（机械制造及其自动化专业论文）基于cae的注塑成型浇注系统与冷却系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 当今，随着塑料工业的迅速发展，塑料制品在许多工业部门的应用范围越来 越广，这就使产品对注塑模具的要求越来越高，传统的注塑模具设计方法已无法 适应产品更新换代和提高质量的要求。注塑模c a e 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，突破了在传统的注塑机上的反复试模、修模的束缚。同传统的模具设计相 比，c a e 技术在提高生产率、保证模具设计和产品质量，降低成本、减轻劳动 强度，起到了不可估量的作用。因此对c a e 技术在注射模具设计中的应用进行 研究是完全有必要的。 本文从介绍注塑模c a e 技术的内容、方法及其发展着手，阐述了流动模拟 分析、冷却模拟分析等分析原理，并对模拟分析软件m p i ( m o l d f l o wp l a s t i c s i n s i g h t ) 的作用和功能做了详细的介绍。本文以m p i 为工具，对注塑过程中所涉 及的流道设计、浇口设计进行了比较深入的研究，提出了切合实际并提高产品质 量的流道优化算法。根据冷却系统设计参数对模温的影响，对模具冷却系统的优 化设计进行了初步的研究。最后以磁疗仪后盖壳为实例进行c a e 模拟，其塑料 熔体的充填、流动和模具的冷却是注塑过程中几个重要的过程。通过对后盖壳产 品的实体c a d 模型进行有限元网格的划分和修改，在模型上设置不同的浇口类 型方案来分析比较制件成型过程中的熔接线位置、气穴位置以及如时间、压力等 影响制品质量的工艺参数，确定最佳的成型方案。最后对所选择的成型方案做进 一步的优化分析，使熔体冷却均匀、充填平衡，以减小塑件的翘曲变形，使制件 达到最佳的注塑效果。 关键词：注射模；模拟分析：c a e ；浇注系统；冷却系统 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，m o r ea n dm o r ei n d u s t r i a ld e p a r t m e n t su s ep l a s t i cp a r t sw i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h ep l a s t i ci n d u s t r y , w h i c hd e m a n d sb e r e ra n db e r e rq u a l i t yo ft h e i n j e c t i o nm o u l d s s ot h et r a i t i o n a ld e s i g no ft h em o u l d sc a nn o ta d a 讲i t t h ei n j e c t i o n m o u l dc a ec a na n a l y z ea n ds i m u l a t et h em o l d i n gp r o c e s si nc o m p u t e ra n df o r e c a s t t h ed i s a d v a n t a g e so ft h ed e s i g nb e f o r et h ei n j e c t i o nm o u l d sa l em a d e t h i ss i m p l i f i e s t h ec o n v e n t i o n a lm e a n so ft e s t i n gm o u l d sr e p e a t e d l ya n dr e p a i r i n gm o u l d so nt h e i n j e c t i n gm o l d i n gm a c h i n e c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ld e s i g nw a yo ft h ei n j e c t i o n m o u l d s ，c a ec a ni n c r e a s et h ep r o d u c t i v i t y , g e tg o o dq u a l i t yo fm o u l d sa n dp a r t s ， r e d u c ec o s ta n dl e s s e nl a b o ri n t e n s i t y , a n di tw i l lp l a yat r e m e n d o u sr o l ei np l a s t i c i n d u s t r y s oi ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ea p p l i c a t i o no fc a ei nm o l dd e s i g n t h i sp a p e rs e t sa b