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青岛科技大学研究生学位论文 橡胶冷流道注射模具的设计及数值模拟应用 摘要 随着橡胶制品被广泛应用到人们的日常生活以及汽车、航天等工业领域，橡 胶制品的需求总量大大增加，同时对质量要求也不断提高。越来越多的橡胶制品 采用传统的橡胶加工工艺已经不能满足现代企业的生产需求，橡胶注射成型工艺 的引进不仅提高了产品的质量，而且带动了企业的自动化生产，提高了效益。但 随着制品大批量生产，以及原材料价格的不断上涨，如何保证原材料的低消耗， 控制成本，实现企业利益最大化，又成为注射成型的新问题。为解决这一系列问 题，人们提出了一种基于橡胶冷流道系统的新型注射模具，这种模具在橡胶注射 模具的基础上，对浇注系统加入温度控制回路，使流道内部胶料在橡胶硫化阶段 既不被硫化，又能保持一定的流动温度，胶料在下一次充模时无须去除废料，就 可实现橡胶的连续化生产，而且成型产品质量高，从而真正达到高质、高效、低 能耗的自动化生产目的。 本文以橡胶冷流道注射成型工艺和注射模具设计方法为理论基础，结合经验 设计与流变学基本理论，对橡胶冷流道模具进行了设计与数值模拟优化，并运用 p r o e 软件最终完成模具的绘制和建模，本文以汽车喷嘴橡胶件为例进行了如下 研究： ( 1 ) 运用三维设计软件，对橡胶喷嘴制件进行三维实体造型，并结合参考 资料完成橡胶冷流道装置初始浇注系统和型腔布局的创建。 ( 2 ) 使用c f d 软件p o l y f l o w ，对浇注系统流体进行流动模拟，设计不 同的方案，比较分析各流场的模拟结果，得出最优浇口设计和注射速度。 ( 3 ) 橡胶注射成型不同于塑料，在注射完成之后需要进行加热硫化成型。 当完成模具浇注系统的优化设计之后，需要根据优化得出的模型，分析型腔中的 橡胶硫化成型反应，运用m o l d f l o w 软件进行模拟分析，分析制品的成型质量， 得出最优硫化成型工艺参数。 ( 4 ) 根据模拟优化结果，运用p r o e 软件设计橡胶冷流道注射模具，使用 e m x 模块建立模具整体三维模型，验证模具结构合理性，完成橡胶冷流道注射 模具的设计。 关键词：橡胶注射模具冷流道流变学p o l y f l o w 流动模拟m o l d f l o w 橡胶冷流道注射模具的设计及数值模拟应用 青岛科技大学研究生学位论文 d e s i g na n dmm i 砒c a ls i 舭a t i o n a p p l i c a t i o no fr u b b e ri n j e c t l 0 n m o l dw i t hc o l dr u n n e r a b s t r a c t w i t hr u b b e rp r o d u c t sa r ew i d e l ya p p l i e dt o d a i l yl i f ea sw e l la sa u t o m o t i v e ， a e r o s p a c ea n do t h e ri n d u s t r i a lf i e l d s ，t h et o t a ld e m a n do fr u b b e rp r o d u c t si n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y , w h i l et h eq u a l i t yr e q u i r e m e n t si sa l s or i s i n g m o r ea n dm o r er u b b e r p r o d u c t su s i n gt h et r a d i t i o n a lr u b b e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yc a n tm e e tt h em o d e m e n t e r p r i s ep r o d u c t i o nn e e d s ，t h ei n t r o d u c t i o no fr u b b e ri n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sn o t o n l yi m p r o v e st h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t ，b u ta l s ol e dt ot h ea u t o m a t e dp r o d u c t i o na n d i m p r o v et h ee f f i c i e n c y h o w e v e r , w i t ht h ep r o d u c t sm a s s - p r o d u c e da n dt h er i s i n g p r i c e so fr a wm a t e r i a l s ，h o wt oe n s u r er a wm a t e r i a l so fl o wc o s t ，c o n t r o lt h ec