（机械制造及其自动化专业论文）注塑模拟分析及热流道的选用.pdf

摘要 模具工业在国民经济中占有重要地位，其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。本文介绍了当前 模具工业的发展状况及其发展趋势，阐述了注塑模具的结构及浇注系 统的作用，热流道模具是注塑模具未来的重要发展方向之一，本文又 概述了热流道模具的特点及目前热流道注射模在我国的应用情况。 计算机辅助分析( c a e ) 在各行各业得到了广泛地应用。同样， 在注塑模具行业，它也已成为塑料产品开发、模具设计及产品加工最 有效的手段。本文介绍了在注塑模具设计、注塑成型中c a e 技术的 应用，及具体在塑料制品设计优化、塑料模具设计优化及注塑工艺参 数优化中的重要作用，其最大的特点就是大大缩短了开发周期，降低 了生产成本。在介绍c a e 技术的同时，本文又简单介绍了注塑成型 c a e 软件m o l d f l o w 及其在注塑模拟方面的主要功能。为了更好的应 用它，本文对该软件的塑料材料库进行了扩充，建立了一个属地化的 塑料材料库，为以后建立以我国国产塑料材料为主的材料库打下基 础。 在注塑过程中，各个工艺参数如压力、温度、时间及塑件外形对 塑料熔体的流动性均有影响，本文详细阐述了各个参数具体的影响情 况，并建立了一个塑件模型，用m o l d f l o w 软件对其进行了流动模拟， 分析了各个参数对塑料熔体流动性的具体影响，并得出可以利用流动 长度作为分析对象，研究以其为标准来选用热流道。 以往热流道都是依靠经验来选用，本文研究了将塑件放入标准模 架中对其分别进行冷、热流道注塑模拟，相同的浇注系统的尺寸在冷、 热流道下的流动长度不同，在冷流道条件下如果满足不了流动性，就 必须选用热流道，本文最终建立了选用热流道的标准表格。 关键字：注塑模具热流道m o l d f l o w 计算机辅助分析 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o n ，l i n k i n gt h ec o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ( c a e ) w i t ht h eh e a t r u n l l e rm o l dw h i c hi so n eo f m a j o rt e n d e n c i e so f t h ei n j e c t i o nm o l d d e a l sw i 廿1t h e s i m u l a t i o no f i n j e c t i n gp r o c e s sb ym e a n so f m o l d f l o ws o f t w a r e m o l d i n d u s t r yo c c u p i e sa ni m p o r t a n tp l a c ei nt h en a t i o n a le c o n o m y 1 1 1 el e v e lo f t h em o l dm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e sh a sb e c o m eas i g n i f i c a n t s y m b o l o fn a t i o n a l m a n u f a c t u r i n g j u s t a si no t h e ri n d u s t r i e s ，n o w a d a y st h ec a e h a sb e e nu s e dw i d e l yi n m o l d i n d u s t r y , a n d b e c o m e sm o s te f f e c t i v em e a n so f d e v e l o p i n g o f p l a s t i c p r o d u c t i o n s m o l dd e s i g n i n ga n dm a c h i n i n g t h i sp a p e re x p l a i n st h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eh e a tr u n n e rm o l d sa n dt h ea p p l i c a t i o n so ft h ec a ei no p t i m u md e s i g no f p l a s t i c p r o d u c t i o n s ，o p t i m u md e s i g no fi n j e c t i o nm o l d ，o p t i m i z a t i o no f t h ei n j e c t i n gt e c h n i c a l p a r a m e t e r s i no r d e rt o s h o r t e n i n gt h ep e r i o do fp r o d u c t i o nd e