o u tt h ec o n t e n t 、m e t h o d 、d e v e l o p m e n to ft h ec a e t e c h n o l o g y t h e n ，ab r i e fi n t r o d u c t i o ni sm a d eo nt h ep r i n c i p l eo ff i l l i n ga n a l y s i s 、c o o l i n ga n a l y s i s e t c a n di tn a r r a t e st h eu s ea n df u n c t i o no fm p i ( m o l d f l o wp l a s t i c si n s i g h t ) s o t t w a r e i nt h i sp a p e r , ad e e pr e s e a r c ho nr u n n e rd e s i g n 、g a t ed e s i g n 、c o o l i n gs y s t e md e s i g ni n t h ei n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s si sd o n eb ym a k i n gu s eo fm p is o f t w a r e ，a n dt h e o p t i m i z a t i o ns o l u t i o no fr u n n e rd e s i g na n dc o o l i n gp i p e l i n ed e s i g na r ep u tf o r w a r d t h a tc a ni m p r o v et h ep r o d u c tq u a l i t y a tl a s ti tt o o kab a c ks h e l lo fm a g n e t i ct r e a t i n s t r u m e n tf o rt h ec a e a n a l y s i s t h ep r o c e s s e so ft h ef i l l i n g 、f l o w i n go ft h ep l a s t i c m e l ta n dt h ec o o l i n go ft h em o u l da r et h em o r ei m p o r t a n tp r o c e s si nt h ep l a s t i c i n j e c t i o n w h e nc a r r i e so nd i v i s i o na n dm o d i f i c a t i o no ft h en e to ft h eb a c ks h e l l s c a d m o d e l ，w e l dl i n e s 、a i rt r a p sc a nb eo b t a i n e da n de o m p a i r e db yt h el o c a t i o no f s e v e r a lo fg a t e si nm o d e l ，a n dh a v et h ec r a f tp a r a m e t e r ss u c ha st i m e 、p r e s s u r e ，e t c w h i c hi n f l u e n c et h eq u a l i t yl e v e lo ft h ep l a s t i cp r o d u c t s ，t h e nc h o o s et h eb e s tm o l d i n g d e s i g n a tl a s t ，o p t i m i z et h ec h o o s ed e s i g n ，m e l tc a nr e a c ht h ee x t r e m i t i e so ft h e c a v i t ya tt h es a m et i m ea n dc o o l i n gu n i f o r m i t y , t h u sr e d u c et h ee a r p a g eo ft h ep a r t s ， a n dh a v eah i g h e s tp r o d u c t i v i t y k e y w o r d s ：蜘e c t i o nm o l d ，s i m u l a t i o na n a l y s i s ，c a e ，r u n n e rs y s t e mc o o l i n g s y s t e m n 江苏大学硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密d ，在年解密后适用本授权书。 不保密囤。 