流動模擬技術(shù)在注射模具設(shè)計及成型工藝中的應(yīng)用

1、流動模擬技術(shù)在注射模具設(shè)計及成型工藝中的應(yīng)用長期以來，我國的注射模設(shè)計主要依靠設(shè)計者的經(jīng)驗和直覺，通過反復(fù)試模、修模修正設(shè)計方案，缺乏科學(xué)依據(jù)，具有較大的盲目性，不僅使模具的生產(chǎn)周期長、成本高，而且質(zhì)量也難以保證。對于大型精密、新結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，問題更加突出。隨著塑料制品應(yīng)用的日益廣泛，傳統(tǒng)的注射模生產(chǎn)方式已不能適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展對塑料制品產(chǎn)量、質(zhì)量和更新?lián)Q代速度的需求。多年來，人們一直期望能預(yù)測注射成型時塑料熔體在模具型腔中的流動情況及塑料制品在模具型腔內(nèi)的冷卻、固化過程，以便在模具制造之前就能發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，修改圖紙而不是返修模具。注射模CAE技術(shù)的出現(xiàn)，使人們的這一愿望能變?yōu)楝F(xiàn)實。 注射模

2、CAE技術(shù)就是根據(jù)塑料加工流變學(xué)和傳熱學(xué)的基本理論，建立塑料熔體在模具型腔中的流動、傳熱的物理數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值計算理論構(gòu)造其求解方法，利用計算機圖形學(xué)技術(shù)在計算機屏幕上形象、直觀地模擬出實際成型中熔體的動態(tài)充填、冷卻過程，定量地給出成型過程的狀態(tài)參數(shù)(如壓力、溫度、速度等。利用注射模CAE技術(shù)可在模具制造之前，在計算機上對模具設(shè)計方案進(jìn)行分析和模擬來代替實際的試模，預(yù)測設(shè)計中潛在的缺陷，突破了傳統(tǒng)的在注塑機上反復(fù)試模、修模的束縛，為設(shè)計人員修改設(shè)計提供科學(xué)的依據(jù)。CAE技術(shù)的應(yīng)用帶來的直接好處是省時省力，減少試模、修模次數(shù)和模具報廢率，縮短模具設(shè)計制造周期，降低成本提高產(chǎn)品質(zhì)量。隨著塑料注射

3、成型工藝在汽車、家用電器、儀器儀表等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，有關(guān)注射過程規(guī)律的把握，注射成型工藝參數(shù)優(yōu)化配置的研究在國際上得到了廣泛的重視，一些學(xué)者在該領(lǐng)域做了大量的工作，推出了一些有關(guān)注射成型工藝計算機輔助分析軟件系統(tǒng)，其中較有代表性的注射模CAE軟件有美國AC-TECH公司的C-MOLD和澳大利亞MOLD-FIOW公司的MOLDFLOW等。C-MOLD提供了模擬非等溫狀態(tài)下不可壓縮性粘性聚合物熔體在流道和模腔內(nèi)作一般Hele-Shaw流動時的充模流動和熱動力學(xué)的分析程序。模擬過程采用了混合的有限元、有限差分方法求解壓力場和溫度場，并采用控制體積法跟蹤流動熔體的前沿位置，通過分析可獲得一系列對模具結(jié)

4、構(gòu)和成型工藝評價和改進(jìn)的有價值的資料。1 流動技術(shù)的數(shù)學(xué)模型注射成型填充過程的數(shù)值模擬是建立在數(shù)學(xué)模型和算法的基礎(chǔ)上的。充模過程是一個瞬變、非等溫流動的過程，它由連續(xù)方程、動量方程和能量方程控制。（1） 連續(xù)方程（2） 動量方程（3） 能量方程在一定坐標(biāo)系下結(jié)合邊界條件對上述基本控制方程進(jìn)行簡化便可以得到聚合物熔體充模過程的非等溫、非牛頓和非彈性流動時的控制方程，這就是著名的GHS模型。該模型為注射工藝分析模擬技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。注射成型中模擬充模流動時所涉及的一個重要性能是塑料熔體的粘度特性。一般認(rèn)為熔體粘度受溫度、剪切速率及壓力所影響，目前，有兩種粘度模型即冪率模型和Cross模型被普遍采用。

