机辅 助制造( c a m ) 技术的发展而发展起来的塑料模具设计技术。该技术注重以模具设计 者的经验为导向，以计算机模拟为重要手段剖析塑料制品的成型加工过程并以分析 结果为依据完成塑料模具的优化设计1 卅。该技术的基本过程是将注塑成型加工或者 模具设计的初始方案作为第一步，然后利用预先确定的方法在计算机上对这一特定 的设计进行数学描述，接着用计算机进行模拟运算，对用户的输入条件和模型进行 矗 评估，由计算机输出模拟计算的结果，用户对结果与预期进行对比评价，确定改善 措施，使运算结果更满意。上述过程反复进行，直到取得一个多方面数值合理的设 计方案。运用c a e 系统进行模拟计算远比人工计算快速和精确，当然设计者的丰富 经验和处理问题的实际操作技能在最初的模拟方案确定和最终的改进措施中都会 得到体现，否则将浪费太多的时间而仍不能解决注塑成型的缺陷。 现代模具c a e 系统主要具有以下特征1 7 1 ：以实体模型为基础，因为实体模型包含 了零件完整的设计信息且实体模型更能清楚、直观地反映零件形状特征，同时实体 模型是实现集成的基础：以模拟为推动力，集成的知识为结构：以公共数据库为核心： 以产品数据管理系统为工具。 模具c a e 采用的分析计算方法很多，但就其特征而占可分为解析法和数值解法 两大类。解析法是应用数学分析工具进行求解的传统计算方法。该方法只能求解含 少量未知数的简单数学模型，往往很难求解较复杂的问题。数值解法又可以归纳为 两大类： 第一类是对连续力学问题建立基本微分方程，然后对该方程进行近似的数值求 解。这种方法是在解析法的基础上进行近似值计算。该类方法主要有迭代法、有限 差分法、数值积分法等，通常可用于方程求根、微分方程数值求解、函数插值、曲 线拟合以及时间序列分析等。 第二类是在力学模型基础上，将连续体简化为由有限个单元组成的离散化模 型，然后对该模型求出数值解答。这类方法的代表是有限元法和边界元法。 由于模具c a e 技术所涉及的问题比较复杂，目前多数情况下采用有限元法、有 限差分法和边界元法等进行分析。在模具c a e 工作中，我们所说的优化分析与模拟 主要是指采用有限元法对塑料成型过程即模具工作状况进行运算分析、预测成型缺 陷以及对模具结构和注塑工艺参数的反复修改以达以到最优的成型效果的分析过 7 2 注射模具c a e 技术的主要原理硕士学位论文 程。 2 2 模具c a e 分析的前处理技术 模具c a e 的前处理工作主要是分析对象模型的建立和输入。一般而言，根据c a e 系统软件的不同，前处理方式会有较大的差异。建模方式主要有数学建模和几何建 模两种，数学建模是指根据分析模型特征建立数学方程式，几何建模可分为机内建 模或机外建模或直接使用已有的三维c a d 模型。 目前的前处理技术主要有：有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) 、有 限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，简称f d m ) 和边界元法( b o u n de 1 e m e n t m e m e t h o d ，简称b e m ) 。有限元法是一种将复杂的连续体结构，假想地分割成数量和尺 寸上有限的单元数值离散化的方法。把由无限个质点构成的连续体转化成为有限个 单元集合体的过程称为离散化。随着所选单元尺寸的减小那么单元即网格的数量就 增加，数值模拟运算的值就愈接近实际的精确值。有限差分法是利用微分方程的原 理，通过求解线性方程组得到数值解。边界元法是一种求解微分方程的数学近似求 解方法，通过微分方程变换为积分方程进行数值求解。边界元法具有单元数据、节 点数据少，计算所需的时间短的优点。但在求解非线性或非均质问题时，不及有限 元法简单。由于本文应用的前处理技术为有限元法，因此对其做如下研究： ( 1 ) 有限元前处理程序应包含下列主要内容： 1 ) 生成有限元网格。根据塑件三维实体的大小和复杂程度以及后期计算所需的 项目要求对塑件进行有限元网格的划分。目前，这项工作主要依赖分析人员的经验 进行人工定义，主要包括网格类型的确定、网格边的大小、网格疏密程度的定义、 局部网格和节点的重新处理等。 2 ) 节点号的优化排序。