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气体辅助注射成型g a e 技术 在模具设计中的并行应用与研究 摘要 气体辅助注射成型是一种新型的塑料成型方法，由于具有可提高产品表面质 量、增加制品的强度及刚度、减小翘曲变形、降低生产成本、提高生产效率等优 点，已经得到广泛的应用。但是由于气体的干涉，塑料熔体的流动变得非常复杂， 要深入理解气体辅助注射成型过程需要有高分子物理学、流变学、成型工艺学等 多方面的知识，传统注射成型的设计和制造经验已经不再适用，因此对气辅注射 成型过程的计算机模拟有着迫切的要求。 本文概述了气体辅助注射成型c a e 技术的应用，以气辅成型模具为研究对 象，对气辅注射成型优化设计的基础性进行了应用和研究。提出c a e 技术的并 行应用过程，通过汽车仪表板和彩电前壳的气辅注射成型c a e 分析，着重阐述 了气辅注射成型c a e 技术在模具设计中的并行应用与研究。运用c a e 分析软件 m p l 4 0 ( m o l d f l o wp l a s t i c si n s i g h t4 0 ) 进行气辅注射成型模拟分析，优化设计模 具的浇注系统、气辅系统及气辅成型工艺，最终得出符合生产需求的模拟分析结 果。 本课题的研究为气辅注射c a e 技术的应用和研究提供了一个较为完善的应 用背景和理论基础，并对实际模具设计过程中，优化设计模具的浇注系统及气辅 系统，确定气辅成犁工艺，指导气辅成型模具的生产，具有较强的实际意义。特 ：t 别是c a e 技术并行工程的应用与研究，具有定的创新性和实用性。 关键词：气体辅助注射成型模具设计并行应用c a em p i t i l ec o n c u r r e n ta p p l i c a l l o na n ds t u d y0 f c a et e c h n o l o g yo ng a s a s s i s t e di n j e c t i o n ， ， m o i 堋嘎n gi nm o l dd e s i g n g a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n gi san e wt y p ep l a s t i c sm o l d i n gm e t h o d t h i s m e t h o dh a sb e e nu s e dw i d e l yw i t hm a n yg o o dp o i n t ss u c ha si m p r o v i n gp r o d u c t s u r f a c e q u a l i t y , i n c r e a s i n gp r o d u c ti n t e n s i t y , r e d u c i n gw a r p a g e ，c u t t i n g c o s t ， i n c r e a s i n gp r o d u c t i v i t ya n d s oo n b u ti nt h i sm e t h o d ，g a si n t e r f e r e n c em a k e sp l a s t i c s m e l tf l o wm o r ec o m p l e x l ya n dm o r ew i d ek n o w l e d g ei n c l u d i n gm a c r o m o l e c u l e p h y s i c s ，r h e o l o g y , m o l d i n gt e c h n i c s n e e d m a s t e r i n g i no r d e rt o c o m p r e h e n d g a s - a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n gt e c h n o l o g yd e e p l y s o t h e d e s i g na n dp r o d u c e e x p e r i e n c eo ft r a d i t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n gc a n t m e e tt o d a y sn e e d s s oc o m p u t e r s i m u l a t ei ng a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n gi se x i g e n t t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ea p p l i c a t i o n so fc a et e c h n o l o g yo ng a s a s s i s t e d i n j e c t i o nm o l d i n g t h eb a s eo fo p t i m a ld e s i g no fg