v e l o p m e n t ，c u t t i n gd o w n t h e p r o d u c t i o nc o s t s ，a n da p p l y i n gt h em o l d f l o w , t h i sp a p e re s t a b l i s h e sal o c a lp l a s t i c m a t e r i a l sd a t a b a s ew h i c h l a y af o u n d a t i o no f s e t t i n go u r o w nd o m e s t i co n e s i m u l a t i n gt h ef l o wp r o c e s so f t h em e l t i n gp l a s t i ci nt h em o l dc a v i t yw h i c hi sa s u p p o s e de l e m e n tu s i n gm o l d f l o w , t l l i sp a p e rs t u d i e st h ei n f l u e n c e so f e a c ht e c h n i c a l p a r a m e t e ri nt h ei n j e c t i n gp r o c e s s ，s u c ha sp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，t i m ea n dt h es h a p e o f e l e m e n t se t c ，u p o nt h ef l u i d n e s so f m e l t i n g p l a s t i c a n dt h e nc o m e s t oac o n c l u s i o n t h a tt a k e st h el e n g t ho ff l o wa st h ea n a l y s i st a r g e ta n dt h es e l e c t i o nb a s i sf o rh e a t m r u l e r f o r m e r l y , t h es e l e c t i o no ft h e h e a tr u n n e rd e p e n d so nd e s i g n e r s e x p e r i e n c e s n l i sp a p e ra n a l y z e st h es i m u l a t i n gi n j e c t i n gp r o c e s so fc o l dr u l z n e ra n dh e a tr u n n e r s e p a r a t e l y t h es a m es i z eo f t h ei n j e c t i o ns y s t e mh a sd i f f e r e n tf l o wl e n g t hi nd i f f e r e n t f l l n n e r t h i s p a p e rf i n a l l y s e t sac r i t e r i o no ft h eh e a tl a l n n e rs e l e c t i o n k e yw o r d ：i n j e c t i o np l a s t i cm o l d h e a tr u n n e rm o l d f l o wc a e 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫生蕉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了谢意。 学位论文作者签名：土健 签字同期：纽年g 月2 pf 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 叁盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王僵圭 导师签名：撕 签字日期：旺年鲁月jd 同签字同期： 咿彩月妒同 第一章绪论 第一章绪论 1 1 模具工业在国民经济中的重要地位 模具是工业生产的基础工艺装备。振兴和发展我国的模具工业，目益受到 人们的重视和关注。在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通讯等 产品中，6 0 8 0 的零部件，都要依靠模具成形。用模具生产制件所表现出来 的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其他加工制造方法 所不能比拟的。模具又是“效益放大器”，用模具生产的最终产品的价值，往往 是模具自身价值的几十倍、上百倍。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，在很大程度上决定着产品的质量、效益 和新产品的开发能力。 