1引言

長期以來，我國的注射模設(shè)計主要依靠設(shè)計者的經(jīng)驗和直覺，通過反復(fù)試模、修模修正設(shè)計方案，缺乏科學依據(jù)，具有較大的盲目性，不僅使模具的生產(chǎn)周期長、成本高，而且質(zhì)量也難以保證。對于大型精密、新結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，問題更加突出。隨著塑料制品應(yīng)用的日益廣泛，傳統(tǒng)的注射模生產(chǎn)方式已不能適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展對塑料制品產(chǎn)量、質(zhì)量和更新?lián)Q代速度的需求。多年來，人們一直期望能預(yù)測注射成型時塑料熔體在模具型腔中的流動情況及塑料制品在模具型腔內(nèi)的冷卻、固化過程，以便在模具制造之前就能發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，修改圖紙而不是返修模具。注射模CAE技術(shù)的出現(xiàn)，使人們的這一愿望能變?yōu)楝F(xiàn)實。

注射模CAE技術(shù)就是根據(jù)塑料加工流變學和傳熱學的基本理論，建立塑料熔體在模具型腔中的流動、傳熱的物理數(shù)學模型，利用數(shù)值計算理論構(gòu)造其求解方法，利用計算機圖形學技術(shù)在計算機屏幕上形象、直觀地模擬出實際成型中熔體的動態(tài)充填、冷卻過程，定量地給出成型過程的狀態(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，在計算機上對模具設(shè)計方案進行分析和模擬來代替實際的試模，預(yù)測設(shè)計中潛在的缺陷，突破了傳統(tǒng)的在注塑機上反復(fù)試模、修模的束縛，為設(shè)計人員修改設(shè)計提供科學的依據(jù)。CAE技術(shù)的應(yīng)用帶來的直接好處是省時省力，減少試模、修模次數(shù)和模具報廢率，縮短模具設(shè)計制造周期，降低成本提高產(chǎn)品質(zhì)量。

80年代以來，在國際市場上出現(xiàn)了一些商品化的注射模CAE軟件，如美國AC Teclrnology公司的C-MOLD、澳大利亞MF公司的Mold Flow等，并用于指導(dǎo)實際生產(chǎn)，取得了顯著的經(jīng)濟效益。國內(nèi)是在“八五”期間才開始注射模CAE技術(shù)的研究、開發(fā)工作，近年來也陸續(xù)出現(xiàn)了一些具有自主版權(quán)的實用化注射模CAE軟件，如鄭州工業(yè)大學國家橡塑模具工程研究中心開發(fā)的Z一MOLD等。CAE軟件只是一種輔助分析的工具，因此，和其它工具一樣，能否做到物盡其用取決于用戶的使用水平。盡管關(guān)于注射模設(shè)計和介紹注射模CAE技術(shù)的文獻很多，但如何將CAE分析結(jié)果用于指導(dǎo)模具設(shè)計方面的文獻并不多見。以下通過一些典型的CAE分析示例來說明如何用CAE技術(shù)解決模具設(shè)計中出現(xiàn)的問題。

2 流動分析及其在模具設(shè)計中的應(yīng)用

流動分析的目的是預(yù)測熔體流經(jīng)流道澆口填充型腔的過程。通過流動模擬，可幫助優(yōu)化產(chǎn)品和型腔設(shè)計，確定合理的澆口和流道，預(yù)測所需的注射壓力和鎖模力，發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的缺陷。由于塑料熔體的非牛頓特性和流動過程的非等溫性、非穩(wěn)態(tài)性，導(dǎo)致熔體充模流動過程模擬相當困難，必須借助于數(shù)值方法來實現(xiàn)。

