多型腔注塑模流动平衡分析及计算.docx
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多型腔注塑模流动平衡分析及计算
摘要
长期以来,我国的注塑模具设计主要依靠设计者的经历、直觉,通过大量的反复试模、修模,然后不断的修正改良原有的设计方案来完成的。
这样就造成注塑成型工艺缺乏科学依据,具有很大的盲目性。
这样不仅是模具的生产本钱及生产周期增高增大,而且注塑模的质量也很难保证,由此带来的市场效应大幅度降低,从而丧失了竞争力。
随着CAE技术的开展完善及应用到注塑成型上,带来了众多好处。
CAE技术的应用不仅省时省力而且减少试模、修模次数、降低模具的报废率,缩短模具设计、生产周期,降低生产本钱,提高产品质量。
我国的塑料制品行业在设计和制造的手段上应加大投入与国际先进水平接轨。
本论文探讨了CAE软件的注塑模拟原理,重点介绍了Moldflow系统构造及运用。
阐述了如何使用Moldflow软件对注塑系统的设计及理论计算方法,包括浇口位置的选择及流动平衡的分析与计算等。
从而选出最优化方案。
此次分析研究将对注塑成型工艺的开展起到指导意义。
关键字:
CAE;Moldflow系统;工艺参数;注塑成型工艺;优化方案
Abstract
Long-termsince,ourcountryofinjectionmolddesignmainlyrelyonthedesigner'sexperience,intuition,throughalotofrepeatedtestingmoldsrepairingmold,andthencontinuouslymodifiedtoimprovethetraditionaldesignschemetofinish.Thatwouldgiveinjectionmoldingprocesslackofscientificbasis,havealotofblindness.Sonotonlyismouldcostofproductionandproductioncycleincreaseincreased,anditwasdifficulttoensurethatthequalityofinjectionmold,whichhasgreatlyreducemarketeffect,thuslostpetitiveness.AlongwiththedevelopmentofCAEtechnologyimprovementandapplicationtotheinjectionmolding,andbroughtmanybenefits.TheapplicationofCAEtechnologynotonlysavestimeandeffortandtoreducethenumberofmould,trymode,reducescraprateofthedie,shortenthemoulddesign,productioncycle,reduceproductioncost,improvethequalityofproducts.TheplasticproductsindustryinChinainthedesignandmanufactureofmeansshouldbeincreasinginvestmentandtheadvancedinternationallevelstandards.
ThispaperdiscussestheCAEsoftwaresimulationprincipleofplasticinjection,thispaperintroducesthesystemstructureandusingMoldflow.ExpoundshowtousingMoldflowinjectionsystemsoftwaretodesignandtheoreticalcalculationmethods,includinggatelocationselectionandflowanalysisandcalculationofbalance,etc.Sothatchoosetheoptimumscheme.Theanalysisandstudyofplasticmouldingtechnologywillplayaguidingsignificancetothedevelopmentof.
KeyWords:
CAE;OfMoldflowSystem;ProcessParameters;InjectionMoldingProcess;OptimizationProgram
引言
