CAE技术在注射模设计中的应用

1引言

长期以来，我国的注射模设计主要依靠设计者的经验和直觉，通过反复试模、修模修正设计方案，缺乏科学依据，具有较大的盲目性，不仅使模具的生产周期长、成本高，而且质量也难以保证。对于大型精密、新结构产品，问题更加突出。随着塑料制品应用的日益广泛，传统的注射模生产方式已不能适应现代社会发展对塑料制品产量、质量和更新换代速度的需求。多年来，人们一直期望能预测注射成型时塑料熔体在模具型腔中的流动情况及塑料制品在模具型腔内的冷却、固化过程，以便在模具制造之前就能发现设计中存在的问题，修改图纸而不是返修模具。注射模CAE技术的出现，使人们的这一愿望能变为现实。

注射模CAE技术就是根据塑料加工流变学和传热学的基本理论，建立塑料熔体在模具型腔中的流动、传热的物理数学模型，利用数值计算理论构造其求解方法，利用计算机图形学技术在计算机屏幕上形象、直观地模拟出实际成型中熔体的动态充填、冷却过程，定量地给出成型过程的状态参数(如压力、温度、速度等)。利用注射模CAE技术可存樟具制造之前，在计算机上对模具设计方案进行分析和模拟来代替实际的试模，预测设计中潜在的缺陷，突破了传统的在注塑机上反复试模、修模的束缚，为设计人员修改设计提供科学的依据。CAE技术的应用带来的直接好处是省时省力，减少试模、修模次数和模具报废率，缩短模具设计制造周期，降低成本提高产品质量。

80年代以来，在国际市场上出现了一些商品化的注射模CAE软件，如美国AC Teclrnology公司的C-MOLD、澳大利亚MF公司的Mold Flow等，并用于指导实际生产，取得了显著的经济效益。国内是在“八五”期间才开始注射模CAE技术的研究、开发工作，近年来也陆续出现了一些具有自主版权的实用化注射模CAE软件，如郑州工业大学国家橡塑模具工程研究中心开发的Z一MOLD等。CAE软件只是一种辅助分析的工具，因此，和其它工具一样，能否做到物尽其用取决于用户的使用水平。尽管关于注射模设计和介绍注射模CAE技术的文献很多，但如何将CAE分析结果用于指导模具设计方面的文献并不多见。以下通过一些典型的CAE分析示例来说明如何用CAE技术解决模具设计中出现的问题。

2 流动分析及其在模具设计中的应用

流动分析的目的是预测熔体流经流道浇口填充型腔的过程。通过流动模拟，可帮助优化产品和型腔设计，确定合理的浇口和流道，预测所需的注射压力和锁模力，发现可能出现的缺陷。由于塑料熔体的非牛顿特性和流动过程的非等温性、非稳态性，导致熔体充模流动过程模拟相当困难，必须借助于数值方法来实现。

流动分析的方法主要有两种:一种是分支流动法，它以一维流动分析为基础，把三维塑件从几何上分解成一系列由一维流动单元串联组成流动路径，在计算过程中，利用迭代计算，在满足各流动路径的流量之和等于总的注射量条件下，使各流动路径压力降相等。这种方法计算时间短，但难以分析形状复杂的塑件。另一种是流动网络法，它的基本思想是将整个型腔划分为网格，并形成相应于各节点的体积单元，建立节点压力和流入节点体积单元流量之间的关系，得到一组以各节点压力为变量的控制方程，并且根据节点体积单元的充填状况更新流动前沿。目前，流动分析普遍采用广义Hel。一Shaw流动模型，利用有限元/有限差分法混合来祸合求解控制方程，它基本上沿用流动网络法基本思想，利用控制体积法建立压力场求解的有限元方程，并对时间和沿厚度方向差分，建立温度场求解的能量方程，以实现注射模充填过程的动态模拟。

