CAE在彩电后壳浇注系统中的应用 - 文章

CAE在彩电后壳浇注系统中的应用

作者：刘法谦燕立唐胡海青

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摘要：应用美国AC - TECH 公司的C - MOLD 软件对29 寸(74cm) 彩电后壳的模具浇注系统进行了计算机辅助工程(CAE) 分析。结果表明，采用计算机C - MOLD 软件对充模进行动态模拟，可直观地了解彩电后壳制品所需充模的最大压力和锁模力，并能确知熔融前锋料流速度的分布和熔接痕的位置分布，它为指导大型注塑模具的设计提供了科学依据，有较高的应用和研究价值。
关键词：计算机辅助工程；浇注系统；注射成型；专用软件

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。目前国际上已有许多商品化软件出售，其中最具影响力的是美国AC - TECH 公司的注射模CAE软件C - MOLD。C - MOLD 软件具有3 个层次。第1 层次的软件用于初始阶段的设计，如优选塑料材料、选择标准模架、预测锁模力、平衡流道系统、优化成型时间、预定成型工艺参数、布置冷却水管、诊断注射缺陷等。第2 层次为三维流动模拟程序和三维冷却分析程序。第3 层次将流动、保压、冷却分析结果耦合，得到更为精确的分析结果，其结果可用于塑料制品的应力和翘曲分析。青岛市新材料重点实验室用C - MOLD 对29 寸(74cm) 彩电后壳进行了优化分析，取得了良好的效果。

1 填充理论基础

塑料熔体在加工过程中的流动，满足连续性方程、动量定律、能量守恒方程及流变本构方程。注塑流动是一个粘弹性、非稳态、非等温的复杂过程，加上模腔内几何形状的复杂，要对其流动做精确描述比较困难，所以在实际应用中作适当简化和假定[1～4 ] 。

1. 1 型腔内流动数学模型

1.1.1 假设

在实际工程中，注塑加工的制件多是薄壁件，即厚度方向尺寸远小于其他2 个方向的尺寸，因此可假定熔体在扁平型腔中流动。在此基础上做如下简化。

(1) 传热过程：型腔壁以热传导为主，忽略沿厚度方向的对流传热，而型腔内的流动以热对流为主，忽略沿流动方向的热传导。

(2) 受力：假定模腔内流动以粘滞力为主，忽略惯性力的影响，仅考虑熔体的剪切力，忽略正应力的影响。假定压力沿厚度方向不变，忽略因冷凝层等作用在厚度方向产生的压力梯度。

(3) 流动特性：假定熔体为不可压缩流体，即ΔV 为0 ，并设熔体前沿位置在厚度方向不变。

1.1.2 薄壁型腔充填过程的控制方向连续性方程：

式中： h 为型腔狭缝厚度的一半； V x ， V y 分别是x 、y 方向的流速分量。

能量守恒方程：

其中： t 是温度；η、γ分别是熔体的粘度和剪切速率；Cp 是定压比容；ρ是塑料熔体的密度。

运动方程：

式中： P 为压力。

流体本构方程：

1. 2 浇注系统的控制方程

浇注系统假定为圆柱体内的塑料熔体流动，其他非圆截面浇注系统采用形状因子等效。根据圆柱管的特点，进行如下简化： (1) V x 、V y 值等于零； (2)流体具有不可压缩性； (3) 在同一截面处压力恒定。

浇注系统充填过程的数学模型如下。

各控制方程的数值解法有：有限单元法(FEM) 、有限差分法(FDM) 、边界单元法(BEM) 、通常是有限元/ 有限差分混合法。

2 试验部分

2. 1 材料参数

牌号为PS 456M ，BASF 公司产品。主要成型条件：顶出温度为80 ℃，最低成型温度为180 ℃，最高成型温度为280 ℃，最低模温为20 ℃，最高模温为70 ℃，最大许可剪切应力为0.24MPa ，最大许可剪切速率为40 000/s。

2. 2 设备参数

设备参数见表1 。

3 结果与讨论

设计29 寸彩电后壳(图1 所示) 不仅要易于成型，使物料均衡填充，而且还要控制熔接痕的位置，使之尽量不影响制品外观，因此，制件的浇口只能开设一个。直接浇口又称中心浇口，由于它的尺寸大，固化时间长，延长了补料时间，且具有流体阻力小，进料速度快的优点，常用于大型长流程的制品，因此本设计为直接浇口。在此基础上，试验了2 个不同方案，得出了不同的成型分析结论。

