| 标题 | 注射模CAE的设计原则 |
| 范文 | 冯桂香 章巧芳 摘要:目前我国塑料模具的设计与制造主要依赖设计员的经验和工艺员的技巧,设计合理与否、制品有无缺陷只有通过试模才知道,模具的设计与制造周期长、成本高。采用计算机辅助工程(CAE),可以提高塑料模具的设计制造水平及制品质量。本文从介绍注塑模CAE技术的内容、方法及其发展着手,阐述了模流分析原理,并重点介绍了模拟分析软件MPI(Moldflow Plastics Insight)的设计原则。 关键词:塑料射出成形、CAE、模流分析,设计原则 引言 我国的塑料制品工业一直在持续快速发展,其应用数量多,范围广,已经渗透到人们的日常生活中。注射成型是塑料加工的普遍采用的方法之一。适用于大批量生产、形状复杂、尺寸要求精确的塑料制品。 1 塑料射出成形(injection molding)是将熔融塑料材料压挤进入模穴,制作出所设计形状之塑件的一个循环制程。射出成形制程根据所使用的塑料而有不同,热塑性塑料必须将射进模穴的高温塑料材料冷却以定形,热固性塑料则必须由化学反应固化定形。射出成形是量产设计复杂、尺寸精良的塑件之最普遍和最多元化的加工方法。除了应用于热塑性塑料、热固性塑料以外,射出成形也可以应用于添加强化纤维、陶瓷材料、粉末金属的聚合物之成形。 2 现代化模具及塑料生产企业都非常重视计算机辅助技术(CAD/CAE/CAM)的应用。计算机辅助工程分析(Computer-Aided Engineering, CAE)是应用计算机分析CAD几何模型之物理问题的技术,可以让设计者进行仿真以研究产品的行为,进一步改良或最佳化设计。目前在工程运用上,比较成熟的CAE技术领域包括:结构应力分析、应变分析、振动分析、流体流场分析、热传分析、电磁场分析、机构运动分析、塑料射出成形模流分析等等。 注塑模CAE技术是对塑料注塑过程进行模拟分析,包括充模流动模拟、保压过程模拟、冷却过程模拟及翘曲模拟分析。塑料射出成形的模流分析系应用质量守恒、动量守恒、能量守恒方程式,配合高分子材料的流变理论和数值求解法所建立的一套描述塑料射出成形之热力历程与充填/保压行为模式,通过模拟分析可以预测制品填充不足、熔接痕、气泡和翘曲变形等缺陷,还可以测定浇口的数量和位置,测定注塑时的注射压力以及注塑时间,熔体流动前锋的温度变化,剪切应力,剪切速率等系列参数。 3 Moldflow软件是专业从事注射成型CAE软件和咨询的Moldflow公司的系列产品。该公司自1976年发行了世界上第一套注射模CAE软件以来,一直主导注射模CAE软件市场。 它包括三个部分:Moldflow Plastics Advisers(产品优化顾问,MPA),Moldflow Plastics Insisht(注射成型模拟分析,MPI)和Moldflow Plastics Xpert(注射成型过程控制专家,MPX)。通常使用MPI来对注射过程进行模拟,从而得到最佳的浇口数量和位置,合理的流道系统与冷却系统,并对型腔尺寸、浇口尺寸、流道尺寸和冷却系统尺寸进行优化,并且还可以对注射工艺参数进行优化。 Moldflow中注射成型模拟分析(MPI)设计原则: 3.1 单向和可控的流体模型 为了形成单一的取向,零件的填充模型也应该是单一的。这就要求在填充的过程中,流体自身的方向也应该一直保持不变。 3.2 流体平衡 在同一幅模具中的流路应该以相等的压力填充完毕。对多型腔模具而言,就要求每一个型腔都同时完成充填。有自然平衡流道或几何平衡流道和人工平衡流道之分。自然平衡流道的流体从浇口到零件所流经长度对所有型腔而言都是相等的。