2.1 流动分析在模具型腔设计中的应用

对于形状复杂的注射模型腔，产品形状及其厚度的变化都会影响到它的充填模式。不同区域的充填信息以及关于缺料、熔接线、气穴位置等信息对型腔设计至关重要。为了得到这些信息，传统的方法都是利用实验模具或真实模具经过一次次的“缺料”注射来得到，而利用流动分析可以在产品的概念设计阶段得到型腔设计中的一些关键信息，如熔接线/熔合线和气穴位置、流动平衡程度、跑道效应、熔体的滞流和加速流动，任一时刻或任一充填体积下的充填状况等，利用这些分析结果，可判断如何修改产品以获得较佳的充填模式。
图1为一个带有筋条浅盒制品，侧壁和筋条厚度为3mm，底板厚度为1 .5 mm，从底部中心进料，其充填模式见图la，该设计在产品的底部形成了气穴，原因主要是由于壁厚变化所引起的非均匀流动(跑道效应)收敛所致，如果该处的空气无法排出，会在产品底部形成焦痕，必须在气穴处设计一个顶出销使空气由顶出销孔逸出。同时可以通过改变浇口位置或制品厚度，尽量避免气穴出现在模具内部，而使气穴出现在产品的边缘或分模线处，空气可由模具间隙或外加的排气孔排出，图1b为底部厚度增加到3mm时分析结果。由此可以看出，熔体前沿均匀地向前推进，最终将气体全部挤到了产品的边缘，使气体从分型面排出，简化了模具结构。

2.2 流动分析在浇口设计中的应用

浇口的类型很多，一般常见的有侧浇口、点浇口、潜伏式浇口、扇形浇口、薄膜浇口等多种，根据其特性不同使用在不同场合，浇口一般都比较细小，因此流动阻力很大，细微的变化都会对塑料熔体的充填产生很大的影响。浇口设计主要包括浇口的数目、位置形状和尺寸的设计。浇口的数目和位置主要影响充填模式，而浇口的形状与尺寸主要影响熔体流动性质。浇口设计一方面应该保证提供一个快速、均匀、平衡、单一方向流动的充填模式，另一方面应该避免射流、滞流、凹陷等现象的发生。

滞流或滞流斑是由于聚合物熔体的停滞所引起的表面缺陷，当产品中有厚薄差异较大的区域时，塑料熔体会朝着较厚易填充的方向流动，较薄处的塑料熔体将会发生停滞不动的现象，必须等较厚区域全部充满后，塑料熔体才会回过头来充填较薄处。如果塑料熔体停滞时间过长，将会在停滞点冷却凝固进而造成短射或流动剪切应力急剧上升，而当凝固的熔体被推向制品表面时，将会在表面上形成滞流斑。利用流动分析可以发现滞流现象所在位置，通过修改浇口位置来改善这一现象，图2为一简单示例。

当浇口设置在A处(图2a)时，熔体将在薄壁处发生滞流现象。如果将浇口位置设在B处(图213)时，熔体将会首先充满厚壁处，然后加速充填薄壁处而不会发生滞流现象。因此为了避免滞流现象，一方面应该避免产品厚度的突变，另一方面浇口应该设置在易充填的厚壁区域并尽可能远离厚度突变区域。

流动平衡要求所有流动路径在同一时间被充满，否则会由于欠压或过压引起非均匀取向而产生残余应力；浇口位置和数目对于流动平衡影响很大，对于复杂制件，往往无法确定合适的浇口位置和数目以保证型腔内的流动平衡，利用流动分析，可以很快地预测到不同浇口位置和数目对流动平衡的影响。图3为1模两腔的洗衣机盖板产品。初始设计时(图3a)考虑到大盖板充填体积大，在大盖板上设置了两个浇口，小盖板上一个浇口，试模时发现大盖板已发生胀模而小盖板还未充满。利用流动分析也充分验证了这一点，究其原因是小盖板的结构复杂，流动阻力较大，充填困难，导致两个型腔中流动不平衡。根据流动分析结果，在小盖板上设置两个扇形浇口，而在大盖板上只设置一个浇口，使流动达到了平衡并使注射压力大大降低，如图3b所示。