3. 1 第1 种方案

采用冷流道，流道大端直径为12mm ，位置在制件底面中央凹进部分的边缘(图1 箭头指向所示) 。

图1 第1 种设计方案

从C - MOLD 流动分析(图2) 可以看出，本方案在充填的均衡性上表现并不理想。主要表现为熔料在型腔的最远端到达时间不一致。在本方案中，通过浇口形成左右两股料流，并最终在图2 所示A区相遇，造成A 区大量冷料集中，因顶部为薄壁区，产生明显的冷接缝并造成应力集中，从而降低制品的冲击强度。

图2 第1 种填充方案的流动前沿分布图

3. 2 改进方案

为改善前述现象，保证物料在后壳顶部充满，消除冷料集中区，增加该处强度，提出改进方案，即在图3 圆形位置增加直径为8mm 的过桥，以改善后壳顶部的充填情况。

图3 改进方案

由改进后的流动前沿分布图(图4) 可知，加上直径为8mm 的过桥后，原来冷料集中的区域(图4A 区所示) 消除。在大约3s ，物料到达后壳顶部的时间非常一致并可完全充填后壳顶部，从而消除了由于熔接痕的产生而造成的对制品性能的影响，改善了制品的力学性能。

图4 改进方案的流动前沿分布图

3. 3 熔接痕分析

由于第1 种方案的充填情况不十分理想，因此只对改进方案进行熔接痕分析，结果如图5 所示。

图5 改进方案的熔接痕分布

在塑料熔料填充型腔时，如果2 股或更多的熔料在相遇时前沿部分已经冷却，使他们不能完全融合，便在汇合处产生线性凹槽，形成熔接痕。由图5可见，产品的熔接痕大都分布在网格的交汇处，另外在图5 中所标出的位置也产生2 条线性熔接痕。总体来说，产品的熔接痕数量相对较多，但大部分分布于彩电后壳的网格附近，且熔接痕尺寸较小，基本不影响产品外观。

3. 4 改进方案部分工艺参数

通过分析所得的工艺参数得知，所需最大压力为40. 936MPa ，小于注塑机的最大注射压力137. 931MPa ；所需锁模力为718314kN ，小于注射机的最大锁模力19 580kN。最终充填时间为3. 9277s ，制品重量为4236. 1g。

3. 5 螺杆速度

根据分析结果，C - MOLD 自动得出最佳的螺杆速度曲线，如图6 所示。从图6 可以看出，在冲程小于20 %时，速度基本保持恒定值40 %；当冲程大于20 %时，随着冲程的增加，速度逐渐增加，在冲程为60 %时，速度出现极大值100 % ，此后随冲程的增加逐渐下降，在冲程为100 %时，速度为43 %。

图6 推荐螺杆速度曲线

4 结论

a) 采用计算机C - MOLD 软件对充模进行动态模拟，可了解彩电后壳制品所需充模的最大压力和锁模力的真实情况，并能确知熔融前锋料流速度的分布和熔接痕的位置分布，它为指导大型注塑模具的设计提供了科学依据，有较高的应用和研究价值。

b) 根据C - MOLD 软件的分析结果，在模具中增加直径为8mm 的过桥，消除了彩电后壳顶部的冷料集中区，从而有效保证了产品的质量。

c) C - MOLD 软件是计算机科学、模具技术、数学理论和塑料树脂科学的完美结合。利用C -MOLD 对模具进行优化分析，可提高生产效率，极大的提高1 次试模的成功率，节省大量的人力物力，从而创造良好的经济效益。

参考文献
1 Takaaki Matsuoka. Integrated simulation to predict warpage of injections molded parts. Polymer Engineering and Science , 1991 , 31 (14) :1 043
2 Chang H H ,Hiber C A and Wang K K . A unified simulation of the filling and postfilling stages in injection molding ,part 1 :formulation. Polymer Engineering and Science ,1991 ,31 (2) :116
3 Chang R Y, Tsaur B D. Experimental and theoretical studies of shrinkage ,warpage ,and sink marks of crystalline polymer injection molded parts. Polymer Engineering and Science , 1995 , 35 ( 15) : 1222
4 Yang L C , Charmchi M and Chen S J . Numerical simulation of semicrystalline polymer flowing in an empty tube with solidification.Polymer Engineering and Science ,1992 ,32 (11) :724(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/16/2007)


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