1引言

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的注射模設(shè)計(jì)主要依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)，通過(guò)反復(fù)試模、修模修正設(shè)計(jì)方案，缺乏科學(xué)依據(jù)，具有較大的盲目性，不僅使模具的生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高，而且質(zhì)量也難以保證。對(duì)于大型精密、新結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，問(wèn)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(huì)發(fā)展對(duì)塑料制品產(chǎn)量、質(zhì)量和更新?lián)Q代速度的需求。多年來(lái)，人們一直期望能預(yù)測(cè)注射成型時(shí)塑料熔體在模具型腔中的流動(dòng)情況及塑料制品在模具型腔內(nèi)的冷卻、固化過(guò)程，以便在模具制造之前就能發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)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(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。

80年代以來(lái)，在國(guó)際市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些商品化的注射模CAE軟件，如美國(guó)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(shí)際生產(chǎn)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)是在“八五”期間才開(kāi)始注射模CAE技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)工作，近年來(lái)也陸續(xù)出現(xiàn)了一些具有自主版權(quán)的實(shí)用化注射模CAE軟件，如鄭州工業(yè)大學(xué)國(guó)家橡塑模具工程研究中心開(kāi)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(jì)和介紹注射模CAE技術(shù)的文獻(xiàn)很多，但如何將CAE分析結(jié)果用于指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)方面的文獻(xiàn)并不多見(jiàn)。以下通過(guò)一些典型的CAE分析示例來(lái)說(shuō)明如何用CAE技術(shù)解決模具設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題。

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

流動(dòng)分析的目的是預(yù)測(cè)熔體流經(jīng)流道澆口填充型腔的過(guò)程。通過(guò)流動(dòng)模擬，可幫助優(yōu)化產(chǎn)品和型腔設(shè)計(jì)，確定合理的澆口和流道，預(yù)測(cè)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(dòng)過(guò)程的非等溫性、非穩(wěn)態(tài)性，導(dǎo)致熔體充模流動(dòng)過(guò)程模擬相當(dāng)困難，必須借助于數(shù)值方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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。
圖1為一個(gè)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(jìn)料，其充填模式見(jiàn)圖la，該設(shè)計(jì)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(dòng)(跑道效應(yīng))收斂所致，如果該處的空氣無(wú)法排出，會(huì)在產(chǎn)品底部形成焦痕，必須在氣穴處設(shè)計(jì)一個(gè)頂出銷使空氣由頂出銷孔逸出。同時(shí)可以通過(guò)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(shí)分析結(jié)果。由此可以看出，熔體前沿均勻地向前推進(jìn)，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(jiǎn)化了模具結(jié)構(gòu)。

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(jiàn)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，圖2為一簡(jiǎn)單示例。

當(dāng)澆口設(shè)置在A處(圖2a)時(shí)，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(shí)，熔體將會(huì)首先充滿厚壁處，然后加速充填薄壁處而不會(huì)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(yuǎn)離厚度突變區(qū)域。

流動(dòng)平衡要求所有流動(dòng)路徑在同一時(shí)間被充滿，否則會(huì)由于欠壓或過(guò)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(duì)于流動(dòng)平衡影響很大，對(duì)于復(fù)雜制件，往往無(wú)法確定合適的澆口位置和數(shù)目以保證型腔內(nèi)的流動(dòng)平衡，利用流動(dòng)分析，可以很快地預(yù)測(cè)到不同澆口位置和數(shù)目對(duì)流動(dòng)平衡的影響。圖3為1模兩腔的洗衣機(jī)蓋板產(chǎn)品。初始設(shè)計(jì)時(shí)(圖3a)考慮到大蓋板充填體積大，在大蓋板上設(shè)置了兩個(gè)澆口，小蓋板上一個(gè)澆口，試模時(shí)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(dòng)分析也充分驗(yàn)證了這一點(diǎn)，究其原因是小蓋板的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動(dòng)阻力較大，充填困難，導(dǎo)致兩個(gè)型腔中流動(dòng)不平衡。根據(jù)流動(dòng)分析結(jié)果，在小蓋板上設(shè)置兩個(gè)扇形澆口，而在大蓋板上只設(shè)置一個(gè)澆口，使流動(dòng)達(dá)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(huì)出現(xiàn)流動(dòng)不平衡，熔接線位置不易改變等問(wèn)題，利用閥澆口，可以控制每一澆口打開(kāi)的時(shí)間，因此可以改變充填模式和熔接線位置。利用流動(dòng)分析可以幫助設(shè)定不同閥澆口的打開(kāi)時(shí)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(jì)來(lái)消除多澆口型腔模具中熔接線應(yīng)用實(shí)例，圖4a為開(kāi)始時(shí)只有中心澆口打開(kāi)，當(dāng)熔體前沿到達(dá)兩邊澆口時(shí)(圖4a狀態(tài))，再打開(kāi)兩邊澆口，這時(shí)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(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。可以根據(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?