5、在此理論基礎(chǔ)上產(chǎn)生了流動模擬技術(shù)的有限差分法、有限元法和邊界元法。2 常用注射成型工藝參數(shù)的合理設(shè)置2.1 注射溫度注射溫度是注射成型過程中一個重要的技術(shù)參數(shù)。注射溫度過低, 塑料可能熔化不完全或者粘度太高而使流動性能變差。反之, 如果溫度太高, 塑料又容易發(fā)生分解, 特別是象心和類樹脂更容易分解。塑料牌號不同, 其熔融溫度和對應(yīng)的模具溫度也稍有不同。對于精密塑料件的注射成型, 應(yīng)選用供應(yīng)商提供的推薦值。生產(chǎn)過程中, 型腔表面溫度一般應(yīng)高于冷卻介質(zhì)的溫度, 因而冷卻介質(zhì)的溫度一般比模具溫度低10一20 , 如果模具溫度為40一50或者更高, 則應(yīng)考慮在模具固定板與模具之間增加隔熱裝置, 以節(jié)省

6、能源并提高工藝的穩(wěn)定性。2.2 注射壓力 注射壓力是注射成型過程中又一個重要的工藝參數(shù)。在一定注射溫度下, 注射壓力的大小受注射制品的厚度、澆口尺寸、流動長度、制件表面復(fù)雜程度及注射填充時間等因素所影響。一般說來, 制品厚度越小、澆口截面越窄、流動長度越長、表面越復(fù)雜, 所需的注射壓力就越大。而注射時間對注射壓力的影響比較復(fù)雜, 注射時間相對太短或太長, 都需增大注射壓力, 選擇合理的注射時間對注射成型制品的質(zhì)量至關(guān)重要, 通常在實際操作中需反復(fù)試模方可得?，F(xiàn)可采用CAE軟件系統(tǒng)計算獲得。2.3 設(shè)置螺桿行程轉(zhuǎn)換開關(guān)位置螺桿行程轉(zhuǎn)換開關(guān)位置是指螺桿處于由注射過程向保壓過程轉(zhuǎn)換的位置緩沖距離是指

7、從轉(zhuǎn)換開關(guān)位置到螺桿行程的終點, 緩沖距離內(nèi)應(yīng)包含足量的塑料以保證后注射階段少量的塑料進(jìn)入型腔, 以補償由收縮所缺的料, 否則, 補償量不足, 制品表面易產(chǎn)生縮痕。2.4 設(shè)置注射速度及排氣注射速度高, 有助于增加注射長度, 降低流動阻力, 并可提高熔接痕處的強度。但是, 注射速度的提高, 必須設(shè)置好排氣孔。排氣不暢, 易在型腔內(nèi)產(chǎn)生氣穴, 當(dāng)型腔內(nèi)溫度和壓力都很高時, 易引起燒痕、塑料降解或充填不足等現(xiàn)象。一些注射流動模擬軟件提供了熔接痕和氣穴產(chǎn)生的位置, 設(shè)計時應(yīng)予以參考。另外, 還應(yīng)注意經(jīng)常清洗模具型芯、型腔表面及排氣系統(tǒng), 特別是加工和類材料更應(yīng)重視這一問題。關(guān)于注射成型的其它工藝參數(shù)

8、, 如注射時間、注射過程中螺桿轉(zhuǎn)速變化規(guī)律等, 將結(jié)合下面的設(shè)計實例加以說明。3 采用模擬技術(shù)改進(jìn)模具設(shè)計的實例流動模擬技術(shù)的目的是預(yù)測塑料熔體流經(jīng)流道、澆口并填充型腔的過程, 計算流道、澆口及型腔內(nèi)的壓力場、溫度場、速度場、剪切應(yīng)變速率及剪切應(yīng)力分布, 并將這些結(jié)果以圖表、等值線圖及著色圖等方式顯示在計算機屏幕上。通過流動模擬可優(yōu)化澆口布置及注射工藝參數(shù), 預(yù)測注射壓力、鎖模力及可能出現(xiàn)的制品缺陷等。CAE軟件只是一種輔助分析的工具，因此，和其它工具一樣，能否做到物盡其用取決于用戶的使用水平。盡管關(guān)于注射模設(shè)計和介紹注射模CAE技術(shù)的文獻(xiàn)很多，但如何將CAE分析結(jié)果用于指導(dǎo)模具設(shè)計方面的文獻(xiàn)