o s ta n d m a x i m i z et h ei n t e r e s t so f e n t e r p r i s e sb e c o m e st h en e wp r o b l e m so fi n j e c t i o nm o l d i n g i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m s ，p e o p l ep u tf o r w a r dar u b b e ri n j e c t i o nm o l db a s e do n t h ec o l dr u n n e rs y s t e m ，t h i sm o l db a s e do nr u b b e ri n j e c t i o n gm o l da d d sa t e m p e r a t u r e c o n t r o ll o o pt ot h eg a t i n gs y s t e mi no r d e rt om a k et h er u b b e ri nt h ef l o wc h a n n e ln o tt o b ev u l c a n i z e d ，i tc a na l s om a i n t a i nac e r t a i nf l o wt e m p e r a t u r e a n dt h er u b b e rw a s t e w a sn o tn e e dt ob er e m o v e di nt h en e x tf i l l i n gm o l d ，t h er u b b e rc o n t i n u o u sp r o d u c t i o n i s c o m p l e t e d ，a n dt h em o l d i n gp r o d u c t sh a v eh i g hq u a l i t y , t h u st h ep u r p o s eo fh i g h q u a l i t e ，h i g he f f i c i e n c ya n dl o w e rc o s tc a nb ea c h i e v e d o nt h et h e o r e t i c a lb a s i so ft h er u b b e rc o l dr u n n e ri n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sa n d i n j e c t i o nm o l dd e s i g nm e t h o d s ，a n dc o m b i n e dw i t he x p e r i e n c ea n dp o l y m e rr h e o l o g y , t h er u b b e rm o l dw i t hc o l dr u n n e rw a sd e s i g n e da n do p t i m i z e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， t h ed r a w i n go fm o u l dw a sc o m p l e t e db yu s i n gp r o e t a k et h ec a rn o z z l er u b b e rf o r e x a m p l e ，t h er e s e a r c hi sa sf o l l o w s ： 1 at h r e e - d i m e n s i o n as o l i dm o d e l i n go fr u b b e rn o z z l ep r o d u c tw a sd e s i g n e db y u s i n g3 dd e s i g ns o f t w a r e ，c o m b i n e dw i t hr e f e r e n c ed a t at oc o m p l e t et h ei n i t i a lg a t i n g 橡胶冷流道注射模具的设计及数值模拟应用 s y s t e ma n dc a v i t yl a y o u to fr u b b e rc o l dr u l l n e rd e v i c e 2 t h ef l o wo fr u b b e rf l u i dw a ss i m u l a t e db yu s i n gc f ds o f t w a r ep o l y f l o w , a n dt h eb e s tr u n n e rd e s i g na n di n j e c t i o nv e l o c i t yw a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n ts c h e m ed e s i g na n dt h e i ra n a l y s i sr e s u l t so