（材料加工工程专业论文）汽车杂物盒非等体积共模注射成型系统优化.pdf

汽车杂物盒非等体积共模注射成型系统优化 摘要 本文以汽车仪表台总成组件杂物盒盖及本体两非等体积件共模结构为分析 实例，基于模拟分析软件m o l d f l o w 的m p i 平台，对注塑模具关键系统及注射 成型工艺参数的优化设计展开了研究。 首先，为实现两腔平衡流动，采用分步骤淘汰的优化思路完成浇注系统几 何参数的优选。在几何参数优化的基础上，结合试验设计( d o e ) 与正交表，分 析比较了模具温度、熔体温度和注射时间三个重要充填控制因素对流动平衡的 影响；其次，对简单矩形件分析，总结了恒定保压曲线、变保压曲线对塑件体 积收缩的影响，比较两者的不同，将结论应用于课题研究对象的分析，优化了 保压曲线形式；再次，分析比较四种不同冷却回路布局及软管连接形式的冷却 效果；最后，完成侧向抽芯系统、顶出系统等其他系统的设计。最终通过加工 生产验证了c a e 技术的可靠性。 研究表明，熔体的流动平衡是几何参数与工艺参数共同作用的结果，采用 梯度布局型腔对平衡性影响不大，通过减小通向小体积型腔的分流道截面尺寸 可以促使流动趋于平衡，运用极差分析得出，熔体温度对流动平衡影响最大。 保压阶段，在复杂型腔成型时，多级分段保压曲线更有利于降低塑件体积收缩。 同时，c a e 技术是开展研究的平台，在分析过程中的广泛运用，充分说明其在 缩短设计周期，提高一次试模成功率方面具有重要作用。 关键词：汽车杂物盒非等体积共模c a e 技术 注塑成型系统优化 o p t i m i z a t i o no fi n j e c t i o nm o l d i n gw i t hd i f f e r e n tv o l u m e t w o - c a v i t yf o r a u t o m o b i l es t o r a g eb o x a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , i n j e c t i o nm o l d i n go fa u t o m o b i l es t o r a g eb o xw i t hd i f f e r e n t v o l u m e t w o - c a v i t y i s r e g a r d e d a st h er e s e a r c ho b j e c t ，b a s e do nn u m e r i c a l s i m u l a t i o ns o f t w a r em o l d f l o w m p i ，t h es t u d yi sd i s t r i b u t e di n t ot h eo p t i m i z a t i o no f i n j e c t i o nm o l d i n gk e ys y s t e m sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r s f i r s t l y ，t or e a l i z er u n n e rb a l a n c i n g ，t h em e t h o do fe l i m i n a t i o ns t e pb ys t e pi s a d a p t e dt oc o m p l e t et h eo p t i m i z a t i o no fr u n n e rs y s t e mg e o m e t r i cp a r a m e t e r s c o m b i n e dw i t h d e s i g n o fe x p e r i m e n tm e t h o da n do r t h o g o n a l l a y o u t ，t h r e e i m p o r t a n tp r o c e s sf a c t o r s ，s u c ha sm o l dt e m p e r a t u r e ，m e l tt e m p e r a t u r ea n di n j e c t i o n t i m e ，a r ea n a l y z e dt oc o m p a r et h e i re f f e c to nr u n n e rb a l a n c i n g s e c o n d l y ，a n e x a m p l eo far e c t a n g l ep l a t ei su s e dt o f i n dv a r i a b l e p a c k i n gc u r v ee f f e c t o n r e d u c i