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

2.1 流動分析在模具型腔設(shè)計中的應(yīng)用

對于形狀復(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、氣穴位置等信息對型腔設(shè)計至關(guān)重要。為了得到這些信息，傳統(tǒng)的方法都是利用實驗?zāi)＞呋蛘鎸嵞＞呓?jīng)過一次次的“缺料”注射來得到，而利用流動分析可以在產(chǎn)品的概念設(shè)計階段得到型腔設(shè)計中的一些關(guān)鍵信息，如熔接線/熔合線和氣穴位置、流動平衡程度、跑道效應(yīng)、熔體的滯流和加速流動，任一時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。
圖1為一個帶有筋條淺盒制品，側(cè)壁和筋條厚度為3mm，底板厚度為1 .5 mm，從底部中心進料，其充填模式見圖la，該設(shè)計在產(chǎn)品的底部形成了氣穴，原因主要是由于壁厚變化所引起的非均勻流動(跑道效應(yīng))收斂所致，如果該處的空氣無法排出，會在產(chǎn)品底部形成焦痕，必須在氣穴處設(shè)計一個頂出銷使空氣由頂出銷孔逸出。同時可以通過改變澆口位置或制品厚度，盡量避免氣穴出現(xiàn)在模具內(nèi)部，而使氣穴出現(xiàn)在產(chǎn)品的邊緣或分模線處，空氣可由模具間隙或外加的排氣孔排出，圖1b為底部厚度增加到3mm時分析結(jié)果。由此可以看出，熔體前沿均勻地向前推進，最終將氣體全部擠到了產(chǎn)品的邊緣，使氣體從分型面排出，簡化了模具結(jié)構(gòu)。

2.2 流動分析在澆口設(shè)計中的應(yīng)用

澆口的類型很多，一般常見的有側(cè)澆口、點澆口、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合，澆口一般都比較細小，因此流動阻力很大，細微的變化都會對塑料熔體的充填產(chǎn)生很大的影響。澆口設(shè)計主要包括澆口的數(shù)目、位置形狀和尺寸的設(shè)計。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性質(zhì)。澆口設(shè)計一方面應(yīng)該保證提供一個快速、均勻、平衡、單一方向流動的充填模式，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，當產(chǎn)品中有厚薄差異較大的區(qū)域時，塑料熔體會朝著較厚易填充的方向流動，較薄處的塑料熔體將會發(fā)生停滯不動的現(xiàn)象，必須等較厚區(qū)域全部充滿后，塑料熔體才會回過頭來充填較薄處。如果塑料熔體停滯時間過長，將會在停滯點冷卻凝固進而造成短射或流動剪切應(yīng)力急劇上升，而當凝固的熔體被推向制品表面時，將會在表面上形成滯流斑。利用流動分析可以發(fā)現(xiàn)滯流現(xiàn)象所在位置，通過修改澆口位置來改善這一現(xiàn)象，圖2為一簡單示例。

當澆口設(shè)置在A處(圖2a)時，熔體將在薄壁處發(fā)生滯流現(xiàn)象。如果將澆口位置設(shè)在B處(圖213)時，熔體將會首先充滿厚壁處，然后加速充填薄壁處而不會發(fā)生滯流現(xiàn)象。因此為了避免滯流現(xiàn)象，一方面應(yīng)該避免產(chǎn)品厚度的突變，另一方面澆口應(yīng)該設(shè)置在易充填的厚壁區(qū)域并盡可能遠離厚度突變區(qū)域。

流動平衡要求所有流動路徑在同一時間被充滿，否則會由于欠壓或過壓引起非均勻取向而產(chǎn)生殘余應(yīng)力；澆口位置和數(shù)目對于流動平衡影響很大，對于復(fù)雜制件，往往無法確定合適的澆口位置和數(shù)目以保證型腔內(nèi)的流動平衡，利用流動分析，可以很快地預(yù)測到不同澆口位置和數(shù)目對流動平衡的影響。圖3為1模兩腔的洗衣機蓋板產(chǎn)品。初始設(shè)計時(圖3a)考慮到大蓋板充填體積大，在大蓋板上設(shè)置了兩個澆口，小蓋板上一個澆口，試模時發(fā)現(xiàn)大蓋板已發(fā)生脹模而小蓋板還未充滿。利用流動分析也充分驗證了這一點，究其原因是小蓋板的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動阻力較大，充填困難，導(dǎo)致兩個型腔中流動不平衡。根據(jù)流動分析結(jié)果，在小蓋板上設(shè)置兩個扇形澆口，而在大蓋板上只設(shè)置一個澆口，使流動達到了平衡并使注射壓力大大降低，如圖3b所示。