在多浇口型腔模具中，经常会出现流动不平衡，熔接线位置不易改变等问题，利用阀浇口，可以控制每一浇口打开的时间，因此可以改变充填模式和熔接线位置。利用流动分析可以帮助设定不同阀浇口的打开时间以获得较好的充填模式和熔接线位置。图4给出了利用阀浇口设计来消除多浇口型腔模具中熔接线应用实例，图4a为开始时只有中心浇口打开，当熔体前沿到达两边浇口时(图4a状态)，再打开两边浇口，这时中心浇口可以关闭也可继续充填，图4b为最后充满状态。

2.3 流动分析在流道设计中的应用

流道主要用来将塑料熔体输送到各浇口，常用的流道形状有圆形、梯形、U型等。可以根据不同的场合及加工方便性而定。若以相同的截面面积来比较其流阻，则以圆形截面为最佳选择，但因需双面加工，加工难度及成本较大，一般用截面的水力学直径来比较其流阻大小，流道的截面尺寸和长度将影响其流阻的大小。如果流阻太大，会使注射压力大部分浪费在流道内，而降低型腔内压力降所占的比例；但如果减小流道阻力而任意增大流道尺寸，则会延长冷却时间，增加材料消耗。利用流动分析可以了解流道内的压力降与流量变化，如果不合适，修改后再重新分析，即可找到适当的流道尺寸。

流道的布置一般可以分为两类，一类是自然平衡流道布置，在这种布置中，流道的特征相同，熔体的流动是平衡的，每个型腔可以在相同的压力、温度条件下同时充满。另一类是非自然平衡流道布置。对于自然平衡流道布置，可以利用流动分析，按照流道设计原则通过改变各流道段的长度和截面尺寸，调整流道系统内的压力损失，使得充模压力最优。对于非自然平衡流道布置，利用流动平衡分析，调整主流道和各分支流道的长度和截面尺寸，使各型腔基本上同时充模以达到人工平衡布置。

图5为1模8腔非自然平衡流道设计，在各分支流道和流道采用相同的截面尺寸时，当注射速率较低时，由于熔体在首先遇到的浇口处发生滞流，导致最外边的型腔将首先充满。而当注射速率较高时，最里面的型腔将首先充满，如图5a，在给定的工艺条件下，利用流道平衡分析可以直接给出合理的浇道尺寸而使每个型腔同时充满，见图5b。

2.4　流动分析在模具设计中的其它应用

流动分析不仅能够得到总体的充填模式、熔接线与气穴位置，任意时刻型腔压力、温度等，而且还能够得到许多有用的信息如流动前沿面积(MFA)、锁模力、剪切应力和剪切速率等，这些信息也能够对模具设计提供很大的帮助。

MFA是指任意时刻熔体前沿面积的总和，它随着充填位置的变化而变化。浇口位置、流道尺寸等都会因影响充填而改变MFA。因此MFA可以用来检验流动平衡程度，流动愈平衡，则MFA变化愈小。对于给定的复杂塑件模具，可以利用流动分析得到的MFA曲线来帮助设计者比较不同流道及浇口设计，以找到最佳的平衡充填设计方案。

锁模力的计算是将型腔内各部位的熔体压力乘以该部位在开模方向的投影面积的计算结果的叠加而得到。锁模力会随着型腔的充填而逐渐变化，要降低锁模力的最大值，最重要的是设法降低充填所需压力，这可以利用流动分析来考虑型腔、流道、浇口的设计，熔体流动性愈好，需要的锁模力也就越小。

剪切应力和剪切速率的大小反映了熔体在流动过程中分子受力大小以及分子取向程度，如果分子承受过大的力，将会把分子链拉断而影响制品的机械性能，如果分子取向过大会产生残余应力而造成制品的变形。因此，每一种材料都有允许的剪切应力上限，利用流动分析可以检查剪切应力是否超过上限值，而修改设计使剪切应力最小也是模具设计的基本原则。