n gv o l u m e t r i cs h r i n k a g ei nc o m p a r i s o nw i t hi n v a r i a b l ep a c k i n gc u r v e t h e r e s u l ti su t i l i z e dt oo p t i m i z ep a c k i n gc u r v eo nt h ea u t o m o b i l es t o r a g eb o x t h i r d l y ， f o u rd i f f e r e n tl a y o u t so fc o o l i n gc h a n n e l sa n dh o s e sa r ec o m p a r e dt oo b t a i nt h e i r e f f e c to nt h ea v e r a g et e m p e r a t u r eo ft h ep l a s t i c m o l di n t e r f a c ea n dt h et i m et o f r e e z et od e t e r m i n et h eo p t i m u mc o o l i n gs y s t e mt om a k et h ep a r t sc a nf r e e z e u n i f o r m l ya n dq u i c k l ya sp o s s i b l e f i n a l l y ，b e v e lg l i d ep i l l a rd e s i g n ，e j e c t i o n s y s t e md e s i g ne t c a r ea c c o m p l i s h e da n dt h er e l i a b i l i t yo fc a e ( c o m p u t e ra i d e d e n g i n e e r i n g ) i sp r o v e db ye x p e r i m e n t t h es t u d yi n d i c a t e dt h a tr u n n e rb a l a n c i n gd e p e n d so nb o t ho fg e o m e t r i c p a r a m e t e r sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r s a n dt h em e t h o dt h a tr e d u c i n gt h ed i a m e t e ro f t h es e c o n d a r yr u n n e rw h i c hm a k e st h em e l tf l o wi n t ot h es m a l lv o l u m ec a v i t yc a n k e e pf l o wb a l a n c e b ya p p l y i n gr a n g ea n a l y s i s ，t h er e s u l ts h o w st h em o s te f f e c t i v e f a c t o ro nt h eb a l a n c i n gi sm e l tt e m p e r a t u r e t h e n ，m u l t i l e v e lv a r i a b l ec u r v ec a n r e d u c et h ep a r t sv o l u m e t r i cs h r i n k a g e i na d d i t i o nt o ，t h eu s eo fc a et e c h n o l o g y s h o w st h a ti tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nr e d u c i n gt h ep r o d u c td e v e l o p i n gc y c l ea n d i m p r o v i n gs u c c e s si nd i ea d j u s t m e n to n et i m e k e y w o r d s ：a u t o m o b i l es t o r a g eb o x ，d i f f e r e n tv o l u m et w o - c a v i t y , c a et e c h n o l o g y , i n j e c t i o nm o l d i n g ，s y s t e mo p t i m i z a t i o