ft h ef l o wf i e l d 3 r u b b e ri n j e c t i o nm o l d i n gi sd i f f e r e n tf r o mt h ep l a s t i c ，i tn e e d sf o rh e a t i n g v u l c a n i z a t i o nm o l d i n ga f t e rt h ec o m p l e t i o no ft h ei n j e c t i o n w h e nt h em o l dg a t i n g s y s t e mo p t i m i z a t i o nd e s i g ni sc o m p l e t e d ，t h er u b b e rv u l c a n i z a t i o nm o l d i n gc a v i t y r e a c t i o nn e e d st ob ea n a l y z e da c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z a t i o nm o d e l ，u s em o l d f l o w s i m u l a t i o n ，a n a l y s i st h ef o r m i n gp r o d u c t sq u a l i t yt og e tt h eo p t i m u mv u l c a n i z a t i o n m o l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s 4 a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n ，t h ew h o l e3 - ds h a p e m o l dw a ss e tu pb yt h ee m xm o d u l eo fp r o es o f t w a r e ，w h a tw a su t i l i z e dt od e s i g n r u b b e ri n j e c t i o nm o l dw i t ht h ec o l dr u n n e r , t h e nt h em o u l ds t r u c t u r er a t i o n a l i t yw a s v e r i f i e dt oc o m p l e t et h ed e s i g e no fr u b b e ri n j e c t i o nm o l dw i t hc o l dr u n n e r k e yw o r d s ：r u b b e ri n j e c t i o nm o l d ；c o l dr u n n e rs y s t e m s ；p o l y m e rt h e o l o g y ； p o l y f l o w ；f l o ws i m u l a t i o n ；m o l d f l o w 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 课题背景 1 绪论 1 1 1 课题提出的背景 橡胶是一种十分重要的高分子材料，橡胶制品在国民经济中占有不可缺少的 地位，它不仅被广泛用于人们的日常生活、医疗卫生和文体生活等各方面，还被 应用于工农业生产、交通运输、电子通讯和航空航天等各个领域。 近几十年，随着现代科学技术的飞速发展，一些高新技术领域对橡胶制品提 出了更多的要求，传统的模压成型显示出了极大的局限性，已经不能满足现代产 品的要求，橡胶工业迫切需求一种更为先进的成型技术，注射成型就是在传统的 成型方法生产基础上发展起来的一种较新的工艺。 传统的模压法是将胶料预先切成简单的形状，然后填入型腔送入平板硫化机 进行硫化成型。传统的成型方法有很多局限性：如压制成型只能成型简单的制品， 产品质量低；压铸成型可以制作普通模压不能压制或勉强压制的薄壁、细长易弯 曲的制品，但是依然不能解决劳动强度大、效率低的问题，尤其是对于结构复杂， 胶层较厚的制品无能为力，不能满足企业高质、高效、低耗生产需求 1 1 。 橡胶注射成型与模压成型相比，它是将预加热成塑性状态的胶料经注射模的 浇注系统注入模具中定型硫化。在注射成型过程中，由于胶料在充型前一直处于 运动状态受热，因此各部分的温度较压制成形时均匀，且橡胶制品在高温模具中 短时即能完成硫化，减少了硫化时间，制品的表面和内部的温差小，硫化质量较 均匀。注射成型的橡胶制品具有质量较好，精度较高，能够生产大型、薄壁、厚 壁以及形状复杂的制品，因其具有预成型，硫化，脱模等自动化过程，其生产质 量稳定，生产效率高，故它将成为适合于全自动化操作和可节省劳动成本的成型 加工工艺【1 1 。 橡胶注射模主要应用于模型制品，如各种密封减震制品、各种耐油耐水密封 圈、密封垫、储油隔膜、防水防护罩、桥梁和铁路轨枕垫、码头护舷、隔音橡胶 配件、空气弹簧、机械设备及仪器缓冲坐垫、绝热制品、医疗卫生制品和胶辊胶 板等。