塑料注塑成型过程中的流动优化

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1、塑料注塑成型过程中的流动优化作者：L.W.Seow,Y.C.Lam*摘要：对于塑件的注塑成型来说，模具和塑料零件的设计是非常复杂的过程。产品的生产需要考虑生产速度和生产成本以及人体工程学和美学的要求等多方面因素。设计师要面对的一个有关设计质量问题就是型腔的平衡过程。这需要控制在填充时的塑性流动，使熔体前沿在同一时间到达模具的边界。不断的调整各部分的厚度是一个繁琐的试验和不断调整误差的过程。本文描述了一种方法，即厚度调整过程可以实现自动化。优化程序是用来产生合适的厚度来平衡型腔。该方法实现了在PC机上与商业软件Moldflow通过接口的F

2、ortran代码相连接。使用该方法建立的几个基本的几何模型都取得了良好的效果。1.介绍注塑成型过程包括聚合物熔体注入一个模具然后熔体冷却凝固后形成塑料制品。一般来说这个过程包括充模、保压和冷却三个阶段。注塑成型的流行是因为以目前这种方式能够快速生产大量产品。仿真软件的引入对工业产生了重大的影响，在过去，更不了解注塑这个过程本身。事实上，它是只被少数的专家所认识的一个“黑色艺术”。然而，现在工程设计中越来越多地使用计算机，商用软件的市场占有量也不断增加。对于不同的用户，仿真软件可以模拟产生各种注塑过程的所有方面的结果。工厂传统的技术运行被

3、较少费用的计算机仿真模拟所代替。最近，塑料注塑成型的研究包括了越来越多的优化算法的论文，重点是在生成规范案列，以协助设计师在模具和零件设计中的工作。Lee和Kim用改进的复杂方法来优化厚度不同的表面以减少翘曲的程度，翘曲进一步降低来获得最佳的工艺条件。Pandelidis和Zou用质量函数定义了注入浇口的最佳位置，同时还包括一个质量功能：温度差异，过保压和摩擦加热。结合模拟退火法和爬山法是用来寻找最佳节点。过程变量如何进行优化，将在以后的文章中说明。基姆还研究了最佳浇口位置对翘曲、焊缝和焊线和缺口冲击强度的影响。一个密集的搜索程序，避免

4、了设计师首先选择一些不可行的浇口位置。根据节点使用的标准然后进行本地搜索，，以保证节点的质量。Jong和Wang描述了这个系统的优化设计。在本文中，提出的方法的重点是又来了减少失真的型腔平衡。通过平衡的流动，降低塑件的残余应力。除了节省材料和减少周期时间，也可以消除熔接痕和气泡的存在。1.1型腔平衡腔平衡仍然是一个很大程度上依赖于人类的相互作用和输入的区域。型腔平衡的主要目的是满足在等压的情况下前沿塑料熔体的流动在能够在同一时间到达模具的边界的设计标准。平衡流动对最终产品的质量至关重要，因为在填充过程中的不平衡流动往往导致翘曲变形。考虑

5、一个厚度均匀和中心镂空的矩形空型腔，如图1所示。图1.矩形模具的填充图案在熔融塑料被注入到模具中的填充阶段，扩大的循环流将首先填充顶部和底部的边缘。这些边缘将继续填充，然后熔融的材料再填充模具的角和边。其结果是，边缘之间的过保压和高的压力差，会导致最终产品的失真是不可取的。2.现行方法为了达到平衡的流量和满足设计标准的目的，在图1中的圆形流动前沿必须被改变为一个矩形的流动前沿，如图2所示。图2.矩形流动流到角落和较短的边缘（即离浇口越远）的速度必须加快。这是目前对导流和阻流进行的介绍。导流板的作用是通过在局部增加模具的厚度来使材料往特定

6、方向流动。相反的，一个导流板的作用是在局部减少模具厚度来让特定方向上抵抗材料流动。图1中材料流动困难一个可行的解决方案是使用导流角，如图3所示。图3.导流板优化流动示意图显然，型腔平衡的过程是一个复杂的过程。对经验不足的设计者来说，这是一个非常大的尝试。很大程度上取决于零件设计师认识到在哪里该使用导流板或阻流板。同样也需要掌握零件的物理尺寸，如宽度、长度和厚度的变化。使用商业软件如MoldFlow，就给设计者提供了宝贵的援助，即不需要通过昂贵的实验就能确定这种变化对零件的影响。然而，人类的专业知识和经验在型腔平衡上仍然需要，现有的软件还

7、不能确定必要的修改来以优化流动。3.流动控制方程的研究综述在填充阶段塑性流动是在两板之间的一个小距离分离流动。这是一次很好的模拟近似Hele-Shaw。假设这是一个不可压缩的，广义的，非牛顿流体的充填液体，方程可以写为:连续性方程:(1)动量方程:(2)(3)(4)能量方程:(5)在这（x,y,z）代表直角坐标系，（u,v,w）代表速度分量。t是温度，p是压力,r表示密度，Cp表示定压热容，k是热传导率，y是剪切粘度。(6)Kennedy化简后的连续性和动量方程可以合并：（7）（8）流导量，通常称为流动性术语，用h表示半间隙厚度。公式(

8、5)-(8)代表简化控制方程,适用于填充阶段的建模。这些方程的解是由Hieber和Shen用有限元结合一种自动控制体积的方法计算出来的，大多数商业化软件使用这种方法。自那时起，后填充阶段也被添加进去。3.1