n 插图清单 1 1典型的单分型面注射模2 2 1控制体积前沿位置的确定1 1 2 2 基于中面模型的模拟过程1 2 2 3壁厚方向上的边界条件1 2 2 4 基于表面模型的模拟过程1 3 2 5 研究对象的三维模型1 4 2 6 三角形单元纵横比1 5 2 7 研究对象c a d 模型简化1 5 2 - 8模型网格质量简化前后比较1 5 3 1浇注系统结构布局示意图1 6 3 2a b st r 5 5 7 材料表观粘度与剪切速率的关系曲线1 7 3 3“g a t el o c a t i o n ”模块自动分析的最佳浇口位置1 8 3 4 节点8 1 8 5 与2 7 0 0 1 充填结束时压力云图2 0 3 5两种不同的型腔布局形式2 0 3 - 6浇注系统直线布局的网格2 2 3 7 浇注系统梯度布局的网格2 2 3 8两方案布局a 、b 腔浇口平均速度2 2 3 - 9两方案布局通向a 、b 腔分流道流动速率2 3 3 1 0 三种浇口形式下的浇注系统2 4 3 1 1 三种浇口形式成型锁模力曲线2 5 3 1 2 三种浇口形式压力与时间曲线2 5 3 1 3“变截面”法迭代优化路线2 6 3 1 4 修正优化方案浇口处压力曲线2 9 3 1 5 修正优化方案浇口处温度曲线2 9 3 1 6d o e 实验分析参数设置3 0 3 1 7 各因素对指标影响的直观分析图3 1 4 1恒定保压压力变化曲线3 2 4 2变保压压力变化曲线3 2 4 3a b st r 5 5 7 材料的p v t 曲线3 5 4 4网格划分后的模型3 6 4 5 浇口附近t 3 7 1 5 的温度变化3 6 4 6四种不同保压时间的恒定保压曲线3 7 4 7相同保压时间下压力增加的顶出时体积收缩率云图3 8 4 8四组不同变化形式的变保压曲线3 9 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 l 图4 2 2 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 - 6 图6 7 图6 8 图6 9 浇口处t 3 7 6 4 的体积收缩率4 0 料流末端t 3 0 0 0 的体积收缩率4 0 中间部位t 2 1 7 5 的体积收缩率4 0 第四组保压曲线对体积收缩率的作用4 l 塑件在恒定保压与变保压下压力随时问变化曲线4 l a 、b 两腔浇口处体积温度曲线4 2 网格模型中选取的三角形单元编号4 3 选取a 腔关键点体积收缩4 4 选取b 腔关键点体积收缩4 4 两腔料流末端的体积温度变化4 4 三种不同的多级保压曲线4 5 不同变保压曲线下a 腔中间部位关键点的体积变化4 6 不同交保压曲线下两腔末端关键点的体积变化4 6 不同变保压曲线下b 腔中间部位关键点的体积收缩4 7 直通式管道4 8 隔板式管道4 8 喷流式管道4 9 常见的软管连接方式4 9 四种不同的冷却回路布局及软管连接方式5 1 四种不同方案的型腔表面温度分布5 2 采用侧抽芯机构及斜顶机构的特殊结构5 3 斜导柱的倾角a 的计算图5 4 连接孔位斜导柱的三维设计5 4 斜顶的倾角a 的计算图5 4 卡扣处斜顶的三维设计5 4 定模固定板及定模部件立体图5 5 动模及推杆固定板等部件立体图5 5 加工制造的实验模具实物图5 5 杂物盒与仪表台总成的装配实物图5 5 表3 1 表3 2 表3 3 表3 - 4 表3 5 表3 - 6 表3 7 表3 8 表4 1 表4 2 表5 1 表格清单 杂物盒材料参数及推荐工艺条件1 7 四步骤优化思路列表1 8 浇口设在3 个节点的充填时问结果1 9 浇口设在4 个节点的充填时间结果1 9 浇注系统几何参数2 l 三种浇口形式的主要尺寸2 4 “变截面”法迭代优化的分析结果2 7 d o e 实验方案的正交表设计结果3 0 a b st r 5 5 7 修正的二区域p v t 模型参数3 5 不同恒定保压曲线体积收缩率比较3 7 四种布局制件固化所需时间5 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金壁工些友堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位敝储繇穆专签字魄计明；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒g b 工些盘 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：j 弘专 签字魄年中月夕日 学位论文作者毕业后去向： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 钐妒 c 垆 赢飞， d 致谢 我在近三年的硕士研究生学习与生活中，始终受到导师刘全坤教授的辛勤 培养与无私关怀。