9、并不多見。以下通過一些典型的CAE分析示例來說明如何用CAE技術(shù)解決模具設(shè)計中出現(xiàn)的問題。3.1 流動分析及其在模具設(shè)計中的應(yīng)用 流動分析的目的是預(yù)測熔體流經(jīng)流道澆口填充型腔的過程。通過流動模擬，可幫助優(yōu)化產(chǎn)品和型腔設(shè)計，確定合理的澆口和流道，預(yù)測所需的注射壓力和鎖模力，發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的缺陷。由于塑料熔體的非牛頓特性和流動過程的非等溫性、非穩(wěn)態(tài)性，導(dǎo)致熔體充模流動過程模擬相當(dāng)困難，必須借助于數(shù)值方法來實現(xiàn)。 流動分析的方法主要有兩種:一種是分支流動法，它以一維流動分析為基礎(chǔ)，把三維塑件從幾何上分解成一系列由一維流動單元串聯(lián)組成流動路徑，在計算過程中，利用迭代計算，在滿足各流動路徑的流量之和等于總

10、的注射量條件下，使各流動路徑壓力降相等。這種方法計算時間短，但難以分析形狀復(fù)雜的塑件。另一種是流動網(wǎng)絡(luò)法，它的基本思想是將整個型腔劃分為網(wǎng)格，并形成相應(yīng)于各節(jié)點的體積單元，建立節(jié)點壓力和流入節(jié)點體積單元流量之間的關(guān)系，得到一組以各節(jié)點壓力為變量的控制方程，并且根據(jù)節(jié)點體積單元的充填狀況更新流動前沿。目前，流動分析普遍采用廣義Hele一Shaw流動模型，利用有限元/有限差分法混合來求解控制方程，它基本上沿用流動網(wǎng)絡(luò)法基本思想，利用控制體積法建立壓力場求解的有限元方程，并對時間和沿厚度方向差分，建立溫度場求解的能量方程，以實現(xiàn)注射模充填過程的動態(tài)模擬。 3.2 流動分析在模具型腔設(shè)計中的應(yīng)用 對于

11、形狀復(fù)雜的注射模型腔，產(chǎn)品形狀及其厚度的變化都會影響到它的充填模式。不同區(qū)域的充填信息以及關(guān)于缺料、熔接線、氣穴位置等信息對型腔設(shè)計至關(guān)重要。為了得到這些信息，傳統(tǒng)的方法都是利用實驗?zāi)＞呋蛘鎸嵞＞呓?jīng)過一次次的“缺料”注射來得到，而利用流動分析可以在產(chǎn)品的概念設(shè)計階段得到型腔設(shè)計中的一些關(guān)鍵信息，如熔接線/熔合線和氣穴位置、流動平衡程度、跑道效應(yīng)、熔體的滯流和加速流動，任一時刻或任一充填體積下的充填狀況等，利用這些分析結(jié)果，可判斷如何修改產(chǎn)品以獲得較佳的充填模式。 圖1為一個帶有筋條淺盒制品，側(cè)壁和筋條厚度為3mm，底板厚度為1 .5 mm，從底部中心進(jìn)料，其充填模式見圖la，該設(shè)計在產(chǎn)品的底部

12、形成了氣穴，原因主要是由于壁厚變化所引起的非均勻流動(跑道效應(yīng)收斂所致，如果該處的空氣無法排出，會在產(chǎn)品底部形成焦痕，必須在氣穴處設(shè)計一個頂出銷使空氣由頂出銷孔逸出。同時可以通過改變澆口位置或制品厚度，盡量避免氣穴出現(xiàn)在模具內(nèi)部，而使氣穴出現(xiàn)在產(chǎn)品的邊緣或分模線處，空氣可由模具間隙或外加的排氣孔排出，圖1b為底部厚度增加到3mm時分析結(jié)果。由此可以看出，熔體前沿均勻地向前推進(jìn)，最終將氣體全部擠到了產(chǎn)品的邊緣，使氣體從分型面排出，簡化了模具結(jié)構(gòu)。 3.3 流動分析在澆口設(shè)計中的應(yīng)用 澆口的類型很多，一般常見的有側(cè)澆口、點澆口、潛伏式澆口、扇形澆口、薄膜澆口等多種，根據(jù)其特性不同使用在不同場合，澆