a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n gi s a p p l i e da n ds t u d i e d t h e nb r i n gf o r w a r dc o n c u r r e n ta p p l i c a t i o np r o c e s so fc a e t e c h n o l o g y c a rp e n a la n df r o n t s h e l l o fc o l o rt va r ea n m y z e db yc a eo n g a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g t h ec o n c u r r e n ta p p l i c a t i o na n ds t u d y o fc a e t e c h n o l o g yo ng a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n gi nm o l dd e s i g ni se m p h a s i z e d u s i n g m o l d f l o wp l a s t i c si n s i g h t4 0 ，r u n n e rs y s t e m ，g a s a s s i s t e ds y s t e ma n dt e c h n i c so f g a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n ga r eo p t i m a l l yd e s i g n e d f i n a l l y , t h eb e s ta n a l y s i s r e s u l t sa r eo b t a i n e d s t u d yo ft h i sp a p e ro f f e r s ap e r f e c tb a c k g r o u n da n dt h e o r yb a s i cf o rc a e l e c h n o l o g yo ng a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g i nm o l dd e s i g np r o c e s s ，i t h a ss t r o n g a c t u a lm e a n i n g f d re x a m p l e i tc a nd e s i g nr u n n e ra n dg a ss y s t e mo p t i m a l l y , m a k e s u r et e c h n i c so fg a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g ，i n s t r u c tp r o d u c eo fg a s - a s s i s t e d i n j e c t i o nm o l d i n g e s p e c i a l l y , t h ea p p l i c a t i o na n ds t u d yo f c o n c u r r e n tp r o j e c to fc a e t e c h n o l o g yi so r i g i n a la n dp r a c t i c a l k e yw o r d s ：g a s - a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g ，m o l dd e s i g n ，c o n c u r r e n ta p p l i c a t i o n ，c a e ， m p i ， 青岛科技大学研究生学位论文 刖吾 气体辅助注射成型是国外八十年代开始使用的一种注射成型新工艺，该工艺 将结构发泡成型和传统注射成型的优点结合在一起，既可降低模具型腔内熔体的 压力，又可避免结构发泡成型产生的粗糙表面，具有所需注射压力小，制品成型 后翘曲变形小，表面质量好，成型周期短，可以用于成型壁厚差异较大的制品， 并且在不增加制品重量的情况下，可通过气体加强筋增加制品的截面惯性矩，从 而增加制品的刚度和强度等优点。由于这种新工艺可在保证产品质量的前提下大 幅度降低生产成本，具有良好的经济效益，因而已被广泛用于汽车和家电行业的 塑料件生产。 气体辅助注射成型为塑料制品的设计和制造揭开了新的一页，但气体辅助注 射成型比传统注射成型多一个气体注射阶段，由气体推动塑料熔体充满模具型 腔，因此成型过程更加复杂，设计参数成倍增加，工艺要求有所提高。从制品和 模具的设计角度来说，气辅成型与传统注射成型有许多不同，如允许结构壁厚的 不均匀，可增加气体加强筋，要合理选择气嘴的位置，要考虑气道的结构、尺寸、 位置和联结方式的优化等。从工艺角度来说，对于传统注塑成型，主要工艺条件 是影响熔体塑化、流动和冷却的压力( 注射压力) 、温度( 熔体温度、模具温度) 和相应的各种作用时间( 充模时间、保压时间、冷却时间) 。