在学习上，导师严谨的工作作风、丰富的学识和非凡的敬业 精神时时激励和鞭策着我，使我受益匪浅。为了让我们每一位学生充分发挥各 自的特点，导师不断地创新自己的指导思路，对我的培养方式是采取先进入企 业生产一线实习，带着生产实际中的难题进行分析选题，进而完成数值模拟计 算和理论提高，最终将模拟结果在生产现场得以验证。对我个人而言，二年多 的学习，无论从分析能力的提高还是从专业知识的积累方面都收获甚多。因此， 借论文完成之际，对导师的创新培养和悉心指导表示最衷心的感谢! 同时，真诚感谢在学习和生活上给予我帮助的薛克敏老师、陈文琳老师、 陈忠家老师、李萍老师、董定福老师及王强老师，感谢材料学院所有关心我的 各位老师1 特别要真诚感谢合肥星通橡塑有限公司，在论文选题、课题研究和实验验 证的整个阶段得到了曹树文工程师、虞华军工程师的大力帮助以及公司研发部 门和实验中心的技术支持，论文能够顺利完成，与他们的无私帮助密不可分。 在整个研究生学习期间，我得到了师兄胡成亮、胡龙飞、王成勇，师姐任 凤梅、冯秋红、刘琼，以及实验室的来亚敏、邓陶勇、汪泽波、祝慧、郑超、 肖福成、舒洁、唐凯、李亨、张金宝等同学的热心帮助，在此对他们表示衷心 的感谢! 深深感谢我的家人和朋友对我的关怀和支持! 作者：程伟 2 0 0 7 年4 月 第一章绪论 1 1 。以塑代钢。是未来汽车轻量化的发展趋势 汽车塑件在当前汽车工业中的重要性日显突出，未来汽车的发展方向是轻 量、节能、美观、舒适，塑料件代替金属件即“以塑代钢”正是实现汽车轻量、 舒适的重要手段之一。目前，国内汽车塑料制品的开发主要集中在内，外装饰 件方面。然而借鉴国外的发展思路，功能件的塑化同样是今后重点发展的方向 之一【j - 3 1 。 据有关资料统计，我国汽车塑料用量正在逐年增加。截止2 0 0 5 年，经济型 轿车每车塑料用量达5 0 6 0 k g ，有的甚至可达l o o k g ；轻、中型载货车塑料用 量达5 0 k g 左右，平均每辆车塑料用量占汽车自重的5 1 0 。尽管我国车用 塑料的发展迅速，较之国外相同产业的发展仍然存在一定的距离，例如德国某 中档轿车的塑料用量在1 9 7 0 年已达到6 6 k g ( 占整车6 ) ，2 0 0 0 年相应用量上 升到1 9 2 k g ( 占整车1 3 ) ；另外，在技术创新方面也与国外存在一定的差距， 一方面塑料材料的研发相对滞后；另一方面，成型用工艺装备即模具的设计与 制造技术手段落后，产品质量不能保证，模具开发周期长1 4 1 l 。因此，为了实 现以塑代钢的汽车轻量化目标，需要加强塑料注射成型原理及工艺的研究。 1 2 注射成型是汽车塑件成型的重要工艺 1 2 。1注射成型原理及工艺过程 塑料成型方法很多，且都有各自的特点及适应范围，然而注射成型是塑料 制品生产中应用最广的一种工艺。注射成型是指将粒状或粉状塑料从注射机的 料斗送入高温的料筒内加热熔融塑化，使其成为粘流态熔体；然后在注塑机柱 塞或螺秆的高压推动下，以很大的流速通过喷嘴，注入模具型腔，经一定时间 的保压冷却定型后，开启模具便可从模腔中脱出具有一定形状和尺寸的塑料制 件8 12 1 。 注塑成型过程通常可以分为3 个阶段：充填阶段、后充填阶段和开模阶段。 在注射循环开始刚刚合模时，注射料筒中的熔体在注射机所控制的稳定流量或 压力作用下流经喷嘴、流道、浇口然后注入型腔，该阶段即为充填阶段。从型 腔完全充满的瞬间到开模，这一阶段为后充填阶段。在该阶段，熔体一方面不 停地注入型腔以弥补由于温度、压力变化造成的体积收缩；另一方面，型腔内 熔体在冷模壁的作用下不停地固化成型。当塑件整个体积的9 0 达到脱模温度 时模具即可打开进入开模阶段。开模阶段是指模具被打开到又重新合模进入下 一个循环的阶段，开模时间包括打开模具、塑件脱模及合模所需时问。在整个 成型周期中，后充填时间长，有3 4 以上的循环时间与后充填阶段相联系l i 置”j 。 1 2 2 注射模的典型结构 注射模是注射成型的重要工艺装备，其结构形式多样，按模具总体特征分 类，可分为单分型面注射模、双分型面注射模、带有侧向分型与抽芯机构的注 射模、带有活动成型零部件的注射模、自动卸螺纹注射模和无流道注射模等。 尽管模具的结构各异，典型的注射模均由定模和动模两大部分组成，定模安装 在注射机的固定模扳上，动模安装在注射机的移动模板上，如图1 1 所示。注 射成型模具通常分为八大系统，型腔系统，即由型芯( 凸模) 、型腔( 凹模) 、 镶件、嵌件组成，合模时构成腔，用于充填塑料；浇注系统，即包括主流道、 分流道、浇口和冷料穴，用于将熔融塑料经注射机喷嘴引入型腔；冷却系统， 一般在型腔或型芯周围开设冷却水道，让冷却介质带走模具内塑料固化释放的 热量；侧向分型或侧向抽芯系统，此结构用于带有侧凹或侧孔的塑件，尤其在 复杂的汽车塑件中，这种结构很常见；另外还包括加热系统、导向系统、脱模 系统和排气系统i s - ；2 l 。 