随着技术进步，越来愈多的的橡胶制品可以使用注射成型，如轮胎胶囊的 注射成型已经实现规模化生产，甚至可以使用注射成型法来直接成型轮胎。凭借 良好的产品质量与精度，高度的自动化过程以及复杂的成品结构，注射成型工艺 已经成为橡胶工业发展的一种必然趋势。 橡胶冷流道注射模具的设计及数值模拟应用 近几十年的发展中，橡胶注射成型技术得到不断的完善和提高，使其在橡胶 行业中的经营日益广泛。对于汽车零部件、电气电子设备配件等大批量生产的产 品，橡胶注射成型机能够充分发挥注射成型的优势。目前全球注射机的拥有量有 数万台，现已成为汽车、电子等橡胶制品的主流设备，随着橡胶制品应用领域的 不断拓展和生产规模的不断扩大，橡胶注射成型技术的应用前景将十分广阔，市 场占有额也将显著增加【2 】【3 1 。 总体来说，橡胶注射成型技术代表着橡胶模制品生产的发展方向，对发展循 环经济，建立资源节约型工业具有重要的意义，用注射成型技术革新目前生产中 所沿用的传统生产技术将是橡胶工业以后的研究课题之一，尤其是研究新型橡胶 注射模具的作用显得异常重要。 1 1 2 课题研究的迫切性 橡胶注射成型由于制品成型质量可靠稳定、成型周期短以及自动化程度高而 一直备受关注。近些年随着技术的发展，针对常规橡胶注射成型在实际生产中所 遇到的问题，又涌现了不少新的改进工艺。传统的注射成型，由于硫化时流道内 的胶料会跟型腔内的胶料一起硫化，在脱模之后就会被当成废料处理，因而存在 材料浪费现象，尤其当橡胶制品的批量化生产或者原料料很贵时，材料浪费现象 严重就会影响到企业的出生产效益。近些年，研究和改用新型橡胶注射成型工艺 已经成为企业实现高质量、高效率和低消耗的重要手段【4 】【5 1 。 本课题所研究的橡胶冷流道注射模具就是针对橡胶注射成型中原材料浪费 而提出的一种非常实用的新型技术。在橡胶硫化成型时，冷流道注射模具内部通 过流通介质控制流道温度来防止浇注系统内橡胶硫化，保证浇注系统的胶料能够 用于下一次注射成型，实现了真正的连续化生产，进一步提高了生产效率，而且 产品的成型质量更好。在生产中，凭借能够节省原料、控制成本及高度自动化方 面的优势，橡胶冷流道注射模具必然会成为橡胶制品注射成型的首选方法。 随着近年来国内企业不断与国际接轨，新技术的引进及市场竞争程度的增 大，尤其是国内对于橡胶制品的消耗日益增大，对橡胶行业提出了新的挑战。国 内橡胶制品企业要想在竞争中立于不败之地，研究和开发新型橡胶冷流道注射成 型模具是必不可少的。 近几年来，计算机c a d c a e 仿真技术不断完善，数值模拟技术在塑料注射 成型研究中所起的作用越来越大，但在橡胶注射模具的开发研制中，数值技术应 用较少。采用数值模拟方法设计模具可以大大缩短模具的设计周期和制造成本， 对于企业来说它是节约成本、自主创新的根本。本课题着眼于注射成型技术中模 具部分的研究使用，首次从橡胶注射成型模具的角度，设计了新型的橡胶冷流道 青岛科技大学研究生学位论文 注射成型模具，并运用先进的计算机软件进行模拟优化设计，进一步的完善模具 的设计结构参数和注射工艺【】。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国内外橡胶注射模具发展现状 1 国内现状 中国经济腾飞给橡胶产业带来巨大动力的同时，对橡胶模具工业也提出了更 高的要求，实现高效、优质、低能耗的生产，是所有橡胶机械设备生产厂家橡胶 制品企业与都应思考的问题。模具作为产品成型重要的手段，它的生产能力强弱， 水平高低，直接影响产品的质量和企业效益，影响着许多工业部门的产品新旧更 替。正是因为模具工业在制造业中的这种重要地位，一直被世界各工业发达国家 所重视和扶持。我国为了优先发展模具工业已经制定了一系列的优惠政策并把它 放在了十分重要的战略地位。 目前我国的橡胶工业现状主要体现在下面两个方面： 第一，注射成型技术依然没有得到重视普及，中国绝大多数非轮胎橡胶制品 生产企业还是使用传统的平板硫化机，对注射机的用量非常小，估计最多不过 5 1 0 ，同发达国家的2 5 3 5 相比有很大差距。在国内，橡胶注射成型技术 只处于刚刚起步阶段，上世纪8 0 年代才开始研究。国内橡胶企业中的注射成型 模具只占有很低的比例，绝大部分的工厂尤其是中小型企业，由于观念以及模具 成本价格的影响，橡胶加工依然采用传统模压方法，这导致国内的橡胶注射成型 技术的发展速度十分缓慢。 传统橡胶工业制品大多是多品种小批量生产，注射成型的模具价格高，采用 平板硫化生产工艺的相对成本低，所以模压产品仍占据着优势。但是随着汽车及 电子产品行业的快速发展，诸如汽车零部件，电气电子设备配件等产品都是需要 大批量生产且质量要求高，在这种情况下，注射成型开始充分发挥其优势【1 0 】。总 体来说，橡胶注射成型表着橡胶模制品生产的发展方向，对发展循环经济，建立 资源节约型工业具有重要的意义。橡胶注射成型技术将成为最引人注目的成型加 工技术之一。 第二，是高精端模具的开发和研制依然比较落后，中高档的模具依然依靠进 口，尤其橡胶注射成型模具处于初级阶段，模拟技术发面更是相对欠缺。 2 0 11 年我国模具出口总额从2 0 6 2 亿美元攀升至3 0 0 5 亿美元。根据海关统 计，我国模具进出口总额为5 2 4 0 亿美元，比上年增加2 3 0 6 ，模具出口快速发 展，总额为3 0 0 5 亿美元，比2 0 1 0 年增加3 6 8 7 ：但是我国出口模具的平均单 橡胶冷流道注射模具的设计及数值模拟应用 价大约只有进口模具的三分之一至四分之一。