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·
塑料工 1997年 半径优化后,制品仍然能充满,压力有效利用系数提高 60.063.95 到Q6197,流道半径在传统设计值基础上有较大的减 业卡 40.o45.23 小,1、2段流道的总体积也由196cm3降到了7lcm 流道用料相应减少,模具锁模力也有所降低。 时间/s 25.0 75.0 100.0 R比 76.83 行 图3优化设计仪表壳推荐的注塑速度 0。1。2.。a0875 时间/s Fig 3 Recomm ended ram"speed vs stroke(Ptm al design 母 图5仪表壳的浇注系统压力分布对比 Fig 5 Pressure vs tme 传统设计,b-优化设计 20.0 10.0 时间/ R 5.0 图4仪表壳注射过程模拟熔体前沿位置变化 Fig 4 Melt-front advancem ent during m elt filling a-传统设计,b-优化设计 结论 时间/ 本文针对注塑模流道提出了不同于传统的设计方 法,在聚合物幂律模型基础上,通过分析建立了流道截 图6仪表壳的锁模力对比 面计算新方法。结合注塑CAE分析软件 C- MOLD Fig 6 Lock ng force vs Tme 传统设计,b-优化设计 201994-2009chinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhtp://www.cnki.net
半径优化后, 制品仍然能充满, 压力有效利用系数提高 到 0. 6197, 流道半径在传统设计值基础上有较大的减 小, 1、2 段流道的总体积也由 19. 6cm 3 降到了 7. 1cm 3 , 流道用料相应减少, 模具锁模力也有所降低。 图 3 优化设计仪表壳推荐的注塑速度 F ig 3 Recomm ended ram 2speed vs stroke (Op tim al design) b 图 4 仪表壳注射过程模拟熔体前沿位置变化 F ig 4 M elt2front advancem ent during m elt filling a- 传统设计; b- 优化设计 3 结论 本文针对注塑模流道提出了不同于传统的设计方 法, 在聚合物幂律模型基础上, 通过分析建立了流道截 面计算新方法。结合注塑CA E 分析软件C- M OLD 图 5 仪表壳的浇注系统压力分布对比 F ig 5 P ressure vs tim e a- 传统设计; b- 优化设计 图 6 仪表壳的锁模力对比 F ig 6 Lock ing fo rce vs T im e a- 传统设计; b- 优化设计 ·74· 塑 料 工 业 1997 年
第四期 塑料工业 对仪表壳注塑模的浇注系统进行了优化设计。效果较 社,1987 为理想。 3刘惟信著机械最优化设计北京:清华大学出版社,1994 参考文献 4成都科技大学塑料成型模具北京:中国轻工业出版社, 1李志刚,李德群,肖景容蓍模具计算机辅助设计武汉:华 中理工大学出版社,1990 (本文于199703-24收到) 2唐志玉著大型注塑模设计基础成都:成都科技大学出版 The a pplica tion of Cae to the runner System O ptimal esign of hjection M old Wang Pengju (Plastics Eng ineering Dept, Sichuan U nin U niversity) A new thought about the alternation of the runner, based on the pow er law, was p ropo sed on conditon that the mo ld cav ity could be filled, the mo ld designer could m p rove utilization rate of the in jecton p ressure by reducing the d iam eter and raising the p ressure drop of the runner greatly. The new m ethod could also reduce the to tal consume of the in jection resin Through some num erical and in jection molding Ca e analy sis, an op tmal runner calculated m ethod had been extrapo lated It had been p roved that the radius of runners could be reduced obviously in the use of the new m ethod for the runner design of a motor speedom eter shell Keywords In jection Mold Runner System Optm al Design CA o1994-2009ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
对仪表壳注塑模的浇注系统进行了优化设计。效果较 为理想。 参 考 文 献 1 李志刚, 李德群, 肖景容著. 模具计算机辅助设计. 武汉: 华 中理工大学出版社, 1990 2 唐志玉著. 大型注塑模设计基础. 成都: 成都科技大学出版 社, 1987 3 刘惟信著. 机械最优化设计. 北京: 清华大学出版社, 1994 4 成都科技大学. 塑料成型模具. 北京: 中国轻工业出版社, 1992 (本文于 1997- 03- 24 收到) The Applica tion of CAE to the Runner System Optima l D esign of Injection M old L in Xudong W ang Pengju (P lastics Engineering Dep t, Sichuan U nion U niversity) Abstract A new though t abou t the alternation of the runner, based on the pow er law , w as p ropo sed. O n condition that the mo ld cavity cou ld be filled, the mo ld designer cou ld imp rove u tilization rate of the in jection p ressu re by reducing the diam eter and raising the p ressu re drop of the runner greatly. The new m ethod cou ld also reduce the to tal con sum e of the in jection resin. Th rough som e num erical and in jection mo lding CA E analysis, an op tim al runner calcu lated m ethod had been ex trapo lated. It had been p roved that the radiu s of runners cou ld be reduced obviou sly in the u se of the new m ethod fo r the runner design of a mo to r speedom eter shell. Keywords: In jection M o ld Runner System Op tim al D esign CA E 第四期 塑 料 工 业 ·75·