与人工平衡流道相比,该类型的流道系统有较大的传送距离。人工平衡流道系统通过改变流道的尺寸达到平衡。优先使用自然平衡流道系统。 3.3 等压力梯度 在充填的过程中,流体应该以相等的压力梯度通过零件。当大部分零件是以沿径向的流体填充的,随着液体前沿与另一侧的中心相遇,流体前沿开始收缩,这导致压力梯度有一个细微的增长。压力梯度说明了模流的平衡问题,也反映了注射速度的剖面。 3.4 最大剪应力 零件的最大剪应力应低于材料数据库指定的材料极限值。该极限值大约是材料抗拉强度的1%。零件在恶劣的工作环境中,例如高温,重载或有化学腐蚀,最大剪应力相应要降低。反之,零件在比较理想的工作环境下,则该极限值偏低,实际应力值可以略高于极限值。 3.5 布置焊接和熔接线 当两股流体的前沿迎面混合时,便会形成焊接线。当两股流体前沿相遇并且流向同一方向时形成熔接线。通常相对熔接线而言,焊接线处力学性能更弱并且更明显。但它们都是应该尽量避免。零件上每增加一个流口,就额外的形成一条焊接线或熔接线。当焊接线或熔接线无法避免时,应该将它们布置在最不敏感的区域。较高温度下成型并且背压较高时候,焊接线或熔接线的强度会得到改善。 3.6 避免滞流的影响 滞流是无意识流体前沿流动性的减缓。当流体前沿减缓得太厉害时,流体前沿会过冷,更严重的会导致冻结分离。滞流出现在壁厚变化大的零件上。缩短注射时间可以减少滞流的发生。浇口应远离塑件之薄截面区域或壁厚突然变化区域,以避免滞流现象或产生凹痕与空洞。 3.7 避免下溢 下溢出现在充填过程中流体前沿改变方向流向时,是由于浇口的位置引起流体前沿的不平衡所致。下溢影响到零件纤维本身的取向。零件某一区域的最初充填方向是等时线表示。流体的方向正交于等时线。分子的最初取向和流体的方向一致,如果随后的充填阶段,流体方向改变了,那么靠近流道中心的分子将会取向于心得流动方向。通常分子在取向的方向上有收缩的趋势,在出现下溢的区域有明显的内应力存在。 3.8 流量导杆和流量转向装置平衡 在名义壁处,流量导杆使流量局部增加,相反流量转向装置使流量局部减缓。 很多零件仅通过改变浇口位置无法达到平衡。稍微改变一下壁厚来提高或缓减某一方向的流体速度却是很有效的。可以使零件充填平衡,即使从浇口到零件末端的流动长度不相等。由于零件的结构不尽相同,该方法也不是对所有零件都行之有效。 此外,均匀冷却、选取适当的流道尺寸和合适的流道/型腔比也对产品注射成型优化起重要作用。 4 尽管注射模CAE技术从理论研究到实际应用都取得了飞速进步,但注射模软件无论在功能还是在精度上都有待进一步提高。Moldflow各种分析功能非常强大、实用和有效,但优化方案的设计完全依赖使用者的经验和智慧,方案的制定直接关系到优化效果,决定着优化设计的成功与否。 应用CAE软件必须注意到其分析结果未必能够体现所有的问题,其应用重点在于有效率地针对问题提出可行之解决方案,以争取改善问题的时效。应用CAE工具时,必须充分了解其理论内涵与模型限制,以区分仿真分析和实际制程的差异,才不至于对分析结果过度判读。 参考文献 [1]王家惠 CAE模拟分析在注射成型缺陷预测中的应用 昆明理工大学学位论文 2002.03 [2]蔡娥 吴纬纬 徐勤雁.塑料模具设计与成型分析[M] 浙江:浙江大学出版社2008.12 [3]杨卫民 丁玉梅 谢鹏程等 注射成型新技术[M] 北京:化学工业出版社2008.03 [4]张静 复杂制品注射成型的CAE分析 北京化工大学学位论文 2006.05 [5]www.mouldbbs.com |
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