出现这种现象的原因有两种：一是 有些模具是作为附件随设备一起出口的，其数字并不在海关的统计中显示出来， 但是需要注意的是，这部分的数字的记载，进口要大很多；二是国内的模具到境 外后，却又回到国内，这就造成进出口的假像。 除了国外模具的成本和价格确实要比我们高之外，这种情况也充分说明我们 出口的模具仍以中低档为主，而进口模具却以中高档为主。目前进口模具占据了 国内中高端模具市场的5 0 左右。这类高技术含量的模具，与国际先进水平相比， 我国尚有1 0 1 5 年的差距。差距主要表现在精度、寿命、制造周期及使用稳定性 和可靠性等方面、模具数字化设计制造技术落后是造成产品落后的主要原因之 一。应大力提高创新开发能力，我国要改变现状，就要提高自主创新的开发能力， 以“做强做大为核心，模具行业每年进口的设备达几十亿元，但是自主创新方 面的投入还欠缺，要采取有效的措施改善。而且要提高出口能力，要以模具的质 量为前题。只有这样，才可以真正提高自己，拥有国际竞争力。2 0 1 1 年以来中国 机械工业增速出现了明显回落，说明中国经济总量高速增长时期已逐渐过去，今 后全行业必须适应市场需求由重“量”到重“质 的转变趋势【1 0 【1 1 】。 2 国外现状 橡胶注射成型技术虽然发展历史短暂，上个世纪四十年代橡胶注射成型才刚 刚开始起步，直到6 0 年代注射成型法才在橡胶工业中得到较大的发展，但是其 意义十分深远，而且发展非常迅速。目前，德国、法国、意大利、日本和美国等 发达国家己能够大批量生产各系列的橡胶注射机，其自动化程度也达到可用机器 人进行全程自动化生产。发达国家普遍使用橡胶注射成型工艺的事实也证明了橡 胶注射成型的巨大价值，近年来世界各工业国家更是对其投入大量精力，争先恐 后地向大容量橡胶注射机发展，橡胶注射成型技术已经成了橡胶加工的不可取代 发展趋势。 橡胶注射成型技术在国外已经相当普及，国外模具产业发展比较科学和完 善，已经形成良好的发展体系，并且转变为专业化生产，面向高精端模具。国外 模具已经不再是展出具体的模具样品和加工成形品，而是整个模具生产过程中的 一系列解决方案。在高端模具方面，发达国家更是投入大量人力物力，发展十分 迅速，遥遥领先中国，欧美模具企业制造水平工艺高，模具精细化程度优异，模 具开发设计软件完善，对我国的模具行业造成很大压力。 经济全球化对国际汽车模具制造业产生了深刻的影响，近年来工业发达国家 将中低档模具的生产不断地向包括中国在内的发展中国家转移，并且也越来越多 地到这些国家采购模具，以降低其汽车生产成本。尽管如此，我们还是应该清醒 地看到，工业发达国家汽车模具行业依然保持着其核心竞争力，在大型、精密、 4 青岛科技大学研究生学位论文 复杂模具的设计制造技术方面仍有着明显的优势，特别在高档轿车模具技术方面 还占据着不可替代的位置。我国作为一个橡胶大国，对于橡胶行业尤其是高端橡 胶注射模具行业的发展，应该更加重视保证新型技术的自主创新发展，保证橡胶 产业的成熟稳步发剧1 2 】【1 3 】。 3 发展机遇与要求 目前中国橡胶工业面临一次重大发展机遇：从消费市场的地区分布来看，目 前中国橡胶塑料注射成型机的主要消费市场正在由南向北逐步扩散，而且环渤海 经济区域的产业政策及产业集群将使橡胶塑料行业具备极大的潜力。随着我国确 定以天津滨海为中心的环渤海经济区在北方的经济中心地位后，扶持政策大量出 台，各种资金纷纷涌入，现已成为我国经济发展的第三大增长极，中国北方经济 的崛起从这里开始。环渤海地区天津、北京、辽宁、山东、河北等省市中，支柱 产业十分集中将成为拉动经济增长的主要动力，其支柱产业均涉及汽车电子、电 器、家电、医药医疗等行业，而这些重点发展的行业中，将涉及大量配套的塑料 橡胶材料及制品，制品的成型工艺绝大部分要求使用注射成型加工，因此，橡胶 注射成型模具存在巨大市场潜力。 长期以来，在高档模具研发创新方面，我国的整体水平低，国外又对我国实 行封锁限制，国内企业对开发使用新型技术的要求越来越高。因此，国家对模具 产业给予了前所未有的关注和支持，从关于发展装备制造业的若干意见，到纳入 国家中长期发展规划的“现代制造装备”国家科技重大专项，以及列入七大战略 性新兴产业的高端装备制造业，高档模具始终占据重中之重的位置 1 4 】。 模具行业十二五发展计划指出我国模具技术已有很大进步，但总体来说与国 际相比尚有1 0 年以上的差距，模具技术的落后已经使许多制造类产业的自主发 展受到制约，如中高档轿车、大规模集成电路和许多精密电子产品以及高档机电 产品和军工产品等等，尽快发展模具技术已是当务之急【1 1 1 。 总体来说，我国橡胶行业既面临着前所未有的机遇，又面临巨大的挑。面对 良好的市场前景和存在的主要问题，中国的橡胶模具企业必须在提高核心竞争力 和创新上下功夫，只有走高端自主创新的研究路线才是唯一的科学发展出路。 1 2 2 数值模拟技术现状 在模具加工前，通过计算机对整个注射成型过程进行模拟分析，准确预测熔 体的填充、保压、冷却等情况，预测模具设计和成型条件对制品的影响，发现可能 出现的缺陷，找出缺陷产生的原因并加以改进，为判断模具设计和成型条件是否合 理提供科学的依据，提高一次试模的成功率，大大缩短了开发周期，降低了生产成 本【5 1 ，因而注射模具数值模拟技术受到广泛欢迎和采用。 