而对于气辅成型，技 术成败关键则在于这些工艺参数同时对塑料熔体和气体二相复杂流动产生的影 响，工艺设计的难度大大增加，主要包括以下几点：( 1 ) 确定熔体和气体的最佳 注射量、注射压力和注射时间；( 2 ) 确定注射熔体和氮气的切换时间；( 3 ) 确定 注入氮气的压力控制曲线；( 4 ) 预测熔体在型腔内的流动及气体的穿透情况；( 5 ) 计算所需的锁模力和保压时间；因此进行正确的结构设计和工艺设计是发展和应 用这一技术的关键。但这也在很大程度上限制了这一新技术的推广应用，气辅成 型工艺开发具有较大的复杂性。 采用计算机辅助分析是解决气辅成型问题的切实手段，目前对气辅成型过程 进行模拟是塑料成型领域的研究热点。国内外市场上对气辅成型过程进行模拟的 软件不多，其中具有较强竞争力的是由澳大利亚m o l d f l o w 公司开发的m p i g a s 软件。m p i g a s 软件与m o l d f l o w 公司原有流动分析软件m p i f l o w 集成，对气体 气体辅助注射成型c a e 技术在模具设计中的并行应h j 与研究 穿透的全过程进行了模拟，并对气体可能吹穿的地方进行了预测，可以帮助用户 确定型腔的壁厚和薄壁区域气道的直径，当气体过压时，对熔体进入溢料井的过 程也进行了模拟。在国内，气体辅助注射成型技术逐步得；山。泛的应用，气辅成 型过程模拟的研究也越来越深入。华中理工大学模具技术国家重点实验室开发的 注塑模c a d c a e c f i m 集成系统h s c 3 0 系统对于气辅成型可阻进行较为深入准确 的模拟分析。 本课题研究目的是将气体辅助注射成型c a e 技术应用于实际模具设计生产 中，通过模拟塑料熔体充填型腔的过程和气体的穿透过程，预测气体辅助注射成 型的充填结果和气体穿透情况，以便确定台理的浇口数日和位置，合理地布置气 道和进气口的位置，改进气道布局，从而优化制品和模具的结构，优化成型工艺 参数，在计算机上完成修模、试模的仿真过程，避免由于缺乏经验而花费大量的 精力和财力进行试模和成型实验，晶终达到降低成本、提高成型质量的目的，使 气辅成型技术得到成功而广泛的应用。其中在气辅成型c a e 分析过程中，提出了 c a e 技术应用的并行工程，大大提高了c a e 分析的效率和质量，具有一定的创新 性和实用性。 青岛科技大学研究生学位论文 第一章文献综述 本章概述了c a d c a e c a m 技术在注塑成型领域的应用，对注塑成型充填模拟 的研究概况、商品化软件及研究趋势进行了综合论述。阐述了气辅注射成型技术 的应用原理及发展概况。 1 1c a d c a e c 椭技术在注射成型领域的应用 塑料是当今世界新发展起来的三大合成材料之一。它具有密度小、质量轻、 比强度高、绝缘性好、介电损耗低、化学稳定性高、耐磨性好、减震隔音性能好、 成形工艺好、成形生产率高和价格低廉等优点，因而在国民经济和人民生活的各 个领域得到了日益广泛的应用。在机电、仪表、化工、汽车和航天航空等领域， 塑料已成为金属的良好代用材料，出现了金属材料塑料化的趋势。作为最有效的 塑料成型方法之一的注射成型具有以下优点：可以一次成型各种结构复杂、尺寸 精密和带有金属嵌件的制品，制品表面和用于成型的模具型腔一样平滑光亮，或 者有同样的纹理或镌刻，只需少量修整或完全不需修整，成型周期短，可以一模 多腔，生产率高，大批生产时成本低廉，易于实现自动化半自动化生产，因此在 塑料加工行业中占有非常重要的地位“3 。但传统的注塑成型开发方法主要是尝试 法，依据设计者有限 的经验和比较简单 的计算公式进行产c h a r g 。 品和工艺开发。在注( u s s ) 射成型生产实际中， 塑料熔体流动性能 千差万别，制品和模 具结构千变万化，工 艺条件各不相同，仅 f i g u r e1 1 t i m ev s c h a r g eo fc o v e ro fb i gc a r 图1 - 1 大型汽车车身覆盖件的开发周期和费用示意图 气体辅助注射成型c a e 技术在模具设计中的并行应用与研究 凭有限的经验和简单的公式难以对这些因素作全面的考虑和处理，而且设计者经 验的积累和公式的总结也往往跟不上塑料材料的发展和制品复杂程度及精度要 求的提高，因此开发过程中要反复试模和修模并一再调整工艺参数，才能正式投 产。这种开发方法生产周期长、费用高，产品质量难以得到有效保证，不利于新 产品的研制和开发，特别是成型大型制品和精密制品时，问题更加突出。图卜l 为大型汽车车身覆盖件的开发周期和费用示意图，可见试模和修模的时间占整个 开发周期的三分之二以上，并增加一倍以上的费用”1 。 解决上述问题的有效的途径和手段是将计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助 工程( c a e ) 和计算机辅助制造( c a m ) 技术应用于注塑成型领域o “。 运用c a d 技术能帮助广大模具设计人员迅速地由注塑制品的零件图设计出 该制品的全套模具图，使模具设计师从繁琐、冗长的手工绘图和人工计算中解放 出来，将精力集中于方案构思、结构优化等创造性工作。