学位论文作者签名：指导教师签名： 年月 日年 月日 江苏大学硕士学位论文 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 模具是工业生产的基础工艺装备，在电子、汽车、电机、家电和通讯等产品 中，6 0 一8 0 的零部件都要依靠模具成形。模具生产技术水平的高低，已成为 衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志【1 1 。注塑成型是塑料成型方法中最重 要的一种加工方法，注塑成型制品约占塑料制品总量的2 0 一3 0 【2 j 。塑料成型 加工是- - 1 7 不断发展的综合学科，它不仅随着高分子材料合成技术的提高，成型 加工设备的更新改造、成型工艺的成熟和进步，而且随着计算机技术、数值模拟 技术等在塑料成型加工领域的渗透而得到长足的发展。在塑料模具制造中，注塑 模c a e 技术就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型中熔体的动态 充填、冷却过程，定量地给出成型过程的状态参数( 如压力、温度、速度等) 【j j 。 利用注塑模c a e 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科学的依据。这样可减少模具的 报废率，缩短模具设计制造周期，降低成本、提高产品质量。因此注塑模c a e 技术在模具制造中具有非常重要的应用和经济价值。 近年来模具及塑料n - e 领域发展最快的是c a e 技术，通过对成型加工过程 进行数值模拟，研究加工条件的变化规律，预测制品的结构和性能，选择制品、 模具设计及工艺条件的最佳方案，使成型加工从一项实用技术变为一门应用科学 4 1 。目前注塑模c a e 技术的研究工作主要集中在流动模拟、冷却模拟以及保压 和翘曲方面。通过c a e 对注塑制品各种性能进行全面分析，预测产品可能出现 的缺陷，预测成型产品的质量，信息反馈结合实际经验，可以实现如下功能。 ( 1 ) 优化塑料制品设计：塑料的壁厚、注塑模流道系统、浇口的数量和位 置、冷却系统等都会影响塑料制品的质量和工艺条件，利用注塑模c a e 分析系 统，可以快速设计出最优化的塑料制品。 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 优化塑料模具设计：利用注塑模c a e 系统，可以对型腔尺寸、浇口位 置及尺寸、冷却系统等进行优化设计，在计算机上模拟试模，大大提高模具质量， 减少实际试模次数，使一次试模成功成为可能，从而降低成本，缩短模具生产周 期。 ( 3 ) 优化注射工艺参数：注塑模c a e 系统帮助确定最佳的注射压力、锁模 力、模具温度、熔体温度、注射时间、压实压力和时间、冷却保压时间等，找出 最佳注射成型周期，获得最佳的塑料制品。 ( 4 ) 采用c a e 模拟分析实现并行工程，从而加快产品的开发过程，降低试 模成本，提高生产率，提高产品的品质，节约原材料等。 综上所述，注塑模c a e 技术在塑料产品开发、模具设计及产品加工中显示 出了积极的作用【5 1 。 1 2 注塑模c a e 技术在国内外的发展现况 c a e 技术发展的原动力来自塑料工业的飞速发展带动对模具的迫切需求， 近2 0 年来，塑料流变学、几何造型技术、数控加工技术、计算机技术的进步为 注塑模c a e 系统的开发提供了技术支持，使得c a e 的开发应用迅速提高【6 j 。 国外对注塑成型过程的模拟的研究开展较早，2 0 世纪6 0 年代，t o o r 、b a l l m a n 和c o p p e r 1 7 】最先用数值方法计算了塑料熔体的充模过程，随后，许多研究者对一 维流动进行了大量的研究，d u s i n b e r r e 8 】建立了一维非稳态传热计算模型。随后， k e i n g 和k a u r a l 、d i e t c 等学者对一维冷却进行了模拟。7 0 年代中期到8 0 年代 中期，b o y e r 、g u t f i n g e r 和t a d m o r l 9 】运用流动网格分析法对二维等温流动进行了 计算，并对保压、固化及分子取向问题进行了有益的探索。h i e h e r 和s h e n i i o 将 h e l e s h a w 流动推广到非牛顿流体的非等温流动情况，得到了描述二维充模流动 的数学模型，并分别采用有限元差分法和有限元与有限差分混合法求解。w a n g h p 和a u s t i nc i l l l 等采用有限元分析冷却过程温度场的分布。b a r o n e 和c a n c k l l 2 l 首先采用边界元对冷却过程进行二维分析，并对冷却装置设置、尺寸和表面温度 进行优化。8 0 年代后期，学者们开展了三维流动和冷却模拟研究，三维流动模 拟主要采用流动路径法实现了对三维制件的流动分析，用有限元与有限差分混合 法、控制体积法来确定熔体流动前沿位置。在这一阶段，采用边界元法对冷却过 程进行了三维模拟。进入9 0 年代后，开展了成型过程流动、保压、冷却、应力 2 江苏大学硕士学位论文 应变及翘曲的全过程模拟的研究，试图将各独立模块有机地结合起来，提高模拟 软件的分析精度和扩大适用范围。