模具工业在国民经济中的重要地位与作用，可以从以下四个方面看出： 第一，模具工业是高新技术产业的一个组成部分。例如：属于高新技术领 域的集成电路的设计与制造，不能没有做引线框架的精密级进冲模和精密的集 成电路塑封模；计算机的机壳、接插件和许多元器件的制造，也必须有精密塑 料模具和精密冲压模具：数字化电子产品( 包括通讯产品) 的发展，没有精密 模具也不行。不仅电子产品如此，在航天航空领域也离不开精密模具。例如： 形状误差小于0 1 0 3 的空对空导弹红外线接收器的非球面反射镜，就必须用高 精度的塑料模具成形。因此可以说，许多高精度模具本身就是高新技术产业的 一部分。有些生产高精度模具的企业，已经被命名为“高新技术企业”。 第二，模具工业又是高新技术产业化的重要领域。用信息技术带动和提 升模具工业的制造技术水平，是推动模具工业技术进步的关键环节。 c a d c a e c a m 技术在模具工业中的应用，快速原型制造技术的应用，使模具 的设计制造技术发生了重大变革。模具的开发和制造水平的提高，还有赖于采 用数控精密高效加工设备。逆向工程、并行工程、敏捷制造、虚拟技术等先进 制造技术在模具工业中的应用，也要与电子信息等高新技术嫁接，实现高新技 术产业化。 第一章绪论 第三，模具工业是装备工业的一个重要组成部分。在1 9 9 8 年以前，许多人 把机械工业当作一般的加工工业。1 9 9 8 年1 1 月召开的中央经济工作会议，首 次明确提出了加大装备工业的开发力度，推进关键设备的国产化。将机械工业 作为装备工业，把它同一般的加工工业区别开来，是对机械工业在国民经济中 的地位与作用的重新定位。模具作为基础工艺装备，在装备工业中自然有其重 要地位。因为国民经济各产业部门需要的装备，其零部件有很大一部分是模具 做出来的。 第四，模具工业地位之重要，还在于国民经济的五大支柱产业机械、 电子、汽车、石化、建筑，都要求模具工业的发展与之相适应。机械、电子、 汽车工业需要大量的模具，特别是轿车大型覆盖件模具、电子产品的精密塑料 模具和冲压模具，目前在质与量上都远不能满足这些支柱产业发展的需要。这 几年，我国每年要进口近1 0 亿美元的模具。我国石化工业一年生产5 0 0 多万吨 聚乙烯、聚丙烯和其他合成树脂，很大一部分需要塑料模具成形成制品，才能 用于生产和生活的消费。生产建筑业用的地砖、墙砖和卫生洁具，需要大量的 陶瓷模具；生产塑料管件和塑钢门窗，也需要大量的塑料模具成形。从五大支 柱产业对模具的需求也可以看到模具工业地位之重要。 图l 一1 所示为几种广泛使用的塑料件，a 为丰田汽车的喇叭纸盆支架，b 为手机电池后盖，c 为手机塑料前窗。 ab c 图1 1 几种广泛使用的塑料件 第一章绪论 我国已于2 0 0 1 年1 2 月1 1 同正式加入了w t o 。“入世”后对模具工业将会 带来更大的影响，模具行业正在从行业自身和对模具需求量大的相关产业着手 进行分析，并研究采取相应的对策。 1 2国内外注射塑料模具的发展状况 模具工业在工业发展中占有很重要的地位，各行各业均离不开模具，特别 在汽车、摩托车、玩具、及家电等行业。其中塑料模具又是模具工业中重要的 组成部分，彩电、电冰箱、洗衣机、空调机等产品，需要的塑料模具量很大， 在建筑、建材方面，今后塑料门窗、塑料水管和装饰塑料制品将会有一个很大 的发展。到2 0 1 0 年，塑料门窗的普及率和塑料管的普及率将达到3 0 - - 一5 0 ， 对模具的需求会有很大增长。 在工业发达国家，据1 9 9 1 年统计，日本生产塑料模和生产冲压模的企业 各占4 0 ；韩国模具专业厂中，生产塑料模的占4 3 9 ，生产冲压模的占4 4 8 ；新加坡全国有4 6 0 家模具企业，6 0 生产塑料模，3 5 生产冲模和夹具。 中国模具工业一直以每年1 5 左右的增长速度快速发展，2 0 0 0 年中国模具工业 总产值已达2 8 0 亿元人民币，在模具工业的总产值中，冲压模具约占5 0 ，塑 料模具约占3 3 ，压铸模具约占6 ，其他各类模具约占1 1 。由以上事实可 以看出塑料模具已处于同冲压模具并驾齐驱的地位。 在塑料模具中注射模具是应用最广泛、类型最多、结构最复杂的一种。 在现代塑料制件的生产中，合理的加工工艺、高效的设备、先进的模具是 必不可少的三项重要因素，尤其是塑料模具对实现塑料加工工艺要求、满足塑 料制件的使用要求、降低塑料制件的成本起着重要的作用。一副好的注塑模可 成型上百万次，一副优良的压铸模大约能成型2 5 万次，这与模具的设计、模具 材料及模具的制造有着很大的关系。从塑料模的设计、制造及模具的材料等方 面考虑，塑料成型技术的发展趋势可以简单地归纳为以下几个方面。i l j ( 一) 模具的标准化 为了适应模具大规模成批生产塑料成型模具和缩短模具制造周期的需 要，模具的标准化工作十分重要，目前我国模具标准化程度只达到2 0 。注射 第一章绪论 模方面关于模具零部件、模具技术条件和标准模架等有1 4 个国家标准，当前的 任务是重点研究开发热流道标准元件和模具温控标准装置；精密标准模架、精 密导向件系列：标准模板及模具标准件的先进技术和等向性标准化模块等。 ( 二) 加强理论研究 随着塑料制件的大型化和复杂化，模具的重量达数吨至十多吨，这样大的 模具，若只凭经验来设计，往往会因设计不当而造成模具报废，数十万元的费 用将毁于一旦，所以设计模具已逐渐向理论设计方面发展，这些理论设计包括 模板刚度、强度的计算、充型流动、脱模阻力与温控系统等。今后的工作是如 何将理论与生产实际相结合指导实际的模具工业生产。 ( 三) 塑料制件的精密化、微型化和超大型化 为了满足各种工业产品的使用要求，塑料成型技术正朝着精密化、微型化 和超大型化等方面发展。精密注射成型是能将塑料制件尺寸公差保持在o 0 1 o 0 0 1 m i n 之内的成型工艺方法，其制件主要用于电子、仪表工业。微型化的塑 料制件要求在微型的设备上生产。目前，德国已研究出只有0 1 9 的微型注射机， 可生产0 0 5 9 左右的微型注射成型塑件。国内目前已有0 5 9 的注射机，可以生 产0 1 9 左右的微型注射塑件。注射塑件的大型化要求有大型、超大型的注射成 型设备。目前，法国己拥有注射量为1 7 万g 的超大型注射机，合模力为1 5 0 m n ； 美国和日本也已经分别生产出注射量为】o 万g 和9 6 万g 的超大型注射机：国 产注射机的注射量也已达到3 5 万g ，合模力为8 0 m n 。 ( 四) 新材料、新技术、新工艺的研制、开发和应用 随着塑料成型技术的不断发展，模具新材料、模具加工新技术和模具新工 艺方面的开发已成为当前模具工业生产和科研的主要任务之一。十多年来，国 内外塑料成型行业在改进和提高模具设计与制造方面投入了大量的资金和研究 力量，取得了许多成果。 1 各种新材料的研制和应用模具材料的选用在模具的设计和制造中是 一个较重要的问题，它将直接影响模具加工成本、使用寿命以及塑料件成型的 质量等。国内外模具材料工作者对模具的工作条件、失效形式和提高模具使用 寿命的途径进行了大量的研究工作，并开发出许多不仅具有良好的使用性能， 而且还具有；0 n q - 性好、热处理变形小的新型模具钢种，如预硬钢、新型淬火回 第一章绪论 火钢、马氏体时效钢、析出硬化钢和耐腐蚀钢等，经过应用，均取得了较好的 技术和经济效果。 2 模具加工技术的革新为了提高加工精度、缩短模具制造周期，塑料 模成型零件加工不但广泛应用了仿形加工、电加工、数控加工及三坐标测量等 先进技术，而且目前已应用了快速成型、高速铣削及激光焊接与测量技术，使 得加工速度大大提高。 ( 五) c a d c a m c a e 技术的应用 塑料制件应用的日益广泛和大型塑料制件的不断开发，对塑料成型模具设 计和制造提出的要求越来越高。传统的模具设计与制造方法不能适应工业产品 不断开发和及时更新换代与提高质量的要求，为了适应这些变化，先进国家的 c a d c a m ，c a e 技术在2 0 世纪8 0 年代中期已进入实用阶段，市场上已有商品 化的系统软件出售。国内一些高校和研究所也对模具c a d c a m c a e 技术进行 了许多研究和实践，并取得了很大成果。但我国在该技术的应用和推广方面与 外国相比还存在一些差距，有待于进一步改进和完善。 1 3 课题的产生背景和现实意义 中国模具工业发展迅速，市场广阔，1 9 9 6 年至2 0 0 1 年间，中国模具制造 业的产值年平均增长1 4 左右。目前全世界的模具年产值，约有6 0 0 6 5 0 亿 美元，我国2 0 0 1 年模具产值约为3 0 0 多亿元人民币，折合3 0 多亿美元，但大 部分是企业自产自用，作为商品销售的约占三分之一。我国生产的模具有些已 接近或达到国际水平，但总的来看，还远不适应国民经济发展的需要，大型、 复杂、精密、长寿命等高档模具有很大一部分依靠进口。近五年平均每年进口 模具8 1 4 亿美元，2 0 0 0 年就进口9 7 亿美元的模具，这还未包括随设备和生产 线作为附件带进来的模具。【2 1 从上面的数据可以看出我国的模具业与模具发达国家存在着很大差距，这 不但表现在模具材料、加工技术、加工设备的区别上，还表现在对 c a d c a m c a e 技术的应用上，目前模具发达国家已经将c a d c a m c a e 技术 贯穿于模具制造的整个环节，而我国的模具企业对c a d c a m c a e 技术的应用 第一章绪论 仅限于大型模具企业中，而且也集中在c a d c a m 技术上，而对于c a e 技术的 应用目前还处于起步阶段。 注射模c a e 技术是一门以c a d c a m 技术水平的提高为发展动力，以高性 能计算机及图形显示设备的推出为发展条件，以计算力学中的边界元、有限元、 结构优化设计及模态分析等方法为理论基础的新技术。它的发展实际上包含了 计算机技术、塑料熔体流动理论、有限元方法的完善。 注塑熔体流体理论的研究始于2 0 世纪6 0 年代，美国、英国、加拿大等国 的学者如j r p e a r s o n ( 英) 、j e s t e v e n s o n ( 美) m r k a m a l ( 加) 、k k w a n g ( 美) 等开展了一系列有关塑料熔体在模具型腔内流动与冷却的基础研究。随 后，许多研究者对一维流动进行了大量研究，主要是计算塑料熔体在等直径圆 管，中心浇口的圆盘以及端部浇口的矩形型腔中的流动过程。 