基于數值模擬的注塑模具設計與工藝參數分析

瞿智鋒

摘要：考慮到注塑加工中材料成型的變化較為復雜，注塑模具在設計時需要考慮更多因素。因此，提出基于數值模擬的注塑模具設計與工藝參數分析，建立模具設計函數，模擬設計中的模具指數，采用數值模擬來模擬模具的約束條件，參照模擬結果，對注塑模具進行設計、調整設計方案。同時考慮到模具的生產結果，對于模具的工藝參數進行數值模擬，對模具的剛粘塑性進行分析，分析模具的熱力耦合。考慮到模具的使用壽命，建立模具的抗磨損模型，通過工藝參數的模擬分析，為模具設計環節提供更多的數據支持。

關鍵詞：模具;注塑加工;數值模擬;工藝參數;

在塑料制品的生產及加工工藝中，注塑模具的設計是塑料制品生產的重要一環[1]。但由于在加工中的成品往往較為復雜，使得材料在成型過程中容易出現多種問題，因此模具設計不僅需要考慮到相關塑料的工藝要求，還要對生產時可能遇到的問題進行考慮，因此需要對模具設計時進行一定的模擬。在模具的設計過程中，要考慮到模具在生產中的固體運輸、流動、相變等容易出現的問題[2]。這些問題就跟模具成型與所經歷的受力狀態有關。而模具在制造后的各種工藝需求是否滿足也需要進一步模擬，傳統的方法對于模具設計生產后再來對模具的工藝參數進行判斷的方式，不僅成本高，而且更費時。基于此，可以使用數值模擬的方法，建立函數從多方面考慮模具在設計時所遇到的問題。同時數據模擬的多種算法可以確定在加工中加工條件的變化規律，對于待生產的模具也可以確定工藝參數，參照數據結果，科學地選擇出模具設計工藝的最佳方案。

1基于數值模擬的注塑模具設計

1.1建立模具設計函數

通常在設計注塑模具時要允許一定的壓力下降，因為在生產過程中的注射壓力難以達到，所以要設置使用壓力[3]。考慮到被設計模具的安全使用壽命以及其經濟性的因素得出其的系數，在設計過程中，要考慮模具在生產中的因素，其充填性和所需壓力小于公稱，這里為了減小流道橫截面積，同時為了保證流道中滯留料減少的目的，對于流道中所允許的壓力下降應為：

在公式（2）中代表著非牛頓指數，代表非牛頓體的粘度系數，代表加工時的流道長度，則代表流道的半徑，表示在加工中某段流道的體積流率。而在此時加工模具的流道壓力降會發生改變，這里的壓力降如下：

公式（3）表明這些流道半徑，這里的半徑函數采用的函數。通過數值模擬可以對模具的設計給出具體的函數并得出假設，因為澆口的體積較小，因此接下來的數值模擬中也不需要對填充澆口的時間進行計算。通過建立模具的設計參數函數，來對模具的約束條件進行進一步的分析。

1.2 數值模擬約束條件

考慮到流道系統中的每個流道情況，對于各流道的約束需要進行數值模擬，以方便對于模具的設計。這里對于主流道和分流道的約束公式表示為

公式（4）中，表示為主流道的半徑，在公式中表示為分流道的半徑，而則代表分流道的數量。 根據分流道的設計約束建模，考慮在溶體中達到路徑的末端，并且對各分流道也應該滿足公式（5）

在公式（5）中，表示公共主流道的長度，代表分流道的長度，而則表示在上下游的流道中連接處具有的分支數，則是表示分流道和公共流道的半徑和，則表示分流道的壓力。而要考慮到注塑件的不同位置的殘余應力的分布，再結合脫模后的膜內殘余應力，以此將各層模中的殘余應力的平均值進行改變，從而對于模內殘余應力分布情況進行改善。根據給出的函數式以及約束函數式，在模具的設計中，對于約束條件下給出優化問題的求解，也可以通過函數公式在設計中確定模具的流道長度和各種壓力約束的條件，并且進行改善，從而在設計中給出更好的設計數據。

