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基于實體模型的塑料注射模CAE系統

作者:  信息來源:華中科技大學華塑軟件研究室  2006-2-12

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實踐證明,注射成型CAE技術對加快新產品開發、提高產品質量、降低成本起著關鍵作用,是支持企業確立競爭優勢的強有力的手段。20年來的實踐表明,縮短模具設計與制造周期、提高塑料制造精度與性能的正確途徑之一是采用CAD/CAE/CAM技術。注射模CAD/CAM技術的發展和推廣被公認為CAD技術在機械工業中應用的一個典范,各種應用軟...
在市場經濟條件下,產品的質量與成本已成為企業生存發展的生命線。實踐證明,注射成型CAE技術對加快新產品開發、提高產品質量、降低成本起著關鍵作用,是支持企業確立競爭優勢的強有力的手段。

塑料注射模計算機輔助技術應用現狀

隨著塑料工業的飛速發展,塑料注射模傳統的手工設計與制造已無法適應當前的形勢。20年來的實踐表明,縮短模具設計與制造周期、提高塑料制造精度與性能的正確途徑之一是采用CAD/CAE/CAM技術。80年代以來,注射模CAD/CAM技術已從實驗室研究階段進入了實用化階段,并在生產中取得了明顯的經濟效益。注射模CAD/CAM技術的發展和推廣被公認為CAD技術在機械工業中應用的一個典范,各種應用軟件百花齊放,正在向網絡化、微機化、智能化、集成化、三維化發展。

與注射模CAD/CAM技術蓬勃發展相比,CAE技術的推廣應用則明顯滯后,但是注射成型CAE軟件全面提升模具設計水準的顯著效果正逐漸為模具界所認識。目前的流動模擬CAE軟件都是采用基于“中性層”模型(Middle-Plane)的有限元/有限差分/控制體積法來分析,所謂中性層是假想的位于模具型腔和型芯中間的層面。基于這種型腔模型的CAE軟件在應用中具有很大的局限性,主要表現在:(1)CAE軟件的使用人員必須理解中性層的概念,用戶直接由產品模型構造中性層感到困難;(2)獨立開發的CAE系統造型功能往往很差,依據模腔的CAD模型自動生成中性層模型又十分困難,這極大地妨礙了CAE軟件的推廣和普及;(3)由于CAD、CAE軟件的模型不統一,二次建模不可避免。設計效率因此大打折扣,CAD、CAE的集成也不可能實現。考慮到上述的不足,華中科技大學模具技術國家重點實驗室成功開發了三維真實感流動模擬軟件HSCAE 3DRF,采用型腔的實體模型取代中性層模型,這一創新使得由現行的模具設計CAD系統產生的型腔模型可以直接應用于CAE軟件,突破了原有軟件的建模瓶頸。該軟件具有如下的顯著特點:(1)可以接受從任何CAD軟件(如Pro/E、UG、AutoCAD等)輸出的實體造型,無需任何修改;(2)屏蔽了工程師公認的難題:有限元網格劃分;(3)支持OpenGL,圖形顯示直觀、高效;(4)準確預測熔體的壓力場、溫度場、溶合紋、氣穴等,對產品及模具設計進行全方位的評估并提供解決方案;(5)操作界面十分簡便、友好,無需培訓

注射模流動模擬軟件的指導作用

注射模流動模擬軟件的指導意義十分廣泛,她是一種設計工具,能夠輔助模具設計者優化模具結構與工藝,指導產品設計者從工藝的角度改進產品形狀,選擇最佳成型性能的塑料,幫助模具制造者選擇合適的注射機,當變更塑料品種時對現有模具的可行性做出判斷,分析現有模具設計弊病。同時,流動軟件又是一種教學軟件工具,能夠幫助模具工作者熟悉熔體在型腔內的流動行為,把握熔體流動的基本原則。

