《塑料成型工艺与模具》参考资料：基于注塑CAE分析的流道优化设计.pdf_大学文库

塑料工业 1997年成型加基于注塑CAE分析的流道优化设计与设备林旭东王鹏驹 (四川联合大学塑料工程系,成都61006 在聚合物幂律模型基础上,提出了改善流道尺寸实现合理提高注射机注射压力利用率的设想,即在充分保证模具型腔充模压力的情况下,通过适当减小流道截面尺寸,加大了浇注系统部分的压力降,同时也减少了流道上材料的浪费。结合解析法和注塑CAE分析,本文推导了流道截面尺寸优化设计计算式及计算步骤。经过对某摩托车仪表零件注射模浇注系统的优化设计,结果表明在保证熔体充模的情况下,新的流道截面尺寸较按传统方法设计的截面尺寸有较明显的减关键词:注射模浇注系统优化设计CAE分析在设计大型注塑件模具浇注系统时,既要保证型材料加工温度为其理想的加工温度。多数注塑材腔充满,又要减少因设计不当可能给制品带来的缺陷。料有一个能提供快速循环周期和最佳制品质量的理想实际生产中,常采用多级分流道、多点同时进浇的方熔体温度。下述的讨论基于这一理想温度。此温度可案。复杂的浇注系统在提高注塑件质量的同时也使设参见文献臼计的难度增加。因此,浇注系统的设计是设计大型注塑12目标函数的建立模的关键之通常情况下,生产中使用的注射机注射压力不允传统浇注系统设计时较为普遍的观点是浇注系统许达到其公称值,我们可设实际使用的压力为KP公称设计应充分保证各流道段上损失的压力降越小,流道K为考虑安全寿命、经济运行等因素后的综合系数(K 截面积越大越利于熔体充模。在按经验确定流道截面≈α667)实践证明,充填型腔所需的实际压力远小于时,设计者们往往倾向选择较大的流道直径。若采用估KP公称。为此,我们不妨把注塑机富裕的压力降分配到算,通常的作法是将熔体通过流道系统各段的剪切速流道系统中,可假设流道中允许的压力降P为率假定为常量(如分流道5×102s)。设计时由常 P流道=KP公称-P充 (1) 量的γ计算各段流道直径。最后校核时,只要从主浇道式中P充为充填型腔所需的压力。口到制件最远端产生的压降之和小于注塑机许用压力另外,由熔体幂律模型可知熔体在流道各段真实即可。上述设计带有较重的经验成份且偏保守,未能充的剪切速率为分发挥流道自身以及注塑机的潜能。实际生产时流道 Ye 3n+1g 浪费。缺乏必要的设计数据和对塑料熔体充模定量的式中n为幂律模型指数Q,为第;段流道段体积流率分析,凭实验借助插值等方法进行估算是造成上述设 Q-、2m注叫h 计保守的原因。计算机CAD技术在塑料成型中广泛而深入的应用,使得以恰当的压力降损失来设计最佳 e=Q 流道截面成为可能,并随着CAE模拟技术的日趋完式中t为充模时间m为流道总数,V制品为制品体积d 善,对熔体充模定量的分析成为可能,浇注系统设计完为Q,处分支数全可以从过去估算猜测转变为以流变学原理为基础科由,及圆管流道压力降计算式P=x 学的工程设计3。可建立如下等式流道系统优化设计的数学模型 3肚+1.Q 11假设 T 作者简介:林旭东,男,28岁,四川联合大学塑料工程系讲师,在职博士生,成都市机械工程协会会员。主要研究有高速送料机构运动弹性动力学硏究、高速凸轮机枃设计、冷冲模设计、飞机翼面成型模具CAD、塑料模标准模架CAD、大型注塑模CAE、体辅助注射CAE等。已发表文章数篇。现承担有“塑料型腔模成型尺寸 CAD/CAE研究国家重点实验室基金项目和多项横课题,并担任《塑料工程手册》副主编。 o1994-2009ChinaAcademicJourmalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net

成型加工与设备基于注塑CA E 分析的流道优化设计林旭东α 王鹏驹 (四川联合大学塑料工程系, 成都 610065) 在聚合物幂律模型基础上, 提出了改善流道尺寸实现合理提高注射机注射压力利用率的设想, 即在充分保证模具型腔充模压力的情况下, 通过适当减小流道截面尺寸, 加大了浇注系统部分的压力降, 同时也减少了流道上材料的浪费。结合解析法和注塑 CA E 分析, 本文推导了流道截面尺寸优化设计计算式及计算步骤。经过对某摩托车仪表零件注射模浇注系统的优化设计, 结果表明在保证熔体充模的情况下, 新的流道截面尺寸较按传统方法设计的截面尺寸有较明显的减小。关键词: 注射模浇注系统优化设计 CA E 分析在设计大型注塑件模具浇注系统时, 既要保证型腔充满, 又要减少因设计不当可能给制品带来的缺陷。实际生产中, 常采用多级分流道、多点同时进浇的方案。复杂的浇注系统在提高注塑件质量的同时也使设计的难度增加。因此, 浇注系统的设计是设计大型注塑模的关键之一。传统浇注系统设计时较为普遍的观点是浇注系统设计应充分保证各流道段上损失的压力降越小, 流道截面积越大越利于熔体充模。