2 0 世纪7 0 年代完成了二维分析程序，2 0 世纪8 0 年代开展三维流动与冷却 分析并把研究扩展到保压分子取向以及翘曲预测等领域，进入2 0 世纪9 0 年代 后开展了成型过程流动、保压、冷却、应力分析及翘曲的全过程模拟，将各独 立模块有机地结合起来，考虑它们之间的相互影响，阱提高模拟软件的分析精 度和扩大适用范围l3 1 。这些卓有成效的研究成果，为开发使用型的注塑模分析 软件奠定了基础。 有限元方法是目前常用的注塑成型过程进行理论分析、建立与实际比较吻 合的理想数学模型的方法。其基本原理是将变形体( 连续体) 进行离散化，即 将一个原来是连续的物体剖分( 离散) 成有限个单元。例如三角形单元、四边 形单元( 二维问题) 、六面体和四面体单元( 三维问题) 等。各个单元之间相互 铰接在有限个节点上，当物体承受外力产生变形时，各单元之间的作用力通过 节点传递，承受等效的节点载荷。然后根据平衡条件进行分析，按变形协调条 件，把这些单元重新组合起来。成为个组合体再综合求解。 c a e 技术的基本方法，就是将某一项设计或者加工作为初值，然后通过计 算机利用预先规定的算法对具备这一特点的设计进行模拟或描述。经过计算机 的快速运算，对输入条件和模拟的模型进行评估，并确定修正措施，进行修改。 上述过程反复进行，直到取得一个成功的设计方案。 注塑成型时，塑料在型腔中的流动和成型，与材料的性能、塑件的形状尺 6 第一章绪论 寸、成型温度、成型速度、成型压力、成型时间、模腔表面情况和模具设计等 一系列因素有关。因此，针对形状复杂、质量和精度要求较高的塑件，特别是 新产品试制，对于一个具有丰富经验的工艺和模具设计人员来讲，也很难保证 第一次设计出来的模具就能生产出合格的产品。生产实际表明在试制过程中， 常常需要经过反复调试和修改模具，有时甚至还需要在总结试验数据的基础上 重新进行模具设计。这样势必会使新产品的试制费用加大，试制周期延长，增 加产品成本，影响产品的更新换代。而应用了c a e 技术，可以使新设计的塑件 和模具一次试模成功率最大，解决诸如浇口尺寸与位置不当、填充不均、塑件 翘睦变形，尺寸不稳定和模具加工周期长等问题，并降低加工成本。 随着计算机技术与注塑成型理论的发展，在以上基础性研究的基础上，从 事注塑成型的工程研究人员逐步完善了注塑成型过程的计算机模拟，即将塑件 在模腔中的成型过程划分为若干步，应用数学模型或有限元等理论分析方法， 对每一步在塑件中的应力、应变和温度分布等进行分析计算，直到塑件最终成 型为止，以检查工艺方案和模具结构参数是否合理。每次分析计算的结果即可 以在屏幕上以图形化形式直观的显示出来，也可将全部数据打印出来。若设计 者对这一方案尚不满意，便可修改工艺方案和模具的结构参数，重新进行分析 计算，直到满意为止。这样，利用计算机模拟技术，进行工艺和模具的优化设 计，从而节省试验费用，缩短工艺和模具设计周期。 由上可以看出，将c a e 应用于注塑过程分析具有积极的意义。 1 4 本论文研究内容 本文主要介绍了注塑模c a e 软件m o l d f l o w 在注塑模具设计中的应用并应 用它进行的注塑过程充填模拟，在模拟过程中分析了各种注塑工艺参数如压力、 温度、时间等，以及塑件几何形状对熔体流动性的影响。在应用实例中以 m o l d f l o w 作为工具，以a b s 塑料为例，模拟了不同塑件尺寸的单点浇口模具 的流动过程，得到了热流道与普通浇注系统下a b s 的流程，并以此作为选用热 流道的依据。本论文共分七章。第一章，绪论，主要介绍了当前注塑模具国内 外的发展情况以及注塑模拟分析软件在模具制造中的应用：第二章，模具及热 第一章绪论 流道模具介绍，主要介绍模具的基本结构及热流道模具的特点以及当前国内外 的应用情况；第三章，注塑成型c a e 技术和m o l d f l o w 注塑模辅助分析系统， 主要介绍了注塑成型c a e 技术的应用、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 的主要模块及在模具设计中的作用：第四章，属地化 塑料材料库的建立，主要通过m o l d f l o w 系统内部的材料管理模块，建立了一个 属地化的塑料材料库，为以后建立该软件下的国内塑料材料库作准备；第五章， 影响塑件流动性的工艺参数分析，本章主要分析了各种注塑工艺参数如压力、 温度、时间以及塑件几何形状等对塑料熔体流动性的影响并简单验证了 m o l d f l o w 系统的仿真性；第六章，分析普通浇注系统模具中聚合物材料的流程， 并以此分析参数来模拟优化热流道模具的a b s 材料的流程。第七章，总结与展 望。 第二章注塑模具及热流道 第二章注塑模具及热流道 2 1 注射成型原理和工艺过程 注射成型是将塑料颗粒定量地加入到注射机的料筒内，通过料筒的传热，以 及螺杆转动时产生的剪切摩擦作用使塑料逐步熔化呈流动状态，然后在柱塞或螺 杆的推挤下，熔融塑料以高压和较快的速度通过喷嘴注入到较低的闭合模具的型 腔中。由于模具的冷却作用，使模腔内的熔融塑料逐渐凝固并定型，最后开模取 出塑件。上述过程可归纳为：【4 】 加料塑料熔融注射冷却定型塑件脱模 2 2 注塑模具的结构 注射模具的结构是由塑件的复杂程度和注塑机的形式等因素决定的，凡是注射 模均可分为动模和定模两大部分。注射时动模与定模闭合构成型腔和浇注系统， 开模时动模与定模分离，取出塑件。