夏征盛

摘要:隨著近代工業(yè)的飛速發(fā)展,注塑模具工藝空前發(fā)展,依靠人工經(jīng)驗來設(shè)計模具已經(jīng)不能滿足需要,企業(yè)越來越多地利用注塑模流分析技術(shù)來輔助塑料模具的設(shè)計。利用注塑模流分析技術(shù),能預先分析模具設(shè)計的合理性,減少試模次數(shù),加快產(chǎn)品研發(fā),提高企業(yè)效率。文章對此進行了探討。

關(guān)鍵詞:注塑模流動分析;注塑模具工藝;注塑過程

中圖分類號:0652文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2009)20-0175-02

塑料具有密度小、質(zhì)量輕、比強度大、絕緣性好、介電損耗低、化學穩(wěn)定性強、成型生產(chǎn)率高和價格低廉等優(yōu)點,在國民經(jīng)濟和人民日常生活的各個領(lǐng)域得到了日益廣泛的應用。早在20世紀90年代初,塑料的年產(chǎn)量按體積計算已經(jīng)超過鋼鐵和有色金屬年產(chǎn)量的總和。在機電(如所謂的黑色家電)、儀表、化工、汽車和航天航空等領(lǐng)域,塑料已成為金屬的良好代用材料,出現(xiàn)了金屬材料塑料化的趨勢。根據(jù)海關(guān)統(tǒng)計,我國2000年共進口模具9.77億美元,其中塑膠模具共5.5億美元,占56.3%,2001年共進口模具11.12億美元,其中塑膠模具共6.16億美元,占55.4%。從品種上來說,進口量最大的是塑膠模具。

一、三維模流分析技術(shù)

三維模流分析技術(shù)必需擁有正確的真三維流動分析理論,能有效模擬各種三維流動效應,并且為了完整呈現(xiàn)真實塑料件外觀,分析模型需以真實對象為基準,將所有特征形狀列入考慮,建立三維分析模型。但是發(fā)展一套既穩(wěn)定精確又快速的三維模流分析技術(shù)仍有許多瓶頸需待解決。首先,欲完整正確地將三維流動效應列入分析理論考慮并不容易,需經(jīng)過嚴謹?shù)睦碚撏茖c反復的驗證,倘若有微小差錯即會造成數(shù)值分析的不穩(wěn)定與不正確的分析結(jié)果。其次,分析模型依賴三維真實對象所建立,雖然可真實呈現(xiàn)所有外型特征,但也造成分析網(wǎng)格元素變得較多較復雜,大量增加分析時間與內(nèi)存(Memory)需求量,并且分析網(wǎng)格品質(zhì)好壞不易控制,嚴重影響數(shù)值分析的穩(wěn)定度。

二、三維實體模流分析軟件

Moldex3D Moldex3D為科盛科技公司研發(fā)的三維實體模流分析軟件,它不但能將Skin-Surface分析法與Mid-lane分析法沒有考慮的實際狀況列入分析,更擁有計算快速準確的能力,并且搭配超人性化的操作界面與最新引入的三維立體繪圖技術(shù),真實呈現(xiàn)所有分析結(jié)果,讓用戶學習更容易,操作更方便。在分析模型方面,Moldex3D采用三維實體元素網(wǎng)格,依塑料件實體來建造,完全符合真實情況,并且網(wǎng)格產(chǎn)生可完全自動化,輕松建模完全不費力。Moldex3D不但含有傳統(tǒng)的模流分析軟件的各項功能,而且真正實現(xiàn)真三維模流分析技術(shù),理論嚴謹,準確反映真實現(xiàn)象,同時其具有分析速度快,易學易用等諸多特點,是模流分析工程師不可多得的CAE工具。自2002年來,紅地公司與臺灣科盛公司全面合作,在中國大陸地區(qū)推廣Moldex3D模流分析技術(shù),目前已經(jīng)應用于眾多企業(yè)。

三、注塑過程數(shù)值分析

塑料在模具模腔中要經(jīng)過流動、保壓和冷卻三個主要階段,其流動、力學行為和熱行為非常復雜,采用CAE方法可以模擬塑料熔體在模腔中的流動與保壓過程,其結(jié)果包括熔體在澆注系統(tǒng)和型腔中流動過程的動態(tài)圖,提供不同時刻熔體及制品在型腔各處的溫度、壓力、剪切速率、切應力以及所需的最大鎖模力等,其預測結(jié)果對改進模具澆注系統(tǒng)及調(diào)整注塑工藝參數(shù)有著重要的指導意義;同時還可計算模具在注塑過程中最大的變形和應力,以此來檢驗模具的剛度和強度能否保證模具正常工作;對制品可能發(fā)生的翹曲進行預測可使模具設(shè)計者在模具制造之前及時采取補救措施;運用CAE方法還可分析模壁的冷卻過程,其預測結(jié)果有助于縮短模具冷卻時間、改善制品在冷卻過程中的溫度分布不均勻性。

