注塑模冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的CAE.pdf

8D i e a n d M o u l d T e c h n o l o g y N o . 1 2 0 0 6 文章編號1 0 0 1 - 4 9 3 4 ( 2 0 0 6 ) 0 1 - 0 0 0 8 - 0 4 注塑模冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的 C A E 陳志新 東華理工學(xué)院電子與機(jī)械工程學(xué)院江西南昌3 3 0 0 1 3 摘要介紹了注塑模冷卻系統(tǒng)模擬分析的原理并簡述了常見注塑模 C A E軟件的功能 然后利用 C A E軟件通過一具體實(shí)例描述了注塑模冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的 C A E方法和過 程并模擬驗(yàn)證了在平板狀零件的模具設(shè)計(jì)過程中翹曲是一個(gè)必須重點(diǎn)考慮的因素 關(guān)鍵詞注塑模冷卻系統(tǒng)C A E 中圖分類號T G 2 4 1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A A b s t r a c t : T h e p r i n c i p l e o f s i m u l a t i n g a n a l y s i s o f i n j e c t i o n m o l d i s i n t r o d u c e d T h e f u n c t i o n o f c o m m o n C A E s o f t w a r e o f i n j e c t i o n m o l d i s d e s c r i b e d T h e w i t h C A E s o f t w a r e t h r o u g h a n i n s t a n c e t h e C A E m e t h o d a n d p r o c e s s o f o p t i m i z i n g d e s i g n o f c o o l i n g s y s t e m o f i n j e c t i o n m o l d i s n a r r a t e d I t s p r o v e d b y i m u l a t i o n t h a t w a r p i s a n e c e s s a r y c o n s i d e r e d f a c t o r i n t h e d e s i g n p r o c e s s o f t h e m o l d o f p l a t e - s h a p e d p a r t s K e y w o r d s : i n j e c t i o n m o l d c o o l i n g s y s t e m C A E 收稿日期2 0 0 5 - 1 0 - 2 7 基金項(xiàng)目東華理工學(xué)院碩博基金資助項(xiàng)目D H S 0 5 0 3 作者簡介陳志新1 9 7 3男講師 0 引言 現(xiàn)今社會(huì)中塑料越來越多地成為金屬的替 代品按照體積計(jì)算其消耗量已超過了鋼鐵總 和成為工業(yè)物料的重要支柱模具是塑料成型 加工的重要裝備采用模具成型塑料制品實(shí)質(zhì) 上是一種少切削無切削多工序重合的生產(chǎn)方 法 在塑料成型周期中相當(dāng)多的時(shí)間用于模具 冷卻影響注射冷卻系統(tǒng)的因素是多方面的除 了塑料制品的幾何形狀冷卻介質(zhì)及其流速和溫 度冷卻管道的布置模具材料熔體溫度塑 件頂出溫度和模具溫度外還涉及到塑料和模具 之間非穩(wěn)態(tài)熱循環(huán)交互作用冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 直接影響著模具冷卻效率和型腔表面溫度從而 對注塑生產(chǎn)的效率和質(zhì)量產(chǎn)生重要影響一個(gè)高 效和均勻的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠顯著地減少冷卻時(shí) 間提高成型效率并對消除塑件翹曲變形內(nèi) 部應(yīng)力及表面質(zhì)量缺陷產(chǎn)生影響 