塑料制品的高质量在实际生产及应用中具有重要意义,而影响塑料件质量的因素较多。
当提出某一种塑料件的使用性能和其它有关要求后,首先应在经济合理和技术可行的原那么下,选择最适宜的材料、生产形式、注射设备及模具构造。
当这些条件确定之后,工艺条件的选择和控制就是主要考虑的因素。
注射成型工艺条件最主要的因素为温度、压力和时间。
因此,如何合理的制定和控制工艺参数,到达保证制品质量和提高生产效率的目的,近年来已成为人们研究的重点。
本文对主要的工艺条件如何影响塑料制品的质量作了探讨,借助注塑工程分析软件对塑料制品的成型过程进展模拟,可以合理确定这些工艺参数。
注塑模拟分析软件Moldfow的造型功能较弱,难以对复杂制件进展造型。
本文以鼠标为例,首先对于给定的塑料件进展分析,采用三维造型软Pro/E造型,特征建模,生成IGS或STL格式文件,再将模具的特征模型送至数值分析局部,进展流动、保压、冷却、翘曲等分析。
经屡次模拟分析比拟,得出合理的优化工艺参数,有效地改善了设计质量,对注塑模具的设计及塑料制品的生产具有重要指导意义。
本文的研究方向:
a.对浇注系统优化设计的研究。
主要阐述了如何使用CAE优化浇注系统,阐述了塑件浇注系统设计的理论计算方法,包括平衡布置流道系统、非平衡布置和单型腔多浇口模具的流道系统,并就非自然平衡流道系统的情况作了举例分析。
还阐述了浇口设计的相关准那么,包括浇口的类型选择,浇口尺寸及浇口位置确实定,并通过举例作了分析说明。
b.对注塑工艺参数确定及对塑件质量的影响的研究。
对模温控制系统作了介绍,并探讨了模具温度和注射温度对制品的影响;分析研究了压力对注射成型的影响,探讨了保压曲线确实定方法;讨论了时间参数确实定。
通过模拟分析得出如下结论:
欲防止收缩,需采用低模温,延长冷却时间,降低充填速度,增大保压压力;欲提高成型效率,可采用低模温,快速充填,但这样会导致温度分布不均,引起翘曲变形;为提高尺寸的稳定性,可保持高树脂温度,低模温,快速充填;对于注射加工薄壁长流程制件,要求高聚合物熔体有较好的流动性,以保证物料充满模腔,为此对不同物料须采取不同方法。
c.以鼠标为例,对塑料制品的成型工艺设计过程作了分析研究,并分析得到优化的工艺设计参数,对实际模具的制造和改良具有指导意义。
但不同的塑料制品,不同的模具,其成型过程中出现的问题是不同的,须比拟分析才能确定,还需根据生产现场的实际情况可加以修正,以符合实际生产的要求。
第一章绪论
1.1注塑成型CAE技术的作用及意义
随着塑料行业的迅速开展,目前在我国的国民经济的各行各业中都广泛使用者各式各样的塑料制品,特别是在交通、通信、建筑行业、轻工业行业、日用品、办公室用品、汽车、仪器仪表机械制造以及家用电器等零部件[1]。
由于塑料产品的质量轻捷便利、精度和强度得到了很大的提高,因此各种工业塑料零件的使用X围在不断的扩大。
预计以后随着卫星计算器和汽车的普及和轻型化,塑料制品的适用X围将会越来越大。
在国防和尖端科学技术领域中高新塑料占有很大的比重。
同时,随着世界经济的迅速开展和人民生活水平不断提高,人民对塑料产品的品质要求将越来越高,而且将不断的更新换代。
在短时间内开发出复杂度和精度非常高的、质量高的、价格合理的塑料产品,才能占据有利的地位。
塑料注塑成型工艺是生产塑料制品的主要手段之一。
由于注塑模具适用于高效率、大批量生产、一次成型形状复杂、尺寸准确的产品,所以其适用X围越来越广泛。
据统计,塑料模具约占模具的40.0%以上。
想要在成千上万种材料、千变万化的模具以及错综复杂的工艺中找到理想的组合,传统的注塑模设计是很难在短时间内完成的,所以我们就要借助于高科技手法Moldflow系统来轻松完成。
计算机辅助设计〔puterAidedDesign,CAD〕技术能够使模具设计人员从繁重的劳动中解脱出来。
多年来,人们一直期望能预测注塑成型时塑料熔体在模具型腔中的流动情况及塑料制品在模具型腔内的冷却、固化过程,以便在模具制造之前就能够发现设计中存在的问题,以便修改图纸而不是返工修改模具。
注塑模CAE技术的出现,使人们的这一愿望变成现实。
计算机辅助工程〔puterAidedEngineering,CAE〕能迅速完成各种计算和分析。
采用CAD/CAE技术,那么会事半功倍,取得巨大的经济效益[2,3]。
注塑模CAE技术就是根据塑料加工流变学和传热学的根本理论,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求解的方法,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填充、冷却过程,定量的给出成型过程的状态参数,如压力、温度、速度等[4]。