在按经验确定流道截面时, 设计者们往往倾向选择较大的流道直径。若采用估算, 通常的作法是将熔体通过流道系统各段的剪切速率假定为常量(如分流道 Χ α= 5×10 2 s - 1 )。设计时由常量的 Χ α计算各段流道直径。最后校核时, 只要从主浇道口到制件最远端产生的压降之和小于注塑机许用压力即可。上述设计带有较重的经验成份且偏保守, 未能充分发挥流道自身以及注塑机的潜能。实际生产时流道直径往往偏大, 且不利于修模, 造成许多能量和材料的浪费。缺乏必要的设计数据和对塑料熔体充模定量的分析, 凭实验借助插值等方法进行估算是造成上述设计保守的原因。计算机 CAD 技术在塑料成型中广泛而深入的应用, 使得以恰当的压力降损失来设计最佳流道截面成为可能, 并随着 CA E 模拟技术的日趋完善, 对熔体充模定量的分析成为可能, 浇注系统设计完全可以从过去估算猜测转变为以流变学原理为基础科学的工程设计〔1～ 3〕。 1 流道系统优化设计的数学模型 1. 1 假设材料加工温度为其理想的加工温度。多数注塑材料有一个能提供快速循环周期和最佳制品质量的理想熔体温度。下述的讨论基于这一理想温度。此温度可参见文献〔4〕。 1. 2 目标函数的建立通常情况下, 生产中使用的注射机注射压力不允许达到其公称值, 我们可设实际使用的压力为 K P 公称, K 为考虑安全寿命、经济运行等因素后的综合系数(K ≈ 0. 667)。实践证明, 充填型腔所需的实际压力远小于 K P 公称。为此, 我们不妨把注塑机富裕的压力降分配到流道系统中, 可假设流道中允许的压力降 P 流道为 P 流道= K P 公称- P 充 (1) 式中 P 充为充填型腔所需的压力。另外, 由熔体幂律模型可知熔体在流道各段真实的剪切速率 Χ α为 Χ αi= 3n+ 1 n Q i Πri 3 式中 n 为幂律模型指数; Q i 为第 i 段流道段体积流率。 Q i= ∑ m i= 1 Πri 2 L i+ V 制品 öt Q i= Q i- 1- Πr 2 i- 1 L i- 1 t öd i 式中 t 为充模时间; m 为流道总数; V 制品为制品体积; d i 为Q i 处分支数。由 Χ αi 及圆管流道压力降计算式 P i= Σi (2L i) ri 可建立如下等式: P 流道= ∑P i= ∑ m i= 1 2L i ri ·k· 3n+ 1 n · Q i Πri 3 n ·72· 塑料工业 1997 年 α 作者简介: 林旭东, 男, 28 岁, 四川联合大学塑料工程系讲师, 在职博士生, 成都市机械工程协会会员。主要研究有高速送料机构运动弹性动力学研究、高速凸轮机构设计、冷冲模设计、飞机翼面成型模具 CAD、塑料模标准模架CAD、大型注塑模CA E、气体辅助注射CA E 等。已发表文章数篇。现承担有“塑料型腔模成型尺寸CADöCA E 研究”国家重点实验室基金项目和多项横向课题, 并担任《塑料工程手册》副主编

73 式中τ为第i段剪切应力;k为稠度系数L,为第i段半径初始值n按传统设计值设定(见表1),流道各段流道长度。长度L,为L1=168mm,L2=182mm。 P流表达式表明它是各流道段半径n(i=1,2,设计步骤: ……m)的函数,据此由(1)可构成如下优化目标函数 a)由(2)式建立优化目标函数 F(n)=p流道(r)+P充)/P公称 b)由(3)式建立上游流道与下游流道之间r的约式中F(r)为压力有效利用率。束关系 13约束函数的建立 c)由(4)式建立同级流道之间r的约束关系; 绝大多数热塑性材料都是非牛顿流体,当采用幂 d)通过CAE分析定出充模时间律模型并考虑泊叶肃流动时,某流道i的轴向压力梯 e)设定流道半径初始值r 度A和体积流量Q,以及半径r有如下比例关系 )计算流道压力分布情况 g)由流道压差计算压力有效利用系数当熔体流动△r时间后,熔体流动距离为v,△t,速度到} h)检查压力有效利用系数是否接近0667,是则 ,可表示为 i)调整r返回f, j)退出并输出结果某流道i在△r后其压力降有如下比例式表1优化设计与传统设计对比 Tab 1 Results comparisons of op tm al design w ith trad 如要在△t时间后保持熔体在所有各流道里的压力降传统设计优化设计相等,Q,与n3之比应为常量,即 P 充模时间/s 据此为使流道系统中每个分流道都保持恒定的体 ∑PMPa 3256 积流量,下列约束函数必须成立 F(ro 05157 06197 ∑n 式中n为上游流道的半径,n为下游流道的半径,d为 r处所具有的分支数。