图1 - i 典型的单分型面注射模 1 定位环；2 浇口套i3 定模座板：4 - 定模座；5 - 动模座； 6 动模座板；7 - 垫块；8 推杆固定板；9 - 推板：1 0 一拉料杆； 11 - 推杆：1 2 导柱；1 3 型芯( 凸模) ；1 4 型腔( 凹模) ； 1 5 冷却水道， 1 3塑料注射模c a e 技术的发展及应用概况 注射模c a e 技术是基于塑料流变学、计算机技术、计算数学、图形学等技术的 发展而发展起来的。随着相关理论的逐渐成熟，商业化c a e 软件不断推陈出新，在 实际生产中得到迅速地推广和应用f 1 3 , 1 4 j 。塑料制品成型质量的好坏取决于三个重要环 节：产品结构设计( 包括材料的选择) 、模具结构设计和成型过程工艺参数的合理设 置。从查阅的文献资料中可以看出，c a e 技术的应用主要也是围绕这些问题展开的。 传统的设计及工艺控制大多来自经验的积累，弊端很显然，延长产品的循环周期，加 大生产制造成本，阻碍生产效益的提高。c a e 技术的应用使得产品从设计、生产到使 用，注入相当多的科学因素l l 卜。 2 1 3 1 c a e 技术的发展概况 塑料成型过程模拟始于上世纪6 0 年代，7 0 年代该技术发展方向已经由分散、零 星的研究转向集中、系统的开发。8 0 年代中后期进入实用阶段，出现了许多商品化注 塑软件，1 9 8 7 年澳大利亚m o l d f l o w 公司率先研制出二维流动模拟软件m o l d f l o w ，在 生产中发挥了显著的作用。随后美国a c t e e h 公司开发了c m o l d 软件【2o l ，可 以实现优化成型工艺参数，平衡流道系统的设计等。m o l d f l o w 公司与a c t e c h 在2 0 0 0 年合并，当前广泛采用的m p i 即为m o l d f l o w 系列软件之一，能够实现流动 分析、冷却分析、翘曲分析、结构应力分析、模腔尺寸确定、注塑机参数优化 等功能【2 。德国i k v 研究所的c a d m o u l d 软件可用于模具结构设计、模具 强度与刚度分析，流动模拟及冷却分析；还有美国麦道公司的u g u 、法国 g l s i g r a p h 公司的s t r i m l 0 0 0 、英国d e l t a c a m 公司的d u c t 5 等软件。我 国的一些研究机构，特别是高校，自8 0 年代中期开始也开展了相应的研究，郑 州大学、上海交通大学、浙江大学等先后取褥了一批突出的科技成果。目前我 国拥有自主版权的软件有华中科技大学开发的华塑c a e 和郑州大学的z m o l d ， 华塑c a e 已经更新至6 1 0 版本，它不仅能够实现充模、保压、冷却等过程的 三维模拟，而且可以进行基于人工智能技术的工艺参数优化。郑州大学的 z m o l d 同样是橡塑成型过程计算机模拟及模具优化设计的集成系统，能够实现 充填、保压等分析以及系统优化。两者均已投入市场，得到了广泛地推广和应 用 1 3 , 1 4 。 1 3 2c a e 技术的应用概述 由注射成型原理可知，注塑是一个相当复杂的过程，包括充填、压实、保 压、倒流和冷却等阶段，相互之间并不是独立的过程，而是相互影响、相互作 用的，因此，国内外专家学者对其做了大量的研究，在众多的研究中c a e 技术 起到巨大地推动作用。 近年来，国外学者基于注塑模c a e 技术进行了注塑成型工艺、模具不同系 统的优化设计等方面的探索，同时也对注塑模成型的新工艺技术如顺序浇注、 热流道系统等进行了拓展1 2 m ”。西班牙z a r a g o z a 大学的c a r l o sj a v i e r r e 等学者 研究顺序阀式热流道浇注注塑模具，利用f e m 模拟技术对顺序阀式浇注及传统 浇注进行比较，得出在降低注射压力和利于充填等方面顺序阀式浇注更优弘副； 土耳其s a k a r y a 大学的a 。d e m i r e r 等借助数值模拟比较了热流道系统与传统冷 流道系统对注塑成型和塑件性能等方面的影响。通过两腔模实验得到在热流道 条件下，成型较重的塑件所需注射压力反而降低1 2 叫；加拿大m c g i l l 大学的k e v i n a l a m 等基于稳健优化设计思想进行多腔模流动平衡研究，采用多目标遗传算法 优化独立变量的方案优化距离浇口最远处的二级分流道直径1 2 4j ；西班牙学者 j a i o a 分析了体积、重量均属大型的盒形容器注塑成型，文中借助c a e 软件展 开注塑工艺如压力、温度等的控制分析1 2 s ；英国学者h q i a o 和意大利 b o u r n e n o u t h 大学的d 。