利用注塑模CAE技术可在模具制造之前,在计算机上对模具设计方案进展分析和模拟试模,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了科学的依据。
CAE技术的应用带来的直接好处是省时省力、减少试模、修模次数和模具的报废率,缩短模具设计制造周期,降低本钱,提高生产率和产品质量[5]。
CAE软件的作用可概括如下:
a.优化塑料制品设计
模具设计质量直接关系到塑料制品的质量、本钱及生产周期,那么制品可能出现明显的外表熔接痕、充填缺乏、凹痕、焦斑、翘曲及剩余应力过大等缺陷。
塑件壁厚、浇口数量及位置、注塑模流道系统的设计等对于塑料制品的成败和质量关系极大。
以往完全依赖于设计者个人的经历,用手工方法去实现,往往费力、费时,设计出的制品不尽合理.利用注塑模CAE系统,可以快速地设计出最优的塑料制品。
b.优化塑料模具设计
每次试模不成功后,往往要修改的是浇注系统。
利用注塑模CAE系统,可以对浇口位置及尺寸、流道尺寸、冷却管道尺寸、冷却管道布置及联接方式等进展定量分析,在计算机上模拟试模和修改设计方案,可以大大提高模具质量,减少实际试模次数。
c.优化注塑工艺参数
注塑模CAE系统可以帮助注塑工艺人员确定最正确的注射压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、保压压力和时间、冷却时间等工艺参数,以便注射出最正确的塑料制品来[6-8]。
1.2注塑模CAE技术的开展现状
近年来模具及塑料加工领域开展最快的是CAE技术,通过对成型加工过程进展数值模拟,研究加工条件的变化规律,预测制品的构造和性能,选择制品、模具设计及工艺条件的最正确方案,使成型加工从一项实用技术变为一门应用科学。
如果在塑料的加工过程中的流动、传热以及在力场和热场作用下所出现的物理、化学变化没有深入的、科学的认识,就不能生产出质量优良的制品。
所以各国都非常重视塑料模CAE技术[9]。
目前注塑模CAD/CAM/CAE技术在美国、日本、欧洲等国应用较广泛。
据有关资料统计,美国两万多家模具专业化厂约有50%采用了模具CAD/CAM/CAE技术,数控机床的占有率为70%。
八十年代美国塑料工业协会对411家塑料模具厂的调查结果,有215家工厂分别采用CAD、CAM或CAD/CAM/CAE集成技术[6-10]。
日本模具行业较早引用了模具CAD/CAE/CAM技术。
1984年日本长津机器厂采用CADIAN-Mold系统设计照相机外壳等注塑模。
该系统包括模架、标准件数据库、流动分析和冷却分析模块。
设计者可以在屏幕上显示模具平面图、检查NC加工的刀具轨迹,并可用NC数据直接控制机床来加工模具。
目前,日本采用模具CAD/CAE/CAM技术的工厂已达50~60%,数控机床的占有率以到达全部机床总数的3/4以上。
德国的注塑模约有35%采用CAD/CAM/CAE技术,英国约有20%的模具厂采用CAD/CAM/CAE技术。
表1.1注塑模CAD/CAE技术应用状况
Table1.1ApplicationStatusofInjectionMoldingCAD/CAETechnique
技术名
美国
日本
德国
中国
CAD应用
80%
80%
75%
10%-20%
CAE应用
60%
60%
60%
5%-10%
FLOW软件
普及
普及
普及
开场起步
COOL软件
普及
普及
普及
开场起步
RHD方法
已编入CAD/CAE分析软件
已有或开场起步
LMD方法
已进入商业化
已有理论著作发表
SPD方法
已进入商业化
在电子、机械业有应用
1978年AustinC推出了第一个注塑成型充填阶段的模拟软件MOULDFLOW。
80年代,随着C_MOLD软件的问世及其他一些软件广泛用于注射成型过程,模具设计才成为依赖于计算机预测的工程科学。
80年代中期以来,国内开场重视塑料模CAE技术,经过10余年的研究与开发,现有一些大学和研究院所已推出一些实用的、商品化软件。
自80年代以来,北美和欧洲的许多研究小组对聚合物熔体流经管道、口模和成型设备的各个方面进展了深入的调查、研究,推出了关于聚合物流动的有限元分析软件FIDAP、POLYFLOW、NEKTON和POLYCAD等。
90年代,已将研究重点置于材料的粘弹性、复杂三维模拟以及取向、剩余应力和固化现象的研究。
另外,计算方法在双螺杆挤出、热成型、薄模吹塑、反响注射成型和气体辅助注射成型的工艺条件设定方面的应用,也成为研究热点。
可以预见,塑料模CAE技术将被广泛采用,成为解决塑料成型加工和模具设计中各类问题的标准工具和手段[11-14]。
