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作者：刘细芬 张帆
高质量注塑制品的获得，是以优秀的制品设计、模具设计和注塑成型工艺为前提。注塑制品的许多缺陷(如熔接痕、短射、制品变形等)皆与熔体在模具中的流动方式有关，因而对熔体流动方式的控制成为优化注塑成型工艺的关键。随着CAE技术的迅速发展，特别是Moldflow软件的推出，可实现对注塑成型过程的计算机模拟分析；在试模前预测出熔体在填充、保压、冷却等过程中可能出现的缺陷，以帮助工艺人员进行分析和改进，提高一次试模的成功率，从而降低制造成本并缩短开发周期…。本研究采用Moldflow软件对一种薄壁注塑制品的充模、冷却、翘曲等行为进行了动态模拟，为该制品的模具设计及注塑工艺参数的确定提供了理论依据，从而改善制品的成型质量。
1注塑成型CAE
注塑成型CAE技术主要由3个部分组成：(1)根据连续介质力学、塑料加工流变学、传热学基本理论建立型腔内熔体流动、传热的数学模型；(2)根据成型过程中压力场、温度场、速度场等的分布，运用数值计算理论建立定量求解方法，(3)依据上述模型与计算方法，运用计算机图形学，在计算机屏幕上形象、直观地显示出实际成型中熔体的动态充填冷却过程。其中建立可靠的数学模型及与之对应的数值计算方法是该技术的核心。
对于薄壁塑件，可采用基于非稳态、非等温条件下的Hele-Shaw流动模型，并结合描述注塑过程的基于连续介质力学理论的连续性方程、运动方程和能量方程，以及描述材料特性的本构关系、界条件，对注塑充填过程进行准确描述(一般需结合注塑成型特点，对上述方程进行合理的简化与假设，以得到最能反映该过程且便于数值计算的控制方程)由此建立的模型为中面模型，结合流动分析网络法，运用有限元／有限差分混合数值方法进行求解，从而得到实际注塑过程中不同时间段的压力场、温度场等的变化情况模拟结果(该求解方法在流动平面内采用有限元近似，厚度方向和时间导数采用有限差分近似，集中了二者的优点，适用于对平面任意形状型腔的模拟)。通过以上方法可得到下面几个直角坐标系的控制方程。
2 实例分析
2．1 成型工艺
所制塑件为一塑料连接件，材料为ABS，外表面质量要求较高，模具设计为一模四腔。采用Moldflow的MPI模块[3-4]对该塑件的熔体流动过程进行模拟，确定了浇口位置，并对填充、冷却、翘曲等过程进行分析，预测填充时间、型腔压力分布、温度分布等状况，为实际注塑成型提供工艺参数。
2．2 建模
在Pro／Engineer软件中创建实体模型并转换保存为STL模型，通过STL文件格式将其导入Moldflow软件，在MPI的前处理器中生成用于数值计算的有限元网格模型。图l所示为塑件划分后的网格模型，含有14
956个三角形单元。
2．3工艺参数设置
根据所选材料工艺要求，工艺参数设置为：注射压力130MPa，模具表面温度40°C，熔体温度240°C。
2．4最佳浇口位置
浇口的设计主要包括浇口的数目、位置、形状和尺寸。浇口的形状与尺寸决定了聚合物流动方向和平衡状态，当流动不平衡时容易造成不均匀收缩和翘曲变形，并影响气泡和熔接痕位置及内应力取向；而浇口的数目和位置则影响浇1：1的充填模式。
无论采用什么形式的浇口，开设的位置对塑件的成型性能及成型质量影响很大，不适当的浇口位置常造成型腔内的气体在注塑成型过程中无法逃逸，造成短射、气穴、烧焦痕等注塑缺陷，因此在模具设计之前合理选择浇口位置是提高塑件成型质量的重要环节。
图2 最佳浇口位置
本研究采用Moldflow软件进行最佳浇口分析，并依据分析结果设置浇口位置，可避免因浇口位置不当而造成的塑件缺陷。具体处理过程为：网格划分一网格合理调整一型腔布局一分析内容及参数设置一材料选择一注射参数设置等。图2所示为由Moldflow．软件得到的最佳浇口位置，根据分析结果可知图中箭头所指处即为最佳浇口位置，由此设计出的浇注系统如图3所示。
图3 浇注系统布局
2．5 模拟结果分析
2．5．1 填充
浇注系统的设计直接影响到熔体的填充行为，而填充分析的最终目的也是为了获得最佳浇注系统的设计。图4所示为充模时间的分析结果，通过深浅不同的颜色反映了熔体流动状态变化以及充模过程，从中可知型腔是否充满，充模过程是否平衡等。由图4可知：充填时间为1.272s，颜色深浅过渡比较柔和，表明此充填过程比较平缓，且模状况也较合理。由此证明图3所示的浇注系统计是可行的。
图4 充模时间
2．5．2冷却
Moldflow软件还可用来分析模具冷却系统的冷却效果，计算出冷却时间及成型周期，在塑件均匀冷却前提下，优化冷却管道布局，缩短冷却时间及成型周期，提高生产效率。
塑件的冷却方案和温度分布如图5所示。由图5的分析结果可知，塑件大部分位置都已达到预定的顶出温度(60°C)，表明冷却水道设置比较合理，该冷却方案可行。
图5 塑件冷却方案和温度分布
2．5．3翘曲分析
通过翘曲分析可以了解塑件的变形情况，从而有助于设计者在模具设计时对材料收缩率进行预测并且对冷却系统设计进行优化，以控制塑件的变形量。图6
是塑件翘曲分析图，由图6可知，最小翘曲变形为0．0037mm，最大为0．7273mm；最大翘曲部位位于塑件一端自由处(箭头所示)，主要由塑件收缩引起的。经CAE分析，该设计方案满足了塑件的质量要求。
图6 塑件翘曲分析
3 结语
应用Moldflow软件对模具最佳浇口位置进行 确定，并对熔体填充、冷却等过程进行模拟，优化了注塑成型工艺参数，降低了制品的开发成本，
有助于工艺人员从本质上了解产生缺陷的原因，并找出消除方法。
通过CAE预先对熔体在型腔内的流动情况进行分析，可指导模具设计，并且评估设计方案的合理性；在模具加工前，利用CAE软件进行试模、修模，可提高一次试模成功率。
数值模拟为模具设计提供了一种快速、准确、实用的分析与评估手段，对降低模具返修报废率、降低成本、提高制品质量具有重要意义。
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