基于CAE技术的注塑成型保压过程模拟分析

1、宋光明等基于CAE技术的注塑成型保压过程模拟分析安装使用维修文章编号:100522895(2003)0320084203基于CAE技术的注塑成型保压过程模拟分析宋光明1,2,张君3,董定福3(1.中国科学院合肥智能机械研究所,安徽合肥230031;2.中国科技大学自动化系,安徽合肥230026;3.合肥工业大学材料科学与工程学院,安徽合肥230009)摘要:保压过程是注塑成型的一个重要阶段,该阶段进行的好坏直接关系到塑件质量的好坏。文章对保压过程进行了简要介绍,并用注塑摸CAE中的Moldflow软件对保压过程进行模拟分析,调整和优化保压工艺参数,并针对保压过程不当造成塑件收缩不均匀的情况,提

2、出了有效的解决方案。关键词:CAE;注塑成型;保压过程中图分类号:TQ320.66文献标识码:A1前言CAE技术是门以CADCAM技术水平的提高为发展动力,以高性能计算机及图形显示设备的推出为发展条件,以计算力学中的边界元、有限元、结构优化设计及模态分析等方法为理论基础的新技术。其基本方法就是将某一项设计或者加工工作为初值,经过计算机的快速运算,对输入条件和模拟的模型进行评估,并确定修正措施,反复进行修正,直到取得满意的方案。注塑模CAE的商品化软件种类很多,较著名的有澳大利亚Moldflow公司的Moldflow,美国ACT公司的QuickFill,西德IKV的CAD2Mould,北京华正软

3、件工程研究所与美国ACT公司合作开发的CAXA2IPD等。注塑成型保压过程的CAE模拟是建立在对流动模拟的分析结果满意的基础上,利用部分流动分析结果进行的。注塑成型填充结束后,由于冷却作用,体积收缩,如果没有收稿日期:2002211214压力作用,塑料从熔融态转变为固态体积收缩量高达25%。为得到满意的制品,充填结束后仍需在较高的压力作用下向型腔继续注料,以弥补由于温度、压力变化造成的体积收缩,这个过程为保压过程。由于保压阶段冷却作用显著,温度、压力,熔体的密度、相态都发生变化,结晶型聚合物在转变温度附近结晶潜热的释放也对熔体的流动行为产生较大影响。该阶段进行的好坏对塑件的内部结构、性能、变形

4、和尺寸稳定性等都有很大影响。传统的方法是凭经验、直觉和反复试验来确定保压压力和保压时间等工艺参数,不仅浪费人力、物力,且延长了模具生产周期。借助注射模CAE技术,在计算机上模拟保压过程,可帮助模具设计人员迅速确定合理的保压压力和保压时间。2应用CAE技术优化保压工艺参数2.1最大保压压力及保压时间的确定保压阶段的两个关键的工艺参数是压力和时间。过高的保压压力会造成溢料和模具损伤,增加产品的残留应力;保压压力过低会造成补料不足,收缩过大。一般可用以下公式计算出允许的最大保压压力Pmax=塑件总投影面积(cm2)(1)100(0.50.8)(MPa)上式中锁模力为所用注射机的参数;数值100用作单

5、位转换;因数015(50%)使得保压压力取在注射机压力范围的中间,对于大型制件,保压压力取值有时接近于注射机压力的80%;塑件总投影面积可在流动模拟结果中得到。保压时间是指填充结束到塑件脱模所需的时间,可在流动模拟分析的结果中得到。一般来说,保压压力持续到浇口凝固后即可停止,太长的保压时间只是浪费能源。保压时间过短,浇口未凝固就停止保压,会造成型腔内的压力比流道内的压力大而发生逆流现象,使产品表面产生凹陷及残留作者简介:宋光明(1974-),男,黑龙江伊春人,现在中国科学院合肥智能机械研究所工作,系中国科学技术大学自动化系在读博士生,研究领域为智能传感器及传感器网络.84LightIndust

6、ryMachinery© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.宋光明等基于CAE技术的注塑成型保压过程模拟分析应力。2.2恒压与变压保压过程在上面的步骤中,可初步确定保压压力和时间,这时只能在计算机上进行恒压保压过程模拟,压力随时间变化的曲线形状如图1所示。由图中可见,在实际填充结束图2变压保压压力后,压力即刻增加到保压压力数值,随时间的变化图在保压和冷却过程中,压力始终保照塑料熔体填充的顺序,把塑件分持不变,冷却结束后,压力即刻减小为末端、中间、浇口三个区域,根据到零。在恒压保

7、压情况下,塑件料流对塑件不同区域收缩量的要求来进末端的区域体积收缩最大,浇口附行压力的调整。如要调整塑件末端近体积收缩小,最大收缩量与最小区域收缩量,压力可作如图3所示收缩量相差较大,造成塑件不均匀的变化。缩短恒定压力作用的时间,变形,且浪费能源。从恒压保压的模塑件末端收缩量增大;加长恒定压拟结果可得到料流末端冷却到不流力作用的时间,塑件末端收缩量减动温度所需的时间和浇口部位冷却小。如要调整浇口附近的收缩量,对到最佳顶出温度所需时间,然后把压力可作如图4所示的调整。压力保压压力变化曲线调整为如图2所衰减速度变慢,降低浇口附近的收示,重新模拟保压过程。图2中在实缩量;衰减速度变快,增大浇口附近际