e d i l m l a 等对模具的冷却系统进行了深入研究，h q i a o 是将灵敏性分析、基于d f p 的新混合优化方法及模拟退火法等一系列新的优化 方法运用到冷却系统优化【2 6 】；而d e d i l m l a 等研究了“顺形冷却回路”在注塑 成型中的冷却作用，结果表明可以减少循环时间，并且对塑件表面光洁度质量 有很大的改善。但新的冷却回路增加了回路加工制造的难度，传统的钻孔技术 无法实现i z ”。土耳其、马来西亚等国学者还对薄壁塑件的翘曲变形加以研究， 分析各工艺参数的影响【2 s 删。 随着国内注塑产品比例的扩大，模具自主研发能力的不断提高，加之c a e 技术的广泛推广和应用，相关的专家学者及研发机构在注塑成型系统研究方面 同样取得极大进步。c a e 技术在浇注系统优化中的应用主要体现在分析熔体在 不同浇注系统中的流动行为，进而总结设计原则或优化典型实例浇口及流道形 式与尺寸p 2 】。江苏大学汤彦近等借助流动模拟技术，分析壁厚突变的塑件在 流动过程中易产生滞流现象，根据研究得出浇口位置与滞流的关系，提出壁厚 突变产品浇口设计原则，即浇口设置在远离薄壁处，或使最大注射压力应用到 滞流产生区，或采用多浇口进胶1 3 2 | 。昆明理工大学廖丕博基于c a e 研究手机 面板一模两腔( 等体积) 浇口形式，分析得出采用潜伏式浇口可减少锁模力， 但易产生较大内应力，然而稍高的内应力对小幅面塑件不会产生太大影响，最 终采用潜伏式浇口【”l 。集美大学的陈美谦运用m o l d f l o w 软件分析汽车后门板 的组成部分对称件。后门上截”的热流道浇注系统，得出浇口位置设置不当易 产生短射，即型腔填充不足，可以通过调整浇口进胶点、改变工艺参数或重新 设计塑件壁厚等方法解决【3 4 i 。在浇注系统形式和布局研究中，需要考虑的关键环节 即要满足流动平衡，尤其对于多腔模 4 1 - - 4 9 1 。郑州大学的申长雨、余晓蓉等结合遗 传算法与c a e 充填模拟，引入等效流长的概念，将不同流动路径的等效流长差 异的算术平均值最小设为优化目标，实现流动平衡【4 ”。同校的陈静波等根据流 动模拟结果提取未充满型腔的体积，从而计算流道截面积减少比例，迭代计算 出最优的流道尺寸1 4 2 1 。华中科技大学的李德群、袁中双采用两步法分析流动平 衡，首先忽略熔体流动过程的非等温性，采用等温假设，根据给定的流道系统 体积初步计算各流道半径；再考虑熔体的温度变化，进行熔体在浇注系统与型 腔中的有限差分分析，开发了相应的计算程序，以三孔接插件一模八腔为实例 模拟流动充填，优化流道、浇口尺寸，使流动达到平衡1 4 引。江苏大学陆建军等 提出一种新的流道系统优化设计模型，以流道总体积最小为优化目标，建立三 种约束，用变尺度约束法寻优，并借助m o l d f l o w 验证优化后的方案流动是趋于平 衡的f 44 1 。青岛科技大学朱伟、唐跃根据流道设计理论公式，分析注入模腔的体 积量和分流道直径的关系，建立以分流道直径与充模时间表示的均衡充填经验 公式f 4 5 1 。 4 保压过程是注塑成型过程的一个重要阶段，该阶段进行的好坏对塑件的内 部结构、性能、变形和尺寸稳定等都有很大影响，直接关系到塑件的质量1 5 3 i 。 郑州大学刘春太等研究注塑成型保压过程机理，采用数值方法实现对保压过程 的数值模拟，利用数值模拟得出恒压保压后塑件的重量，并与实际重量比较， 从而判断塑件成形质量好坏p i 】；合肥工业大学张君、董定福基于c a e 技术比 较恒压保压与变压保压曲线对塑件体积收缩的影响，总结出二级变保压曲线利于 塑件在相近压力下进行冷却，均衡体积收缩i 5 2 1 。 冷却系统同样是注射模重要的环节，如何能使结构各异的塑件均匀、快速 冷却是研究冷却系统的重点1 5 4 5 6 | ，陈静波等利用c a e 技术分析将螺旋型冷却 水道用在杯状塑件中的冷却效果，提出将型芯材料改为散热性能好的铍一铜合 金的方案1 5 ”。广西大学郑战光基于c a e 技术分析“直通式”、“隔板式”与“喷 泉式”三种冷却布局对电器散热片的影响，得出“直通式”布局下冷却较为均匀， 并且水路制造方便”列。 通过对所查文献资料的总结，在实例分析中对一模多腔形式的研究很多， 然而大多数研究的重点是同形状、等体积塑件共模结构。尽管非等体积型腔共 模也属于非平衡布局的一种，由于其形状结构的差异，熔体在各腔中的流动形 式同样存在不同。给浇注系统设计、保压曲线的设置和冷却水路的布置带来许 多困难。另外，多数学者的研究重点都侧重于整个成型系统的某一予系统，这 样难于考虑制件从设计到成型中各环节的过渡。本课题分析对象即为非等体积件 共模，外形结构差异大，借助c a e 技术分析整个系统( 包括浇注系统保压冷却等) 各关键环节结构及参数的优化规律，为其他同类型模具设计与成型提供一些思路。 1 4 本课题来源及研究对象、目的意义 j 4 1课题来源 本课题来源于合肥星通橡塑有限公司( d o e r s ) ，该公司是从事汽车内外 饰件开发与生产的专业公司。 