定模安装在注塑机固定模板上，而动模则安 装在注射机的移动模板上。 推 塑件 浇注系统 图2 一l 注塑模具的简单结构及开模情况 9 第二章注塑模具及热流道 图2 一l 所示为注塑模具的简单结构及开模情况。【5 】 注射模的总体功能结构分为： 成形零部件是注射模的核心部分，包括凹模、凸模和型芯， 这些零件直接与塑料接触并做出塑件的形状。1 6 浇注系统将注射机喷嘴过来的熔融塑料过渡到型腔中，起了 输送管道的作用。 导向机构起到三个作用，一是保证动模和定模在合模时准确 对合，避免模具中其它零部件发生碰撞和干涉，即导向作用；二是先 导向后合模，保证塑件形状和尺寸的精确度，即定位作用：三是承受 侧压力。【7 】 分型抽芯机构当塑件侧壁带有通孔、凹穴、凸台等，阻碍成 型后的塑件从模内脱出时，必须将这些成型零件做成活动型芯，带有 活动型芯的机构就是分型抽芯机构。【8 】 脱模机构将模腔中定型后的塑件从模具中脱落并取出的部 件。 温度调节系统控制模具的温度，使熔溶塑料在充满模腔后迅 速可靠定型。 排溢、排气系统充模时，排除溶料进入后模腔中多余的气体 或料流末端冷料等；开模时，引入气体，有利于塑件从模腔中脱出。 模架是注射模的骨架和基体，模具的每一部分都要寄生于其 中，通过它将模具的各个部分有机地联系在一起。并与注射机相连接。 9 1 2 3 浇注系统的作用 浇注系统的作用是，将来自注塑机喷嘴的熔融塑料输送到各型腔中。浇注 系统的形状和尺寸将对熔融塑料的充填产生很大的影响。浇注系统设计好，熔 融塑料就能顺利地充满型腔；浇注系统设计不合理，则会出现型腔充填不满或 ) ) ) ) ) ) ) ) n q o “ 第二章注塑模具及热流道 塑件外观质量差、尺寸精度低等缺陷。1 1 0 l 对浇注系统设计的具体要求是： ( 1 ) 对模腔的填充迅速有序： ( 2 ) 可同时充满各个型腔： ( 3 ) 对热量和压力损失较小： ( 4 ) 尽可能消耗较少的塑料； ( 5 ) 能够使型腔顺利排气： ( 6 ) 浇注系统凝料容易与塑料分离或切除 ( 7 ) 不会使冷料进入型腔： ( 8 ) 浇口痕迹对塑件外观影响很小； 2 4 浇注系统的组成 浇注系统一般都由四部分组成： ( 一) 主流道 是连接注塑机喷嘴与分流道的一段料道，是模具进料的入口，将塑料熔体从 喷嘴引入到模具内腔。 ( 二) 分流道 英文名称是r u n n e r ，原意是滑道、流道、流槽等，是主流道与浇口的一段料 流通道，用于一模多腔和一腔多浇口时( 例如对于较大塑件或形状复杂的塑件) ， 将从主流道的熔体分配至各型腔或同一型腔的各处，起着对熔体的分流转向作用 单腔模具采用单浇口时，绝大多数不设分流道。 按一个模具中型腔数量和分布情况，分流道可以只有一级，也可以有多级， 如二级分流道、三级分流道或更多级。 ( 三) 浇口 浇口是由分流道通向( 或主流道直接通向) 型腔的一小段流道，是进入型腔 的门户，英文为g a t e ，原意是门口、闸门、隘口等。浇口是浇注系统中长度最短、 断面最小的一段，但却是最重要的部分。浇注系统设计的成败，很大程度上取决 于浇口的设计。 第二章注塑模具及热流道 ( 四) 冷料井 冷料井一般位于主流道末端分型面的动模一侧，熔体流程较长的多级分流道 多腔模具，各级分流道未端都应设置冷料井，冷料井的作用是捕集熔体流动的前 锋冷料，避免冷料进入型腔对塑件造成不利影响。有时，对于型腔最后充满处， 为避免形成强度不良的熔接缝，也在型腔之外相应处设置冷料井。 2 5 热流道注射模特点 热流道注射模与一般注射模的主要区别是注射成型过程中浇注系统内的塑料 不凝固，也不随塑件脱模，所以这种模具又称无料把模具。在美国热流道模具已 实现标准化，目前生产的注射模中，有4 0 左右为热流道模具，而在生产盖、罩、 容器及外壳等的模具中，有8 0 采用热流道模具。在我国，热流道模具还处于研 制推广应用阶段。 热流道模具的特点： ( 1 ) 在整个生产过程中，浇注系统内的塑料始终处于熔融状态，流道畅通无 阻，压力损失小，这样就可以实现多点浇口，多腔模具及大型塑件的低压注射。 基于同样理由，还有利于压力传递，从而克服因补料不足而产生的收缩凹痕，提 高了产品质量。 ( 2 ) 没有流道凝料粉碎问题。这样就节约了塑料原材料、人力或企业管理一 般费用。 1 q ( 3 ) 省去去除浇口，修整塑件，破碎及回收废料等工序，节省人力，简化设 备，缩短成型周期，从而大大提高了生产率，且利于实现自动化生产，降低了成 本。 ( 4 ) 在采用全液压式注射机生产时，由于没有浇注系统凝料，模具的开模距 离和合模行程可以缩短，从而缩短成型周期，并提高了设备对于深腔塑件的适应 能力。 ( 5 ) 温控系统要求严格，需要用专门的模具温控装置，模具成本较高，不是 对所有塑料都适用，也不适合于小批量生产的塑件。 ( 6 ) 热流道注射模具所用的注射机与一般热塑性注射模具所用注射机相同。 第二章注塑模具及热流道 由于采用热流道技术的模具可提高制作的生产率和质量，并能大幅度节省制 作的原材料和节约能源，所以广泛应用这项技术是塑料模具的一大变革。 2 6 我国应用热流道注射模的情况 在我国，热流道模具目前还处于研制推广阶段。国外热流道模具已有一半用 上了热流道技术，有的厂甚至己达8 0 以上，效果十分明显。