目前，正致力于三维实体的c a e 与c a d c a m 的集成化。 我国自行开发的注塑模具c a e 软件起步较晚，在8 0 年代后期才逐渐有成 果发表。早期的开发工作仅限于注塑模具c a d 系统和二维c a e 的研究。到9 0 年代受国外引进的注塑模具c a e 技术的影响，才开始研究负责三维成型和冷却 系统的c a e 研究。华中理工大学是国内较早( 1 9 8 5 年) 自行开发研究注塑模具 c a d c a e 系统的单位，1 9 8 8 年实现了注塑模具c a d c a e 一体化的h s c a e l o 系统，目前最新版本为h s c a e 6 0 。h s c a e 系列软件已在国内8 0 多家工厂和 学校推广使用【1 3 】。郑州工业大学模具研究所从1 9 8 7 年丌始研制橡塑模具成型过 程模拟及模具优化设计软件z m o l d ，该系统是目前国内处于领先水平的实用 化、商品化的橡塑c a e 系统。该软件最新版本为z m o l d 3 0 ，可较准确地预测 温度场、应力场、熔接线及气泡位置等。上海交通大学从1 9 8 3 年起开始对注塑 模具的计算机应用进行了多层次的研究，并在国内首次把人工智能技术引入注塑 模具的c a d 系统中。目前正在开发一个智能化的c a d c a e 系统，该系统基于 工作站u gi i1 o 为图形支撑环境，以m o l d f l o w 为分析系统，用a n s i s 实现。现 已完成了应用软件工程思想与i d e f 0 和i d e f i x 建模工具的总体设计方案，并实 现了u g i i1 0 与m o l d f l o w 的数据传输和图形转换难题。此外，浙江大学、东 南大学、四川联合大学、大连理工大学、合肥工业大学等院校都在注塑模具 c a d c a e 系统研究方面做了许多研究工作。 1 3 注塑模c a e 技术的发展趋势 随着科学技术的迅速发展，互联网技术的普及和全球信息化，塑料模c a e 技术功能进一步扩充，性能也进一步提高，其发展趋势如下【4 】： ( 1 ) 增强前置处理能力以及c a d 系统的集成能力 c a e 系统的应用中最大的障碍是分析初始数据的准备，包括分析对象模型的 创建和网格划分等。现行的c a e 系统软件允许产品模型可以直接有c a d 系统 导入分析系统，并带有修补模型数据误差的功能，同时提供自动网格划分的选项， 从而简化了分析前的数据准备工作。c a e 系统通过加强与c a d 的图形数据交换 和接口能力，而将注意力集中于分析能力上是目前系统发展的一个趋势。 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 增强分析系统的准确性和分析速度 塑料模c a e 技术的实用性，取决于数学模型的准确及数值算法的精确。随 着相关领域的技术进步，数学模型对成型过程的描述更准确、真实。如聚合物在 三维负责区域中等流动、传热过程的数值分析；以及入口收敛效应使模具内三维 流动和出模胀大所用的本构关系更加复杂，并应考虑粘弹性及非等温性。数值算 法也由二维、二维半走向真三维，技术结果更为精确。 ( 3 ) 进一步加强系统的易用性 由于计算机技术及多媒体技术的发展，用户界面具有更强的直观、直感和直 觉性，用户能以较少的工程知识背景，利用“向导”或语音等信息提示，实现简 单的“傻瓜操作。 注塑模c a e 技术涉及大量的设计方案、标准构件、行业性的标准、规范以 及大量的人类专家知识，利用模糊算法、人工智能及知识工程自动选择合理的方 案、判断计算结果的合理性，减少用户对计算程序的干涉。 ( 4 ) 完善的系统后置处理 c a e 系统的分析结果的处理、显示和统计是一项十分繁重和专业的工作。目 前的发展可以分为两个方面，即分析结果的动态显示和分析报表的自动生成。在 分析结果的动态显示中不仅反映被分析对象的温度、压力等数值静态分布，而且 可以模拟熔融塑性流动的过程和被分析对象的动态行为。另一方面系统可以生成 分析的报表，这是工程设计中重要的档案文件，因此来节省设计者大量的时间和 精力。 ( 5 ) 优化理论及算法使c a e 技术“主动”的优化设计 现有的c a e 技术是建立在科学计算的基础上，但仅仅是校验设计方案的合 理性，“优化 仅是反复的校验、试凑，最终的设计方案仍需设计者的经验和技 巧，通过对多过方案的反复计算、比较、分析和判断来确定，使设计和分析过程 仍带有盲目性和随机性。 利用现有的模拟结果，借助于优化理论构造有效的反问题算法，给出明确的 改进方向和尺度，对优化模具设计参数和成型工艺参数十分重要。这样可进一步 提高系统的智能，减少对使用者经验和技巧的依赖。 ( 6 ) c a e 技术的集成化和网络化的发展 4 江苏大学硕士学位论文 随着互联网技术的普及，宽带通讯技术的突破，以及通讯、广播和计算机三 网融合步伐的加快，计算机及网络正从社会的各个方面改变人类的学习、生活。 现代设计理论的应用，如并行工程等，用户将需要无缝连接的集成化软件， 具有专业特色的c a d c a e c a m c a p p p d m e r p 产品将应运而生，逐步完成模 具及成型加工全过程的模拟及控制，形成“过程工程与技术 的关键技术。