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注射模CAE技术的模拟试模设计仿真应用

1 概述  

       注射模cae技术是以计算机模拟为手段分析塑料加工过程并完成模具优化设计的塑料模具计算机辅助工程。它是进行产品设计、制造、工程分析、仿真、试验等信息处理,并包含相应数据与数据管理系统在内的计算机辅助设计综合系统。

       塑料注射成型是一个复杂的物理过程,非牛顿假塑性的高温塑料熔体在压力下通过浇注系统流向模具型腔,熔体由于模具中的冷却系统而快速固化,同时伴随熔体有剪切生热、体积收缩、分子取向和结晶过程。因此全面深入理解注射成型需要高分子物理学、传热学、流变学以及成型工艺学等多方面的综合知识。

        注射模CAE技术就是根据塑料加工流变学和传热学的基本理论,建立塑料熔体在模具型腔中的流动、传热的物理数学模型,利用数值计算理论构造其求解方法,利用计算机图形学技术在计算机屏幕上形象、直观地模拟出实际成型中熔体的动态充填、冷却过程,定量地给出成型过程的状态参数(如压力、温度、速度等)。利用注射模CAE技术可存樟具制造之前,在计算机上对模具设计方案进行分析和模拟来代替实际的试模,预测设计中潜在的缺陷,突破了传统的在注塑机上反复试模、修模的束缚,为设计人员修改设计提供科学的依据。CAE技术的应用带来的直接好处是省时省力,减少试模、修模次数和模具报废率,缩短模具设计制造周期,降低成本提高产品质量。

2 流动分析及其在模具设计中的应用

       流动分析的方法主要有两种:一种是分支流动法,它以一维流动分析为基础,把三维塑件从几何上分解成一系列由一维流动单元串联组成流动路径,在计算过程中,利用迭代计算,在满足各流动路径的流量之和等于总的注射量条件下,使各流动路径压力降相等。这种方法计算时间短,但难以分析形状复杂的塑件。另一种是流动网络法,它的基本思想是将整个型腔划分为网格,并形成相应于各节点的体积单元,建立节点压力和流入节点体积单元流量之间的关系,得到一组以各节点压力为变量的控制方程,并且根据节点体积单元的充填状况更新流动前沿。目前,流动分析普遍采用广义Hel。一Shaw流动模型,利用有限元/有限差分法混合来祸合求解控制方程,它基本上沿用流动网络法基本思想,利用控制体积法建立压力场求解的有限元方程,并对时间和沿厚度方向差分,建立温度场求解的能量方程,以实现注射模充填过程的动态模拟。

2.1 流动分析在模具型腔设计中的应用

       对于形状复杂的注射模型腔,产品形状及其厚度的变化都会影响到它的充填模式。不同区域的充填信息以及关于缺料、熔接线、气穴位置等信息对型腔设计至关重要。为了得到这些信息,传统的方法都是利用实验模具或真实模具经过一次次的“缺料”注射来得到,而利用流动分析可以在产品的概念设计阶段得到型腔设计中的一些关键信息,如熔接线/熔合线和气穴位置、流动平衡程度、跑道效应、熔体的滞流和加速流动,任一时刻或任一充填体积下的充填状况等,利用这些分析结果,可判断如何修改产品以获得较佳的充填模式。

2.2 流动分析在浇口设计中的应用

       浇口的类型很多,一般常见的有侧浇口、点浇口、潜伏式浇口、扇形浇口、薄膜浇口等多种,根据其特性不同使用在不同场合,浇口一般都比较细小,因此流动阻力很大,细微的变化都会对塑料熔体的充填产生很大的影响。浇口设计主要包括浇口的数目、位置形状和尺寸的设计。浇口的数目和位置主要影响充填模式,而浇口的形状与尺寸主要影响熔体流动性质。浇口设计一方面应该保证提供一个快速、均匀、平衡、单一方向流动的充填模式,另一方面应该避免射流、滞流、凹陷等现象的发生。