在過去注塑模冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要采用傳 統(tǒng)方法冷卻管道的布置和冷卻參數(shù)的確定往往 在設(shè)計(jì)的最后階段憑設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和直覺進(jìn)行 結(jié)果導(dǎo)致許多模具成型效率較低塑件的質(zhì)量也 難以保證隨著有限元和邊界元法等數(shù)值方法在 工程中的應(yīng)用國外學(xué)者提出了注塑模冷卻系統(tǒng) 的數(shù)值分析模型并提出了模具溫度場穩(wěn)態(tài)分析 的中面模型及數(shù)值處理方法冷卻系統(tǒng)模擬分析 方法經(jīng)多年的應(yīng)用和完善現(xiàn)已廣泛被應(yīng)用于商 品化軟件中 1 冷卻過程模擬的基本原理 在冷卻過程中模具內(nèi)任一點(diǎn)的溫度和熱流受 冷卻系統(tǒng)中各幾何參數(shù)和物理參數(shù)的影響需要 模 具 技 術(shù) 2 0 0 6 . N o . 19 用具有周期性邊界條件的三維熱擴(kuò)散方程來求 解而且完整的分析還應(yīng)考慮熔體與模具型腔之 間具有溫度突變的相互熱作用這樣的分析一般 無法求出精確解即使求近似解也很困難對一 般的工程實(shí)際問題只能采用數(shù)值方法借助于計(jì) 算機(jī)求出近似解迄今為止求近似解的數(shù)值方 法主要有有限差分法FDM有限元法 F E M邊界元法B E M而且由于絕大多數(shù) 塑料制件的厚度尺寸往往比長度和寬度尺寸小得 多故可簡化為二維熱傳導(dǎo)分析這也是目前普 遍采用而且比較成熟的方法 1 采用有限元法F E M 根據(jù)熱傳導(dǎo)理論對二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的 求解歸納為拋物線型偏微分方程 式中T0物質(zhì)的初始溫度K T物體的瞬態(tài)溫度K Tf周圍介質(zhì)的溫度常數(shù)K qv材料的內(nèi)熱源強(qiáng)度J /m 2Ks 換熱系數(shù)物體表面的散熱系數(shù) n物體任意邊界處的外法線方向向量 物體的邊界方向?yàn)槟鏁r(shí)針 K材料的熱導(dǎo)率W /mK 材料的密度k g / c m 3 Cp材料的比定壓熱容J /k gK 通過對上述方程等價(jià)泛函變分的溫度場進(jìn)行 離散可以求得有限元半離散化方程再經(jīng)過一 系列的推導(dǎo)最終得到 式中 F t - t為已知的初始溫度場 因此求 出 t時(shí)刻的溫度場 T t 再把 t + t代替式中的 t 就可解出 t + t時(shí)刻的溫度場如此類推 就可求出時(shí)間間隔為 t的各個(gè)時(shí)刻的溫度場 2 邊界元法B E M 由于模具型腔表面和邊界條件都很復(fù)雜冷 卻過程是瞬態(tài)的導(dǎo)熱過程應(yīng)用中要做如下的 簡化 穩(wěn)態(tài)代替瞬態(tài)忽略周期性溫度波動(dòng) 以一個(gè)循環(huán)中某點(diǎn)的平均值代替該點(diǎn)的溫度假 定注塑成型操作是在標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行的不 考慮初始階段溫度變化 型腔內(nèi)熱流僅沿型腔表面方向傳播原 因在于注塑件是薄壁的制品 假定模具材料是各向同性 簡化后的數(shù)學(xué)模型 相對應(yīng)的邊界條件 式中 123分別對應(yīng)不同的邊界條 件如其中模具與空氣工作臺(tái)面及注塑機(jī)噴嘴 接觸的表面作為第一類邊界條件屬于 1將溫 _ 度視為恒定且等于大氣溫度T 邊界條件2用于 具有對稱結(jié)構(gòu)的模具在其對稱面上熱流量為零 即溫度的法向梯度 視為第二類邊界條 件因?qū)ΨQ面僅分析模具的一半模具的對稱面 便成其為模具邊界的一部分第三類邊界條件 對應(yīng)著型腔邊界和冷卻管道邊界 2 軟件簡介 目前國際上具有代表性的商品化軟件有美 國原 A c T e c h 公司被 M o l d f l o w 公司并購?fù)?