13、口一般都比較細(xì)小，因此流動阻力很大，細(xì)微的變化都會對塑料熔體的充填產(chǎn)生很大的影響。澆口設(shè)計主要包括澆口的數(shù)目、位置形狀和尺寸的設(shè)計。澆口的數(shù)目和位置主要影響充填模式，而澆口的形狀與尺寸主要影響熔體流動性質(zhì)。澆口設(shè)計一方面應(yīng)該保證提供一個快速、均勻、平衡、單一方向流動的充填模式，另一方面應(yīng)該避免射流、滯流、凹陷等現(xiàn)象的發(fā)生。 滯流或滯流斑是由于聚合物熔體的停滯所引起的表面缺陷，當(dāng)產(chǎn)品中有厚薄差異較大的區(qū)域時，塑料熔體會朝著較厚易填充的方向流動，較薄處的塑料熔體將會發(fā)生停滯不動的現(xiàn)象，必須等較厚區(qū)域全部充滿后，塑料熔體才會回過頭來充填較薄處。如果塑料熔體停滯時間過長，將會在停滯點冷卻凝固進(jìn)而造成短

14、射或流動剪切應(yīng)力急劇上升，而當(dāng)凝固的熔體被推向制品表面時，將會在表面上形成滯流斑。利用流動分析可以發(fā)現(xiàn)滯流現(xiàn)象所在位置，通過修改澆口位置來改善這一現(xiàn)象，圖2為一簡單示例。 當(dāng)澆口設(shè)置在A處(圖2a時，熔體將在薄壁處發(fā)生滯流現(xiàn)象。如果將澆口位置設(shè)在B處(圖213時，熔體將會首先充滿厚壁處，然后加速充填薄壁處而不會發(fā)生滯流現(xiàn)象。因此為了避免滯流現(xiàn)象，一方面應(yīng)該避免產(chǎn)品厚度的突變，另一方面澆口應(yīng)該設(shè)置在易充填的厚壁區(qū)域并盡可能遠(yuǎn)離厚度突變區(qū)域。 流動平衡要求所有流動路徑在同一時間被充滿，否則會由于欠壓或過壓引起非均勻取向而產(chǎn)生殘余應(yīng)力；澆口位置和數(shù)目對于流動平衡影響很大，對于復(fù)雜制件，往往無法確定合

15、適的澆口位置和數(shù)目以保證型腔內(nèi)的流動平衡，利用流動分析，可以很快地預(yù)測到不同澆口位置和數(shù)目對流動平衡的影響。圖3為一模兩腔的洗衣機蓋板產(chǎn)品。初始設(shè)計時(圖3a考慮到大蓋板充填體積大，在大蓋板上設(shè)置了兩個澆口，小蓋板上一個澆口，試模時發(fā)現(xiàn)大蓋板已發(fā)生脹模而小蓋板還未充滿。利用流動分析也充分驗證了這一點，究其原因是小蓋板的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動阻力較大，充填困難，導(dǎo)致兩個型腔中流動不平衡。根據(jù)流動分析結(jié)果，在小蓋板上設(shè)置兩個扇形澆口，而在大蓋板上只設(shè)置一個澆口，使流動達(dá)到了平衡并使注射壓力大大降低，如圖3（b）所示。 在多澆口型腔模具中，經(jīng)常會出現(xiàn)流動不平衡，熔接線位置不易改變等問題，利用閥澆口，可以控制

