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流动模拟技术在注塑成型设计中的应用

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塑料注射成型在塑料制品中占有很大比重,在传统的注射模设计及加工方法中,有些设计参数只能依靠有限的资料和经验确定,但塑料注射成型过程十分复杂,单纯依靠传统的经验设计和制造方法已很难满足生产质量要求。

 

注射模CAD/CAE/CAM的重点在于注射产品的造型、模具设计、绘图和数控加工数据的生成,而CAE包含的工程功能则更广泛。CAE将工程设计、试验、分析、文件生成以及制造贯穿于产品研制过程的每个环节,以指导和预测产品在构思和设计阶段的行为。CAD/CAE/CAM的集成化从根本上改变了传统的模具生产方式。采用几何造型技术,注射产品一般不必进行原型试验,产品形状能逼真地显示在计算机屏幕上,并能借助于弹性力学有限元软件对产品力学性能进行测定。CAD/CAE/CAM有以下几个优点:①提高生产率;②提高质量;③缩短周期;④有效地利用了有限地人才资源;⑤有利于技术资料储备,价值提高。

 

随着塑料注射成型CAE技术在模具、汽车、家用电器、仪器仪表等行业中的广泛应用,目前已有许多外国公司出售商品化的流动模拟软件,如澳大利亚的模具流动公司的M0LDFIDW,美国AC―TECH公司的C本文采用MPI模拟分析软件对某注塑件进行流动模拟分析,并以此为例介绍模具CAE技术在注塑模设计中的应用。此软件可以帮助模具设计人员解决以下问题:①通过最佳浇口位置分析,可以确定浇口的位置和数目;②预测熔接痕的位置,并通过比较确定更为合理的工艺参数,使熔接痕处在理想的位置;③预测可能存在的泡孔位置,以确定排气槽的开设位置;④优化成型工艺参数1模拟分析过程*:2002― 0卜21;基金项目:云南省自然科学基金资助项目(项目编号:2001E0016M)。

 

模具分析模型的建立为该零件的三维实体模型。由实体模型建立的该注塑件的有限元分析模型如所示,在分析中采用双层面网格形式,有限元分析模型数据为:面单元数=4256节点数=2126。浇口位置的确定及流动分析为了更清楚的说明应用CAE软件进行注塑流动分析的优越性,在本文分别对三种不同浇口位置进行分析,以做比较。

 

*ZY*125型号注塑机,其技术规格为:注射压力=119.00MPa;锁模力=92.00t.塑件所用材料为ABS,相关参数为:塑料熔融温度=230.00 *C;模具温度=60.00 *C为比较方便,三种浇口位置的最大充填压力、注塑时间取为相同值,即:最大充填压力=54.60MPa;注塑时间=5.00s.浇口居右(记为位置1)时的流动分析:实际注射时间= 5.09s;最大补缩压力=58.85MPa;塑料最大流动速率=1.32瓜3“;流动前锋最低温度=150.19 1;流动前锋最高温度=230.081.浇口居中(记为位置2),并做流动分析:实际注射时间=5.07s;最大补缩压力=60.45MPa;塑料最大流动速率=1.32m3/s;流动前锋最低温度=164.67C流动前锋最高温度=230. 3)浇口居左(记为位置3),做流动分析:实际注射时间=5.17s;最大补缩压力=119.00MPa;塑料最大流动速率=1.32心3”;流动前锋最低温度=146.17 1;流动前锋最高温度=230.24。流动模拟分析结果比较不同浇口位置产生的气泡在塑料熔体注射充填过程中,模腔内除了原有空气外,还有塑料含有的水分在注射温度下蒸发而成的水蒸气,塑料局部过热分解产生的低分子挥发性气体等。这些气体若不能通过排气系统顺利排出模腔,将会影响制品成型以及脱模后的质量。

 

在本文中,MPI分析软件预测出塑件在充填结束时可能产生气泡的区域。浇口位置不同,产生的气泡的数量和位置也不同。浇口居右(位置1)时,熔体先进入中间区域,大端部分最后充填,气泡大部分在大端底部不利于排出。浇口居中(位置2)时部分气泡可以在分型面处排出tM气泡数。明显减少浇iet口居左(位置3)时,气泡主要集中在与分型面垂直的平面上,也不利于排出。通过流动分析软件可预测气泡的位置并在设计时采取有效的措施。

 

不同浇口位置产生的熔接痕一般来说,熔接痕对制品强度有一定影响,并且在涂漆等后处理时,熔接痕位置处较难处理,所以必须缩短熔接痕的长度。

 

CAE分析软件在分析结果中分别给出了三种浇口位置的熔接痕的数量及分布。从结果可以看出当浇口居右(位置1)时,在大端侧边缘处的熔接痕数量增多,长度增加,因为熔体充填型腔时,流程长,压力损失大,流动前锋温度下降多(由分析可知,流动前锋温度降低了80.61*C),熔接痕处力学性能较差。浇口居中(位置2)时,熔接痕主要位于塑件大端和小端的侧边缘处,但由于熔体流程短,压力、温度变化要比浇口在位置1处小(由分析可知,流动前锋温度降低了65.42*C),熔体熔接得良好。浇口居左(位置3)时,大端侧边缘及小端边缘处的熔接痕数量明显增多,因为熔体在充填型腔时流程长,压力、温度降低得很多(由分析可知,流动前锋温度降低了84.07*C),所以熔接痕处力学性能差。

 

填充质量浇口居右(位置1)时,型腔充满,填充质量较好,但由于熔接痕力学性能差,会影响塑件的强度。浇口居中(位置2)时,型腔充满,填充质量良好,塑件质量良好。浇口居左(位置3)时,小端部分最后并未充满,充填体积为94.63%由以上的分析结果看到,浇口居左和浇口居右两种条件下注塑补缩压力相差很大。这主要是因为在型腔充填结束后,注射压力(此时也称为补缩压力)的作用在于对模内熔体的压实。压实时的压力在生产中有时等于注射时所用注射压力的,有时也比较接近不同,如浇口居右时。当浇口居左时,由于大端部分先充满,所需填充压力增大,加上冷却作用,部分区域冷却凝固。而对于流动前锋而言,随着凝固层的增加,流动阻力增大,凝固层阻碍熔体流动致使型腔无法充满。为克服塑料流动阻力,注塑压力增大,在充填过程趋于结束时注塑压力突变至注塑机最大注塑压力。

 

实际生产验证在实际生产中,当浇口居左(位置3)时,会出现充填不满的现象,出现大量废品,这与模拟预测结果相一致。后经工厂工艺改进,浇口位置由位置3改到位置2附近,产品质量合格,模拟预测结果与生产结果相吻合。除此之外,模拟预测的气泡和熔接痕的位置也与实际生产相吻合。

 

结束语一直以来,塑料制品成型设计都是凭借一定的基础知识和工作经验制定的,设计方案的是否可行是在模具制造完成后,通过反复试模及返修而确定的。这样不仅生产率低,而且制品的成本也大大的提高了。流动模拟技术的目的在于预测塑料熔体充填型腔的过程,计算流道、浇口和型腔内的温度、压力、剪切应变速率及剪切应力的分布,并将结果以图表及着色图的形式显示出来。用户可以直接在屏幕上看到不同工艺条件、不同设计方案下的成型过程的差异,通过比较选择最佳的成型方案,并且可以从分析结果预测可能出现的成型缺陷,提出相应的对策,以减少试模、修模次数,缩短模具制造周期,降低成本提高产品质量。

 

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