为了提高有限元计算的效率即在不影响精度的前提下减 少网格的数目，必须对节点号进行调整和排序，使各单元内节点号的差最小，这样 可以减少占用计算机的空间，从而减少时长。节点号的优化排序主要通过计算机自 动完成，但局部单元节点仍需要人工修改。 3 ) 生成有限元属性数据。对于塑料模具c a e 技术，属性数据主要包括注射压力 数据、塑料原材料属性数据、对边界约束条件的描述，这些数据还应方便用户进行 输入和后期的重新定义。 4 ) 生成输入数据文件。有限元网格的前处理软件生成的数据应与后期的分析软 件的所需数据格式相一致。比如m o l d f l o w 软件的数据接口可以是i g e s 、s t e p 、s t l 格式，这就要求在生产有限元网格时生成的数据为以上三种格式的一种。 ( 2 ) 有限元网格应满足以下要求： 1 ) 单元应精确逼近原物体。所有划分后的网格的顶点、边和面都必须在原域的 8 硕士学位论文小尺寸显示器零件模具设计研究 表面上，不能在面内和面外。 2 ) 网格之间不能相互重叠。如果是面型网格，网格的总面积要与所划分的塑料 制品的面积相同；如果为实体网格则应体积相同，不能局部凸起和凹陷即网格厚度 要与原模型相同。不论是哪种网格相互间不但不能重叠，而且网格间还不能有空洞， 否则必须进行人工修补。 3 ) 单元的形状要合理。以通常划分的三角形单元为例，每个三角单元应尽量趋 近于正三角形，不能出现长度和宽度比例过大的单元题。 4 ) 网格的密度分布应合理。对于形状简单的零件或零件上特征简单的部分网格 划分的密度可以较大以提高c a e 分析的速度，在形状复杂的部分应提高划分密度以 提高分析的精度。 5 ) 相邻单元的边界共用。划分后的网格不能有自由边和交差边。 6 ) 网格的方向细节应一致。没有配向不一致的网格单元。 2 3 小尺寸显示器零件注射成型的数学模型 小尺寸显示器零件注射成型过程是非稳定、非等温的复杂过程。采用注塑模c a e 中的流动、冷却、翘曲等模拟分析功能对显示器零件注射成型过程进行流动、保压、 冷却、固化成型的模拟。注塑模具c a e 模拟的方法涉及到数值模拟的基本原理和数 值模型内在的黏流态的运作机理。由于充填过程、保压过程、冷却过程是注塑成型 的三个重要过程，同时考虑到翘曲过程对塑件成型质量的巨大影响，本节从注塑成 型模拟的实际出发进行必要的数学描述，并由此建立小尺寸显示器零件注射成型的 数学模型。 2 3 1 充填过程的数学描述 1 )塑料熔体在型腔中充填过程的流动特性陟1 3 l 由于本文研究的显示器注射成型的塑料制品较薄，只有1 - 3m m 厚，因此需要 很大的注射压力才能将塑料熔体注射到模具型腔内，若模具设计不合理注射压力甚 至需要超过i o o m p a 才能填充完毕。另一方面，由于模壁腔体的温度远远低于注入 的熔体温度，这会使得熔融的聚合物在填充过程中与模壁接触处首先遇冷凝固下 来，而凝固在模腔表面的熔体会使流动路径变得更窄、更薄，这样后续填充的熔体 需要克服更大的压力才能进入到模腔。当熔体在狭小空间高速流动时会产生剪切 热，温度的提高可以减少熔体的黏度有利于熔体的填充，但过高的温度又会使熔体 聚合物降解，从而导致塑料制品的报废。通过上面的描述不难看出，塑料熔体由注 塑机喷嘴流入并充满浇注系统后进入模具型腔，流动前沿的高温熔体与冷模壁接触 凝固成一层薄膜，而在薄膜内层的区域熔体仍是熔融状态，后续填充的熔体通过薄 9 2 注射模具c a e 技术的主要原理硕士学位论文 膜内层的空间注入后推动原先内部的熔体向模具腔体内部前进，而原先的材料则进 入到模腔的内部形成新的前沿，我们将这种流动现象称为喷泉流动。 2 ) 充填过程基本理论 通过文献学习，可以基于连续介质力学和热力学的基本理论，建立起流体流动 和热传导过程的控制方程1 1 牝2 1 ： ( 1 ) 连续性方程 流体流动时，流入和流出液体的体积相等： 掣：一p ( v ；) ( 2 1 ) ( 2 ) 动量方程 兰( p v ) = p g + vo o - - v p 】 ( 2 2 ) ( 3 ) 能量方程 譬而v 驴卢丁学+ v 即p v _ + ( 州v 硝- v ( k v t ) ( 2 3 ) 其中p 为密度，v 为速度矢量，为时间变量，g 为重力加速度，c p 为比热容， t 为温度，p 为热膨胀系数，仃为应力张量，k 为热传导系数。连续性方程和能量 方程是标量方程，而动量方程是矢量方程，它可以分解成三个坐标方向的动量方程。 