该计 算基于网络环境，实时设计与制造系统的全过程结合，建立整个制造过程的研究、 开发、规划、设计、实施与控制及管理的新体系。 1 4 注塑模c a e 的商品化软件 注塑模c a e 软件的发展十分迅速，其在全面提升模具设计水准中的显著效 果正逐渐为模具界所认识【1 4 】。目前国际上具有代表性的商业化软件有： ( 1 ) 美国a c t e c h 公司的注塑模c a e 软件c m o l d 。c m o l d 软件是美国 a c t e c h 公司开发的比较成功的塑料注塑模拟分析软件，k k w a n g 教授是创 始人之一。该软件在众多计算机辅助工程( c a e ) 软件技术中具有领导地位，它采 用的有限元有限差分控制体积法现在己成为工业标准。2 0 0 0 年，美国a c t c c h 公司被m o l d f l o w 公司收购。 ( 2 ) 澳大利亚m o l d f l o w 公司主要的注塑模c a e 软件m o l d f l o w p l a s t i ci n s i g h t ( m p i ) 。1 9 7 8 年澳大利亚m o l d f l o w 公司首先推出商品 化流动模拟软件，该公司拥有世界上最多的注塑模c a e 软件用户。2 0 0 0 年 m o l d f l o w 公司收购a c t e c h 公司后，对两个公司的产品进行了部分整合。 ( 3 ) 德国i k v 研究所的c a d c a e 软件c a d m o u l d 。该软件主要包括模具 方案构思与设计软件l a y o u t & d e s i g n 、二维流动模拟f l o wp a t t e r nl a y _ f l a t ，三维 流动分析m r p i s t o 、二维冷却分析t h e r m a ll a y o u t 和模具强度、刚度分析 m e c h a n l c i a ll a y o u to fm o u l d s 等。 ( 4 ) 美国s d r c 公司的i - d e a s 软件。该软件原为通用的机械c a d c a m 软 件，9 0 年代初，该公司开发注射成型流动和冷却分析软件，并与i - d e a s 集成推 出适合于注塑模的i d e a s 。 此外，还有美国g r a f t e k 公司、p r i m c v 公司、p r i m e c a l m a 公司、 意大利p & g 公司和英国的d e l t a c a m 公司的注塑模c a e 软件包。 国内开展注塑模c a e 研究起步较晚，但通过不懈的能力，以及对国外软件开发 5 江苏大学硕士学位论文 经验与技术的吸收和研究，发展较快，并取得了一定的成果。华中理工大学模具 技术国家重点实验室自行开发了注塑模c a e 软件h s c a e ，其水平达到了国外 9 0 年代初期的先进水平，郑州工业大学的国家橡塑模具工程研究中心开发的注 塑模分析软件z m o l d ，其他一些高等院校和研究所也在这些方面做了很多研 究工作，如上海交通大学、四川联合大学、郑州工业大学、浙江大学、大连理工 大学、北京化工学院、合肥工业大学等，其中北京华正模具研究所与美国a c t e c h 公司合作开发的面向注塑模的中文辅助分析软件c a x a i p d ，采用了国际上c a e 技术的最新成果。 1 5 本论文的研究内容 注塑成型的分析及其仿真技术是对注塑流动、保压、冷却等注塑成型过程进 行数值模拟、可视化动态显示以及统计计算。使得模具制造之前，设计人员可以 形象直观地在计算机屏幕上模拟出制品加工的过程，预测模具设计和成型条件对 产品的影响，发现可能出现的缺陷，为判断模具设计条件是否合理提供科学的依 据。从而可以有效降低产品、模具设计的盲目性，缩短制造周期，降低生产成本。 因此注塑成型c a e 分析技术在模具制造中具有非常重要的应用和经济价值。 本文的主要内容为磁疗仪后盖壳注塑过程的c a e 模拟。其塑料熔体的充填、 流动和模具的冷却是注塑过程中几个重要的过程。本文以澳大利亚m o l d f l o w 公 司的注塑模具c a e 软件m o l d f l o wp l a s t i ci n s i g h t ( m p i ) 为工作平台，首先对 后盖壳产品的实体c a d 模型进行有限元网格的划分和修改，通过m p i 对注塑流 动过程、冷却过程和翘曲变形进行模拟，预测不同的浇口类型方案来分析比较制 品可能出现的缺陷，确定最佳的成型方案。最后对所选择的成型方案做进一步的 优化分析，设计更加合理得浇注系统和冷却系统，使熔体冷却均匀、充填平衡， 以减小塑件的翘曲变形，在塑件脱模后的外观质量、几何尺寸满足设计要求。主 要研究内容如下： 1 注塑成型是一个相当复杂的物理过程。基于注塑模拟c a e 的流变学原理， 对成型过程包括充模流动、保压、冷却等阶段的数学描述加以研究。 2 介绍了注塑成型c a e 技术的应用及在模具设计中的显著作用，以及商品 化注塑模c a e 软件m o l d f l o w 的主要分析模块。 