1 概述

    注射模cae技術(shù)是以計(jì)算機(jī)模擬為手段分析塑料加工過(guò)程并完成模具優(yōu)化設(shè)計(jì)的塑料模具計(jì)算機(jī)輔助工程。它是進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、工程分析、仿真、試驗(yàn)等信息處理，并包含相應(yīng)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在內(nèi)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)綜合系統(tǒng)。

    塑料注射成型是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，非牛頓假塑性的高溫塑料熔體在壓力下通過(guò)澆注系統(tǒng)流向模具型腔，熔體由于模具中的冷卻系統(tǒng)而快速固化，同時(shí)伴隨熔體有剪切生熱、體積收縮、分子取向和結(jié)晶過(guò)程。因此全面深入理解注射成型需要高分子物理學(xué)、傳熱學(xué)、流變學(xué)以及成型工藝學(xué)等多方面的綜合知識(shí)。

    注射模CAE技術(shù)就是根據(jù)塑料加工流變學(xué)和傳熱學(xué)的基本理論，建立塑料熔體在模具型腔中的流動(dòng)、傳熱的物理數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值計(jì)算理論構(gòu)造其求解方法，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)在計(jì)算機(jī)屏幕上形象、直觀地模擬出實(shí)際成型中熔體的動(dòng)態(tài)充填、冷卻過(guò)程，定量地給出成型過(guò)程的狀態(tài)參數(shù)(如壓力、溫度、速度等)。利用注射模CAE技術(shù)可存樟具制造之前，在計(jì)算機(jī)上對(duì)模具設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析和模擬來(lái)代替實(shí)際的試模，預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)中潛在的缺陷，突破了傳統(tǒng)的在注塑機(jī)上反復(fù)試模、修模的束縛，為設(shè)計(jì)人員修改設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)。CAE技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)的直接好處是省時(shí)省力，減少試模、修模次數(shù)和模具報(bào)廢率，縮短模具設(shè)計(jì)制造周期，降低成本提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2 流動(dòng)分析及其在模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

    流動(dòng)分析的方法主要有兩種:一種是分支流動(dòng)法，它以一維流動(dòng)分析為基礎(chǔ)，把三維塑件從幾何上分解成一系列由一維流動(dòng)單元串聯(lián)組成流動(dòng)路徑，在計(jì)算過(guò)程中，利用迭代計(jì)算，在滿足各流動(dòng)路徑的流量之和等于總的注射量條件下，使各流動(dòng)路徑壓力降相等。這種方法計(jì)算時(shí)間短，但難以分析形狀復(fù)雜的塑件。另一種是流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)法，它的基本思想是將整個(gè)型腔劃分為網(wǎng)格，并形成相應(yīng)于各節(jié)點(diǎn)的體積單元，建立節(jié)點(diǎn)壓力和流入節(jié)點(diǎn)體積單元流量之間的關(guān)系，得到一組以各節(jié)點(diǎn)壓力為變量的控制方程，并且根據(jù)節(jié)點(diǎn)體積單元的充填狀況更新流動(dòng)前沿。目前，流動(dòng)分析普遍采用廣義Hel。一Shaw流動(dòng)模型，利用有限元/有限差分法混合來(lái)禍合求解控制方程，它基本上沿用流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)法基本思想，利用控制體積法建立壓力場(chǎng)求解的有限元方程，并對(duì)時(shí)間和沿厚度方向差分，建立溫度場(chǎng)求解的能量方程，以實(shí)現(xiàn)注射模充填過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬。

  2.1 流動(dòng)分析在模具型腔設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

    對(duì)于形狀復(fù)雜的注射模型腔，產(chǎn)品形狀及其厚度的變化都會(huì)影響到它的充填模式。不同區(qū)域的充填信息以及關(guān)于缺料、熔接線、氣穴位置等信息對(duì)型腔設(shè)計(jì)至關(guān)重要。為了得到這些信息，傳統(tǒng)的方法都是利用實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呋蛘鎸?shí)模具經(jīng)過(guò)一次次的“缺料”注射來(lái)得到，而利用流動(dòng)分析可以在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段得到型腔設(shè)計(jì)中的一些關(guān)鍵信息，如熔接線/熔合線和氣穴位置、流動(dòng)平衡程度、跑道效應(yīng)、熔體的滯流和加速流動(dòng)，任一時(shí)刻或任一充填體積下的充填狀況等，利用這些分析結(jié)果，可判斷如何修改產(chǎn)品以獲得較佳的充填模式。

  2.2 流動(dòng)分析在澆口設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

    澆口的類型很多，一般常見的有側(cè)澆口、點(diǎn)澆口、潛伏式澆口、扇形澆口、薄膜澆口等多種，根據(jù)其特性不同使用在不同場(chǎng)合，澆口一般都比較細(xì)小，因此流動(dòng)阻力很大，細(xì)微的變化都會(huì)對(duì)塑料熔體的充填產(chǎn)生很大的影響。澆口設(shè)計(jì)主要包括澆口的數(shù)目、位置形狀和尺寸的設(shè)計(jì)。澆口的數(shù)目和位置主要影響充填模式，而澆口的形狀與尺寸主要影響熔體流動(dòng)性質(zhì)。澆口設(shè)計(jì)一方面應(yīng)該保證提供一個(gè)快速、均勻、平衡、單一方向流動(dòng)的充填模式，另一方面應(yīng)該避免射流、滯流、凹陷等現(xiàn)象的發(fā)生。