       滞流或滞流斑是由于聚合物熔体的停滞所引起的表面缺陷,当产品中有厚薄差异较大的区域时,塑料熔体会朝着较厚易填充的方向流动,较薄处的塑料熔体将会发生停滞不动的现象,必须等较厚区域全部充满后,塑料熔体才会回过头来充填较薄处。如果塑料熔体停滞时间过长,将会在停滞点冷却凝固进而造成短射或流动剪切应力急剧上升,而当凝固的熔体被推向制品表面时,将会在表面上形成滞流斑。利用流动分析可以发现滞流现象所在位置,通过修改浇口位置来改善这一现象。

2.3 流动分析在流道设计中的应用

       流道主要用来将塑料熔体输送到各浇口,常用的流道形状有圆形、梯形、U型等。可以根据不同的场合及加工方便性而定。若以相同的截面面积来比较其流阻,则以圆形截面为最佳选择,但因需双面加工,加工难度及成本较大,一般用截面的水力学直径来比较其流阻大小,流道的截面尺寸和长度将影响其流阻的大小。如果流阻太大,会使注射压力大部分浪费在流道内,而降低型腔内压力降所占的比例;但如果减小流道阻力而任意增大流道尺寸,则会延长冷却时间,增加材料消耗。利用流动分析可以了解流道内的压力降与流量变化,如果不合适,修改后再重新分析,即可找到适当的流道尺寸。

       流道的布置一般可以分为两类,一类是自然平衡流道布置,在这种布置中,流道的特征相同,熔体的流动是平衡的,每个型腔可以在相同的压力、温度条件下同时充满。另一类是非自然平衡流道布置。对于自然平衡流道布置,可以利用流动分析,按照流道设计原则通过改变各流道段的长度和截面尺寸,调整流道系统内的压力损失,使得充模压力最优。对于非自然平衡流道布置,利用流动平衡分析,调整主流道和各分支流道的长度和截面尺寸,使各型腔基本上同时充模以达到人工平衡布置。

3 冷却分析与冷却系统设计

       对热塑性塑料的注射成型,模具冷却时间占整个成型周期的2/3。冷却过程中熔融塑料发生固化,固化过程中放出的热量通过模具由冷却介质带走。该过程中模具型腔温度的高低及均匀性直接影响到塑件生产效率和质量。注射模的温度状态受多种因素的影响,但其控制和调节主要靠冷却系统来完成。冷却系统的设计参数包括:冷却管道的尺寸、连接关系及位置等几何参数和冷却介质的流量、进口温度等物理参数。一个高效、均衡的冷却系统可以缩短冷却时间,提高成型效率,并减少或避免塑件的残余应力,保证塑件的尺寸粘度和稳定性,提高塑件质量。在给定冷却系统设计参数后,注射模冷却分析软件即可预测出冷却介质的流动状态,模壁的温度分布及冷却时间等,为设计人员评话设计方案,优化冷却系统设计提供了先进实用的工具。

4 结束语

       尽管CAE技术的出现使注射模设计从传统的经验和技艺走上科学化的道路,在一定程度上改变了注射模传统的生产方式,但需要指出的是,目前CAE技术并不能代替人的创造性工作,只能作为一种辅助工具帮助人去判断设计方案是否合理,还难以提供一个明确的改进方向和尺度,仍需通过反复交互(分析一修改一再分析),才能将设计人员的正确经验体现到模具设计中去,而设计方案的确定在很大程度上仍需依靠设计人员的经验和水平。

       同时cae技术分析是用高技术来改造传统制造业,尤其是对于几乎是单件生产的模具制造业,更是极为重要和关键的。它以数学模型为依据,在工程分析中的各个环节直接使用数字进行信息传递。但由于各个软件平台开发的背景不同,使迄今为止的许多优秀cae软件都有其特定的应用对象和范围,充分利用各软件之长,实现有机结合和系统集成,这将成为一种趋势。