在多澆口型腔模具中，經(jīng)常會出現(xiàn)流動不平衡，熔接線位置不易改變等問題，利用閥澆口，可以控制每一澆口打開的時間，因此可以改變充填模式和熔接線位置。利用流動分析可以幫助設(shè)定不同閥澆口的打開時間以獲得較好的充填模式和熔接線位置。圖4給出了利用閥澆口設(shè)計來消除多澆口型腔模具中熔接線應(yīng)用實例，圖4a為開始時只有中心澆口打開，當熔體前沿到達兩邊澆口時(圖4a狀態(tài))，再打開兩邊澆口，這時中心澆口可以關(guān)閉也可繼續(xù)充填，圖4b為最后充滿狀態(tài)。

2.3 流動分析在流道設(shè)計中的應(yīng)用

流道主要用來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。可以根據(jù)不同的場合及加工方便性而定。若以相同的截面面積來比較其流阻，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直徑來比較其流阻大小，流道的截面尺寸和長度將影響其流阻的大小。如果流阻太大，會使注射壓力大部分浪費在流道內(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，則會延長冷卻時間，增加材料消耗。利用流動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?shù)牧鞯莱叽纭?

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，熔體的流動是平衡的，每個型腔可以在相同的壓力、溫度條件下同時充滿。另一類是非自然平衡流道布置。對于自然平衡流道布置，可以利用流動分析，按照流道設(shè)計原則通過改變各流道段的長度和截面尺寸，調(diào)整流道系統(tǒng)內(nèi)的壓力損失，使得充模壓力最優(yōu)。對于非自然平衡流道布置，利用流動平衡分析，調(diào)整主流道和各分支流道的長度和截面尺寸，使各型腔基本上同時充模以達到人工平衡布置。

圖5為1模8腔非自然平衡流道設(shè)計，在各分支流道和流道采用相同的截面尺寸時，當注射速率較低時，由于熔體在首先遇到的澆口處發(fā)生滯流，導(dǎo)致最外邊的型腔將首先充滿。而當注射速率較高時，最里面的型腔將首先充滿，如圖5a，在給定的工藝條件下，利用流道平衡分析可以直接給出合理的澆道尺寸而使每個型腔同時充滿，見圖5b。

2.4　流動分析在模具設(shè)計中的其它應(yīng)用

流動分析不僅能夠得到總體的充填模式、熔接線與氣穴位置，任意時刻型腔壓力、溫度等，而且還能夠得到許多有用的信息如流動前沿面積(MFA)、鎖模力、剪切應(yīng)力和剪切速率等，這些信息也能夠?qū)δ＞咴O(shè)計提供很大的幫助。

MFA是指任意時刻熔體前沿面積的總和，它隨著充填位置的變化而變化。澆口位置、流道尺寸等都會因影響充填而改變MFA。因此MFA可以用來檢驗流動平衡程度，流動愈平衡，則MFA變化愈小。對于給定的復(fù)雜塑件模具，可以利用流動分析得到的MFA曲線來幫助設(shè)計者比較不同流道及澆口設(shè)計，以找到最佳的平衡充填設(shè)計方案。

鎖模力的計算是將型腔內(nèi)各部位的熔體壓力乘以該部位在開模方向的投影面積的計算結(jié)果的疊加而得到。鎖模力會隨著型腔的充填而逐漸變化，要降低鎖模力的最大值，最重要的是設(shè)法降低充填所需壓力，這可以利用流動分析來考慮型腔、流道、澆口的設(shè)計，熔體流動性愈好，需要的鎖模力也就越小。

剪切應(yīng)力和剪切速率的大小反映了熔體在流動過程中分子受力大小以及分子取向程度，如果分子承受過大的力，將會把分子鏈拉斷而影響制品的機械性能，如果分子取向過大會產(chǎn)生殘余應(yīng)力而造成制品的變形。因此，每一種材料都有允許的剪切應(yīng)力上限，利用流動分析可以檢查剪切應(yīng)力是否超過上限值，而修改設(shè)計使剪切應(yīng)力最小也是模具設(shè)計的基本原則。

