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[摘 要] 华中科技大学模具技术国家重点实验室与海尔模具有限公司合作，应用国产三维流动模拟软件HSCAE 3DRF，对海尔空调前面板的注射模具结构及工艺进行优化。通过几种方案的分析比较，获得了比较满意的成型效果。
关键词 塑料注射成型 CAE 优化设计
1 引言
塑料注射成型CAE软件的发展十分迅速，它全面提升模具设计水准的显著效果正逐渐为模具界所认识[1]，但目前的流动模拟软件都是基于“中性层”模型（所谓中性层是假想的位于模具型腔和型芯中间的层面）[2]，基于这种型腔模型的CAE软件在实际应用中具有很大的局限性，这主要是因为：（1）独立开发的CAE系统造型功能往往很差，依据模腔的CAD模型自动生成中性层模型又十分困难，这极大地妨碍了CAE软件的推广和普及；（2）由于CAD、CAE软件的模型不统一，二次建模不可避免，设计效率因此大打折扣，CAD、CAE的集成也不可能实现。最近，华中科技大学模具技术国家重点实验室成功开发了基于实体模型的三维真实感流动模拟软件HSCAE 3DRF，该软件可直接分析由模具设计CAD系统产生的模腔/产品实体模型，避免了中性层建模，使用十分方便。海尔模具有限公司利用该软件，对海尔空调网络柜机前面板进行了流动分析与优化设计，取得了良好的效果。
2 材料流变数据
塑料材料的流变参数对注射成型有重要影响，不同的性能参数将导致完全不同的模拟结果。同时，塑料材料的流变性又因品种不同、牌号不同、生产厂家不同、甚至批次不同而差异较大。因此，获得所用材料的准确的流变参数是使用CAE软件的前提条件。在流动模拟中，流变参数主要是确定聚合物的粘度η与熔体压力（P）、温度（T）、剪切速率γ之间的关系，其数学模型为： （图片） 式中的（图片）为与材料相关的五个参数（β一般取为0）。
对于本制件所选用的两种材料ABS300和ABS透明，我们先用毛细管流变仪测定其流变数据，再利用HSCAE 3DRF提供的FITTER模块对这些数据进行处理与拟合，获得CAE分析中粘度模型的参数：
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分析及优化
3.1 初始方案分析（图片）
图1 初始方案及其流动前沿图 制件如图1所示，材料选用ABS透明，体积约1.3*106 mm3，外形尺寸853*500*130 mm，平均壁厚2.8mm。初始方案为在制件中间部位分布1个浇口（图1中以“A” 标注），注射时间为2.2 S，注射温度为240C，不采用分级注射。我们首先对初始方案进行模拟分析，从流动前沿的动态显示可以看出：熔体最后充填位置为“B”处（如图1所示），所需的注射压力达130.1MPa，超出了选定注射机的许可注射压力，可能会出现注射不足的情况。另外，软件还显示图中“B”处有熔接纹（见图中黑线），实物显示确实如此，且熔接纹十分明显。
3.2 方案优化分析
针对所需的注射压力过大的问题，我们尝试改用另一种ABS材料：ABS300，其他条件不变，CAE分析发现所需的注射压力有了较大下降，为94.6MPa。由此可见，材料参数对CAE软件的重要性，同时也验证了上一节所述的塑料材料的流变性因品种不同、牌号不同、生产厂家不同、甚至批次不同而差异较大的观点。
在改变材料的基础上，我们将浇口的设置由一个改为三个（由图1中的“A” 处改为图3中标注为“A”的位置），再次分析软件显示所需注射压力为55.8MPa，“B”处的熔接纹仍然存在。但实物显示此处的熔接纹虽仍存在却已不很明显，这主要是因为在初始方案中熔接纹的形成位置在熔体的最后充填位置，因此压力、温度较低，熔体到达时间也最迟，不利于聚合物分子链的熔合、扩散、缠结和局部应力的松弛；而改变浇口后，熔接纹位置离浇口近，因此压力、温度高，熔体到达时间早，有利于聚合物分子链的熔合、扩散、缠结和局部应力的松弛。压力的显著下降是因为改变浇口缩短了熔体的流动长度，提高了制品结构的可充填性。
分级注射由于具有很大的优越性并且易于实现，逐渐成为注射工艺调整的一个重要方面，其设计的基本原则是使整个注射过程中的流动前沿始终有比较一致的推进速度。模拟软件推荐的分级注射速度曲线如图2所示。采用了分级注射后，CAE软件显示所需注射压力进一步降低，为41.7MPa ，这主要是因为分级注射中注射速率在注射的后阶段有所下降。分级注射的另一个更重要的优点是在注射过程中熔体流动前沿的推进速度基本相同，这有利于制品的性能均匀一致。（图片）
图2 分级注射速度-注射体积曲线图 通过上述的对比分析，很容易看出最后一个方案有利于成型充模，遂采用此方案试模，取得成功。该方案的流动前沿与压力分布分别如图3、4所示。（图片）
图3 优化方案的流动前沿分布图 （图片）
图4 优化方案的压力分布图 4 结束语
利用CAE软件能够比较准确地对注射成型进行模拟分析，可以解决实际生产中的难题。HSCAE 3DRF软件由于可以接受从任何CAD软件（如Pro/E、UG、AutoCAD等）输出的实体造型，使得CAE中的建模变得十分容易，解决了模具界公认的阻碍CAE推广应用的瓶颈，因此可望获得较大程度的应用。
4/18/2005
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