四、CAE的發(fā)展概況

流動模擬的目的是預測塑料熔體流經(jīng)流道、澆口并充填型腔的過程,計算流道、澆口及型腔內(nèi)的壓力場、溫度場、速度場、剪切應變速率場和剪切應力場,并將分析結(jié)果以圖表、等值線圖和真實感圖的方式直觀地反映在計算機屏幕上。通過流動模擬可優(yōu)化澆口數(shù)目、澆口位置及注射成型工藝參數(shù),預測所需的注射壓力及鎖模力,并發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的注射不足、燒焦、不合理的熔接縫位置和氣穴等缺陷。

(一)一維流動分析

對一維流動分析的研究始于20世紀60年代,研究對象主要是幾何形狀簡單的圓管、矩形或中心澆注的圓盤等。一維流動分析采用有限差分法求解,可得到熔體的壓力、溫度分布以及所需的注射壓力,一維流動分析計算速度快,流動前沿位置容易確定,可根據(jù)給定的流量和時間增量直接計算出下一時刻的熔體前沿位置,但僅局限于簡單、規(guī)則的幾何形狀,在生產(chǎn)實際中的應用很受限制。

(二)二維流動分析

對二維流動分析的研究始于20世紀70年代。在二維流動分析中,除數(shù)值方法本身的難點外,另一個新的難點是對移動邊界的處理,即如何確定每一時刻的熔體前沿位置。流動網(wǎng)絡(luò)分析法的基本思想是:先對整個型腔剖分矩形網(wǎng)格,并形成相應于各節(jié)點的體積單元,隨后建立節(jié)點壓力與流入節(jié)點體積單元的流量之間的關(guān)系,得到一組以各節(jié)點壓力為待求量的方程,求解方程組得到壓力分布,進而計算出流入前沿節(jié)點體積單元的流量,最后根據(jù)節(jié)點體積單元的充填狀況更新流動前沿位置。重復上述計算,直至型腔充滿。

(三)三維流動分析

三維流動分析因采用模型不同而形成了如下兩種基本的方法:

1.基于中性層模型的三維分析?；谥行詫幽Ｐ偷姆治鍪窃诙S流動分析的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的三維分析方法,其基本思想是將型腔簡化為一系列具有一定厚度的中性層面片,每個中性層面片本身是二維的,但由于其法向可指向三維空間的任意方向,因此組合起來的中性層面片可用于近似描述三維薄壁制品?；谥行詫幽Ｐ腿S分析的一個難點是如何將適用于單個中性層面片的算法推廣到具有三維空間坐標的所有中性層面片。解決這一問題的方法主要有:(1)制品進行分解往往要依靠分析人員和模具設(shè)計者的經(jīng)驗,數(shù)據(jù)準備工作量很大;(2)有限元/有限差分混合法。這種方法沿用Hieber和Shen提出的數(shù)學模型,利用有限元方法先在單元局部坐標系中計算單元剛度矩陣,然后再組裝成整體剛度矩陣,通過制品三維空間坐標系與中性層面片二維局部坐標系之間的變換,處理三維制品的流動分析,避免了三維制品的二維展開。這種方法還通過定義三角形單元的節(jié)點控制體積,將確定熔體流動前沿的FAN方法改造為控制體積法,這樣在計算過程中就能自動更新熔體流動前沿,不需人工干預,并能對流道、澆口和型腔進行整體分析。構(gòu)造中性層模型是基于中性層模型三維分析的另一難點,如何根據(jù)三維實體模型生成中性層長期以來一直是制約三維分析軟件發(fā)展和推廣應用的瓶頸。

2.基于三維有限元模型的三維分析。三維有限元方法是在三維實體模型基礎(chǔ)上,用三維有限元網(wǎng)格取代二維有限元與一維有限差分混合算法來分析流動過程的壓力場和溫度場。這種方法不需要生成中性層模型,但注射成型中絕大部分是薄壁制品,厚度方向上的尺寸遠小于其他兩個方向的尺寸,溫度、剪切速率等物理量在厚度方向上變化又很大,要保證足夠的分析精度,勢必要求網(wǎng)格十分細密,因而數(shù)據(jù)量相當龐大,計算效率非常低下,并不適合開發(fā)周期短并需要通過CAE進行反復修改驗證的注射模設(shè)計。

五、結(jié)語

近代科學技術(shù)的飛速發(fā)展也帶動了注塑模具工藝的空前發(fā)展,企業(yè)越來越多地利用注塑模流分析技術(shù)來輔助塑料模具的設(shè)計。利用注塑模流分析技術(shù),不但能預先分析模具設(shè)計的合理性,而且減少了試模次數(shù),加快了產(chǎn)品研發(fā),提高企業(yè)效率。文章通過對大型注塑模流分析技術(shù)的探討,以期與同行共勉。