熔體流動前沿動態顯示

三維流動模擬軟件能顯示熔體從進料口逐漸充滿型腔的動態過程,由此可判斷熔體的流動是否較理想的單項流形式(簡單流動)(復雜流動成型不穩定,容易出現次品)。各個流動分支是否在同時充滿型腔的各個角落(流動是否平衡)。若熔體的填充過程不理想,可以改變進料口的尺寸,數量和位置,反復運行流動模擬軟件,一直到獲得理想的流動形式為止。若僅僅是為了獲得較好的流動形式而暫不考察詳盡的溫度場,應力場的變化,或是初調流道系統,最好是運行簡易三維流動分析(等溫流動分析),經過幾次修改,得到較為滿意的流道設計后,再運行非等溫三維流動分析。

型腔壓力

在填充過程中最大的型腔壓力值能幫助判斷在指定的注射機上熔體能否順利充滿型腔(是否短射),何處最可能產生飛邊,在各個流動方向上單位長度的壓力差(又稱壓力梯度)是否接近相等(因為最有效的流動形式是沿著每個流動分支熔體的壓力梯度相等),是否存在局部過壓(容易引起翹曲)。流動模擬軟件還能給出在熔體填充模具所需的最大鎖模力,以便用戶選擇注射機。

熔體溫度

流動模擬軟件提供型腔內熔體在填充過程中的溫度場。可鑒別在填充過程中熔體是否存在著因剪貼發熱而形成的局部熱點(易產生表面黑點、條紋等并引起機械性能下降),判斷熔體的溫度分布是否均勻(溫差太大是引起翹曲的主要原因),判斷熔體的平均溫度是否太低(引起注射壓力增大)。熔體接合點的溫度還可幫助判斷熔合紋的相對強度。

剪切速率

剪貼速率又稱應變速率或者速度梯度。該值對熔體的流動過程影響甚大。實驗表明,熔體在剪貼速率為103S-1左右成型,制品的質量最佳。流道處熔體剪貼速率的推薦值約為5*102~5*103S-1,澆口處熔體剪貼速率的推薦值約為104~105S-1 。流動軟件能給出不同填充時刻型腔各處的熔體剪切速率,這就有助于用戶判斷在該設計方案下預測的剪切速率是否與推薦值接近,而且還能判斷熔體的最大剪切速率是否超過該材料所允許的極限值。剪切速率過大將使熔體過熱,導致聚合物降解或產生熔體破裂等弊病。剪切速率分布不均勻會使熔體各處分子產生不同程度的取向,因而收縮不同,導致制品翹曲。通過調整注射時間可以改變剪切速率。

剪切應力

剪切應力也是影響制品質量的一個重要因素,制品的殘余應力值與熔體的剪切應力值有一定的對應關系,一般,剪切應力值大,殘余應力值也大。因此總希望熔體的剪切應力值不要過大,以避免制品翹曲或開裂。根據經驗,熔體在填充型腔時所承受的剪切應力不應超過該材料抗拉強度的1%。

熔合紋/氣穴

兩個流動前沿相遇時形成熔合紋,因而,在多澆口方案中熔合紋不可避免,在單澆口時,由于制品的幾何形狀以及熔體的流動情況,也會形成熔合紋。熔合紋不僅影響外觀,而且為應力集中區,材料結構性能也受到削弱。改變流動條件(如澆口的數目與位置等)可以控制熔合紋的位置,使其處于制品低感光區和應力不敏感區(非“關鍵”部位)。而氣穴為熔體流動推動空氣最后聚集的部位,如果該部位排氣不暢,就會引起局部過熱、氣泡、甚至充填不足等缺陷,此時就應該加設排氣裝置。流動模擬軟件可以為用戶準確地預測熔合紋和氣穴的位置。

多澆口的平衡

當采用多澆口時,來自不同澆口的熔體相互匯合,可能造成流動的停滯和轉向(潛流效應),這時各澆口的充填不平衡,影響制品的表面質量及結構的完整性,也得不到理想的簡單流動。這種情況應調整澆口的位置。

流動模擬軟件在優化設計方案更顯優勢。通過對不同方案的模擬結果的比較,可以輔助設計人員選擇較優的方案,獲得最佳的成型質量。
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