3 冷却分析与冷却系统设计

对热塑性塑料的注射成型，模具冷却时间占整个成型周期的2/3。冷却过程中熔融塑料发生固化，固化过程中放出的热量通过模具由冷却介质带走。该过程中模具型腔温度的高低及均匀性直接影响到塑件生产效率和质量。注射模的温度状态受多种因素的影响，但其控制和调节主要靠冷却系统来完成。冷却系统的设计参数包括:冷却管道的尺寸、连接关系及位置等几何参数和冷却介质的流量、进口温度等物理参数。一个高效、均衡的冷却系统可以缩短冷却时间，提高成型效率，并减少或避免塑件的残余应力，保证塑件的尺寸粘度和稳定性，提高塑件质量。在给定冷却系统设计参数后，注射模冷却分析软件即可预测出冷却介质的流动状态，模壁的温度分布及冷却时间等，为设计人员评话设计方案，优化冷却系统设计提供了先进实用的工具。图6为蓄电池盒(材料为PP)注射模的冷却系统几何模型，该蓄电池盒底部和侧壁厚度为5mm，中间隔板的厚度为2.5 mm。该产品模具为3板双分型面结构，从产品3个空腔底部的中心进料，模具材料为P20。该模具冷却系统由4条冷却水道组成，型腔上3条(环绕侧壁2条，底部1条)，型芯上1条(有3个翻水孔)。冷却分析所需的工艺参数为熔体温度240'C，冷却水温度40 0C，冷却水流量101/ min,脱模温度110 0C。图7和图8为由冷却分析得到的塑件壁厚方向的温差分布及冷却时间分布。

由图7可看出，该设计方案中，型芯与型腔的冷却并不均衡，每个空腔的角上温差最大(该处等值线最密)，由此产生的不平衡力矩将可能导致塑件翘曲。由于型芯冷却水管道中的Re已超过10 000，冷却介质已处于交流状态，增大型芯上翻水孔中的流量不能明显改善冷却效果。为改善冷却不平衡程度，只能在型芯上增设翻水孔或增大翻水孔直径并使翻水孔顶端靠近模壁，但冷却介质的流量也应按比例增加，以维持冷却介质的紊流状态，保证有效的换热。

从图8可以看出，由于厚度的差异，中间隔板较四周和底部冷却得快，收缩较小，冷却速率不同产生的收缩应力可能导致隔板的变形。此外由于要使箱体的底部和四周得到足够冷却，须延长冷却时间。为减小和避免隔板的变形，应减小不同部分冷却速率的差异，在此可通过减小箱体四周和底部的厚度来实现。如用加筋的办法在满足塑件刚度要求的条件下将厚度比从2:1减小到1.5:1，这样，不但可以改善产品质量，还可以明显缩短冷却时间，提高成型效率。

4 结束语

尽管CAE技术的出现使注射模设计从传统的经验和技艺走上科学化的道路，在一定程度上改变了注射模传统的生产方式，但需要指出的是，目前CAE技术并不能代替人的创造性工作，只能作为一种辅助工具帮助人去判断设计方案是否合理，还难以提供一个明确的改进方向和尺度，仍需通过反复交互(分析一修改一再分析)，才能将设计人员的正确经验体现到模具设计中去，而设计方案的确定在很大程度上仍需依靠设计人员的经验和水平。随着CAE技术研究的深入，人们正在致力于将优化技术与CAE技术有机结合起来，力图改变目前CAE分析仍“被动”依靠人的经验提供设计方案的局面，实现浇注、冷却系统的自动、优化设计，但目前尚无实用化的软件。

注射成型过程中，塑料熔体在模具型腔内的流动、传热过程是一个非常复杂的物理过程，非牛顿的塑料熔体在压力的驱动下通过流道、浇口向较低温度的型腔充填，熔体一方面由于模具传热而快速冷却，另一方面因高速剪切产生热量，同时伴随有熔体固化、体积收缩、分子取向和可能的结晶过程。此外，由于塑料熔体本构关系的非线性和型腔几何形状的复杂性，因此在对模具充填过程和冷却过程进行数值模拟时，需作适当简化，否则会使数值求解无法进行，或即使能进行但由于计算量太大，耗时过长，无法在工程实际中应用，为了充分地用好CAE软件，用户应尽可能多了解一些CAE软件所作的简化和假设，以便正确判断和解释分析结果。