利用c a d 软件，用户可 以选择软件提供的标准模架或灵活方便地建立适合自己的标准模架库，在选好模 架的基础上，从系统提供的诸如整体式、嵌入式、镶拼式等多种形式的动、定模 结构中，依据自身需要灵活地选择和设计出动、定模部装图，并采用参数化的方 式设计浇口套、。拉料杆、斜滑块等通用件，然后设计顶出机构和冷却系统，完成 模具的总装图。最后利用c a d 系统提供的编辑功能，方便地完成各零件图的足寸 标注及明细表。 运用c a m 技术能将模具型腔几何数据转换为各种数控机床所需的加工指令 代码，取代手工编程。例如，咱动计算钼丝的中心轨迹，将其转化为线切割机床 所需的指令( 如3 b 指令、g 指令等) 。对于数控铣床，则可以计算轮廓加工时铣 刀的运动轨迹，并输出相应的指令代码。采用c a m 技术能提高模具加工的精度及 生产管理的效率。 c a e 技术借助于有限元法、有限差分法和边界元法等数值计算方法，分析型 # 腔中塑料的流动、保压和冷却，计算制品和模具的应力分布，预测制品的翘曲变 形，由此分析工艺条件、材料参数及模具结构对制品质量的影响，达到优化制品 和模具结构、优选成型工艺参数的目的。注塑成型c a e 软件主要包括流动保压模 拟、流道平衡设计、冷却模拟、模具刚度强度分析和应力计算、翘曲预测等功能。 其中流动保压模拟软件能提供不同时刻熔体的温度、压力、剪切力分布，其预测 青岛科技大学研究生学位论文 结果能直接指导工艺参数的选定及流道系统的设计；流道平衡设计软件帮助用户 对一模多腔模具的流道系统进行平衡设计，计算各个流道和浇口的尺寸，以保证 塑料熔体能同时充满各个模腔；冷却模拟软件能计算冷却时间、制品及模腔的温 度分布，其分析结果可以用来优化冷却系统；刚度强度分析软件能对模具结构进 行力学分析，帮助用户对模腔壁厚和模板厚度进行刚度和强度校核；应力计算和 翘曲预测软件计算制品的收缩和内应力分布，预测制品出模后的变形情况。“删 应用c a d c a e c a m 技术从根本上改变了传统的产品开发和模具生产方式，可 大大提高产品质量，缩短开发周期，降低生产成本，强有力地推动了模具行业的 发展。据文献统计，国外采用模具c a d c a e c a m 技术可使设计时间缩短5 0 ，制 造时间缩短3 0 ，成本下降1 0 ，塑料原料节省7 ，一次试模成功率提高4 5 5 0 c ”。 1 2 充填模拟的研究概况和商品化软件 1 2 1 充填模拟的研究概况 l 一维流动分析 对一维流动分析的研究始于六十年代，主要是计算塑料熔体在等直径圆管、 中心浇口的圆盘或半圆盘以及端部浇口的矩形型腔中的流动过程“。 一维流动的数学模型为： 圆盘或矩形型腔中： 一o p 竺立 础 岔 9 2 2 p ( 础r ( x ) 出 孵( d 研y + 甜勇= 七窘彬 熔体粘度模型般采用较简单的模型，如幂律模型： 玎( 纷d = 棚( 力妒1 一维流动分析采用有限差分法求解，可得到熔体的压力、温度分布以及所需 的注射压力。一维流动分析计算速度快，流动前沿位置容易确定，但只能用王简 气体辅助注射成型c a e 技术在模具设计中的并行应用与研究 单、规则的几何形状，在生产实际中的应用很受限制。 2 二维流动分析 对二维流动分析的研究始于七十年代。在二维流动分析中，除数值方法本身 的难点外，另一个新的难点是对移动边界的处理，即如何确定每一时刻的熔体前 沿位置。 b r o y e r 、g u t f i n g e r 和t a d m o r “”运用流动网络分析法( f l o wa n a l y s i s n e t w o r k ) 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 益的探讨，其数学模型为： 一堡一丝：o 础诒 一堡一生：o 印 拉 盟+ 生：o f a n 方法的基本思想是：先对整个型腔划分矩形网格，并形成相应于各节点 的体积单元，随后建立节点压力与流入节点体积单元的流量之间的关系，得到一 组以各节点压力为待求量的方程，求解方程组得到压力分布，进而计算出流入前 沿节点体积单元的流量，最后根据节点体积单元的充填状况更新流动前沿位置。 重复计算过程，直至型腔充满。 h i e b e r 和s h e n 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 到了描述二维流动的数学模型： 罢( 7 害) 一要：o 防院磙 要( 口芸) 一要：o 要( 6 盯) + 昙( 6 力= 0 p c p c 署+ “罢w 号，蝴害+ v 归 并分别采用有限差分法和有限元有限差分混合法求解”1 。s h e n 还尝试了用边 界元法求解这一问题。两位学者采用网格扩展法( m e s he x p a n s i o ns c h e m e ) 确定 熔体流动前沿位置，并对其中的计算稳定性问题进行了研究。h i e b e r 和s h e n 提 青岛科技大学研究生学位论文 出的数学模型比较符合塑料注射成型实际情况，又兼顾了实施数值计算的可能 性，因此被许多研究者沿用，是目前公认较好的数学模型。然而他们采用的网格 扩展法虽然能较准确地确定熔体流动前沿的位置，但在计算过程中需要人工干 预，无法实用。 3 二维半流动分析“” 两维半模型是将型腔简化为一系列具有一定厚度的中性面片，每个中性面片 本身是二维的，但由于其法向可指向三维空间的任意方向，因此组合起来的整个 中性面可用于近似描述三维薄壁制品。