国内近几年已开始 推广应用，但总体还达不到1 0 ，个别企业达到2 0 3 0 。从已有的研究成果来 看，基本上局限于热流道模具的结构，而热流道对注塑充填、塑件质量等方面的 作用效果的研究大多是定性的、经验性的，只是凭感觉确定某一模具应该使用热 流道，如何选用热流道还没有定量的分析。 第三章注塑成型c a e 技术和m o l d f l o w 注塑模辅助分析系统 第三章注塑成型c a e 技术和m o l d f l o w 注塑模辅助分析系统 3 1 概述 模具是生产各种工业产品的重要工艺装备，随着塑料工业的迅速发展以及 塑料制品在航空、航天、电子、机械、船舶和汽车等工业部门的推广应用，产 品对模具的要求越来越高，传统的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。计算机辅助工程( c a e ) 技术已成为塑料产品开发、模具设计 及产品加工中最有效的手段。同传统的模具设计相比，c a e 技术无论在提高生 产率、保证产品质量，还是在降低成本、减轻劳动强度等方面，都具有重要作 用。 3 2 c a e 技术的应用 利用c a e 技术可以在模具加工前， 拟分析，准确预测熔体的填充、保压、 在计算机上对整个注塑成型过程进行模 冷却情况，以及制品中的应力分布、分 子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽早发现问 题，及时修改制件和模具设计，而不是等到试模以后再返修模具。这不仅是对 传统模具设计方法的一次突破，而且对减少甚至避免模具返修报废、提高制品 质量和降低成本等，都有着重大的技术经济意义。塑料模具的设计不但要采用 c a d 技术，而且还采用c a e 技术。这是发展的必然趋势。i i 2 j 注塑成型分两个阶段，即开发设计阶段( 包括产品设计、模具设计和模具 制造) 和生产阶段( 包括购买材料、试模和成型) 。传统的注塑成型方法基本步 骤如图3 1 所示，图3 2 为基于c a e 的模具设计流程。传统的注塑方法是在 正式生产前，由于设计人员凭经验与直觉设计模具，模具装配完毕后，通常需 要几次试模，发现问题后，不仅需要重新设置工艺参数，甚至还需要修改塑料 制品和模具设计，这势必增加生产成本，延长产品开发周期。采用c a e 技术， 可以完全代替试模，c a e 技术提供了从制品设计到生产的完整解决方案，在模 第三章注塑成型c a e 技术和m o l d f l o w 注塑模辅助分析系统 具制造之前，预测塑料熔体在型腔中的整个成型过程，帮助研判潜在的问题 有效地防止问题发生，大大缩短了开发周期，降低生产成本。 图3 1传统设计流程 图3 2 基于c a e 设计流程 第三章注塑成型c a e 技术和m o l d f l o w 注塑模辅助分析系统 现代注塑成型c a e 技术的作用在于以下几个方面。 1 优化塑料制品设计 塑件的壁厚、浇口数量、位置及浇注系统设计等对于成型塑料制品的成败 和质量关系重大。以往全凭制品设计人员的经验既费力又费时，设计出的制品 也不尽合理。利用c a e 技术，制品设计者能用流动分析解决下列问题。 ( 1 ) 制品成型的可能性这一实在的问题仍为许多制品设计人员所注重， 尤其是大型制件，如盖子、容器和家具等。 ( 2 ) 制件的最小壁厚在满足产品使用要求的前提下，如能成型薄壁制 件，就能大大降低制件的材料成本。减小壁厚还可大大降低制件的循环时间， 从而提高生产效率，降低塑件成本。 ( 3 ) 浇口的位置采用c a e 分析可使产品设计者在设计时具有充分的 选择浇口位置的余地，确保设计的审美特性。 2 优化塑料模具设计 由于塑料制品的多样性、复杂性和设计人员经验的局限性，传统的模具设 计往往要经过反复试模、修模才能成功。利用c a e 技术，可以对型腔尺寸、浇 口位置及尺寸、浇注系统尺寸和温控系统等进行优化设计，在计算机上进行试 模、修模，可大大提高模具质量，减少试模次数。 c a e 分析可在以下诸方面辅助设计者和制造者，以得到良好的模具设计。 ( 1 ) 良好的充填形式对于任何的注塑成型来说，最重要的是控制充填 的方式，以使塑件的成型可靠、经济。有助于避免因不同的分子取向所导致的 翘曲变形。 ( 2 ) 最佳浇1 3 位置与浇口数量为了对充填方式进行控制，模具设计者 必须选择能够实现这种控制的浇口位置和数量，c a e 分析可使设计者有多种浇 口位置的选择方案并对其影响作出评价。 ( 3 ) 浇注系统的优化设计实际的模具设计往往要反复权衡各种因素， 尽量使设计方案尽善尽美。通过流动分析，可以帮助设计者设计出压力平衡、 温度平衡或者压力、温度均平衡的流道系统，还可对流道内剪切速率和摩擦热 进行评估，如此，便可避免材料的降解和型腔内过高的熔体温度。 ( 4 ) 温控系统的优化设计通过分析温控系统对流动过程的影响，优化 第三章注塑成型c a e 技术和m o l d f l o w 注塑模辅助分析系统 冷却管路的布局和工作条件，从而产生均匀的冷却，并由此缩短成型周期，减 少产品成型后的内应力。 ( 5 ) 减小反修成本提高模具一次试模成功的可能性是c a e 分析的一 大优点。如反复地试模、修模势必要耗损大量的时间和金钱。