见图1 平均剪切速率/s1 11280 27.67 流道用料质量/ 流道体积/m3 r;1 冷却系统图1上游流道与下游道示意浇注系统 Fig 1 Up runner ru vs Dow n runners rj 此外,若希望流体能同时到达各流道最末段,则下式需成立 L+∑I(1+∑m) h+2((+2)力a 公式推导见文献) 2计算实例图2所示为某仪表集团生产雅马哈摩托车仪表壳的浇注系统及制品布置图,现以流道尺寸为优化对象进行设计。其有关的数据如下图2雅马哈摩托车仪表壳的注塑模型注塑材料为ABS,制品体积578×10mm3,注塑 Fig 2 The injectin model of motor speedom eter shell 温度为240℃,注塑机注射压力124×10MPa,流道由表1可看出,采用新方法对流道系统中的流道 01994-2009ChinaAcademicJoumalElectronicPublishinghOuse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net

式中 Σi 为第 i 段剪切应力; k 为稠度系数; L i 为第 i 段流道长度。 P 流道表达式表明它是各流道段半径 ri (i= 1, 2, ……m ) 的函数, 据此由(1) 可构成如下优化目标函数 F (ri) = 〔P 流道 (ri) + P 充〕öP 公称 (2) 式中 F (ri) 为压力有效利用率。 1. 3 约束函数的建立绝大多数热塑性材料都是非牛顿流体, 当采用幂律模型并考虑泊叶肃流动时, 某流道 i 的轴向压力梯度 +i 和体积流量Q i 以及半径 ri 有如下比例关系: +～i 1 ri Q i ri 3 n 当熔体流动△t 时间后, 熔体流动距离为V i△t, 速度 V i 可表示为: V i= Q i Πri 2 某流道 i 在△t 后其压力降有如下比例式: P～i V i△t+～i Q i ri 2 △t 1 ri Q i ri 3 n = Q i ri 3 n+ 1 △t 如要在△t 时间后保持熔体在所有各流道里的压力降相等,Q i 与 ri 3 之比应为常量, 即: Q～i ri 3 据此为使流道系统中每个分流道都保持恒定的体积流量, 下列约束函数必须成立: ru 3 = ∑ d i= 1 ri 3 (3) 式中 ru 为上游流道的半径; ri 为下游流道的半径; d 为 ru 处所具有的分支数。见图 1 图 1 上游流道与下游道示意 F ig 1 U p runner ru vs Dow n runners rj 此外, 若希望流体能同时到达各流道最末段, 则下式需成立 ri ri- 1 = L r+ ∑ m K = 1 ∏ K j= 1 (1+ ∑ d= 1 i= 1 ri, j) 1 3 lk lr- 1+ ∑ n b= 1 ∏ b j= 1 (1+ ∑ d= 1 i= 1 ri, j) 1 3 lb 公式推导见文献〔1〕。 2 计算实例图 2 所示为某仪表集团生产雅马哈摩托车仪表壳的浇注系统及制品布置图, 现以流道尺寸为优化对象进行设计。其有关的数据如下。注塑材料为ABS, 制品体积 5. 78×10 4mm 3 , 注塑温度为 240℃, 注塑机注射压力 1. 24×10 2M Pa, 流道半径初始值 ri 按传统设计值设定(见表 1) , 流道各段长度L i 为L 1= 168mm ,L 2= 182mm。设计步骤: a) 由(2) 式建立优化目标函数; b) 由(3) 式建立上游流道与下游流道之间 r 的约束关系; c) 由(4) 式建立同级流道之间 r 的约束关系; d) 通过CA E 分析定出充模时间; e) 设定流道半径初始值 ru; f) 计算流道压力分布情况; g) 由流道压差计算压力有效利用系数; h ) 检查压力有效利用系数是否接近 0. 667, 是则到 j; i) 调整 ru 返回 f; j) 退出并输出结果。表 1 优化设计与传统设计对比 Tab 1 Results comparisons of op tim al design w ith tradi2 tional design 传统设计优化设计是否充满是是充模时间ös 3. 78 3. 76 ∑P iöM Pa 18. 72 32. 56 F (ri) 0. 5157 0. 6197 r1ömm 8 4. 8 r2ömm 8 4. 8 平均剪切速率ös - 1 296. 6 1128. 0 锁模力öt 27. 67 23. 70 流道用料质量ög 16. 1 7. 4 流道体积öcm 3 19. 6 7. 1 图 2 雅马哈摩托车仪表壳的注塑模型 F ig 2 The injection model of mo to r speedom eter shell 由表 1 可看出, 采用新方法对流道系统中的流道第四期塑料工业 ·73·