1.3 得出數據完成設計

在完成對模具設計的相關參數模擬后，就可以參照數據模擬的結果，對模具本身來完成設計，也可以使用已經完成的模具設計方案，帶入數據模擬的函數中，以此來驗證設計的質量和優劣性。數據模擬的本身就是幫助設計者在設計的同時考慮模具在成型時的變形歷史以及形態變化。在參照模擬結果后，可在模具生產前就對模具生產中和使用中遇到的問題做出判斷。

2 基于數值模擬的模具工藝參數分析

2.1 模具剛粘塑性分析

通過采用反函數法，來對于剛粘塑性的狀況來進行分析，并引入材料的不可壓縮條件來進行變分處理。

公式（6）中代表在邊界上的給定外力，而是表示該工件在模具上的摩擦力，代表工件在模具邊界里的相對滑動速度，這里的罰因子在取。根據數據模擬可以得出模具在過程中在半錐角不同的情況下的載荷形成的曲線，如圖1所示。

通過數據模擬可以對模具的載荷的峰值進行數據分析，在模具生產前分析模具設計方案是否可以滿足要求，而對于半錐角來說，擠壓載荷隨半錐角的增大而增大，同時發生變形區。半錐角的不同情況下的載荷行程是在模具設計中的重要參數之一[4]。在確立剛粘塑性數據后，進行熱力耦合分析，以保證材料在成型過程中的使用。

2.2 熱力耦合分析

公式（7）中，代表模具材料的變形應力的張量，代表材料變形時的應變率張量，表示該材料的變形體和外界熱交換過程中的熱流密度，表示變形體匯總熱源的熱流密度。在完成對模型的剛粘塑性的分析以及模具的熱力耦合的模擬后，建立一個模具的抗磨損模型，去綜合考慮模具的使用壽命。

2.3 模具的抗磨損模型

在模具的工藝參數中，模具的抗磨損能力也是重要的工藝指標[5]。也是反應模具使用壽命的一項參數。通過建立數學表達式來模擬模具的磨損并得出該模具的抗磨損能力。

公式（8）中代表著磨損的深度，代表的是界面的壓力，表示相對的滑動速度，表示模具所用材料的硬度，這里的代表模具的使用時間。而公式中的則是公式中的修正系數，修正系數分別取，，，而的修正系數這里取0.002。關于材料硬度應根據相應的模具材料來改變。模具的抗磨損模型的建立，是通過對于模具的剛粘塑性分析和熱力耦合分析以及抗磨損模型來得出模具的使用壽命。

3 結語

本文為了提高注塑模具的設計效率和成品的可靠性，使用數值模擬來對注塑模具設計及其工藝參數進行分析。使用數值模擬建立模具的設計參數模型，并分析相關參數，使用數值模擬對模具進行工藝參數的分析，兩者的目的皆在于提高模具設計的效率并提供數據支持。而研究對于模具設計時的參照的數據有限，缺少對于特定要求模具的設計參數，因此研究仍存在局限性，數值模擬技術對于注塑模具的設計提供的幫助仍有待開發。

參考文獻

[1]吉宏選，張靜文，牛婧捷.復雜多腔鋁型材擠壓過程數值模擬與模具設計優化的實踐應用[J].模具工業，2020（03）：51-55.

[2]吉宏選.復雜多空腔鋁型材擠壓過程數值模擬與模具設計優化的實踐應用[J].鋁加工，2020（01）：61-64.

[3]張卓，楊威，顏丙越，等.高壓絕緣拉桿樹脂浸潤纖維的氣泡缺陷數值模擬與工藝參數優化[J].絕緣材料，2020（04）：89-94.

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[5]魏勇，鄧聽之，周淑怡，等.激光立體成形技術中工藝參數的數值模擬分析[J].湖南理工學院學報（自然科學版），2019（02）：49-52.