16、每一澆口打開的時間，因此可以改變充填模式和熔接線位置。利用流動分析可以幫助設(shè)定不同閥澆口的打開時間以獲得較好的充填模式和熔接線位置。圖4給出了利用閥澆口設(shè)計來消除多澆口型腔模具中熔接線應(yīng)用實例，圖4（a）為開始時只有中心澆口打開，當(dāng)熔體前沿到達(dá)兩邊澆口時(圖4(a狀態(tài)，再打開兩邊澆口，這時中心澆口可以關(guān)閉也可繼續(xù)充填，圖4(b為最后充滿狀態(tài)。 3.4 流動分析在流道設(shè)計中的應(yīng)用 流道主要用來將塑料熔體輸送到各澆口，常用的流道形狀有圓形、梯形、U型等?？梢愿鶕?jù)不同的場合及加工方便性而定。若以相同的截面面積來比較其流阻，則以圓形截面為最佳選擇，但因需雙面加工，加工難度及成本較大，一般用截面的水力學(xué)

17、直徑來比較其流阻大小，流道的截面尺寸和長度將影響其流阻的大小。如果流阻太大，會使注射壓力大部分浪費在流道內(nèi)，而降低型腔內(nèi)壓力降所占的比例；但如果減小流道阻力而任意增大流道尺寸，則會延長冷卻時間，增加材料消耗。利用流動分析可以了解流道內(nèi)的壓力降與流量變化，如果不合適，修改后再重新分析，即可找到適當(dāng)?shù)牧鞯莱叽纭?流道的布置一般可以分為兩類，一類是自然平衡流道布置，在這種布置中，流道的特征相同，熔體的流動是平衡的，每個型腔可以在相同的壓力、溫度條件下同時充滿。另一類是非自然平衡流道布置。對于自然平衡流道布置，可以利用流動分析，按照流道設(shè)計原則通過改變各流道段的長度和截面尺寸，調(diào)整流道系統(tǒng)內(nèi)的壓力損失

18、，使得充模壓力最優(yōu)。對于非自然平衡流道布置，利用流動平衡分析，調(diào)整主流道和各分支流道的長度和截面尺寸，使各型腔基本上同時充模以達(dá)到人工平衡布置。 圖5為一模八腔非自然平衡流道設(shè)計，在各分支流道和流道采用相同的截面尺寸時，當(dāng)注射速率較低時，由于熔體在首先遇到的澆口處發(fā)生滯流，導(dǎo)致最外邊的型腔將首先充滿。而當(dāng)注射速率較高時，最里面的型腔將首先充滿，如圖5（a），在給定的工藝條件下，利用流道平衡分析可以直接給出合理的澆道尺寸而使每個型腔同時充滿，見圖5(b。 3.5流動分析在模具設(shè)計中的其它應(yīng)用 流動分析不僅能夠得到總體的充填模式、熔接線與氣穴位置，任意時刻型腔壓力、溫度等，而且還能夠得到許多有用的

19、信息如流動前沿面積(MFA、鎖模力、剪切應(yīng)力和剪切速率等，這些信息也能夠?qū)δ＞咴O(shè)計提供很大的幫助。 MFA是指任意時刻熔體前沿面積的總和，它隨著充填位置的變化而變化。澆口位置、流道尺寸等都會因影響充填而改變MFA。因此MFA可以用來檢驗流動平衡程度，流動愈平衡，則MFA變化愈小。對于給定的復(fù)雜塑件模具，可以利用流動分析得到的MFA曲線來幫助設(shè)計者比較不同流道及澆口設(shè)計，以找到最佳的平衡充填設(shè)計方案。 鎖模力的計算是將型腔內(nèi)各部位的熔體壓力乘以該部位在開模方向的投影面積的計算結(jié)果的疊加而得到。鎖模力會隨著型腔的充填而逐漸變化，要降低鎖模力的最大值，最重要的是設(shè)法降低充填所需壓力，這可以利用流動分

20、析來考慮型腔、流道、澆口的設(shè)計，熔體流動性愈好，需要的鎖模力也就越小。 剪切應(yīng)力和剪切速率的大小反映了熔體在流動過程中分子受力大小以及分子取向程度，如果分子承受過大的力，將會把分子鏈拉斷而影響制品的機械性能，如果分子取向過大會產(chǎn)生殘余應(yīng)力而造成制品的變形。因此，每一種材料都有允許的剪切應(yīng)力上限，利用流動分析可以檢查剪切應(yīng)力是否超過上限值，而修改設(shè)計使剪切應(yīng)力最小也是模具設(shè)計的基本原則。 4 冷卻分析與冷卻系統(tǒng)設(shè)計 對熱塑性塑料的注射成型，模具冷卻時間占整個成型周期的2/3。冷卻過程中熔融塑料發(fā)生固化，固化過程中放出的熱量通過模具由冷卻介質(zhì)帶走。該過程中模具型腔溫度的高低及均勻性直接影響到塑件生