这种模型的实质是将二维面在三维空间中 组合起来，是介于平面、柱面、参数曲面等单纯二维面模型和真正的三维实体模 型之间的一种模型，因此称为二维半模型。进行二维半分析的关键问题是如何将 适用于单个中性面片的一维或二维算法推广到具有三维空间坐标的整个中性面。 解决这一问题的方法主要有以下三种： ( i ) 二维展开法：将三维制件展开在二维平面上，然后用二维分析方法进 行分析，t a k a h a s h i 和m a t s u o k a 采用这种方法，考虑熔体温度的变化，实现了 对三维制件的非等温流动分析。 ( 2 ) 流动路径法；这种方法以一维流动分析为基础，先将三维制件展开在 二维平面上，然后将展平后的制件分解为一系列先定义好的一维流动单元，如圆 管、矩形平板、内径为零和内径不为零的扇形平板等，得到一组流动路径，每条 流动路径由若干流动单元串联而成。在分析过程中，通过迭代计算，在满足各流 动路径的流量之和等于总的注射流量的条件下，使各流动路径的压力降相等。这 种方法算法简单，所需计算时间短，但难以分析形状复杂的制件。对展平后的制 件进行分解往往要依靠分析人员和模具设计者的经验，数据准备工作量很大。 ( 3 b 有限元有限差分混合法：这种方法沿用h i e b e r 和s h e n 提出的数学模 型，充分利用有限元方法本身的特点，即单元刚度矩阵可在单元局部坐标系中计 算，然后再组装成整体刚度矩阵的特点，通过制件三维空间坐标系与中性面片二 维局部坐标系之间的变换，处理三维制件的流动分析，避免了三维制件的二维展 开。这种方法还通过定义三角形单元的节点控制体积，将确定熔体流动前沿的 f a n 方法改造为控制体积法。此外，这种方法中采用了c r o s s 粘度模型，能在实 际注射成型的剪切速率范围内描述粘度刁与剪切速率声、温度r 和压力户的关 气体辅助注射成型c a e 技术在模具设计中的并行应用与研究 系，并能对流道、浇口和型腔进行整体分析。这种方法在计算过程中能自动更新 熔体流动前沿，不需人工干预，计算精度高被许多商品化流动分析软件所采用。 4 三维流动分析 三维流动分析是在三维实体模型基础上，用三维有限元方法取代二维有限元 与一维有限差分耦合算法来分析流动过程的压力场和温度场。这是目前注塑成型 领域的一个热点，但由于数值方法的限制，还没有研制出成熟的算法和实用化软 件。 5 两相流动分析 对气体在液体中运动的两相问题的研究始于对多孔介质或设备中的气液运 动、润滑轴承狭窄缝隙中的气穴现象和汽车转换器制造中整体部件的覆膜等问题 的研究，研究开展得较早，在实验和理论方面有比较深入的探讨。 具体针对气体辅助成型中气液两相充填过程的研究，则多始于九十年代。 l a n v 毒r s ，m i c h a e l i ，t u r n g ，s h e r b e l i s , k h a y a t 和c h e n 对气辅成型模拟的数 值方法进行了研究：y a n g 研究了气道尺寸对气辅成型充填过程的影响：t u r n g 和 p o t e i n t e 总结了气辅成型制品和模具的一些基本设计准则；p o s l i n s k i 和s t r o k e s 对圆管中的气体穿透进行了实验，c h e n 研究了二次穿透，l a n v e s ，y a n g ，z h e n g 和y a m a m o t o 在气辅成型充填过程的实验观测方面进行了深入的研究“”。就充 填过程模拟方面的研究而言，目前主要有两种思想：一种是根据气辅成型与传统 注塑成型的相似性，借助传统注塑成型充填模拟的研究成果，对塑料熔体作 h e l e s h a w 假设，这样气辅成型的主要问题就集中在气体穿透界面的确定或气体 穿透厚度和长度的计算上。目前，大多数研究，尤其是目的在于开发模拟软件的 研究多采用这种思想；另一种思想是采用三维有限元或边界元方法对充填过程进 行数值分析，其中k h a y a t 用边界元法综合简单的前沿跟踪法研究了气辅成型过 程中粘性不可压缩牛顿流体在恒定压力下的等温流动，得到了对厚薄壁通用的计 算公式，目前能处理简单的三维型腔，但他也指出，用这种方法对薄壁型腔进行 离散，获得大量边界单元是不实用的，因此对薄壁件还是应采用h e l e s h a w 假设。 r 1 6 1 6 青岛科技大学研究生学位论文 1 2 2 充填模拟的商品化软件 目前国外主要有以下注塑模c a e 商品化软件含有或配有充填模拟模块“”： 1 美国a ct e c h 公司的c - m o l d 软件。该软件具有三个层次：第一层次的软 件( p r o c e s ss o l u t i o n s ) 用于初始阶段的设计，如优选塑料材料、选择标准模架、 预测锁模力、减小注射压力、平衡流道系统、优化成型时间、预定成型工艺参数、 布置冷却管道、诊断注塑缺陷和成本估算等；第二层次( p r o d u c t i v i t ys o l u t i o n s ) 为流动模拟软件c - f l o w 、保压分析软件c - p a c k 和冷却分析软件c - c o o l ，实现平 衡流动、预测熔合纹及气穴位置、评价浇口位置及流道尺寸、获取最佳冷却效果： 第三层次( p e r f o r m a n c es o l u t i o n s ) 为流动、保压、冷却耦合分析，其结果用于 塑料制品的应力和翘曲分析。