出的注塑模 C A E軟件 C - M O L D 澳大利亞 M o l d f l o w公司的注塑模 C A E軟件 M F 德國 I K V研 究所的 C A D / C A E軟件 C A D M O U L D 國內(nèi)有華 中科技大學(xué)的注塑模H S C A E 鄭州大學(xué)的Z - m o l d 等 C A E 軟件是在模具加工之前在計(jì)算機(jī)上對 整個(gè)注塑成型過程進(jìn)行模擬分析包括填充保 壓冷卻翹曲纖維取向結(jié)構(gòu)應(yīng)力收 10D i e a n d M o u l d T e c h n o l o g y N o . 1 2 0 0 6 及氣輔成形和熱固性材料流動(dòng)分析找出可能出 現(xiàn)的缺陷提高一次試模的成功率使生產(chǎn)廠家 實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量低成本短周期的目標(biāo)如M o l d f l o w 軟件其包括的主要模塊是 1 M F / F l o w流動(dòng)分析模塊 2 M F / C o o l 冷卻分析模塊 3 M F / W a r p翹曲分析模塊 4 M F / S t r e s s 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析模塊 5 M F / S h r i n k 模腔尺寸分析模塊 6 M F / O p t i m 注塑機(jī)參數(shù)優(yōu)化模塊 7 M F / G a s氣體輔助注塑模塊 8 M F / F i b e r 塑件纖維取向分析模塊 9 M F / T s e t s 熱固性塑料的流動(dòng)和融合分析 模塊 主要用到的是流動(dòng)分析模塊冷卻分析模 塊翹曲分析模塊其作用是 M F / F l o w流動(dòng)分析模塊用來分析聚合物在 模具中的流動(dòng)并且優(yōu)化模腔的布局材料的選 擇填充和保壓的工藝參數(shù)可以在產(chǎn)品允許的 強(qiáng)度范圍內(nèi)和合理的充模情況下減少模腔的壁 厚讓熔接線和氣泡處于結(jié)構(gòu)和外觀允許的位置 上并且定義一個(gè)范圍較寬的工藝條件 M F / C o o l 冷卻分析模塊用來分析冷卻系統(tǒng)對 流動(dòng)過程的影響優(yōu)化冷卻管路的布局和工作條 件M F / C o o l 和M F / F l o w 相結(jié)合可以得到十分 完美的動(dòng)態(tài)的注塑過程分析這樣可以改善冷卻 管路的設(shè)計(jì)從而產(chǎn)生均勻的冷卻并由此縮短 成形后的內(nèi)應(yīng)力 M F / W a r p翹曲分析模塊用來分析整個(gè)塑件 的翹曲變形包括線性線性彎曲和非線性 同時(shí)指出產(chǎn)生翹曲的主要原因以及相應(yīng)的補(bǔ)救措 施 3 設(shè)計(jì)分析實(shí)例 下面用 M o l d f l o w 的冷卻分析功能對一實(shí)例 進(jìn)行冷卻管道的最優(yōu)化設(shè)計(jì) 一般先用P r o / E U G 等造型功能強(qiáng)大的軟件 繪三維圖輸出為 S T L格式然后再在 C A E軟 件中打開進(jìn)行分析 此零件為一圓形蓋圖1外圓要與其它零 圖 1零件圖 件有很好配合表面質(zhì)量要求較高零件主要尺 寸為外圓直徑 5 8 m m 內(nèi)圓直徑 1 0 m m 壁厚 3 . 2 m m 凸臺(tái)外徑 2 8 m m 高度 3 . 2 m m 澆口選 在內(nèi)圓側(cè)壁以保證外表質(zhì)量此零件厚度較 薄且沒有加強(qiáng)筋在高溫注射條件下很容易 產(chǎn)生零件形狀的變形為了能縮短冷卻時(shí)間提 高生產(chǎn)效率希望在模具上開冷卻管道同時(shí)希 望通過冷卻介質(zhì)與零件的熱交換使零件各處在 注射時(shí)的溫度比較均勻盡量減少其變形量及其 它缺陷現(xiàn)冷卻管道設(shè)計(jì)方案有兩種如圖 2 圖 3 所示冷卻管道1 是動(dòng)定模上各由二條直管 道聯(lián)連而成冷卻管道2 是動(dòng)定模上各由三條直 管道聯(lián)接而成其它設(shè)計(jì)和注射條件均相同冷 卻管道直徑 8 m m 距零件表面 1 2 m m 塑件材料 為聚丙烯P P模具材料為 4 5 #鋼 冷卻介質(zhì) 為水其入口溫度為 2 0流速為 5 m / s 料溫 2 3 5 等先作一般的分析由于澆口開在內(nèi)圓 側(cè)壁冷卻管道 1 入口比冷卻管道 2 入口更接近 澆口這對溫度最高的澆口位置冷卻效果好且 冷卻管道1 長度較短使冷卻介質(zhì)在模內(nèi)升溫較 低由于冷卻管道2 長度較長使熱交換面積增 大還可看出冷卻管道 2在零件上的分布較均 勻上述可見冷卻管道 1 和冷卻管道2 在對模 具降溫方面使零件各處在注射時(shí)的溫度比較均 勻方面各自有其有利的因素根據(jù)上述分析難 以選擇冷卻系統(tǒng)且選擇冷卻系統(tǒng)時(shí)還有許多其 它因素必須考慮用C A E 軟件進(jìn)行分析便能得 模 具 技 術(shù) 2 0 0 6 . N o . 