21、產(chǎn)效率和質(zhì)量。注射模的溫度狀態(tài)受多種因素的影響，但其控制和調(diào)節(jié)主要靠冷卻系統(tǒng)來完成。冷卻系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)包括:冷卻管道的尺寸、連接關(guān)系及位置等幾何參數(shù)和冷卻介質(zhì)的流量、進(jìn)口溫度等物理參數(shù)。一個高效、均衡的冷卻系統(tǒng)可以縮短冷卻時間，提高成型效率，并減少或避免塑件的殘余應(yīng)力，保證塑件的尺寸粘度和穩(wěn)定性，提高塑件質(zhì)量。在給定冷卻系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)后，注射模冷卻分析軟件即可預(yù)測出冷卻介質(zhì)的流動狀態(tài)，模壁的溫度分布及冷卻時間等，為設(shè)計人員評劃設(shè)計方案，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計提供了先進(jìn)實用的工具。圖6為蓄電池盒(材料為PP注射模的冷卻系統(tǒng)幾何模型，該蓄電池盒底部和側(cè)壁厚度為5mm，中間隔板的厚度為2.5 mm。該產(chǎn)品模

22、具為3板雙分型面結(jié)構(gòu)，從產(chǎn)品3個空腔底部的中心進(jìn)料，模具材料為P20。該模具冷卻系統(tǒng)由4條冷卻水道組成，型腔上3條(環(huán)繞側(cè)壁2條，底部1條，型芯上1條(有3個翻水孔。冷卻分析所需的工藝參數(shù)為熔體溫度240，冷卻水溫度40，冷卻水流量101m3/ min,脫模溫度110。圖7和圖8為由冷卻分析得到的塑件壁厚方向的溫差分布及冷卻時間分布。 由圖7可看出，該設(shè)計方案中，型芯與型腔的冷卻并不均衡，每個空腔的角上溫差最大(該處等值線最密，由此產(chǎn)生的不平衡力矩將可能導(dǎo)致塑件翹曲。由于型芯冷卻水管道中的Re已超過10 000，冷卻介質(zhì)已處于交流狀態(tài)，增大型芯上翻水孔中的流量不能明顯改善冷卻效果。為改善冷卻不

23、平衡程度，只能在型芯上增設(shè)翻水孔或增大翻水孔直徑并使翻水孔頂端靠近模壁，但冷卻介質(zhì)的流量也應(yīng)按比例增加，以維持冷卻介質(zhì)的紊流狀態(tài)，保證有效的換熱。 從圖8可以看出，由于厚度的差異，中間隔板較四周和底部冷卻得快，收縮較小，冷卻速率不同產(chǎn)生的收縮應(yīng)力可能導(dǎo)致隔板的變形。此外由于要使箱體的底部和四周得到足夠冷卻，須延長冷卻時間。為減小和避免隔板的變形，應(yīng)減小不同部分冷卻速率的差異，在此可通過減小箱體四周和底部的厚度來實現(xiàn)。如用加筋的辦法在滿足塑件剛度要求的條件下將厚度比從2:1減小到1.5:1，這樣，不但可以改善產(chǎn)品質(zhì)量，還可以明顯縮短冷卻時間，提高成型效率。 采用美國AC一TECH公司的C一MOL

