注射模CAE的設計原則

馮桂香 章巧芳

摘要:目前我國塑料模具的設計與制造主要依賴設計員的經驗和工藝員的技巧,設計合理與否、制品有無缺陷只有通過試模才知道,模具的設計與制造周期長、成本高。采用計算機輔助工程(CAE),可以提高塑料模具的設計制造水平及制品質量。本文從介紹注塑模CAE技術的內容、方法及其發展著手,闡述了模流分析原理,并重點介紹了模擬分析軟件MPI(Moldflow Plastics Insight)的設計原則。

關鍵詞:塑料射出成形、CAE、模流分析,設計原則

引言

我國的塑料制品工業一直在持續快速發展,其應用數量多,范圍廣,已經滲透到人們的日常生活中。注射成型是塑料加工的普遍采用的方法之一。適用于大批量生產、形狀復雜、尺寸要求精確的塑料制品。

1 塑料射出成形(injection molding)是將熔融塑料材料壓擠進入模穴,制作出所設計形狀之塑件的一個循環制程。射出成形制程根據所使用的塑料而有不同,熱塑性塑料必須將射進模穴的高溫塑料材料冷卻以定形,熱固性塑料則必須由化學反應固化定形。射出成形是量產設計復雜、尺寸精良的塑件之最普遍和最多元化的加工方法。除了應用于熱塑性塑料、熱固性塑料以外,射出成形也可以應用于添加強化纖維、陶瓷材料、粉末金屬的聚合物之成形。

2 現代化模具及塑料生產企業都非常重視計算機輔助技術(CAD/CAE/CAM)的應用。計算機輔助工程分析(Computer-Aided Engineering, CAE)是應用計算機分析CAD幾何模型之物理問題的技術,可以讓設計者進行仿真以研究產品的行為,進一步改良或最佳化設計。目前在工程運用上,比較成熟的CAE技術領域包括:結構應力分析、應變分析、振動分析、流體流場分析、熱傳分析、電磁場分析、機構運動分析、塑料射出成形模流分析等等。

注塑模CAE技術是對塑料注塑過程進行模擬分析,包括充模流動模擬、保壓過程模擬、冷卻過程模擬及翹曲模擬分析。塑料射出成形的模流分析系應用質量守恒、動量守恒、能量守恒方程式,配合高分子材料的流變理論和數值求解法所建立的一套描述塑料射出成形之熱力歷程與充填/保壓行為模式,通過模擬分析可以預測制品填充不足、熔接痕、氣泡和翹曲變形等缺陷,還可以測定澆口的數量和位置,測定注塑時的注射壓力以及注塑時間,熔體流動前鋒的溫度變化,剪切應力,剪切速率等系列參數。

3 Moldflow軟件是專業從事注射成型CAE軟件和咨詢的Moldflow公司的系列產品。該公司自1976年發行了世界上第一套注射模CAE軟件以來,一直主導注射模CAE軟件市場。 它包括三個部分:Moldflow Plastics Advisers(產品優化顧問,MPA),Moldflow Plastics Insisht(注射成型模擬分析,MPI)和Moldflow Plastics Xpert(注射成型過程控制專家,MPX)。通常使用MPI來對注射過程進行模擬,從而得到最佳的澆口數量和位置,合理的流道系統與冷卻系統,并對型腔尺寸、澆口尺寸、流道尺寸和冷卻系統尺寸進行優化,并且還可以對注射工藝參數進行優化。

Moldflow中注射成型模擬分析(MPI)設計原則:

3.1 單向和可控的流體模型

為了形成單一的取向,零件的填充模型也應該是單一的。這就要求在填充的過程中,流體自身的方向也應該一直保持不變。

3.2 流體平衡

在同一幅模具中的流路應該以相等的壓力填充完畢。對多型腔模具而言,就要求每一個型腔都同時完成充填。有自然平衡流道或幾何平衡流道和人工平衡流道之分。自然平衡流道的流體從澆口到零件所流經長度對所有型腔而言都是相等的。與人工平衡流道相比,該類型的流道系統有較大的傳送距離。人工平衡流道系統通過改變流道的尺寸達到平衡。優先使用自然平衡流道系統。

3.3 等壓力梯度

在充填的過程中,流體應該以相等的壓力梯度通過零件。當大部分零件是以沿徑向的流體填充的,隨著液體前沿與另一側的中心相遇,流體前沿開始收縮,這導致壓力梯度有一個細微的增長。壓力梯度說明了模流的平衡問題,也反映了注射速度的剖面。

3.4 最大剪應力

零件的最大剪應力應低于材料數據庫指定的材料極限值。該極限值大約是材料抗拉強度的1%。零件在惡劣的工作環境中,例如高溫,重載或有化學腐蝕,最大剪應力相應要降低。反之,零件在比較理想的工作環境下,則該極限值偏低,實際應力值可以略高于極限值。

3.5 布置焊接和熔接線

當兩股流體的前沿迎面混合時,便會形成焊接線。當兩股流體前沿相遇并且流向同一方向時形成熔接線。通常相對熔接線而言,焊接線處力學性能更弱并且更明顯。但它們都是應該盡量避免。零件上每增加一個流口,就額外的形成一條焊接線或熔接線。當焊接線或熔接線無法避免時,應該將它們布置在最不敏感的區域。較高溫度下成型并且背壓較高時候,焊接線或熔接線的強度會得到改善。

3.6 避免滯流的影響

滯流是無意識流體前沿流動性的減緩。當流體前沿減緩得太厲害時,流體前沿會過冷,更嚴重的會導致凍結分離。滯流出現在壁厚變化大的零件上。縮短注射時間可以減少滯流的發生。澆口應遠離塑件之薄截面區域或壁厚突然變化區域,以避免滯流現象或產生凹痕與空洞。

3.7 避免下溢

下溢出現在充填過程中流體前沿改變方向流向時,是由于澆口的位置引起流體前沿的不平衡所致。下溢影響到零件纖維本身的取向。零件某一區域的最初充填方向是等時線表示。流體的方向正交于等時線。分子的最初取向和流體的方向一致,如果隨后的充填階段,流體方向改變了,那么靠近流道中心的分子將會取向于心得流動方向。通常分子在取向的方向上有收縮的趨勢,在出現下溢的區域有明顯的內應力存在。

3.8 流量導桿和流量轉向裝置平衡

在名義壁處,流量導桿使流量局部增加,相反流量轉向裝置使流量局部減緩。

很多零件僅通過改變澆口位置無法達到平衡。稍微改變一下壁厚來提高或緩減某一方向的流體速度卻是很有效的。可以使零件充填平衡,即使從澆口到零件末端的流動長度不相等。由于零件的結構不盡相同,該方法也不是對所有零件都行之有效。

此外,均勻冷卻、選取適當的流道尺寸和合適的流道/型腔比也對產品注射成型優化起重要作用。

4 盡管注射模CAE技術從理論研究到實際應用都取得了飛速進步,但注射模軟件無論在功能還是在精度上都有待進一步提高。Moldflow各種分析功能非常強大、實用和有效,但優化方案的設計完全依賴使用者的經驗和智慧,方案的制定直接關系到優化效果,決定著優化設計的成功與否。

應用CAE軟件必須注意到其分析結果未必能夠體現所有的問題,其應用重點在于有效率地針對問題提出可行之解決方案,以爭取改善問題的時效。應用CAE工具時,必須充分了解其理論內涵與模型限制,以區分仿真分析和實際制程的差異,才不至于對分析結果過度判讀。

參考文獻

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[4]張靜 復雜制品注射成型的CAE分析 北京化工大學學位論文 2006.05

[5]www.mouldbbs.com