8、填充结束后,压力即刻增加到保的收缩量;如要调整塑件中间区域压压力数值,把保压期间分为恒压的收缩量,压力的调整如图5所示。和衰减两个阶段,待料流末端冷却把压力的衰减过程分为两段,如果到不流动温度时,保压压力从恒压压力调整为图5中的增加,则降低状态开始变为衰减状态,直到塑件塑件中间区域的收缩量;减小,提高浇口部位冷却到最佳顶出温度时,中间区域的收缩量。实际上,每一次压力降低到零,在无压力的状态下调整工艺参数都会影响其它还未冷塑件再冷却一段时间。在这种变压凝的区域,只是影响程度相对小一保压情况下,塑件的各个区域几乎些。一般应先调整塑件末端区域的是处于相同压力下逐渐冷却到浇口收缩量,如果有必要,再调整

9、浇口附冷凝,因此塑件体积收缩较均匀。近区域,最后调整中间区域。图1恒压保压压力图3调整恒压作用时间随时间的变化图3实例分析2.3保压压力的调整保压过程模拟是以流动模拟为若对结果不满意,可调整保压基础,利用流动模拟的结果确定相过程的工艺参数,重新进行保压过关的工艺参数。采用Moldflow软程模拟,直到结果满意为止。如果按件,对尺寸为60mm×20mm×轻工机械2003年第3期© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.安装使用维修图4调整压力衰减速度图5分段衰减速

10、度斜率mm的塑料片体进行保压过程的模拟分析,材料为ASAHI公司的ABS2301塑料,其不流动温度为160,最佳顶出温度为107。利用流动模拟的结果可知塑件从填充结束到脱模所需的时间,用公式(1)计算出最大允许的保压压力,进行恒压下的保压过程模拟。塑件体积收缩结果如图6所示,体积收缩量从3157%到5185%,料流末端到浇口部位色带较多,说明塑件收缩是不均匀的,易发生翘曲变形。在划分好有限元单元网格的塑件上取A、B、C、D四点,点的位置如图7所示,A点在浇口部位,B、C两点在塑件的中间区域,D点在塑件的料流末端。在模拟结果中可得这四点在整个保压冷却时间里压力2时间曲线如图8。四条曲线中,A点的

11、曲线与其它三条曲线相差最大,C、D两点的曲线相近,说明A、B、C、D四点在保压冷却过程中,压力的变化是不同的,因此造成收缩的不均匀分布。利用恒压保压模拟得出的结果,可查看塑件上各点在保压冷却过程中的温度2时间曲线,查出塑件末端冷却到不流动温度160及浇口部位冷却到最佳顶出温度10785宋光明等基于CAE技术的注塑成型保压过程模拟分析安装使用维修的时间。根据这些条件,分别确定恒压、衰减压力及冷却的时间,进行变压保压过程模拟,塑件体积收缩结果如图9所示,体积收缩量从2.89%到4.84%,与图6恒压保压下塑件的体积收缩图图10变压保压下四点的压力2时间曲线图可确定合理的保压压力和时间,降低生产周期

12、,使塑件体积收缩均匀,提高第一次试模的成功率。保压过程CAE技术已越来越多的受到人们的关注。参考文献:1申长雨.塑料模具计算机辅助工程M.恒压保压结果比较,缩小了范围。在图9等色图中,色带也较少,说明整个塑件收缩分布变得均匀了。在塑件上取与恒压条件下相同的A、B、C、D四点,在模拟结果中可得到这图7在塑件上取点的位置图四点的压力2时间曲线如图10所示。四条曲线中,因为A点在浇口附近,它的曲线形状与其它三条曲线有些差别,但与图8比较,差别变小郑州:河南科学技术出版社,1998.2伍保锋.CAE在塑料光学零件注射成型中的应用J.光学技术,1999,(4):84-87.3石洪明,骆志高.注塑模CAD

13、CAECAM的研究现状与发展方向J.江苏了,其它三条曲线形状相似,说明A、B、C、D四点几乎是在相同的压力下冷却的,因此,塑件收缩图8恒压保压下四点的压力2时间曲线图分布变得均匀了。在保压模拟结果中,还可查看塑件上各点的残留应力、冷凝百分比、瞬间温度、黏度、剪切速率、剪应力随时间的变化等一系列结果。4结束语保压条件影响塑件收缩的大小和分布,可接受的最大体积收缩量依赖于材料类型。应用CAE技术,理工大学学报,1998,(6):25-30.4勾治践,吴清文,卢锷.注射填充过程的计算机模拟J.光学精密工程,1999,(6):66-70.5申长雨,陈静波,刘春太,等.注射模保压过程的数值模拟和塑件的收

14、缩分析J.模具工业,2001,(5):48-53.6Cordillo,A.,ArizaD.,Sanchez2Soto,M.andMaspoch,M.LISHRINK2AGEPREDICTIONSOFINJECTIONMOULDEDPARTSINSEMI2CRYS2TALLINEPOLYMERS:EXPERIMEN2TALVERIFICATION(2):1281-1287.J.EmergingTechnologiesandFactoryAutomation,1999,图9变压保压下塑件的体积收缩图SimulationAnalysisofPackingProcessinPlasticInjecti

15、onMoldingBasedonCAETechnologySONGGuang2ming1,2,ZHANGJun3,DONGDing2fu3(1.HefeiPotentialEnergyMechanicalInstitute,ChineseAcademyofSciences,HefeiAnhui230031;2.AutomaticalDepartmentofChineseUniversityofScienceandTechnology,HefeiAnhui230026;3.SchoolofMaterialScienceandEngineering,HefeiUniversityofTechnol

16、ogy,Hefei230009,China)Abstract:Packingprocessisanimportantstageofplasticinjectionmolding.Itwilldirectlyaffectqualityoftheplasticpart.Theprocessisintroducedinthispaper.ItissimulatedoncomputerusingMoldfowsoftwareofComputerAidedEngineering(CAE).Packingprocessparametersareadjustedandoptimized.Someeffective.me