3 阐述了流道系统设计的理论计算方法，包括平衡布置和非平衡布置的流 6 江苏大学硕士学位论文 道系统，就非自然平衡流道系统的情况提出了流道优化算法。并将优化设计及注 塑模冷却分析相结合，通过对注塑模冷却系统的灵敏度分析，建立了冷却系统的 优化模型并给出了求解方法。结合实例从浇注系统的设计与平衡、冷却系统管道 的布置在注塑成型过程中起着极其重要的作用。 4 以磁疗仪后盖壳为试例，利用m p i 对注塑件注塑过程进行了模拟，通过 充填、冷却等过程的工程应用解释了浇口位置、冷却管道位置对模具设计的影响。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章注塑模c a e 模拟分析原理 2 1 注塑模0 a e 的内容 塑料注塑成型是一个复杂的物理过程，非牛顿假塑性的高温塑料熔体在压力 驱动下通过浇口、流道流向低温的模具型腔，熔体一方面由于模具传热而快速冷 却，另一方面因高速剪切产生热量，同时伴随有熔体固化、体积收缩、分子取向 和可能的结晶过程。因此全面深入理解注塑成型需要高分子物理学、传热学、流 变学及成型工艺学等多方面的综合知测1 5 】【1 6 】 1 7 1 1 8 】。目前建立一个完全的数学模 型来对注塑成型全过程进行模拟难度相当大，所以成型过程的数值模拟主要分为 以下5 部分： 1 充填流动过程模拟 2 保压过程模拟 3 冷却过程模拟 4 制品纤维定向、材料物性分析 5 制品应力应变及翘曲分析 五部分中的流动模拟分析与冷却模拟分析比较成熟，在注塑成型模拟分析中 占有比较重要的地位。在充模过程中塑料熔体的流动行为影响塑件性能和质量， 引起的注塑缺陷主要有滞留效应引起的充填不完整、翘曲、气穴和熔接线。通过 建立充填、冷却等过程的数值模拟来分析预测流动行为。例如流动模拟可以得到 型腔中熔体的温度场、压力场、速度场、应力应变场，继而可以确定熔体的流动 前沿位置、熔接线位置、气穴位置，为合理选择成型工艺参数和设计模具结构参 数提供科学依据，其分析结果可用来优化冷却系统，提高制品的质量和生产效率。 2 2 注塑模充填过程的数学模型 2 2 1 塑料熔体的流动特点 如图2 1 所示，塑料熔体在型腔内的流动存在三种形式：在入口区，流动是 径向的，前沿呈圆弧状；在完全发展区，熔体以几乎完全发展的形式在薄壁型腔 中流动，对于等温充模，前沿是平的，而对于非等温充模，前沿呈曲线形，这种 8 江苏大学硕士学位论文 流动在整个充模过程中占主导地位；在前沿区，熔体从中线分开向横壁流动，熔 体的流动形态称为泉涌流动。熔体的泉涌流动主要是因为熔体前沿与冷空气的接 触形成了一个牯度较高的前沿膜。 当热的塑料熔体与模壁接触时会在型腔表面形成冷凝层，熔体被夹在冷凝层 之间。冷凝层的存在会改变熔体在型腔内流动的截面积并增大流动阻力，在一些 特殊情况下，这部分熔体还可能完全冷却而引起短射。当制品采用多浇口或有孔、 嵌件时，熔体在模具内发生两个方向以上的流动，在两股料流的汇集处就形成了 熔接线。熔接线的性质是由熔体流动前沿的流变状态、分子聚集态结构以及纤维 取向所决定。 图2 1 塑料的流动横式 222 填充过程塑料熔体的流变学粘度模型 绝大多数塑料熔体属于非牛顿流体，其主要特征是剪切粘度随剪切速率的增 大而减小，表现出“剪切变稀”的流变特性【埘。但是目前尚无确切反映非牛顿 塑料熔体本质的流变学公式，只用一些简化模型来表征。常用的粘度模型有口1 】 阎嘲叫： 1 幂樟模型 刁，t ) = 埘( t 弦舻 ( 2 1 ) m ( t ) = a e “7 = 。g ( t ) ( 2 2 ) 式中可为流动指数，a l 为材料常数。幂律模型可以描述在高剪切速率下 熔体的流变行为。它的缺点是无法描述低剪切速率时的熔体粘度，特别是零剪 切速率时的流变行为。尽管如此，在填充流动分析中它仍被广泛采用，主要原 因是填充流动阶段熔体通常具有比较高的剪切速率。 江苏大学硕士学位论文 2 e l l i s 模型 窄一 ( 2 3 ) 在比较低的剪切速率下，e l l i s 模型可以预测零剪切粘度r 。；在比较高的剪切 速率时，它接近于幂律模型。 尘坠：i + ( 肜) ：p ( 2 - 4 ) r o r 。 。 式中巩为上限牛顿粘度，a 为时间常数。该模型也是被广泛采用的一种粘度 模型，它可以描述高剪切速率时的幂律行为。 4 c r o s s 粘度模型 驴商 q 5 ) ( 等j 式中为流动指数，表示塑料熔体的流变特征由牛顿区过渡到幂律区时的剪切 应力水平。c r o s s 粘度模型为目前最为广泛采用的一种粘度模型，因为它不仅可 以描述高剪切速率时的幂律型流变行为，而且还可以描述接近零剪切速率时的流 以上四种粘度模型，在充填流动过程中，根据计算精度和计算时间等方面的 需要选择c r o s s 粘度模型。其粘度对温度和压力的依赖性，阃接地通过零剪切度 r 1 0 来表示，r 1 0 有两种形式，分别为e x p 模型和w l f 模型。 e x p 7 7 。