1.3注塑模CAE技术的开展趋势
随着科学技术的迅速开展,互联网技术的普及和全球信息化,塑料模CAE技术功能进一步扩大,性能也进一步提高,呈现如下的开展趋势。
a.数学模型、数值算法逐步完善
塑料模CAE技术的实用性,取决于数学模型的准确及数值算法的准确。
随着相关领域的技术进步,数学模型对成型过程的描述更准确、真实。
如聚合物在三维复杂区域中的流动、传热过程的数值分析;以及入口收敛效应使模具内三维流动和出模胀大所用的本构关系更加复杂,并应考虑粘弹性及非等温性。
数值算法也由二维、二维半走向真三维,计算结果更为准确[15,16]。
b.用户界面互加好友使CAE技术更加方便
由于计算机技术及多媒体技术的开展,用户界面具有更强的直观、直感和直觉性,用户能以较少的工程知识背景,利用“向导〞或语音等信息提示,实现简单的“傻瓜〞操作。
注射模CAE技术涉及大量的设计方案、标准构件、行业性的标准、规X以及大量的人类专家知识,利用模糊算法、人工智能及知识工程可自动选择合理的方案、判断计算结果的合理性,减少用户对计算程序的干预[16,17]。
c.优化理论计算方法使CAE技术“主动〞的优化设计
现有的CAE技术是建立在科学计算的根底上,但仅仅是校验设计方案的合理性,优化仅是反复的校验、试凑,最终的设计方案仍需设计者的经历和技巧,通过对多个方案的反复计算、比拟、分析和判断来确定,使设计和分析过程仍带有盲目性和随机性。
利用现有的模拟结果,借助于优化理论构造有效的反问题算法,给出明确的改良方向和尺度,对优化模具设计参数和成型工艺参数十分重要。
可从根本上解决依赖经历和技巧的方法和手段[16-19]。
d.CAE技术的集成化和网络化的开展
随着互联网技术的普及,宽带通讯技术的突破,以及通讯、播送和计算机三网融合步伐的加快,计算机及网络正从社会的各个方面改变着人类的学习、生活。
现代设计理论的应用,如并行工程等,用户将需要五峰连接的集成化的软件,具有专业特色的CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM/ERP产品将应运而生,逐步完成模具及成型加工全过程的模拟及控制,形成“过程工程与技术〞的关键技术。
该计算机与网络环境,实时设计与制造系统的全过程结合,建立整个制造过程的研究、开发、规划、设计、实施与控制及管理的新体系。
为适应电子商务的开展要求,塑料模CAE技术,将立足于全社会的公开网络环境,实现异地的“协同设计〞及“虚拟制造〞,建立专业化的虚拟网络效劳环境,并开发相关产品,实施网上经销、培训与效劳[20]。
1.4注塑模CAE技术的理论方法及应用
由于塑料的种类和成型方法很多,塑料模CAE技术的应用侧重面有所不同。
下面就常用的注射成型、气体辅助注射成型、挤出成型、吹塑成型和热成型等,说明现有塑料模CAE技术的理论方法及对工程实际的指导意义。
a.注塑成型
注塑成型是热塑性塑料成型的一种主要成型方法。
注射模CAE技术按成型工艺过程的特点,分为流动、保压、冷却、剩余应力及翘曲分析等软件模块。
流动模拟采用非牛顿流体非等温下广义的Hele-Shaw模型描述注射充模过程;用有限元/有限差分算法耦合求解动量守恒方程和能量守恒方程已获得压力场、温度场、速度场;用控制体积法跟踪熔体的流动前沿;用人工智能技术自动识别熔接线和气穴的位置。
通过流动模拟可获得型腔内的温度、压力、速度及锁模力等信息,帮助工程技术人员合理地设计浇注系统,优选注射工艺参数,发现可能出现的成型缺陷并提出相应的对策[21,22]。
b.气体辅助注塑成型
气体辅助注射成型是在传统的注射成型根底上开展起来的一种新的注射成型工艺,特点在于:
在充填阶段,当型腔填充至70%-95%时,向型腔内注入高压气体,并使气体进入型腔;进入保压阶段,继续注入高压气体,以弥补因熔体冷却而引起的收缩。
在充填阶段,由于气体、熔体两种性质完全不同物质的动力学的相互作用,使得成型过程的模拟非常复杂,控制方程仍采用非牛顿流体非等温下广义的Hele-shaw流动,但在气熔界面作了假设,认为气体、熔体两相介质不混合。
这样,流场的求解变为对熔体流动方程的求解,仅在气熔界面上加上气体压力的边界条件。
气熔界面确实定采用粒子跟踪法或控制体积法[23,25]。
利用气体辅助注射成型过程的CAE技术,可帮助设计、工程人员解决如下问题:
发现气穴、气体冲头等潜在的质量问题;确定熔体的最优体积、注入气体的最正确切入时间等工艺参数;获得多型腔系统在整个加工过程中的物料及气体的分布;优化气道、浇注系统的尺寸、布置方案。