3 冷卻分析與冷卻系統(tǒng)設(shè)計

對熱塑性塑料的注射成型，模具冷卻時間占整個成型周期的2/3。冷卻過程中熔融塑料發(fā)生固化，固化過程中放出的熱量通過模具由冷卻介質(zhì)帶走。該過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)來完成。冷卻系統(tǒng)的設(shè)計參數(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、進口溫度等物理參數(shù)。一個高效、均衡的冷卻系統(tǒng)可以縮短冷卻時間，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)計參數(shù)后，注射模冷卻分析軟件即可預(yù)測出冷卻介質(zhì)的流動狀態(tài)，模壁的溫度分布及冷卻時間等，為設(shè)計人員評話設(shè)計方案，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計提供了先進實用的工具。圖6為蓄電池盒(材料為PP)注射模的冷卻系統(tǒng)幾何模型，該蓄電池盒底部和側(cè)壁厚度為5mm，中間隔板的厚度為2.5 mm。該產(chǎn)品模具為3板雙分型面結(jié)構(gòu)，從產(chǎn)品3個空腔底部的中心進料，模具材料為P20。該模具冷卻系統(tǒng)由4條冷卻水道組成，型腔上3條(環(huán)繞側(cè)壁2條，底部1條)，型芯上1條(有3個翻水孔)。冷卻分析所需的工藝參數(shù)為熔體溫度240'C，冷卻水溫度40 0C，冷卻水流量101/ min,脫模溫度110 0C。圖7和圖8為由冷卻分析得到的塑件壁厚方向的溫差分布及冷卻時間分布。

由圖7可看出，該設(shè)計方案中，型芯與型腔的冷卻并不均衡，每個空腔的角上溫差最大(該處等值線最密)，由此產(chǎn)生的不平衡力矩將可能導(dǎo)致塑件翹曲。由于型芯冷卻水管道中的Re已超過10 000，冷卻介質(zhì)已處于交流狀態(tài)，增大型芯上翻水孔中的流量不能明顯改善冷卻效果。為改善冷卻不平衡程度，只能在型芯上增設(shè)翻水孔或增大翻水孔直徑并使翻水孔頂端靠近模壁，但冷卻介質(zhì)的流量也應(yīng)按比例增加，以維持冷卻介質(zhì)的紊流狀態(tài)，保證有效的換熱。

從圖8可以看出，由于厚度的差異，中間隔板較四周和底部冷卻得快，收縮較小，冷卻速率不同產(chǎn)生的收縮應(yīng)力可能導(dǎo)致隔板的變形。此外由于要使箱體的底部和四周得到足夠冷卻，須延長冷卻時間。為減小和避免隔板的變形，應(yīng)減小不同部分冷卻速率的差異，在此可通過減小箱體四周和底部的厚度來實現(xiàn)。如用加筋的辦法在滿足塑件剛度要求的條件下將厚度比從2:1減小到1.5:1，這樣，不但可以改善產(chǎn)品質(zhì)量，還可以明顯縮短冷卻時間，提高成型效率。

4 結(jié)束語

盡管CAE技術(shù)的出現(xiàn)使注射模設(shè)計從傳統(tǒng)的經(jīng)驗和技藝走上科學化的道路，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)計方案是否合理，還難以提供一個明確的改進方向和尺度，仍需通過反復(fù)交互(分析一修改一再分析)，才能將設(shè)計人員的正確經(jīng)驗體現(xiàn)到模具設(shè)計中去，而設(shè)計方案的確定在很大程度上仍需依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗和水平。隨著CAE技術(shù)研究的深入，人們正在致力于將優(yōu)化技術(shù)與CAE技術(shù)有機結(jié)合起來，力圖改變目前CAE分析仍“被動”依靠人的經(jīng)驗提供設(shè)計方案的局面，實現(xiàn)澆注、冷卻系統(tǒng)的自動、優(yōu)化設(shè)計，但目前尚無實用化的軟件。

注射成型過程中，塑料熔體在模具型腔內(nèi)的流動、傳熱過程是一個非常復(fù)雜的物理過程，非牛頓的塑料熔體在壓力的驅(qū)動下通過流道、澆口向較低溫度的型腔充填，熔體一方面由于模具傳熱而快速冷卻，另一方面因高速剪切產(chǎn)生熱量，同時伴隨有熔體固化、體積收縮、分子取向和可能的結(jié)晶過程。此外，由于塑料熔體本構(gòu)關(guān)系的非線性和型腔幾何形狀的復(fù)雜性，因此在對模具充填過程和冷卻過程進行數(shù)值模擬時，需作適當簡化，否則會使數(shù)值求解無法進行，或即使能進行但由于計算量太大，耗時過長，無法在工程實際中應(yīng)用，為了充分地用好CAE軟件，用戶應(yīng)盡可能多了解一些CAE軟件所作的簡化和假設(shè)，以便正確判斷和解釋分析結(jié)果。