对于塑料熔体的充填过程，主要表现为低剪切速率的牛顿行为和高剪切速率下 的剪切变稀行为。常用的粘度模型为c r o s s 粘度模型和幂律粘度模型。目前主流的 商用塑料模具c a e 软件如m o l d f l o w 即是采用的c r o s s 粘度模型。该粘度模型由于 将聚合物粘度作为温度和剪切速率的函数，并将压力对粘度的影响考虑在内，因此 能够同时处理牛顿行为和剪切变稀区的流变行为。 ( 4 ) c r o s s - - a r r h e n i u s 粘度模型： 删，即= 评r l o ( t 万, p ) ( 2 4 ) 式中1 7 0 ( t ，) = b e x p ( - 擘- ) e x p ( f l p ) 叩为剪切粘度，t 为温度，矿为剪切速率，p 为压力，r l 为幂律指数，t 表示熔体 由牛顿流体区进入剪切变稀流体区所受的剪切应力水平，( 1 - n ) 为剪切变稀区粘度 对数曲线的斜率，t 7 0 ( t ，) 为零剪切粘度，瓦表达温度对剪切粘度的影响，卢描述 压力对剪切粘度的影响。 3 ) 计算机模拟的假设与模型简化 鉴于显示器壳体零件都足薄壁件，厚度方向即z 方向的尺寸远比x ，y 方向小， 硕学位论文小尺寸显示器零件模具- 墁计研究 因此可以认为熔体是在扁平型腔内流动并且温度在z 方向上呈中心对称分布，其流 动行为与h e l e - s h a w 润滑流的性质相同。 h e l e - s h a w 润滑流的假设： ( 1 ) 惯性力和质量力相对于较大的熔体黏度数值( 雷诺数r e 1 0 3 ，忽略热对流对熔体填充的影响； ( 5 ) 型腔内压力相对注射压力很小，熔体在填充过程中体积不变即材料的密 度不发生变化，即v v = o ； ( 6 ) 忽略熔体填充过程中前沿附近喷泉式流动的影响； ( 7 ) 将熔体填充过程中的比热容及导热系数后视为常数。 4 ) 注塑模充填模拟的数学模型 根据以上理论和假设，得到显示器壳体零件注塑模充填模拟的数学模型： 连续性方程 一a ( b u ) 4 - 型：0 ( 2 5 ) 缸 咖 动量方程 _ _ o p + 昙铆罢) = 0 苏瑟”昆7 一万o p 十瓦0 夏) = 。 ( 2 6 ) 能量方程 昨学罢面a t ) = r 1 ) , 2 + k f l j z t ( 2 7 ) p q 唁蝴面 面) 喵 式中，x ，y 方向为型腔中面的平面坐标方向，z 方向为型腔厚度方向，原点 在中面上，t 为熔体温度，p 为非粘性流体平衡态压力，u 和v 分别为x 和y 方向 的速度分量，y 为剪切率，p 为密度，c p 为比热容，r 为剪切粘度。 粘度模型 删，即= 鬲7 7 0 ( t , p ) 叼o ( t ，p ) = be x p ( 争) e x p ( 卢尸) ( 2 8 ) 为方便计算，针对以上模型设定边界条件： 2 注射模具c a e 技术的主要原理硕士学位论文 假设c 。是模具上的浇口位置，c m ( r ) 是熔体填充时在t 时刻的熔体前沿位置， c 。是模具型腔的边界，c 。是型腔内任意嵌件的边界，b ( x ，y ) 为型腔内某一处厚度 为壁厚一半的位置。 关于流动平面的边界条件，在流动前沿c 。( f ) ，以大气压力为基点有p = o ； 在型腔边界c n 和型芯边界c 上，应满足无渗透边界条件即法向速度为0 的边 界条件：= o ； d 聆 在浇口位置c 。上，边界条件应由浇注系统给出，为了方便可以认为在浇口处压 力是给定的： 尸= p ( x ，y ，z ) ： 假设压力是一个与时间有关的压力分布函数，由入口流率计算得 到：2 夺( 一p o 。p ，* d s ：q ，其中q 是沿整个厚度一6 z 6 的流率； 温度边界c 上，可以认为在浇口处温度应是熔体的注射温 序t = l ( x ，y ，z ，f ) 对于塑料熔体在型腔内相遇时形成的熔接线，相应的边界条件是压力和法向速 度在熔接线上保持连续： p + = p -( s 娑) + = o 竽) 一 o na 阼 2 3 2 保压过程的数学描述 1 ) 熔体在保压阶段的流动特性 保压是塑料制品成型的重要阶段，保压是否充分对塑料制品的质量即收缩、翘 曲变形有很大的关系。