橡胶冷流道注射模具的设计及数值模拟应用 模拟过程中由于多变量的交互影响、数学模型的复杂性以及隔断数学模型边 界联结的困难等因素的影响，往往容易是理论计算和实测数据之间存在着一定的 差距。模拟结果能否最大限度地与实际过程相吻合，主要取决于对成型加工过程 进行数学描述的精确程度和适宜的初始条件和边界条件。对此，国外涌现出许多 优秀的c f d 软件，如f l u e n t 、m o l d f l o w 、c f x 、s t a r - c d 、p h o e n i c s 、c f d r cc o s m o s 、 f l o w o r k s 、c f d e s i g n 等等，还有许多对中国有出口限制。与国外c a e 软件蓬勃 发展，国内技术还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视， 在c a e 研发方面投入资金，像台湾科盛公司开发的m o l d e x 3 d ，华中科技大学 的h s c a e 6 1 0 在数值分析方面表现出不俗的能力。这些软件的大量开发表明计 算机模拟c a e 技术在现代制造业中的地位越来越重要，产生了巨大的推动作用。 我国模具行业c a d c a e c a m 技术近十年来取得了长足的进步，在应用中取 得了显著效益，但是与发达国家相比，我国技术水平尚低，差距较大，主要表现 在：首先，c a d c a e c a m 软件开发进度和水平低，并且因技术门槛高导致的人 才技术链匮乏，以及基础数据积累不足导致仿真结果缺乏可信度。目前三维软件 的核心技术仍掌握在欧美日等发达国家的手中，中国市场几乎被国外产品垄断， c a m c a e 发展跟不上c a d 。 其次，从实际中看中国的c a e 应用水平还是较低，同发达国家相比存在较 大差距。c a e 在我国模具行业还不普遍，在应用c a e 进行模具方案设计和分析 计算方面，我们才刚刚起步，大多还处于试用阶段，中国企业用于支持c a e 分 析的基础数据严重不足，而这种所谓的基础数据的积累实际上就是经验的积累。 随着仿真分析环节在产品生命周期中地位日益提升，c a e 也逐渐走出“象牙 塔”，在越来越多的领域被更多的工程师所应用，c a e 的易用性也成为技术发展 的必然趋势，中国的一些企业应该走出一个误区，就是只有当产品设计出来才能做 分析，其实应该是边设计边分析、边分析边优化，这样才能让产品做得更好。相 对于国外，除了了产业软件的匮乏，我国在计算机c a d c a e 软件应用推广方面也 依然比较落后，运用c a e 技来指导产品设计已经是我国模具产业发展走向高端 的一个必要趋势【1 5 1 。 1 2 3 橡胶冷流道注射模具发展现状 尽管橡胶注射成型技术是新兴产业，但是橡胶注射成型也跟塑料注射技术一 样在不断快速发展进步，旧的技术不断被改进，新的成型技术也不断涌出。本课 题所研究的橡胶冷流道注射成型技术就是踊跃出的众多新型工艺中的一种最实 用的技术。现阶段国际金融汇率变更，原材料物价上涨，企业依靠低价原材料创 造效益的方式已经难以产生价值，唯有改进技术，依靠先进技术降低成本才能够 青岛科技人学研究生学位论文 获得更大的利益，在竞争中立于不败之地。冷流道注射成型技术由于本身具有独 特的节约材料以及高度自动化性能，是橡胶行业节省材料、提高效益最实用的方 沣 5 1 8 1 t 二、 o 在橡胶的冷流道注射成型工艺研究方面，国外发达国家虽然研究比国内早， 但是在各方面也并不完善：国内在冷流道技术方面更是远远落后于发达国家，是 近几年才兴起的技术，在理论方面有很多空白，尤其是在橡胶冷流道注射模具 c a e 技术方面更是十分欠缺。 橡胶冷流道技术目前应用最广泛且相对完善的就是硅橡胶生产，由于其低熔 点、低粘度、剪切变稀及高膨胀系数，使其在使用冷流道的优势十分突出。国外 比较出名的冷流道公司为美国d m e 公司，它在橡胶冷流道技术方面有很先进的 水平，在北美的生产基地有专门的冷流道系统的生产业务，美国d m e 公司早在 2 0 世纪9 0 年代早期就已经在欧洲市场推出冷流道系统，设计了用于加工液态硅 橡胶( l s r ) 、高温硫化( h t v ) 硅橡胶以及其他弹性体成型材料，现在已经推广 到美国国内，用于加工弹性体制品。如图1 1 为美国d m e 公司展出的一种用于 l s r 液态硅成型的橡胶冷流道模具【1 9 】： 图1 1 液态硅橡胶冷流道模具 f i g 1 1l i q u i ds i l i c o n er u b b e rm o l dw i t hc o l dr u n n e r 此外，德国d e s m a 公司去年也退出三种不同类型的注射成型机，其中 d 9 6 9 3 0 0 z v 型卧式注射成型机配有新型流道控制冷流道工艺，这种冷流道系统的 喷嘴控制是通过机器控制来实现的，这样可以为每个冷流道喷嘴进行精确地溶剂 计量。这种新机型设计机台高仅为9 0 0 m m ，合模力为1 0 0 0 0 k n 。而这种结构系 列机型的整个合模力范围为2 5 0 0 - - 1 0 0 0 0 k n ，并展示了注射成型的的实际发展情 况及模具设计新方案。