24、D軟件系統(tǒng)對洗滌粉盒面板的注射成型過程進(jìn)行了充模過程流動模擬, 并依此結(jié)果對模具澆口和流道系統(tǒng)的原設(shè)計進(jìn)行了改進(jìn)。根據(jù)模擬結(jié)果推薦的注射工藝參數(shù)經(jīng)實際驗證得到了滿意的結(jié)果。根據(jù)C一MOLD的分析結(jié)果可以幫助模具設(shè)計人員解決下列問題 ：(1確定澆口的數(shù)目和位置, 保證填充過程熔體流動場的均勻和注射壓力的降低;(2預(yù)測熔接線的位置和強度, 并使之處在理想的位置；(3預(yù)測可能存在的氣穴位置, 以確定正確的排氣位置；(4預(yù)測制品中的分子流動或纖維取向, 并使之處于預(yù)先設(shè)想的狀態(tài)；(5估算鎖模力和優(yōu)化成型工藝參數(shù)；(6提供注射機螺桿運動曲線, 指導(dǎo)注射工藝。洗滌粉盒面板采用進(jìn)口聚丙烯塑料（PP 7728

25、）經(jīng)注射成型制得, 其主要成型工藝參數(shù)如下：洗滌粉盒面板屬于外置件, 對外表面質(zhì)量要求較高, 制件壁厚基本均勻, 約2mm, 設(shè)計時采用側(cè)澆口。為保證制件質(zhì)量, 一方面要求在給定條件下不能產(chǎn)生短射、充填不足現(xiàn)象, 使熔體在型腔內(nèi)的流動場盡可能均勻, 即流動前沿速度在注射過程不同時刻流經(jīng)不同截面時保持流動速度均勻, 這樣才能保證制品質(zhì)量, 不易出現(xiàn)縮痕等缺陷, 同時可保證聚合物分子纖維取向合理, 獲得較高的表面質(zhì)量, 而且殘余應(yīng)力較小, 成型后翹曲變形小。另一方面, 由于該制件外觀要求較高, 因而應(yīng)使型腔內(nèi)熔體的熔接痕盡可能地位于側(cè)面或不明顯的位置。另外, 由于注射成型時間較短, 注射溫度較高,

26、 流動速度快, 要求型腔排氣順暢, 否則易產(chǎn)生氣孔、焦化等缺陷, 因此應(yīng)在型腔內(nèi)氣體匯聚易產(chǎn)生氣穴的位置設(shè)置排氣槽。如果僅憑設(shè)計者的經(jīng)驗很難完全滿足上述要求, 而采用CAE定量分析方法可反復(fù)模擬給定設(shè)計參數(shù)下的填充結(jié)果, 直到滿意為止。同普通有限元分析方法一樣, 注射成型流動模擬方法也包括前處理、分析解算和后處理三個步驟。采用C一MOLD分析前, 先采用C一MOLDER刃模塊構(gòu)造零件中面的三維模型, 然后進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分, 指定注射澆口的位置, 并確保澆口點在網(wǎng)格節(jié)點上, 該制件共有1072個節(jié)點, 一個澆口, 2038個三角形單元。圖1為充模過程中在不同時間內(nèi)熔體流動前沿位置預(yù)測。從圖1可

27、看出是否有填充不足等缺陷, 也可根據(jù)相鄰流動前沿鋒線的間距判斷填充過程中流動速度是否均勻。圖1中鋒線間距均勻, 說明成型過程中流動場十分均勻, 流動速度波動不大, 成型質(zhì)量較好。由于澆口位置在制件側(cè)面中部, 可將澆口位置設(shè)置在制件側(cè)面中部幾個不同位置, 運用分析軟件計算預(yù)測各種條件下熔接痕可能產(chǎn)生的位置。圖2為其中一種情況。從圖2可以看出, 在這種條件下熔接痕的位置基本上位于內(nèi)筋和外觀不明顯處, 這樣可保證外表面外觀質(zhì)量。分析結(jié)果同時給出了氣穴可能產(chǎn)生的 位置(見圖3, 設(shè)計時可以在這些位置上設(shè)置排氣槽, 以避免過燒、氣穴等缺陷。另外, 由于流動前沿截面面積差異很大, 為獲得均勻統(tǒng)一的流動場,