111 到一個(gè)已經(jīng)量化的非常準(zhǔn)確的結(jié)果然后再進(jìn) 行綜合考慮就能夠得到一個(gè)整體效果非常優(yōu)化 的方案由于零件小模具可設(shè)計(jì)成多型腔但 為避免圖形復(fù)雜便簡化設(shè)計(jì) 主要分析過程如下 用C A E 軟件先將兩種冷卻系統(tǒng)在生產(chǎn)率最 大注射壓力充模效果冷卻效果氣泡與熔接 縫等缺陷的多少和分布應(yīng)力的大小和分布等方 面產(chǎn)生的效果一一分析出由于其它條件不變 冷卻系統(tǒng)的不同對這些方面影響不大文章篇幅 有限結(jié)果不予列出在這種情況下繼續(xù)考 慮在其它方面的影響 翹曲是塑料平板件注射過程中需要非常注意 的問題零件的形狀注射壓力的大小注射時(shí) 零件溫度的高低及其分布情況等因素對翹曲都影 響很大利用 C A E軟件對塑件在上述兩種冷卻 管道條件下進(jìn)行翹曲分析其它條件不變結(jié) 果如圖 4 圖 5所示 從上面分析結(jié)果可看出冷卻管道2 的翹曲 變形量相對冷卻管道 1有較大減小最大值由 0 . 5 9 9 m m 降為 0 . 4 0 1 3 m m 由于兩種冷卻系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)不同造成零件各處的溫度壓力不同冷 卻管道2 整體上使各處溫度壓力更趨均勻從 而使翹曲變形小綜合考慮可選擇冷卻管道 2 4 結(jié)束語 對于冷卻系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)需要確定冷卻介 質(zhì)流通回路的布排模具材料的選擇冷卻介質(zhì) 的用量入口溫度流速及其流道的尺寸等對 于形狀復(fù)雜的零件流道的布排方式就有許多 種加上與其它因素的組合需要考慮的方式就 很多了若完全依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)并在試模過程中 再修改將花費(fèi)大量的人力物力和時(shí)間而且 很可能造成模具的報(bào)廢 C A E 技術(shù)的應(yīng)用將計(jì)算機(jī)的快速性準(zhǔn)確性 及信息高度集成性和工程技術(shù)人員的創(chuàng)造思維 綜合分析能力充分結(jié)合從而大大縮短產(chǎn)品的設(shè) 計(jì)制造周期提高產(chǎn)品的質(zhì)量增加企業(yè)的競 圖 4翹曲分布圖冷卻管道 1 圖 5翹曲分布圖冷卻管道 2 圖 2冷卻管道 1 圖 3冷卻管道 2 下轉(zhuǎn)第 2 1 頁 模 具 技 術(shù) 2 0 0 6 . N o . 121 拉深再外面是供卷邊的凸緣在拉深過程中 反向拉深可以起拉深筋的作用但它在正向拉深 的后期才進(jìn)行前期不起作用若兩者要同步進(jìn) 行則二個(gè)方向拉深的高度要一致而反向拉深 的高度過高會(huì)過大地增大毛坯的徑向拉應(yīng)力導(dǎo) 致坯料過大的變薄或破裂同時(shí)較高的錐形拉深 也增加了起皺的危險(xiǎn)另一方面切邊必須在反向 拉深開始時(shí)進(jìn)行若拉深的高度較高會(huì)重新造 成凸緣周邊不勻不利于卷邊工序的進(jìn)行這個(gè) 高度以不超過 1 0 m m為宜因此本復(fù)合模不適 宜較深的球形和較高的錐形的同時(shí)拉深 淺球形拉深而且 D9固然起皺還 是主要矛盾但其拉深深度很淺材料變形程度 不大防皺相對于半球形拉深會(huì)容易很多這時(shí) 可附加一定寬度的凸緣并用適當(dāng)?shù)膲哼吜?用帶拉深筋的模具就可以達(dá)到防皺的目的 2 本零件的反向低錐形拉深和外圈的凸緣為防 止起皺提供了一定的條件復(fù)合模的壓邊圈可 以調(diào)整到足夠大的壓力作用在凸緣上起到防 皺的效果另一方面反向低錐形拉深的高度比 正向拉深低很多起皺危險(xiǎn)很小但易產(chǎn)生回彈 2 不過它在正向拉深的后期才開始兩者同時(shí) 結(jié)束在這段時(shí)間它可以起拉深筋的作用使材 料徑向拉應(yīng)力增大切向壓應(yīng)力減小既能防止 起皺又能提高拉深件的剛度減少回彈 3 因 此本