国外这些新的进展充分展示出橡胶冷流道注射成型在中小 橡胶冷流道注射模具的设计及数值模拟应用 型制件生产的生命力，这也是注射成型发展的必然趋判2 0 】。 橡胶注射冷流道技术出现以后，在m ； l - 发达国家出现了十分迅速的发展，国 外的冷流道技术技术虽然仍不够成熟，但其已经领先国内，开始更注重细节损耗 的研究如优化控制系统及改进结构的压力传动，并开始普及应用于橡胶注射行业 中。相对而言，国内仅仅是近几年才开始研究这个课题，国内也刚刚开始有专门 从事橡胶冷流道研究的单位，但是仍然处于起步阶段，主要分布在模具业比较发 达的珠三角地区，且主要为液体硅橡胶注射冷流道注射成型模具，许多公司都在 寻求自主研发橡胶冷流道注射模具，以获取巨大的利益。所以橡胶注射成型对我 们来说是一项十分迫切而又艰巨的任务。 1 3 课题研究的意义、内容及创新点 1 3 1 本研究的意义 现代科学技术的不断进步促进了橡胶注射模具的发展与推广，注射成型高度 的自动化功能为企业的竞争创造了巨大的优势。尽管橡胶注射模具的价格费用比 普通橡胶压铸模具高，但由于注射成型对大批量生产特别有利，且生产效率和制 品质量都大幅度提高，材料损耗和热能损失也相应减少，最终导致总成本的下降， 因而在大型橡胶厂中得到青睐和普遍采用。尤其是近些年，又出现了机动灵活、 适于中小批量生产的橡胶注射机，因此，不少专业化的中小橡胶厂也开始选择使 用【2 1 1 。注射成型不仅可以制造出结构复杂的制品，而且制品的质量好、精度高、 造型优美、经济耐用、生产率高，注射成型技术已经成为橡胶成型不可取代的趋 势。 与此同时，新技术的发展开始从各方面考虑注射成型工艺以满足高效率、高 质量和低能耗的生产要求。本课题的意义也在此，一方面橡胶冷流道注射模具就 是一种新型技术，橡胶冷流道系统非常适用于医疗、食品容器、电子电器和汽车 产品的加工领域，胶料在较低的温度下注射并且对模具进行加热硫化，为保证注 射流道内的胶料不被硫化且能进行继续充填从而产生对冷流道系统的需求，这一 技术使得废料降至最低，减少了周期时间和固化时间。冷流道系统注嘴根据体积 可调，实现了理想填充，降低了劳动强度，大幅度提高了模具的自动化程度和生 产效率，满足了日益增长的市场需求 1 引。 橡胶冷流道注射模具最大的优势就是能够节省原材料。随着资源的减少，市 场的竞争，原材料价格大幅度上涨，这就非常有必要在节省材料这一问题上大做 文章，这也是橡胶冷流道注射技术产生的一个重要原因。虽然橡胶冷流道注射模 具的加工成本和制造工艺要求比较高，但是对于贵重材料的制品来说，尤其是在 青岛科技大学研究生学位论文 大批量、大制件自动化生产方面有着明显的优势： ( 1 ) 实现无废料加工，省去了去除浇注凝料的模具结构和去除浇注的繁琐 工序，容易实现自动化高速注射成型，大大节省了人力和原料。 ( 2 ) 在注射过程中，浇注系统内的塑料始终处于熔融状态，流道畅通无阻， 注射压力损失小，有利于压力的传递，可实现多点浇口多腔模具及大型塑件的低 压注射。 ( 3 ) 由于无浇注凝料省去了浇道冷却和去除凝料的时间，并使模具的开模 距离和合模形成缩短，从而使成型周期缩短，提高生产效率。 ( 4 ) 提高制件质量，避免因补料不足而产生的凹痕等缺陷。 ( 5 ) 成型温度的范围广，低温也容易成型。 因此，在生产如汽车密封条、大型复合绝缘子和空心套管等橡胶制品时，如 果仍然采用普通成型工艺方式加工，浪费在流道里面的胶料就会很多，当胶料特 别贵的时候，如氟橡胶聚丙酸脂生产每模制品的成本就会很高。在采用冷流道装 置后，可以明显地减少胶料的浪费，减低生产成本。由于是直接给各个模腔加料， 模腔的数量可以得到更为优化的设计，在温度控制方面将更加灵活准确，保证模 腔内温度分配均匀，减少表面反应。与此同时，在生产完每模制品后，清胶时间 将缩短，自动化程度得到提升，工人工作强度得到减低，生产效率进一步得到提 高【2 2 】。 另一方面，在模具设计过程中，传统的橡胶注射模具设计过程主要依靠设计 人员的经验，模具生产过程往往要经历反复的试模、修模，才能达到生产要求， 而且对其质量很难控制。模具的设计不合理常常容易导致胶料充填不满，硫化不 均匀，有气穴，熔接痕以及残余应力大等缺陷，对于形状复杂、质量要求高的制 件模具试模次数就会增加，成本和制造周期就会延长，影响企业的生产效率。因 此，在橡胶注射成型模具设计过程中，引入注射成型c a e 技术，利用其先进的 计算机数值模拟技术可以快速准确地模拟橡胶熔体在模具中的流动状态，在制模 之前就预测出模具可能存在的缺陷，并针对问题提出合理的解决方案，大大缩短 了模具制造周期，减少了试模次数，从而降低制造成本，提高企业的生产效益。 目前国内对于橡胶冷流道注射模具这项新技术少有研究，运用先进的计算机 模拟技术对其进行模拟优化设计更是没有涉及到。所以本次的研究目标就是应用 c a d c a e 技术设计出一种合理的橡胶冷流道模具，并模拟出最优注射工艺参数 以提高产品质量、降低工业成本，实现数值模拟技术在产品设计制造中应用的目 的。为此，本课题通过大量的查阅研究资料进行了橡胶冷流道注射模具的设计以 及运用数值模拟技术完成对橡胶冷流道注射成型模具优化改进【2 3 - 2 4 1 。 堡堕堡鎏鲎鲨塾垡墨箜堡生垦鍪篁堡垫窒旦 1 3 2 本研究的内容 通过对橡胶冷流道注射模具内胶料流动运用数值模拟技术，进行模流分析， 得出流体的速度、温度、压力对浇注系统中的流动情况及其对充型的影响。