    滯流或滯流斑是由于聚合物熔體的停滯所引起的表面缺陷，當(dāng)產(chǎn)品中有厚薄差異較大的區(qū)域時(shí)，塑料熔體會(huì)朝著較厚易填充的方向流動(dòng)，較薄處的塑料熔體將會(huì)發(fā)生停滯不動(dòng)的現(xiàn)象，必須等較厚區(qū)域全部充滿后，塑料熔體才會(huì)回過(guò)頭來(lái)充填較薄處。如果塑料熔體停滯時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，將會(huì)在停滯點(diǎn)冷卻凝固進(jìn)而造成短射或流動(dòng)剪切應(yīng)力急劇上升，而當(dāng)凝固的熔體被推向制品表面時(shí)，將會(huì)在表面上形成滯流斑。利用流動(dòng)分析可以發(fā)現(xiàn)滯流現(xiàn)象所在位置，通過(guò)修改澆口位置來(lái)改善這一現(xiàn)象。

  2.3 流動(dòng)分析在流道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

    流道主要用來(lái)將塑料熔體輸送到各澆口，常用的流道形狀有圓形、梯形、U型等?？梢愿鶕?jù)不同的場(chǎng)合及加工方便性而定。若以相同的截面面積來(lái)比較其流阻，則以圓形截面為最佳選擇，但因需雙面加工，加工難度及成本較大，一般用截面的水力學(xué)直徑來(lái)比較其流阻大小，流道的截面尺寸和長(zhǎng)度將影響其流阻的大小。如果流阻太大，會(huì)使注射壓力大部分浪費(fèi)在流道內(nèi)，而降低型腔內(nèi)壓力降所占的比例；但如果減小流道阻力而任意增大流道尺寸，則會(huì)延長(zhǎng)冷卻時(shí)間，增加材料消耗。利用流動(dòng)分析可以了解流道內(nèi)的壓力降與流量變化，如果不合適，修改后再重新分析，即可找到適當(dāng)?shù)牧鞯莱叽纭?/span>

    流道的布置一般可以分為兩類，一類是自然平衡流道布置，在這種布置中，流道的特征相同，熔體的流動(dòng)是平衡的，每個(gè)型腔可以在相同的壓力、溫度條件下同時(shí)充滿。另一類是非自然平衡流道布置。對(duì)于自然平衡流道布置，可以利用流動(dòng)分析，按照流道設(shè)計(jì)原則通過(guò)改變各流道段的長(zhǎng)度和截面尺寸，調(diào)整流道系統(tǒng)內(nèi)的壓力損失，使得充模壓力最優(yōu)。對(duì)于非自然平衡流道布置，利用流動(dòng)平衡分析，調(diào)整主流道和各分支流道的長(zhǎng)度和截面尺寸，使各型腔基本上同時(shí)充模以達(dá)到人工平衡布置。

3 冷卻分析與冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    對(duì)熱塑性塑料的注射成型，模具冷卻時(shí)間占整個(gè)成型周期的2/3。冷卻過(guò)程中熔融塑料發(fā)生固化，固化過(guò)程中放出的熱量通過(guò)模具由冷卻介質(zhì)帶走。該過(guò)程中模具型腔溫度的高低及均勻性直接影響到塑件生產(chǎn)效率和質(zhì)量。注射模的溫度狀態(tài)受多種因素的影響，但其控制和調(diào)節(jié)主要靠冷卻系統(tǒng)來(lái)完成。冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)包括:冷卻管道的尺寸、連接關(guān)系及位置等幾何參數(shù)和冷卻介質(zhì)的流量、進(jìn)口溫度等物理參數(shù)。一個(gè)高效、均衡的冷卻系統(tǒng)可以縮短冷卻時(shí)間，提高成型效率，并減少或避免塑件的殘余應(yīng)力，保證塑件的尺寸粘度和穩(wěn)定性，提高塑件質(zhì)量。在給定冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)后，注射模冷卻分析軟件即可預(yù)測(cè)出冷卻介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)，模壁的溫度分布及冷卻時(shí)間等，為設(shè)計(jì)人員評(píng)話設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了先進(jìn)實(shí)用的工具。

4 結(jié)束語(yǔ)

    盡管CAE技術(shù)的出現(xiàn)使注射模設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和技藝走上科學(xué)化的道路，在一定程度上改變了注射模傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，但需要指出的是，目前CAE技術(shù)并不能代替人的創(chuàng)造性工作，只能作為一種輔助工具幫助人去判斷設(shè)計(jì)方案是否合理，還難以提供一個(gè)明確的改進(jìn)方向和尺度，仍需通過(guò)反復(fù)交互(分析一修改一再分析)，才能將設(shè)計(jì)人員的正確經(jīng)驗(yàn)體現(xiàn)到模具設(shè)計(jì)中去，而設(shè)計(jì)方案的確定在很大程度上仍需依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和水平。

    同時(shí)cae技術(shù)分析是用高技術(shù)來(lái)改造傳統(tǒng)制造業(yè)，尤其是對(duì)于幾乎是單件生產(chǎn)的模具制造業(yè)，更是極為重要和關(guān)鍵的。它以數(shù)學(xué)模型為依據(jù)，在工程分析中的各個(gè)環(huán)節(jié)直接使用數(shù)字進(jìn)行信息傳遞。但由于各個(gè)軟件平臺(tái)開發(fā)的背景不同，使迄今為止的許多優(yōu)秀cae軟件都有其特定的應(yīng)用對(duì)象和范圍，充分利用各軟件之長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合和系統(tǒng)集成，這將成為一種趨勢(shì)。