此外,还有反响、挤出、热成型、压延、流延模、纤维纺丝过程、吹塑模、涂覆等成型过程数值模拟也开展了广泛的工作,对聚合物加工过程的分析和成型设备的设计都产生了相当大的影响[26]。
1.5本文研究的主要内容
本文以注塑分析系统Moldflow为工作平台,进展了应用研究。
通过一年多的学习及应用,对诸多塑料件的成型状况进展模拟,利用CAE分析结果,对塑料件的浇注系统、注塑工艺参数等各方面进展了优化,取得了比拟满意的优化结果,得出一些切实可行的解决方案。
在论文工作期间,作者进展了鼠标的成型过程的分析预测工作,对小型复杂及薄壁制件的注塑工艺调整积累了经历。
主要研究内容如下:
a.注射成型是一个相当复杂的物理过程。
一方面,非牛顿的高温塑料熔体在压力的作用下,注入温度较低的型腔;另一方面,由于熔体与模具型腔的温差导致使注入的熔体快速冷却,同时伴随固化、体积收缩及可能的结晶过程。
本文基于注塑模拟CAE的流变学原理,对成型过程包括充模流动、保压及冷却三个阶段的模拟分析加以研究。
b.浇注系统在注塑成型过程中起着极其重要的作用,浇注系统是否合理,直接影响到制品的外表质量,形位尺寸,制品物理力学性质,充模难易程度及熔料在充模时的流动状态。
本文将针对这个问题加以分析,探讨流道及浇口的优化设计,以指导实际生产。
c.温度、压力和时间是主要的注塑工艺参数,对制品的内在性能和表观质量影响很大。
在成千上万种材料、各种复杂的几何造型及各种不同的工艺中,要想找出理想的组合,传统的注射模设计方法是很难在短时间内实现的。
本文就此问题作分析研究,探索合理选择工艺参数的方法及针对不同质量问题的改良措施。
d.通过实例,对CAE技术在塑料制品生产、塑料模设计及制造中的应用作分析研究,探讨其对薄壁塑料制品及几何构造复杂制品成型工艺的优化方法,通过分析比拟流动、保压、冷却等模拟结果,确定生产高质量产品的工艺参数。
第二章注塑模拟CAE的原理
注塑成型能一次成型形状复杂,尺寸精度要求较高的塑料制品。
适合高效率、大批量的生产方式,已开展成为热塑性塑料最主要的成型加工方法。
注射成型是一个相当复杂的物理过程。
一方面,非牛顿的高温塑料熔体在压力的作用下,注入温度较低的型腔;另一方面,由于熔体与模具型腔的温差导致使注入的熔体快速冷却,同时伴随固化、体积收缩及可能的结晶过程。
其成型过程包括充模流动、保压及冷却三个阶段。
注塑模的CAE是从狭义出发,主要是在设计模具之前对熔料的流动情况、压力分布和冷却过程等进展模拟,以获得实现最正确充填的模具构造[21,27]。
2.1Moldflow系统的构造
在注塑成型中,如果模具设计不合理那么可能在塑件外表出现熔接缝、充填缺乏、外表烧伤、翘曲、缩痕及剩余应力等缺陷。
一旦模具制造完成后发现上述缺陷,对模具进展修整非常麻烦,还要拖延模具的交货期,严重时会造成模具报废。
图2.1预测注塑件性能的计算机模拟系统
Fig2.1puter simulation capacity of forecasting plastics properties
现在可以利用计算机模拟功能对初步设计构思进展模拟。
发现问题即对设计进展修改,直到成型过程满意为止[28-31]。
通常用于对决定注塑件品质的结晶度和分子取向等细微构造进展预测的计算机模拟系统如图2.1所示,Moldflow系统的构造如图2.2所示。
它能正确的预测出塑件的性能[32,33]。
图2.2MOLDFLOW系统的构造
Fig2.2Structure of MOLDFLOW system
第三章实例:
鼠标组合型腔—流动平衡分析与计算
3.1概述
在实际生产中,为提高生产效率常采用一模多腔模具来生产中、小型塑料制件。
对多型腔模具设计来说,为保证各型腔制件的件重、性能等质量指标均匀一致,必须对浇注系统进展平衡分析,以使浇注系统流动平衡,即各型腔在一样压力下同时充满。
在一模多腔或者组合型腔的注塑模成型生产过程中,熔体在浇注系统中流动的平衡性是十分重要的。
如果塑料熔体能够同时到达并充满模具的各个型腔,那么称该浇注系统是平衡的。
平衡的浇注系统不仅可以保证良好的产品质量,而且可以保证不同型腔内产品的质量一致性。
根据多型腔模具的几何布局,其浇注系统分为平衡布置和非平衡布置两类。
对于平衡布置的浇注系统,熔体到各型腔的流动距离相等,如果忽略制造误差,那么流动过程是自然平衡的,即不管成型条件如何变化,各型腔均会在一样的压力下同时充满。
在实际生产中,为使模具构造不致过大并减少流道废料,常采用非平衡布置浇注系统,经过人工平衡,即在成型工艺参数一定的情况下,通过调整流道和浇口尺寸使熔体同时充满各型腔,到达流动平衡。
〔d〕
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