运用 有限元分析软件研究设计出模具冷流道装置、浇口的分布状态，利用c f d 软件模 拟熔体在浇注系统中的流动情况，通过分析各流动场的分布情况，改进流道结构， 更好地满足成型工艺要求，达到优化模具结构；进一步模拟分析硫化工艺参数的 影响，为注射工艺的选择提供参考。在模具设计中运用c a d 软件完成对型腔的 布置，浇注系统的结构形式及浇1 3 的数量、位置与大小，模具结构类型和推出机 构进行设计。 针对以上问题本课题开展了c a d 和c a e 两方面的研究，研究内容如下： ( 1 ) 运用三维设计软件，对橡胶喷嘴进行三维实体造型，并结合参考资料 完成橡胶冷流道装置的初始浇注系统和型腔布局的创建。 ( 2 ) 将划分好的网格导入c f d 软件p o l y f l o w 中，对胶料流体进行流动 模拟，设计不同的方案比较分析其模拟结果，得出最优浇口设计和注射工艺参数。 ( 3 ) 橡胶注射成型在注射完成之后需要进行加热硫化成型，完成浇注系统 的优化设计之后，需要根据优化得出的模型，分析型腔中的橡胶硫化成型反应， 运用m o l d f l o w 软件进行模拟分析，分析制品的成型质量，得出最优硫化成型 工艺参数。 ( 4 ) 运用三维c a d 软件p r o e 设计冷流道系统，使用e m x 模块建立模具 整体三维造型，验证模具结构合理性，完成橡胶冷流道注射模具的设计。 1 3 3 本研究的创新点 1 将注射成型技术运用到橡胶模具制造中去，改变了传统模压模具生产橡 胶产品质量低、能耗大、生产自动化程度低的缺陷，提高了生产效率，降低劳动 强度，降低了大批量制件生产成本，提高企业的竞争力。 2 本课题首次对冷流道橡胶注射成型模具进行研究，这种新型橡胶模具在 国内的历史几乎是空白，这方面的资料少之又少，属于橡胶注射模具的前沿课题， 冷流道装置具有能够节省胶料，降低成本，提高产品性能的特点。 3 针对橡胶制件设计了一种创新型冷流道系统结构，对冷流道组合件装置采 用镶块设计，设置冷流道隔热板和温控回路，使用绝热材料进行包裹降低热损失， 既能达到良好的控温效果，降低模板磨损度，又保证了模具更换方便和注射机的 重复利用，提高了整套模具的效率。 4 本次橡胶模具设计采用计算机数值模拟技术进行优化设计，取代传统的试 青岛科技大学研究生学位论文 模法，运用c a d 与c a e 技术相结合的现代化设计方法，利用有限元数值求解法 优化模具工艺参数，如浇口布局，温度分布，成型质量等，最终设计出比较合理 的优化模具方案，减少了试模次数和制造周期，达到降低模具制造成本的目的。 5 本研究首次通过使用p o l y f l o w 软件，模拟橡胶冷流道注射成型模具胶料 在注射过程的流动状态，分析其得到的压力、粘度、速率场的分布得到最优流道 布局以及浇口设计，改善冷流道系统内浇注系统结构和工艺： 6 首次运用m o l d f l o w 的反应注射成型模块对热固性橡胶材料进行注射成型 模拟，优化橡胶注射工艺参数。通过m o l d f l o w 的热固性材料成型分析，可以有 效的检查出潜在的成型缺陷，提前在设计前端解决问题，减少设计周期，为大批 量生产提供技术保障。 7 运用p r o e 软件进行橡胶注射模具的冷流道结构及加热系统参数化三维设 计，通过其e m x 模架模块设计标准模架。实现了计算机c a e 与c a d 技术的结 合，最终设计出整体橡胶冷流道注射模具，提高了模具设计的准确性和合理性， 降低了制造的生产成本和周期。 橡胶冷流道注射模具的设计及数值模拟应用 2 橡胶注射成型数值模拟理论 2 1 数值模拟技术概述 随着新型橡胶材料、添加剂品种以及复合材料应用的增加，对成型加工工艺 参数，橡胶制品的质量提出了更高更精的要求。采用以往传统的模具设计方法已 经难以适应其复杂程度，以计算机应用为基础的数值模拟方法，开辟了一条新的 途径。由于计算机模拟技术具有许多优点，如快速、直观、形象、精确等。因此， 数学模型与数值模拟、数值计算、数据存储、图形生辰显示、分析等技术在橡胶 成型和科学研究中已经成为必不可少的工具。计算机模拟技术的应用不仅降低生 产成本，改善制品的质量，而且还大大地减轻了工程设计人员的劳动强度，提高 工作效率和工作质量。目前，数值模拟法已经在注射模具c a e 技术中得到充分 应用，其中计算流体力学( 简称c f d ) 技术就是专业化的流体有限元分析技术。 注射模具c f d 技术是利用流变学、流体力学、数值传热学、计算机图形学等 基本理论，建立注射过程的数学和物理模型，构造有效地数值运算方法，实现对 橡胶注射成型过程的仿真模拟分析，为优化模具设计、控制制品成型过程、获得高 质量的产品提供数据和设计手段。 注射模c f d 软件的作用主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 优化制品和模具结构应用c a e 技术，设计者能在模具制造之前， 预测熔件在模型腔中的充模流动、保压和冷却情况以及制品中的应力分布、分子 和纤维取向、制品的收缩和翘曲变形等，以能尽早发现问题，及时修改制件或模 具设计。在计算机上可以对制件壁厚、对型腔尺寸、浇口位置及数量、流道尺寸 和冷却系统等进行优化设计，