a c t e c h 公司的软件来自于美国c o r n e l l 大学 k k w a n g 教授领导的c i m p 科研组2 0 多年的科研成果，因此该软件无论是在数 学模型、程序编制，还是在用户界面和软件接口方面都有较高水平。目前a ct e c h 公司已经于m o l d f l o w 公司合并，c - m o l d 软件也与m o l d f l o w 软件进行合并升级。 2 澳大利亚m o l d f l o w 公司的注塑模c a e 软件m p i 。“”它主要包括流动模拟 程序( m f f l o w ) ，冷却分析程序( m f c o o l ) ，翘曲分析程序( m f w a r p ) 和应力分析 程序( m f s t r e s s ) 。澳大利压m o l d f l o w 公司是世界上最早( 1 9 7 8 年) 推出商品化 流动模拟程序的软件公司，因此该公司的流动模拟程序在世界上有较多用户。目 前m p i 软件已经升级至5 o 版本，分析的准确程度大为提高，操作日益简捷，应 用也愈为广泛。 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 。该软件包括模架方案构思和 设计( l a y o u l ，d e s i g n ) 、二维流动分析( f l o wp a t t e r nl a y f l a t ) 、三维流动分 析( m e f 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 i c a l l a y o u t 扫fm o u l d s ) 。该所推广和应用的是德国a a c h e n 大学的科研成果。 4 咖拿大m c g i l l 大学用于注塑过程( 流动、保压、冷却) 分析的m c k a m 一2 - 系 统。 5 美国s d r c 公司的i d e a s 系统。i d e a s 系统原为通用机械c a d c a e 系统， 近几年来s d r c 公司陆续开发出塑料注射成型流动、冷却和翘曲分析程序，并将 这些程序与i d e a s 系统集成，在国际市场上推出适用于注塑模的i - d e a s 软件包。 6 美国和意大利p & c ( 塑料与计算机) 公司的c a d c a e c a m 软件t m c o n c e p t 。 7 气体辅助注射成型c a e 技术在模具设计中的并行应用与研究 该软件主要包括材料选择( t m c _ m s ) 、注塑工艺条件和模具费用优化( t m c m c o ) 、 流动模拟( t m c f a ) 、冷却分析( t m c m t a ) 和模具型腔设计( t m c c s e ) 共五个程序 包。 7 美国g r a f t e k 公司的注射模c a d c a e c a m 系统。该系统包括二维流动分 析软件s i m u f l o w 、三维流动分析软件s i m u f l o w3 d 、冷却分析软件s i m u c o o l 及 几何造型和模具结构设计软件o p t m o l d 。其中二维和三维流动分析软件直接利用 了c o r n e l l 大学c i m p 研究组的科研成果。 8 美国p r i m e c v 公司、美国p r i m e c a l m a 公司、法国c i s i g r a p h 公司、英 国d e l t a c a m 公司和美国m c d o n n e l ld o u g l a s 公司的注塑模设计制造软件包。这 些软件包都是以某种几何造型系统或通用机械c a d c a m 系统为主，集成流动模拟 软件、冷却分析软件和模具设计软件而成的。 国内的商品化软件以华中理工大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验 室开发的h s c 系统为代表“。这是我国自行开发的第一个注塑模c a d c a e c a m 集 成系统，其中的流动保压模块是j k t ；”科技攻关项目“塑料注射模流动仿真 和交互计算系统”的研究成果，达到国外九十年代初期的先进水平。 1 3 充填模拟的研究趋势 尽管注塑成型充填模拟已有许多商品化软件，但在如下几方面仍需进一步完 善和发展： 1 数学模型和算法的进步完善。 目前的商品化充填模拟软件一般采用二维半方法，虽然考虑了制品中性面在 三维空间的几何位置，但除了用有限差分法求解温度在壁厚方向的差异外，基本 上没有考虑物理量在厚度方向上变化。随着注塑成型工艺的发展，能够制造的 注塑制品的结构越来越复杂，壁厚差异越来越大，物理量在壁厚方向上的变化逐 渐变得不容忽视，为进步提高软件的分析精度和使用范围，必须对目前的分析 模型和算法做进一步完善，例如对充填过程进行真正的三维分析，目前，澳大利 亚的m o l d f l o w 公司已经将三维分析应用于m p i 软件中，研究更加深入。 2 充填过程与注塑成型其它过程的耦合分析。 