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網絡柜機前面板注射成型的CAE優化

作者:  信息來源:青島海爾模具有限公司 楊曉志 燕立唐  2006-2-12

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[摘 要] 華中科技大學模具技術國家重點實驗室與海爾模具有限公司合作,應用國產三維流動模擬軟件HSCAE 3DRF,對海爾空調前面板的注射模具結構及工藝進行優化。 關鍵詞 塑料注射成型 CAE 優化設計 1 引言 塑料注射成型CAE軟件的發展十分迅速,它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[1],但目前的流動模...
[摘 要] 華中科技大學模具技術國家重點實驗室與海爾模具有限公司合作,應用國產三維流動模擬軟件HSCAE 3DRF,對海爾空調前面板的注射模具結構及工藝進行優化。通過幾種方案的分析比較,獲得了比較滿意的成型效果。
關鍵詞 塑料注射成型 CAE 優化設計

1 引言

塑料注射成型CAE軟件的發展十分迅速,它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[1],但目前的流動模擬軟件都是基于“中性層”模型(所謂中性層是假想的位于模具型腔和型芯中間的層面)[2],基于這種型腔模型的CAE軟件在實際應用中具有很大的局限性,這主要是因為:(1)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;(2)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。最近,華中科技大學模具技術國家重點實驗室成功開發了基于實體模型的三維真實感流動模擬軟件HSCAE 3DRF,該軟件可直接分析由模具設計CAD系統產生的模腔/產品實體模型,避免了中性層建模,使用十分方便。海爾模具有限公司利用該軟件,對海爾空調網絡柜機前面板進行了流動分析與優化設計,取得了良好的效果。

2 材料流變數據

塑料材料的流變參數對注射成型有重要影響,不同的性能參數將導致完全不同的模擬結果。同時,塑料材料的流變性又因品種不同、牌號不同、生產廠家不同、甚至批次不同而差異較大。因此,獲得所用材料的準確的流變參數是使用CAE軟件的前提條件。在流動模擬中,流變參數主要是確定聚合物的粘度η與熔體壓力(P)、溫度(T)、剪切速率γ之間的關系,其數學模型為:

式中的為與材料相關的五個參數(β一般取為0)。

對于本制件所選用的兩種材料ABS300和ABS透明,我們先用毛細管流變儀測定其流變數據,再利用HSCAE 3DRF提供的FITTER模塊對這些數據進行處理與擬合,獲得CAE分析中粘度模型的參數:

ABS300: B=4.0386E-01 Tb=4.9661E+03 Tau=1.7162E+04 n=0.3478;

ABS透明: B=3.1961E-05 Tb=1.0022E+04 Tau=1.355E+03 n=0.5664。

3 CAE分析及優化

3.1 初始方案分析


圖1 初始方案及其流動前沿圖

制件如圖1所示,材料選用ABS透明,體積約1.3*106 mm3,外形尺寸853*500*130 mm,平均壁厚2.8mm。初始方案為在制件中間部位分布1個澆口(圖1中以“A” 標注),注射時間為2.2 S,注射溫度為240C,不采用分級注射。我們首先對初始方案進行模擬分析,從流動前沿的動態顯示可以看出:熔體最后充填位置為“B”處(如圖1所示),所需的注射壓力達130.1MPa,超出了選定注射機的許可注射壓力,可能會出現注射不足的情況。另外,軟件還顯示圖中“B”處有熔接紋(見圖中黑線),實物顯示確實如此,且熔接紋十分明顯。

3.2 方案優化分析

針對所需的注射壓力過大的問題,我們嘗試改用另一種ABS材料:ABS300,其他條件不變,CAE分析發現所需的注射壓力有了較大下降,為94.6MPa。由此可見,材料參數對CAE軟件的重要性,同時也驗證了上一節所述的塑料材料的流變性因品種不同、牌號不同、生產廠家不同、甚至批次不同而差異較大的觀點。

在改變材料的基礎上,我們將澆口的設置由一個改為三個(由圖1中的“A” 處改為圖3中標注為“A”的位置),再次分析軟件顯示所需注射壓力為55.8MPa,“B”處的熔接紋仍然存在。但實物顯示此處的熔接紋雖仍存在卻已不很明顯,這主要是因為在初始方案中熔接紋的形成位置在熔體的最后充填位置,因此壓力、溫度較低,熔體到達時間也最遲,不利于聚合物分子鏈的熔合、擴散、纏結和局部應力的松弛;而改變澆口后,熔接紋位置離澆口近,因此壓力、溫度高,熔體到達時間早,有利于聚合物分子鏈的熔合、擴散、纏結和局部應力的松弛。壓力的顯著下降是因為改變澆口縮短了熔體的流動長度,提高了制品結構的可充填性。

分級注射由于具有很大的優越性并且易于實現,逐漸成為注射工藝調整的一個重要方面,其設計的基本原則是使整個注射過程中的流動前沿始終有比較一致的推進速度。模擬軟件推薦的分級注射速度曲線如圖2所示。采用了分級注射后,CAE軟件顯示所需注射壓力進一步降低,為41.7MPa ,這主要是因為分級注射中注射速率在注射的后階段有所下降。分級注射的另一個更重要的優點是在注射過程中熔體流動前沿的推進速度基本相同,這有利于制品的性能均勻一致。


圖2 分級注射速度-注射體積曲線圖

通過上述的對比分析,很容易看出最后一個方案有利于成型充模,遂采用此方案試模,取得成功。該方案的流動前沿與壓力分布分別如圖3、4所示。


圖3 優化方案的流動前沿分布圖


圖4 優化方案的壓力分布圖

4 結束語

利用CAE軟件能夠比較準確地對注射成型進行模擬分析,可以解決實際生產中的難題。HSCAE 3DRF軟件由于可以接受從任何CAD軟件(如Pro/E、UG、AutoCAD等)輸出的實體造型,使得CAE中的建模變得十分容易,解決了模具界公認的阻礙CAE推廣應用的瓶頸,因此可望獲得較大程度的應用。
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