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(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)模具已經(jīng)不能滿足需要,企業(yè)越來(lái)越多地利用注塑模流分析技術(shù)來(lái)輔助塑料模具的設(shè)計(jì)。利用注塑模流分析技術(shù),能預(yù)先分析模具設(shè)計(jì)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(duì)此進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞:注塑模流動(dòng)分析;注塑模具工藝;注塑過(guò)程

中圖分類號(hào):0652文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)20-0175-02

塑料具有密度小、質(zhì)量輕、比強(qiáng)度大、絕緣性好、介電損耗低、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、成型生產(chǎn)率高和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民日常生活的各個(gè)領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。早在20世紀(jì)90年代初,塑料的年產(chǎn)量按體積計(jì)算已經(jīng)超過(guò)鋼鐵和有色金屬年產(chǎn)量的總和。在機(jī)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(shì)。根據(jù)海關(guān)統(tǒng)計(jì),我國(guó)2000年共進(jìn)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(jìn)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(lái)說(shuō),進(jìn)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(dòng)分析理論,能有效模擬各種三維流動(dòng)效應(yīng),并且為了完整呈現(xiàn)真實(shí)塑料件外觀,分析模型需以真實(shí)對(duì)象為基準(zhǔn),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(dòng)效應(yīng)列入分析理論考慮并不容易,需經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撏茖?dǎo)與反復(fù)的驗(yàn)證,倘若有微小差錯(cuò)即會(huì)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(shí)對(duì)象所建立,雖然可真實(shí)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(fù)雜,大量增加分析時(shí)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(yán)重影響數(shù)值分析的穩(wěn)定度。

二、三維實(shí)體模流分析軟件

Moldex3D Moldex3D為科盛科技公司研發(fā)的三維實(shí)體模流分析軟件,它不但能將Skin-Surface分析法與Mid-lane分析法沒(méi)有考慮的實(shí)際狀況列入分析,更擁有計(jì)算快速準(zhǔn)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(shí)呈現(xiàn)所有分析結(jié)果,讓用戶學(xué)習(xí)更容易,操作更方便。在分析模型方面,Moldex3D采用三維實(shí)體元素網(wǎng)格,依塑料件實(shí)體來(lái)建造,完全符合真實(shí)情況,并且網(wǎng)格產(chǎn)生可完全自動(dòng)化,輕松建模完全不費(fèi)力。Moldex3D不但含有傳統(tǒng)的模流分析軟件的各項(xiàng)功能,而且真正實(shí)現(xiàn)真三維模流分析技術(shù),理論嚴(yán)謹(jǐn),準(zhǔn)確反映真實(shí)現(xiàn)象,同時(shí)其具有分析速度快,易學(xué)易用等諸多特點(diǎn),是模流分析工程師不可多得的CAE工具。自2002年來(lái),紅地公司與臺(tái)灣科盛公司全面合作,在中國(guó)大陸地區(qū)推廣Moldex3D模流分析技術(shù),目前已經(jīng)應(yīng)用于眾多企業(yè)。

三、注塑過(guò)程數(shù)值分析

塑料在模具模腔中要經(jīng)過(guò)流動(dòng)、保壓和冷卻三個(gè)主要階段,其流動(dòng)、力學(xué)行為和熱行為非常復(fù)雜,采用CAE方法可以模擬塑料熔體在模腔中的流動(dòng)與保壓過(guò)程,其結(jié)果包括熔體在澆注系統(tǒng)和型腔中流動(dòng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)圖,提供不同時(shí)刻熔體及制品在型腔各處的溫度、壓力、剪切速率、切應(yīng)力以及所需的最大鎖模力等,其預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)改進(jìn)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(dǎo)意義;同時(shí)還可計(jì)算模具在注塑過(guò)程中最大的變形和應(yīng)力,以此來(lái)檢驗(yàn)?zāi)＞叩膭偠群蛷?qiáng)度能否保證模具正常工作;對(duì)制品可能發(fā)生的翹曲進(jìn)行預(yù)測(cè)可使模具設(shè)計(jì)者在模具制造之前及時(shí)采取補(bǔ)救措施;運(yùn)用CAE方法還可分析模壁的冷卻過(guò)程,其預(yù)測(cè)結(jié)果有助于縮短模具冷卻時(shí)間、改善制品在冷卻過(guò)程中的溫度分布不均勻性。