青岛科技大学研究生学位论文 目前的注塑模c a e 软件包括充填模拟、保压分析、冷却分析、应力分析、翘 曲分析以及模具强度刚度分析等，各软件的研制与开发都是基于各自独立的数学 模型，忽略了相互闻的影响，而在实际注射成型过程中，这些过程是交织在一起 互相影响的，因此必须将各部分有机地结合起来，进行耦合计算分析，才能获得 精确的分析结果。澳大利亚m o l d f l o w 公司的m p l 4 0 版本已将流动、保压、冷却 和气辅结合起来。 3 模拟软件与c a d c a m 软件的集成化。 模拟软件可以利用c a d 系统的几何模型，c a d 系统则根据模拟的结果来评价 其设计方案，并运用c a m 技术生成加工指令。这样的一体化集成系统能独立完成 整个模具的设计、优化及制造。美国的s d r c 公司、u n i s y s 公司、m d 公司、c v 公司、i n t e r g r a p h 公司、法国的c i s i g r a p h 公司和英国的d e l t a c a m 公司都推出 了这样的集成系统。华中理工大学模具技术国家重点实验室开发的注塑模 c a d c a e c a m 系统h s c 3 + 0 也是这样的集成系统。 4 人工智能技术在充填模拟软件中的应用。 高层次智能化的充填模拟软件应具有思维和推理能力，能完成一系列需要设 计人员经验的过程，如自动提供工艺条件的初始参数，根据模拟结果诊断制品缺 陷等。目前，国外已有不少公司致力于这方面的研究，并相继展示了他们的成果， 如美国a c t e c h 公司的流动模拟软件c - f l o w 3 1 版本使用了启发式知识来自动判 断融合纹和气穴的数目和位置，并给出一些解释和建议；澳大利亚的m o l d f l o w 公司最新推出的一套用于联机分析处理成型过程的控制系统i p c ( i n t e l l i g e n t ， p r o c e s sc o n t r 0 1 ) 能将模拟结果和实时工艺参数的测量结果进行比较，并运用专 家系统监测产品的质量，调整成型参数。国内上海交通大学在这方面进行了较深 入的研究。 5 新的注塑成型工艺的充填模拟。 近年来，注塑成型技术出现了许多新工艺，以气辅成型和夹心成型为代表。 这些新工艺拓宽了注塑成型技术的应用，能生产出质量更高，结构更复杂的制品， 有巨大的经济效益。但这些新工艺成型机理复杂，在制品和模具设计、工艺参数 确定方面的原则与传统注射成型有很大区别，因此对这些新工艺进行成型模拟是 非常必要的。 9 气体辅助注射成型c a e 技术在模具设计中的并行应用与研究 1 4 气体辅助注射成型技术概况 1 4 1 气体辅助注射成型技术的形成和发展 气体辅助注射成型( 简称气辅成型) 技术最早可追溯到1 9 7 1 年，美国人尝试 用加气注射成型方法制造厚的中空鞋跟，但以失败告终。后来在1 9 8 3 年，英国 人采用结构发泡成型方法制造机房装修材料时衍生出称为 c i n p r e s ”的控制内 部压力的成型过程，即气辅成型过程。该过程在1 9 8 6 年德国国际塑料机械展览 会上展出后很快被人们作为新工艺加以接受，并称之为塑料加工业的未来技术。 气辅成型技术在八十年代末的几年内得到不断完善和发展并被商品化，九十年代 作为一项成功的技术开始进入实用阶段，在美、日、欧等发达国家和地区日益得 到广泛的应用。短短几年，该技术用于注塑制品成型的模具配套率已达1 0 ，即 每1 0 套模具中有1 套气辅成型模具。目前该技术已经在家电、汽车、家具、日 常用品、办公用品等几乎所有塑料制品领域得到应用，而且为塑料成型开辟了全 新的应用领域。迄今为止，欧洲和美国等地有1 0 余家公司拥有关于气辅设备和 工艺的多项专利，? 主要供应商有英国的g a si n j e c t i o n 、c i n p r e s 公司，德国的 b a t t e n f e l d b a y e r + 公司，奥地利的e n g e l 公司，美国的n i t r o j e c t i o n 、h e t t i n g a 公司等。可以预计，到2 1 世纪初，气辅成型将成为塑料加工领域内广泛应用的 新兴工业技术。 1 4 2 气体辅助注射成型技术的工艺过程 1 气体辅助注射成型过程o ” 气体辅助注射成型过程是先往模具型腔中注入经准确计量的塑料熔体( 图 卜2 ( a ) ) ，再通过气孔、浇口、流道或直接注入压缩气体，气体在型腔中塑料熔 体的包围下沿阻力最小的方向扩散前进，对塑料熔体进行穿透和排空，作为动力 推动塑料熔体充满模具型腔并对塑料熔体进行保压( 图1 2 ( b ) ) ，待塑料熔体冷 却凝固后开模顶出( 图1 - 2 ( c ) ) 。这一过程与传统注射成型相比多了一个气体注 射阶段，且由气体而非塑料熔体的注射压力完成保压过程。制品中用于引导气体 穿透的加强筋或成型后由气体形成的中空部分称为气道。压缩气体一般选用氮 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 气，因为其价廉、易得且不与塑料熔体发生反应。因工艺的不同，成型过程有压 力控制和体积控制两种方式，前者是按一定的压力规则( 如等压、分级、等变率 等方式) 注射气体；后者是先将一定量的气体放冬压力容器中，再由活塞的移动 控制气体的注射。 