= c te x p ( - 等- ) e x p ( c ，尸) ( 2 6 ) 啪却一卅者高， 眩7 ， a 2 = a 2 + b 尸 t = d 2 + d l p 式中：c l ，q ，4 是材料常数，p 是压力，t 是温度。d ：则对应于低压力 l o 江苏大学硕士学位论文 下地玻璃化转化温度。d ，c ，是压力影响系数。由于有关粘度地压力依赖性数据 很难从实验中获得，c ，系数的平均值可在特定温度下估算： c 1 = 1 _ 2 b ，木4 5 1 0 一7( 2 8 ) 。 l u e x p 模型和w l f 模型都考虑了温度、剪切速率和压力对粘度的影响，在较 宽广的剪切范围内比幂律型模型更能准确地放映塑料熔体地流动规律。但是方程 ( 2 6 ) 因零剪切粘度对应着常量，而只能描述某一平均温度下地熔体流动。和方 程( 2 6 ) 相比，方程( 2 7 ) 适应地范围更广，能更准确地描述伴有冷却效应的 熔体流动。因此，在计算精度要求较高的场合，就选用w l f 型的c r o s s 粘度模 型。 2 2 3 型腔充填流动过程的数学模型 基于c a e 技术进行注塑模具设计时，注塑过程的数字描述是注塑成型分析 和优化设计的理论基础。塑料熔体充填过程被认为是粘性非等温不可压缩流动与 传热过程，可采用粘性不可压缩流动的基本方程来描述。本课题研究的磁疗仪是 薄壳件，可认为熔体是在扁平型腔内流动的，如图2 2 【2 5 1 所示。一般近似认为熔 体流动行为具有h e l e s h a w 润滑流的性质瞄j 【2 6 l 【2 2 8 1 。并引入以下的假设和简化： 1 ) 由于型腔厚度( z 方向) 远小于其他两个方向( x ，y 方向) 的尺寸，且 熔体的粘度较大，因此，可以忽略z 方向的速度分量，并且认为压力p 是x ，y 的函数，沿厚度方向( z 向) 不变，即乡乞= 0 。 2 ) 在填充流动过程中，型腔内压力不是很高，且合适的浇口数量和稚置可 避免局部过压现象，可认为熔体是不可压缩的。 3 ) 由于熔体粘度大，相对于粘性剪切力而言，惯性力和质量力都很小，可 以忽略不计。 4 ) 在熔体流动方向( x ，y 方向) 上，相对于热对流项而言，热传导项很小， 可忽略不计。 5 ) 在填充过程中，熔体温度变化范围不大，可以认为熔体的比热容及导热 系数为常数。 江苏大学硕士学位论文 一。一一一、 q 、 纱：多夕 图2 2 烙体往扁平型腔内流动 在引入假设和简化的基础上，根据连续介质力学和热力学理论，可得到充填 过程的数学模型： ( 1 ) 连续性方程： 昙( 6 圪) + 熹( 6 巧) = o(29)d xd ， ( 2 ) 运动方程： a7 7 i a l ) 一面a p = 。 ( 2 1 0 ) 昙c 刁当o z ，一等= 。 ， 出却 ( 3 ) 能量方程： 肛，( 鲁+ _ 瓦a t + _ 万a t ) = 七窘+ 形2 1 2 ( 4 ) 本构方程： ，- ( 警) 2 + ( 2 】l ，2 ( 2 式中：v ”v 。分别表示x 、y 方向的速度分量；b 为型腔狭缝厚度的一半；p 为熔体的压力；p 为密度，印为比热容，k 为传热系数，丁为熔体的温度，r l 为熔体剪切速率，y 为熔体的粘度。 ( 5 ) 边界条件： 望：o ，篓：里：o ( 2 1 4 ) a za z砚 z = 0v x - - v y = 0 t = l z = 勘 在流动前沿c m ( ，) 上p - - 0 。 江苏大学硕士学位论文 在型腔边界c 。和型芯c ，边界上 p = 0 望：0 。( 2 1 5 ) 在熔体入1 2 1 处，t = t e 式中：凡为薄壁温度， 死为熔体入口温度。 2 2 4 浇注系统充填过程的数学模型 根据浇注系统的特点，可假定浇注系统内塑料熔体的流动为圆柱管内的流 动。对于非圆截面浇注系统，可采用等效圆截面。在此假定的基础上，根据圆柱 管的特点，可进行如下简化： 1 ) t = 0 ，v y = 0 ； 2 ) 不可压缩流体v 哥= 0 ； 3 ) 在同一截面上压力恒定。 将以上简化用于流变学基本方程，可得到浇注系统流动分析的数学模型： 运动方程：笔弓拿o r ( r 7 篓o r ) c ! z， ， 2 能量施p c p ( 詈吧罢) + 吾乳) = 1 7 户 眨 , - q 7 3 传热方程：q ，= 尼 ( 2 1 8 ) 4 本构方程：户：孚 ( 2 1 9 ) 式中：r 为半径，q ，为热流密度，其它符号意义同前。 2 2 5 数值计算 由于塑料熔体的非牛顿特性及充填过程的非稳态、非等温特性，建立起上述 数学模型后，可用数值方法进行流动模拟。通常采用有限元有限差分混合法。 2 3 注塑模保压过程的数学模型 由于塑料熔体的非牛顿特性及保压过程温度变化范围大、压力变化幅度大的 特点，熔体在保压过程中流动行为非常复杂，对该过程进行模拟相当困难，需从 江苏大学硕士学位论文 连续介质力学的一般理论出发，基于粘性流体力学的基本方程，针对保压过程的 特点，引入合理的假设和简化，建立熔体在保压过程中所遵循的连续性方程、动 量方程和能量方程，并确定合理的初始条件和边界条件，从而得到保压过程的数 学模型驯。 