28、 需要對注射機注射螺桿的運動速度作相應(yīng)的調(diào)整。圖4給出了對應(yīng)該制件注射成型的螺桿運動曲線。注射成型時按照圖中提供的運動曲線, 取出行程中幾個離散點的運動速度比, 調(diào)整螺桿運動速度所成型的制品質(zhì)量較之螺桿恒定運動速度時有明顯的提高。上述工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)參數(shù)的獲得, 使得模具設(shè)計人員可以放心地進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計, 并可借助于其它CAD/CAM系統(tǒng)實現(xiàn)基于流動模擬的設(shè)計加工的一體化, 顯著地提高模具的設(shè)計質(zhì)量和效率5 MoldFlow在注塑成型中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的注射模設(shè)計主要依靠設(shè)計人員的直覺和經(jīng)驗，模具設(shè)計加工完后往往需要經(jīng)過反復(fù)地調(diào)試與修正才能正式投入生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)問題后，不僅要重新調(diào)整工藝參數(shù)，甚至

29、要修改塑料制品和模具，這種生產(chǎn)方式降低了新產(chǎn)品的開發(fā)速度。而利用MOLDFLOW軟件在模具加工之前，在計算機上對整個注塑成形進(jìn)行模擬分析，可以進(jìn)行填充、保壓、冷卻、翹曲、纖維取向、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、收縮以及氣輔成形等分析，找出可能出現(xiàn)的缺陷，提高一次試模的成功率，降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期?，F(xiàn)在主要介紹使用MOLDFLOW模擬分析軟件對星型注塑件不同澆口位置進(jìn)行流動模擬分析，預(yù)測可能存在的氣泡位置和預(yù)測熔接痕的位置，確定最佳澆口位置和數(shù)目。為模具設(shè)計人員進(jìn)行模具設(shè)計提供依據(jù)。 5.1模擬分析過程 1分析模型的建立圖 圖1為該零件的三維實體模型，由實體模型建立的該注塑件的有限元分析模型如圖2所示，在分析

30、中采用中性面網(wǎng)格，有限元分析模型數(shù)據(jù)為:面單元數(shù)-1547，節(jié)點數(shù)-821。 2澆口位置的確定及流動分析 本文分別采用一個澆口和兩個澆口進(jìn)行分析比較:方案1一個澆口居中(如圖3所示，方案2兩個澆口居左右兩側(cè)(如圖4所示，塑件所用材料為DUPONT，相關(guān)參數(shù)為:塑料熔融溫度-215.00；模具溫度-90.00。 5.2. 流動模擬分析結(jié)果比較 1不同澆口位置產(chǎn)生的氣泡 在塑料熔體注射充填過程中，模腔內(nèi)除了原有空氣外，還有塑料含有的水分在注射溫度下蒸發(fā)而成的水蒸氣，塑料局部過熱分解產(chǎn)生的低分子揮發(fā)性氣體等。這些氣體若不能通過排氣系統(tǒng)順利排出模腔，將會影響制品成型以及脫模后的質(zhì)量。 圖5、圖6表明，

31、注塑件在澆注結(jié)束后都會在兩股低溫流頭相遇處或流動末尾處產(chǎn)生氣體。兩種方案氣泡出現(xiàn)情況基本一致，都不出現(xiàn)于零件的內(nèi)部，易于排除，可行。 2不同澆口位置產(chǎn)生的熔接痕 熔接痕產(chǎn)生于兩股低溫流頭相遇的位置，熔接痕的出現(xiàn)對制品強度有一定的影響，熔接痕會削弱制品的結(jié)構(gòu)強度和制品的表面缺陷，并且在對制品涂漆等后處理時，熔接痕位置較難處理。所以應(yīng)盡量縮短熔接痕的長度和避免出現(xiàn)在制品嚴(yán)重的受力部分。 圖7、8分別給出了兩種澆口位置的熔接痕的數(shù)量及分布。從結(jié)果可以看出方案1沒有熔接痕，模具流動較均勻。方案2有熔接痕，在熔接痕處的力學(xué)性能差，影響制品的質(zhì)量。如圖8所示，因此方案1單澆口居中方案較好。 5.3 結(jié)束語 采用MOLDFLOW軟件對注塑件進(jìn)行流動模擬分析，可以解決以下問題:通過澆口位置分析，可以確定澆口的位置和數(shù)目；預(yù)測可能存在的氣泡位置，以確定排氣槽的開設(shè)位置；預(yù)測熔接痕的位置，并通過比較確定更為合理的工藝