四、CAE的發(fā)展概況

流動(dòng)模擬的目的是預(yù)測(cè)塑料熔體流經(jīng)流道、澆口并充填型腔的過(guò)程,計(jì)算流道、澆口及型腔內(nèi)的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、剪切應(yīng)變速率場(chǎng)和剪切應(yīng)力場(chǎng),并將分析結(jié)果以圖表、等值線圖和真實(shí)感圖的方式直觀地反映在計(jì)算機(jī)屏幕上。通過(guò)流動(dòng)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(yù)測(cè)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(dòng)分析

對(duì)一維流動(dòng)分析的研究始于20世紀(jì)60年代,研究對(duì)象主要是幾何形狀簡(jiǎn)單的圓管、矩形或中心澆注的圓盤等。一維流動(dòng)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(dòng)分析計(jì)算速度快,流動(dòng)前沿位置容易確定,可根據(jù)給定的流量和時(shí)間增量直接計(jì)算出下一時(shí)刻的熔體前沿位置,但僅局限于簡(jiǎn)單、規(guī)則的幾何形狀,在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用很受限制。

(二)二維流動(dòng)分析

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

(三)三維流動(dòng)分析

三維流動(dòng)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(dòng)分析的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的三維分析方法,其基本思想是將型腔簡(jiǎn)化為一系列具有一定厚度的中性層面片,每個(gè)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(lái)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(gè)難點(diǎn)是如何將適用于單個(gè)中性層面片的算法推廣到具有三維空間坐標(biāo)的所有中性層面片。解決這一問(wèn)題的方法主要有:(1)制品進(jìn)行分解往往要依靠分析人員和模具設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn),數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(xué)模型,利用有限元方法先在單元局部坐標(biāo)系中計(jì)算單元?jiǎng)偠染仃?然后再組裝成整體剛度矩陣,通過(guò)制品三維空間坐標(biāo)系與中性層面片二維局部坐標(biāo)系之間的變換,處理三維制品的流動(dòng)分析,避免了三維制品的二維展開。這種方法還通過(guò)定義三角形單元的節(jié)點(diǎn)控制體積,將確定熔體流動(dòng)前沿的FAN方法改造為控制體積法,這樣在計(jì)算過(guò)程中就能自動(dòng)更新熔體流動(dòng)前沿,不需人工干預(yù),并能對(duì)流道、澆口和型腔進(jìn)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(diǎn),如何根據(jù)三維實(shí)體模型生成中性層長(zhǎng)期以來(lái)一直是制約三維分析軟件發(fā)展和推廣應(yīng)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(shí)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(lái)分析流動(dòng)過(guò)程的壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)。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(yuǎn)小于其他兩個(gè)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(shì)必要求網(wǎng)格十分細(xì)密,因而數(shù)據(jù)量相當(dāng)龐大,計(jì)算效率非常低下,并不適合開發(fā)周期短并需要通過(guò)CAE進(jìn)行反復(fù)修改驗(yàn)證的注射模設(shè)計(jì)。

五、結(jié)語(yǔ)

近代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展也帶動(dòng)了注塑模具工藝的空前發(fā)展,企業(yè)越來(lái)越多地利用注塑模流分析技術(shù)來(lái)輔助塑料模具的設(shè)計(jì)。利用注塑模流分析技術(shù),不但能預(yù)先分析模具設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)大型注塑模流分析技術(shù)的探討,以期與同行共勉。