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。

圖5為1模8腔非自然平衡流道設(shè)計(jì)，在各分支流道和流道采用相同的截面尺寸時(shí)，當(dāng)注射速率較低時(shí)，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(dāng)注射速率較高時(shí)，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(gè)型腔同時(shí)充滿，見(jiàn)圖5b。

2.4　流動(dòng)分析在模具設(shè)計(jì)中的其它應(yīng)用

流動(dòng)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(shí)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(dòng)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(jì)提供很大的幫助。

MFA是指任意時(shí)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(huì)因影響充填而改變MFA。因此MFA可以用來(lái)檢驗(yàn)流動(dòng)平衡程度，流動(dòng)愈平衡，則MFA變化愈小。對(duì)于給定的復(fù)雜塑件模具，可以利用流動(dòng)分析得到的MFA曲線來(lái)幫助設(shè)計(jì)者比較不同流道及澆口設(shè)計(jì)，以找到最佳的平衡充填設(shè)計(jì)方案。

鎖模力的計(jì)算是將型腔內(nèi)各部位的熔體壓力乘以該部位在開(kāi)模方向的投影面積的計(jì)算結(jié)果的疊加而得到。鎖模力會(huì)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(dòng)分析來(lái)考慮型腔、流道、澆口的設(shè)計(jì)，熔體流動(dòng)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(dòng)過(guò)程中分子受力大小以及分子取向程度，如果分子承受過(guò)大的力，將會(huì)把分子鏈拉斷而影響制品的機(jī)械性能，如果分子取向過(guò)大會(huì)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(dòng)分析可以檢查剪切應(yīng)力是否超過(guò)上限值，而修改設(shè)計(jì)使剪切應(yīng)力最小也是模具設(shè)計(jì)的基本原則。

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。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(gè)空腔底部的中心進(jìn)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(gè)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(shí)間分布。

由圖7可看出，該設(shè)計(jì)方案中，型芯與型腔的冷卻并不均衡，每個(gè)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(guò)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(zhǎng)冷卻時(shí)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(guò)減小箱體四周和底部的厚度來(lái)實(shí)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(shí)間，提高成型效率。

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。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(jī)結(jié)合起來(lái)，力圖改變目前CAE分析仍“被動(dòng)”依靠人的經(jīng)驗(yàn)提供設(shè)計(jì)方案的局面，實(shí)現(xiàn)澆注、冷卻系統(tǒng)的自動(dòng)、優(yōu)化設(shè)計(jì)，但目前尚無(wú)實(shí)用化的軟件。

注射成型過(guò)程中，塑料熔體在模具型腔內(nèi)的流動(dòng)、傳熱過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過(guò)程，非牛頓的塑料熔體在壓力的驅(qū)動(dòng)下通過(guò)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(shí)伴隨有熔體固化、體積收縮、分子取向和可能的結(jié)晶過(guò)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(duì)模具充填過(guò)程和冷卻過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，需作適當(dāng)簡(jiǎn)化，否則會(huì)使數(shù)值求解無(wú)法進(jìn)行，或即使能進(jìn)行但由于計(jì)算量太大，耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法在工程實(shí)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(jiǎn)化和假設(shè)，以便正確判斷和解釋分析結(jié)果。