此外，未经反复 修改的模具，其寿命也较长。 3 优化注塑工艺参数 由于经验的局限性，工程技术人员很难精确地设置制品最合理的加工参数， 选择合适的塑料材料和确定最优的工艺方案。c a e 技术可以帮助工程技术人员 确定最佳的注射压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、保压压力和 保压时间、冷却时间等，以注塑出最佳的塑料制品。 注塑者可望在制件成本、质量和可加工性方面得到c a e 技术的帮助。 ( 1 ) 更加宽广更加稳定的加工“裕度”流动分析对熔体温度、模具温 度和注射速度等主要注塑加工参数提出一个目标趋势，通过流动分析，注塑者 便可估定各个加工参数的正确值，并确定其变动范围。会同模具设计者一起， 他们可以结合使用最经济的加工设备，设定最佳的模具方案。 ( 2 ) 减小塑件应力和翘曲选择最好的加工参数使塑件残余应力最小。 残余应力通常使塑件在成型后出现翘曲变形，甚至发生失效。 ( 3 ) 省料和减少过量充模流道和型腔的设计采用平衡流动，有助于 减少材料的使用和消除因局部过量注射所造成的翘曲变形。 ( 4 ) 最小的浇注系统尺寸和回用料成本流动分析有助于选定最佳的浇 注系统尺寸。以减少浇注系统部分塑料的冷却时间，从而缩短整个注射成型的 周期，以及减少变成回收料或者废料的浇注系统部分塑料的体积。 3 3m o ld f i o w 软件系统常用模块功能介绍 m o l d f l o w 公司是专业从事注塑成型c a e 软件和咨询公司，自1 9 7 6 年发行 了世界上第一套流动分析软件以来，一直主导塑料成型c a e 软件市场。近几年， 在汽车、家电、电子通讯、化工和日用品等领域得到了广泛应用。它具体有以 下功能。 第三章注塑成型c a e 技术和m o l d f l o w 注塑模辅助分析系统 1 m f f l o w 流动分析【1 3 】 m f f l o w 分析聚合物在模具中的流动，并且优化模腔的布局、材料的选择、 填充和保压的工艺参数。可以在产品允许的强度范围内和合理的充模情况下减 少模腔的壁厚，把熔接线和气穴定位于结构和外观上允许的位置上，并且定义 一个较宽的工艺条件。本文主要用到此模块。 2 m f c o o l 冷却分析 m f c 0 0 1 分析冷却系统对流动过程的影响，优化冷却管路的布局和工作条 件。m f c o o l 和m f f l o w 相结合，可以得到十分完美的动态的注塑过程分析。 这样可以改善冷却管路的设计，从而产生均匀的冷却，并由此缩短成型周期， 减少产品成型后的内应力。 3 m f w a r p 翘曲分析 m f w a r p 分析整个塑件的翘曲变形( 包括线性、线性弯曲和非线性) ，同时 指出产生翘曲的主要原因以及相应的补救措施。m f w a r p 能在一般的工作环境 中，考虑到注塑机的大小、材料特性、环境因素和冷却参数的影响，预测并减 小翘曲变形。 4 m f s t r e s s 结构应力分析 m f s t r e s s 分析塑料产品在受外界载荷的情况下的机械性能，根据注塑工艺 条件，优化塑料制品的刚度和强度。m f s t r e s s 预测在外载荷和温度作用下所产 生的应力和位移。对于纤维增强塑料，m f s t r e s s 根据流动分析和塑料的种类的 物性数据来确定材料的机械特性，用于结构应力分析。 5 m f s 1 1 r i n k 模腔尺寸确定 m f s h r i n k 可以通过聚合物的收缩数据和流动分析结果来确定模腔尺寸大 小。使用m f ，s “n k ，可以在较宽的成型条件下以及紧凑的尺寸公差范围内，使 得模腔的尺寸可以更准确地同产品的尺寸相匹配，使得模腔修补加工以及模具 投入生产的时间大大缩短，并且大大改善了产品组装时的相互配合，进一步减 少废品率和提高产品质量。 6 m f o p t i m e 注塑机参数优化 m f o p t i m e 根据给定的模具、注塑机和注塑材料等参数以及流动分析结果 自动产生控制注塑机的填充保压曲线。用于对注塑机参数的设置，从而免除了 第三章注塑成型c a e 技术和m o l d f l o w 注塑模辅助分析系统 在试模时对注塑机参数的反复调试。 制标准有效的控制产品的尺寸精度、 7 m f g a s 气体辅助注塑 m f o p t i m e 采用用户给定或确定的质量控 表面缺陷以及翘曲。 m f g a s 模拟气体辅助注射成型过程，对整个成型过程进行优化。m f f l o w 和m f g a s 耦合求解，完成聚合物注射阶段的分析。此时熔体可以部分或全部 充满型腔。注射成型过程的工艺条件、流道和模腔的流动平衡以及材料的选择 等可以从中得到优化组合。 8 m f f i b e r 塑件纤维取向分析 塑件纤维取向对采用纤维化塑料的塑件的性能( 如拉伸强度) 有重要影响。 m f f i b e r 使用一系列集成的分析工具来优化和预测整个注塑过程的纤维取向， 使其趋于合理，从而有效地提高该类塑件的性能。 9 m f t s e t s 热固性塑料的流动和融合分析 热固性塑料具有低热传导率和低粘度的优点因而被广泛应用。m f t s e t s 可 以对热固性塑料的流动和融合等复杂过程进行