熔体的保压过程分为熔体的补料和压实两个阶段，补料阶段 时间很短，温度、压力变化不明显；压实阶段的时间较长，此时的温度、压力变化 显著且压力变化范围较大。 2 ) 保压阶段的基本理论陋1 9 孙2 5 i 与充填过程不同，注塑模保压是熔体在非等温状态下的非稳态流动和传热过 程，温度、压力的变化很大，同时塑料熔体的密度变化很大，此外还伴有部分的相 态变化。这样就要求在保压阶段，必须考虑塑料熔体的不可压缩性，v 矿= 0 不再 能够用来简化方程，但不可压缩假设只能影响连续性方程和能量方程，不能影响运 动方程。因此，可以采用与充模分析相同的材料假设和量刚分析，得到在三维薄壁 型腔内带有粘性可压缩流体的流动和传热的控制方程，它们在三维空间的表达形式 为： ( 1 ) 连续性方程： 1 2 里堕兰墅型竺蔓一 ! ：垦! 里堡矍量堡堡_ 具堡生! 窒 一 ，j 、八j 强小荔等仟俱具发i t 研冤 害+ p c 誓+ 等+ 誓，+ c 瞎+ 哆雾+ 囔，：。 c 2 9 ， 警= 丢铆誓，；参= 丢c 叩鲁，；警= 。 c 2 t 。， ( 3 ) 能量方程 p 。c 鲁+ 叱瓦a t + 。万a t + 匕暑，= 卢r c 害+ 叱罢+ b 考+ 屹老，。 彬+ 七謦+ 窘+ 争 q 1 1 这组方程仍签是广义的h e l e s h a w 流动模型，其中p 为密度，c ，为比热容，七 为热传导系数，卢为剪切粘度，p 、丁、哥则分别为压力、温度、速度矢量，其中矿 为剪切速率，其表扶式幻下 矿= 膀 ( 2 1 2 ) ( 4 jc r o s s 一l f 粘度模型 在保压过程中，由于伴随着模具和熔体的冷却效应，因此必须要考虑较低温 度时熔体的流变学行为，此时粘度模型应采用修正的c r o s s - w l f 粘度模型，其表 达如f ： q ( t ：粤 ( 2 1 3 ) 1 + ( ! ￥一) 卜一 r 式中，n 为幂律指数，r 。( t ，p ) 为零剪切粘度，f 。描述了由牛顿粘度过度到幂律粘 度时的剪切应力水平。同时，还需要采用w l f 方程来描述零剪切速率时的粘度， ( 丁，尸) = d - e x p ( 一篇) ；r ( 尸) = 砬+ 岛p ；4 ：互+ 4 p ( 2 1 4 ) 式中4 、皿、色、妥、n 互是与材料有关的常数，对于无定形聚合物d 2 为玻 璃化转换温度，同时由于b p 包含在4 和，中，因此是压力的幂率函数。 。 z 3 3 冷却过程的数学描述 1 ) 塑料熔体在型腔中的冷却过程1 1 8 1 1 2 7 - 3 1 1 熔体在型腔中冷却的过程是指熔体从浇口凝固到塑料制品从模具中顶出这一 1 3 2 注射模具c a e 技术的主要原理硕士学位论文 阶段，该过程通常占整个成型周期的四分之三以上。塑料模具冷却系统的冷却效率 直接影响塑料制品的生产率，冷却均匀性影响塑料件的质量。而塑料模具由于结构 复杂，因此其温度状态受到诸如型腔形状、料厚、流动状态等多方面因素的影响。 用c a e 模拟分析的方法可以直观地反映冷却过程，预测塑料制品地成型缺陷，因此 研究冷却过程的数学描述具有重要地意义。 2 ) 基本理论及假设1 1 8 1 1 2 9 - 3 3 l 热传导控制微分方程： o ( k ，o t _ ) + k ya t - ) + k ；a t ) = p q 鲁+ q o 烨) ( 2 1 5 ) 塑料模具在注射过程中，随着熔体的填充熔体的温度不断减小，且模具型腔中 的温度随点的位置不同和时间不同均发生着变化。这种能量传递的方式是非稳态即 瞬态热传导。此种方式对于数值计算而言过于烦琐，由于本文研究的小尺寸显示器 零件属于薄壁制品，因此可以通过以下假设将其冷却过程合理简化： ( 1 ) 假设熔体填充过程中温度的分布不随时间变化而变化，即用稳态冷却过 程代替非稳态冷却过程，从而简化数值计算的过程。 ( 2 ) 对于本文研究的薄壁塑料制品，在熔体填充时型腔内的热量仅沿厚度即z 方向传播。 ( 3 ) 假设模具型腔的材料各向异性相同即上式中的t = 砖2 砖= k 。 ( 4 ) 塑料制品在成型过程中始终与模壁完全接触，且忽略接触的温度损失即 塑件表面与模壁温度相同。 基于以上假设，模具冷却问题简化为无热源的稳态热传导问题， 在公式2 1 5 基础上将热传导控制方程简化如下： 窑+ 窑+ 窑：0 ( 训，加矿 ( 2 1 6 ) 万+ 萨+ 可2 (