1 4 2研究对象 本课题研究的对象是仪表台组合件杂物盒盖和杂物盒本体，两者的体积、 形状和结构均有较大差异。实际工作状态是配合使用，这是非等体积型腔共模 的特例，外观质量及孑l 位连接处的配合尺寸要求严格。 1 4 3目的意义 汽车轻量化的发展带动汽车塑件规模化生产，这种规模效应增加了提高塑件 质量的难度。而非等体积塑侔共模在当前的注塑成型生产中越来越多，因为塑件 放在同一模具中，采用同一批熔抖及同一水平的工艺参数同时成型，可以保证得 到质量、性能一致的塑件；另外，利于提高生产效率，降低生产成本。但是实 际注塑流程中的任一环节设计不当，反而加重多件共模塑件的缺陷，如流动不 平衡带来的充填不足或部分型腔过保压等。星通公司开发的汽车塑件结构各异， 公司从新品开发的周期及生产成本等角度考虑，广泛采用非等体积型腔共模的 结构，但实际生产中往往存在充填、表面质量或制品密度不均等缺陷。本文以 汽车杂物盒盖及本体两非等体积件共模为分析对象，借助c a e 技术并结合其他优化 方法，预测比较不同模具结构和注射成型参数的优劣，实现模具结构设计和制件成型 过程关键环节的优化，确保缩短生产周期，消除质量缺陷。 1 5 课题所做的工作与论文章节安捧 课题的主要任务是研究非等体积塑件共模成型过程中，模具几何参数及成 型工艺参数对流动平衡、体积收缩和均匀冷却的影响。以汽车仪表台的重要组 合件杂物盒盖与本体共模作为非等体积型腔共模的分析实例进行研究，借助数 值模拟方法，分析熔体在不同模具结构中的流动行为，并结合试验设计( d o e ) 等其他方法，优化模具结构形式、尺寸参数及成型工艺参数，实现单腔与两腔 的平衡流动；优化多级保压曲线形式，以期减少塑件体积收缩量，均衡塑件不 同部位的收缩；分析直通式、隔板式和喷泉式三种水路的不同功能，总结直通 式冷却管道的建模方法结合分析对象的结构特点，合理布局冷却水道，达到快 速均匀冷却的目的。为完成模具设计到生产导入，辅以侧向抽芯结构及斜顶机 构的设计，实现整个成型系统全过程的优化设计及物理实验验证。 1 5 1关键问题与工作重点 分析对象杂物盒盖与本体均非对称结构，细小部位数值分析的精确度较难 把握。因此，要准确捕捉流动前沿的变化，需要合理地处理数值模拟的网格划 分与边界条件施加。另外，研究的非等体积件共模成型是非平衡布局中的特例， 不仅体积结构不同，而且是组合使用，因此非常典型。在完善设计时，不管采 用何种优化方法，最终都要实现从设计到生产的转化，实际条件给设计增加了 限制。因此，在课题研究中涉及数值模拟及结构优化方面的关键问题如下： 1 在c a e 分析方面，分析对象采用的网格类型是基于表面的f u s i o n 网格， 在导入模型的网格划分时，十分强调上下对称面的匹配率，匹配率未达到8 5 以上，无法提交运算。因此需要合理简化c a d 模型，设置合适的网格全局边 长及实施正确的网格修补思路； 2 实现流动平衡浇注系统的优化设计。分析实例不仅体积不等，而且局 部结构变化大，厚度不均，熔体在各腔的流动存在很大差异，增加平衡流动的 难度。另外，考虑到实际的加工制造，不能仅实现理论上的平衡，还需与实际 生产相结合，寻找可适用性方案： 6 3 在保压、冷却方面，对于两腔而言，变保压曲线形式及关键转折点压力数 值的确定困难；同时在进行三种冷却回路形式设计时，关键要避免与模具整体结构干 涉，以便符合加工制造程序。 1 5 2 论文章节安捧 分析总结注塑模c a e 应用方向，其贯穿于注塑成型过程的各个环节或系 统，从产品结构优化到工艺参数的调整。论文是根据从实际生产难题中提出的 研究需求，充分结合模具结构的系统组成和成型过程的不同阶段，基于汽车塑 件中的典型实例分析浇注系统、冷却系统的结构优化，充模过程中模温、熔温 和时间的控制，保压过程曲线形式、时间及压力值的确定等。在整个研究过程 中，确保理论与实际生产的联系，因此所做的工作具有一定的实用价值。 下面给出论文章节内容安排 第一章，绪论：筒述了随着汽车轻量化的要求，在汽车零部件的用料中， 。以塑代钢”的比重日益增加；介绍注射成型工艺的相关知识，以及塑料流动 模拟技术的发展概况和c a e 技术在注射成型各环节中的应用及存在的局限性； 第二章，充填流动基本原理及模型预处理：针对模流分析技术，阐述包括 粘性非牛顿流体力学基本方程、粘性模型等流动充填模拟的基本理论。基于分 析实例介绍了模型c a d 建模和模拟前网格处理方法； 第三章，浇注系统的优化设计：基于m o l d f l o w 流动充填分析模块，研究非 等体积型腔的流动平衡，重点针对浇注系统的型腔布局形式，浇口形式、位置 和分流道的截面尺寸，长度等进行优化设计； 。 第四章，c a e 技术在保压曲线优化中的应用研究：从分析简单件入手，考 察恒定压力和变保压曲线对塑件体积收缩的影响，总结一定的规律。