萋羹萋 瓞 蟋翳 ( a ) 注入塑料熔体( b ) 注入气体及保压冷却( c ) 开模顶出 f i g u r ei - 2 p r o c e s so f g a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g 图1 2 气体辅助注射成型过程示意图 气体辅助注射成型周期可细分为如下六个阶段，如图1 - 3 所示。 ( 1 ) 塑料充填阶段，这一阶段与传统注射成型相闭，只是在传统注射成型 时塑料熔体充满整个型腔，而在气辅成型时熔体只充满局部型腔，其余部分要靠 气体补充。 ( 2 ) 切换延迟时间，是塑料熔体注射结束到气体注射开始的延迟时间，这 一过程非常短暂。 ( 3 ) 气体注射阶段，是从气体开始注射到整 p 。 个型腔充满的时间。这一阶段相对于整个成型周期，瞒针吟， 1 来说是很短的，但对制品的质量却是非常重要的， 控制不好会产生许多成型缺陷，如产生气穴、吹穿、共l 。 t 注射不足和气体向较簿部分渗透等。 ( 4 ) 保压阶段，气体压力保持不变或略有升6 ， 、 睁r 高使气体在塑料熔体内部继续穿透( 称为二次穿透)”5 、。 以补偿塑料冷却引起的材料收缩，由于气体由内向 9 图i g u l r e 一3 1 。娑芸篡饕8 外施压，可以保证制品外表面紧贴模壁。 ( 5 ) 气体释放阶段，气体入口压力降为零。 ( 6 ) 顶出阶段，当制品冷却到具有一定的刚度、强度后开模顶出： 气体辅助注射成型c a e 技术在模具设计中的并行应用与研究 2 气体辅助注射成型工艺分类 根据具体工艺过程的不同，气体辅助注射成型可分为标准成型法、副腔成型 法、熔体回流法和活动型芯法四种。 ( 1 ) 标准成型法 标准成型法是先往模具型腔中注入经准确计量的塑料熔体( 图卜4 ( a ) ) ，再 通过浇口和流道注入压缩气体，气体在型腔中塑料熔体的包围下沿阻力最小的方 向扩散前进，对塑料熔体进行穿透和排空( 图卜4 ( b ) ) ，最后推动塑料熔体充满 整个模具型腔并进行保压冷却( 图卜4 ( c ) ) ，待塑料制品冷却到具有一定刚度强 度后开模顶出( 图卜4 ( d ) ) 。 蒸萋 慧 寨 ( a ) 注入塑料熔体 ( b ) 气体穿透 藜匿睁p ( c ) 保压冷却( d ) 制品脱模 f i g u r e1 - 4 p r o c e s so f s t a n d a r dm o l d i n g 图卜4 标准成型法成型过程示意图 ( 2 ) 副腔成型法 副腔成型法是在模具型腔之夕 设置一可与型腔相通的副型腔，首先关闭副型 腔，向型腔中注射塑料熔体直到型腔充满并进行保压( 图卜5 ( a ) ) ，然后开启副 型腔，向型腔内注入气体，由于气体的穿透而多余出来的熔体流入副型腔( 图 青岛科技大学研究生学位论文 卜5 ( b ) ) ，当气体穿透到一定程度时关闭副型腔，升高气体压力对型腔中的熔体 进行保压补缩( 图卜5 ( c ) ) ，最后开模顶出制品( 图卜5 ( d ) ) 。 ( 3 ) 熔体回流法 熔体回流法与副腔成型法类似，所不同的是模具没有副型腔，气体注入时多 余的熔体不是流入副型腔，而是流回注射机的料筒，过程如图1 - 6 所示。 ( 4 ) 活动型芯法 活动型芯法是在模具型腔中设置活动型芯，首先使活动型芯位于最长伸出位 置，向型腔中注射塑料熔体直到型腔充满并进行保压( 图卜7 ( a ) ) ，然后注入气 体，活动型芯从型腔中逐渐退出以让出所需的空间( 图卜7 ( b ) ) ，待活动型芯退 到最短伸出位置时升高气体压力实现保压补缩( 图卜7 ( c ) ) ，最后制品脱模( 图 卜7 ( d ) ) 。 3 气体辅助注射成型工艺控制要点 气体辅助注射成型比传统注塑成型有许多优点，但新的工艺也引进了新的工 艺参数，使成型工艺复杂化及困难化。下面就新工艺的一些关键因素进行探讨。 ( 1 ) 物料的选择 物料的流动性对气辅工艺影响很大，流动性好的聚合物易于气辅加工，因此 宜采用半结晶的或增强的塑料用于气辅成型。 ( 2 ) 塑料注射量的确定 塑料熔体预注入量一般为5 0 8 0 ，这要根据经验或通过软件模拟充填 来决定。当塑料注射量较高时，制件实心段冷却缩痕严重，而当塑料注射量偏低 时，制品容易发生充填不足，甚至吹穿，且加工窗口较窄，废品率高。 ( 3 ) 熔体温度的确定 i 气辅工艺对材料流动性要求更高，熔体温度则是调节物料流动性的关键变 量。在充气较理想的情况下，将料温提高，并调节其它相关参数，制件表面皮纹 质量明显提高；但温度过高，加工周期会变长，并且会导致气体穿透长度过短和 气道壁厚过薄，因此更适合选用高熔融流动指数的物料进行气辅注塑。 气体辅助注射成型c a e 技术在模具设计中的并行应用与研究 ( a ) 关闭副型腔，塑料熔体充模并保压 ( b ) 打开副型腔，注入气体 瑟 恭 ( c ) 关闭副型腔，保压冷却 ( d ) 制品脱模 f i g u r e1 - 5 p r o c e s so f a s s i s t a n tc a v i t ym o l d i n g 图卜5 副腔成型法成型过程示意图 紧 紧 ( ”注入气体，塑料熔体向料筒回流 ( c ) 保瘁冷却 ( d ) 制品脱模 ；f i g u r e1 - 6 p