2 3 1 假设和简化 ( 1 ) 由于注塑件一般为三维薄壁件，型腔厚度远小于其他两个方向的尺寸， 因此塑料熔体在保压过程中的流动可以视为广义h e l e s h a w 流动。 ( 2 ) 塑料熔体在型腔中流动的雷诺数很小( r e u t 时，令s 减半，重新计算第( 3 ) 第( 5 ) 步，若u ”l 仍 大于t r t 则跳到第( 8 ) 步。 ( 7 ) 当u 州 统 图 不 江苏大学硕士学位论文 鞣 ( a ) 方案一 c ) 方案 图4 1 7 不同浇口位置的浇注系统 二、不同浇口方案模拟结果的讨论 从圈4 1 8 到图4 2 1 是四种方案的分析结果。不同浇口方案的流动填充过程i 及填充过程中产生的不良缺陷如表4 4 所示。 表4 4 不同浇口方案模拟结果的比较 充填时间锁模力 熔接线位置气穴位置充填 受力部位熔接线 原方案34 4 5较多不完全充填 较多 方案一型腔1 区域：3 2 1 9 受力部位熔接线 较多不完全充填 型腔2 区域：30 5 2 较多 33 7 1 受力部位熔接线 较少完全充填方案二型腔1 区域：i6 2 3 7 8 较多 型腔2 区域：3 3 6 2 3 m 4 受力部位熔接线 较少完全充填方案三型腔1 区域z3 0 8 2 1 较少 型腔2 区域；2 9 1 7 2 9 7 1 受力部位熔接线 较多完全充填方案四型腔1 区域：2 9 6 9 较少 型腔2 区域：2 9 2 0 i 不同浇口位置的填充时间 从填充时间图4 1 8 可知，四种方案充模的时自j 都有所下降。其中盘形浇i = i 盛一 江苏大学硕士学位论文 熔体的流动最顺畅，流动也是最平衡的，并且充模所用的2 9 7 1 s 是四个方案中 时间最短的。由于型腔复杂，圆孔和突起的部位较多，而且浇注系统流动不平衡， 从表5 4 中的型腔末端1 区域和型腔末端2 区域中显示的时间可以看出，四种方 案的熔体前沿很难同时到达型腔末端。在充满型腔方面除了方案一其它三种方案 都能顺利的充满型腔。 显。 ( a 】方案一 赫 b ) 方案= ( c ) 方案三 ( d ) 方案四 图41 8 不同浇口位重的填充时阃 2 不同浇口位置的锁模力 从图4 1 9 可知，四种方案的锁模力有所下降，其中方案四的锁模力下降明 ( a ) 方案一 ( b ) 方案二 厣 修 江苏大学硕士学位论文 c ) 方案三 ( d ) 方案四 田4 1 9 不同浇口位置的锁模力 3 不同浇口位置的熔接线 由于该制品结构本身的要求，使得熔接线不可避免，其中方案二和方案三的 熔接线大多处于需承受外力的部位或其位置处于结构敏感的区域，对塑件的强度 影响较大。方案四的熔接线数目有所增加，但分布较为合理，大多避开了应力集 中区。 l ，_ t ( a ) 方案一( b ) 方案二 。 o 。 ，| ，-。：p 一。、 ( c ) 方寨三( d ) 方寨四 图t 2 0 不同浇口位置的熔接线 4 不同浇口位置的气穴 四种方案中的困气大多集中在圆柱孔和边的末端，空气可由模具间隙或 外加的排气孔排出。在制品内部的气穴位置，可设置排气孔或顶杆等把气体 排出。 江苏大学项士学位论文 ( a ) j 赛一 ( c ) 方粜三( d ) 方案四 图42 1 不厨浇口1 ：i ) = 置的气亢 三、浇口位置的确定 成型过程中p v c 材料的流动性能较差，而且塑化温度较低，制品的体积较 大，充填时间不宜太长，否则，先充满的区域易产生冷料层，影响制品质量。在 上述四种方案中，方案四的综合效果比较好，从充模效果到外观质量要求都是较 好的。综合前面的分析结果，采用盘形浇口作为磁疗仪后盖模具的浇口设计。但 由于模具型腔的复杂性和不对称性，注射口设在在盘形浇口中心时熔体并不能报 均匀的进行流动，这时可用注射口在盘形浇口的不同位置进行熔体流动行为的改 善，经过多次的优化计算，最终采用工艺参数选用同方案四，注射口下移的浇口 设置形式。从图4 2 2 到图42 5 可看出，其设计使型腔容易充满，铆摸力大小适 中，熔接线在制品的内部表面，保证制品的外观质量要求。 零霪 江苏大擘硕士学位话文 圈42 2 调整后的挠口位置 图42 3 调整浇口后的填充时间 圈42 4 调整浇口后的镇模力图4 2 5 调整浇口后熔接线 4 4 注塑产品的c a e 冷却分析 在塑料成型周期中，相当多的时间用于模具冷却。影响注射冷却系统的因素 是多方面的，除了塑料制品的几何形状、冷却介质及其流速和温度、冷却管道的 布置、模具材料、熔体温度、塑件顶出温度和模具温度外，还涉及到塑料和模具 之间非稳态热循环交互作用。冷却系统的设计。直接影响着模具冷却效率和型腔 表面温度，从而对注塑生产的效率和质量产生重要影响。一个高效和均匀的冷却 系统设计能够显著地减少冷却时间，提高成型效率，并对消除塑件翘曲变形、内 部应力及表面质量缺陷产生影响。 4 41 冷却管道的布置 冷却管道1 是动定模上各由六条直管道联连而成，冷却管道2 、冷却管道3 都是动定模上各由三条直管道联连而成，冷却管道4 为一根直管道。其管道的设 计和注射条件均相同：冷却管道直径1 2 r n m ，距零件表面1 5 i m n ，塑件材料为p v c ， 模具材料为p 一2 0 钢，冷却介质为水，其入口温度为2 0 ，流速为6 l m i n ，料 温1 9 0