结合杂物 盒结构特点，设定三种不同多级保压曲线作为边界条件篪加到成型过程中，分析对 塑件体积收缩的影响，优化保压曲线； 第五章，c a e 技术在冷却系统优化中的应用：基于m o l d f i o w 冷却、翘曲 模块，比较三种不同软管连接形式冷却回路使用的优劣，从而优化冷却水道， 实现快速均匀冷却； 第六章，其他系统设计及物理实验验证：斜抽芯及顶出机构设计，最终完 成优化后的模具总装图，进行加工制造，用物理实验验证优化设计的可行性； 第七章，结论与展望：对研究工作进行总结。 第二章流动充填模拟的理论基础及模型预处理 在充填流动过程中，塑料熔体经历了不同压力、温度和剪切速率的变化过 程，则注射成型是非稳态、非等温的流动过程；且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” 的流交特性因此，注射流动充填过程属于非牛顿流体、非等温、菲稳态的流 动过程，基于粘性流体力学的基本方程在原则上能够求解，但由于其实际充填 过程的复杂性，必须在不同阶段引入合理而必要的假设与简化，并结合特定的 边界条件，才能用数值的方法进行求解【l ”。本章主要对引入数值求解的基本力 学方程，根据分析阶段与边界条件，得到充填模拟过程的控制方程，进而得出 不同物理场的信息。最终落实到课题模型的数值模拟前期处理，如分析对象建 模、网格划分等，为后续分析做好铺垫。 2 1充填过程敦值模拟的基本理论 2 1 i 粘性非牛顿流体力学基本方程 由于塑料熔体充填过程被视为粘性不可压缩非等温流动与传热过程，流动 过程中伴随着与内摩擦和传熟有关的能量耗散过程，因此，需要遵循连续性方 程、动量方程和能量方程1 1 3 , 5 7 1 。 1 连续性方程 罢 0 。v + 0 ，w ：0 ( 2 - 1 ) 以卯以 其中u ，v ，w 为速度矢量的三个分量。 2 运动方程 彳垒+ 群塑+ ，垒十w 塑1 _ p r + 丝+ 堡+ 丝一望 q 百栅西面十w i j _ p r + i - - - , v j + i + 言一面 4 害+ 嗉+ v 考+ w 老 - 码+ 鲁+ 鲁+ 誓一爹( 2 - 2 )q 瓦枷瓦+ v 面+ w 瓦j - 矽，+ 言+ 言+ 吉一万 彳丝+ “塑+ 。竺+ w 塑1 ；矿+ 旦! 星+ 坠+ 丝一竺 q 虿棚面万栅ij 2 ：+ 言+ 苗+ 言一西 其中f ，f ，p 分别为体力、偏应力张量和压力。 3 能量方程 解( 詈十“罢+ v 多+ w 警 = 髟( 窘+ 等+ 刳一( 气罢+ 嘞考+ 考) 一 ( 考+ 匐+ ( 警+ 鲁) + ( 老+ 茅) c z 吲 其中c 。，k 分别是比热容和热传导系数，t 为温度，i 为内部生成热。 8 4 本构方程 可以采用广义牛顿内摩擦定律，在满足不可压缩条件下， f r 】= 2 ，7 豳 ( 2 4 ) 其中【f 】为偏应力张量，j 7 为粘度，纠为应变速率张量。 式( 2 4 ) 表明塑料熔体的本构关系与粘度密切相关。在金属塑性变形的研究 中，本构方程是塑性变形时应力应变关系的数学表达式i s s ， 岛= 岳： ( 2 5 ) 此式与牛顿粘性流体公式相似，牛顿流体公式表示剪切应力与剪切速率之间存 在常系数正比关系。这里的五也是比例常数。但对于非牛顿性的聚合物而言。 ( 2 - 4 ) 式中的，7 是变化的，因此，聚合物熔体在所有流动条件下的流动特性至今 仍没有一个实用数学表达式来描述，关键在于粘度模型的确定，以下简要说明 常用的粘度模型有1 8 , 1 9 5 7 i ( 1 ) 幂律模型 r = 髟“ ( 2 - 6 ) 式中足为稠度，仅与温度有关，押为非牛顿指数，r 在一定温度和一定剪切速 率下也是常数，如果在改变温度和剪切速率下，应有， 1 0 9 = 嘞+ 口il o g i + a 2 t + a i i ( 1 0 9 ：) 24 - a 1 2 t l o g ；p + a 2 2 t 2 ( 2 7 ) 式中系数a 。、a 、二n 。可由流变实验数据得出。该模型可以描述在高剪切速率 下熔体的流变行为，缺点是无法描述低剪切速率时的粘度，特别是零剪切速率 时的流变行为。尽管如此，由于充模阶段熔体具有比较高的剪切速率，这一模 型仍广泛应用于充模流动分析。 。 ( 2 ) c r o s s 粘度模型 ，7 ：坠坚：旦2 ： ( 2 8 ) i + f i fj 式中f + 材料剪切常数； 。一非牛顿指数； 矿剪切应变速率； 零剪切粘度，一般可以采用a r r h e n i u s 方程( 2 - 9 ) 或w l f 型表达 式( 2 1o ) 。 仉仃，p ) = b e p p e 纠7 ( 2 9 ) f j 眨垡! 垡丑1 r i o = d , e l a l + f - d 2 j ( 2 10 ) 其中仇由( 2 - 9 )