基于流动模拟的空调进风栅注射成型优化设计芳纶盘根

基于流动模拟的空调进风栅注射成型优化设计

基于流动模拟的空调进风栅注射成型优化设计 2011年12月04日 来源： 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，对海尔空调进风栅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，解决了该制件注射不足等问题。 关键词：塑料注射成型 流动模拟 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，对海尔空调进风栅进行了流动分析与优化设计，取得了良好的效果。2 产品分析 制件为海尔空调进风栅（如图1所示），材料选用ABS 757，体积约2.6*106 mm3，外形尺寸1035*500*115 mm，平均壁厚2.89mm。初始方案为在制件中间部位对称分布12个浇口（图1中“”位置，不包括旁边以“A” 标注者），注射时间为2S，注射温度为240C，不采用分级注射，注射机许可最大注射压力为120MPa。试模时发现两侧的长梁注射不足。

图1 海尔空调进风栅图

3CAE分析 3.1 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）、剪切速率之间的关系，其数学模型为：

式中的 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ABS 757，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，获得该材料粘度模型中的参数： B=2.8687E-06 Tb=1.0698E+04 Tau=5.5064E+04 n=0.2532。 3.1 初始方案分析 首先我们按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两侧长梁（如图2所示），且长梁未充满，这与实际情况完全吻合。

图2 初始方案的流动前沿图

3 应用实例 3.2 方案优化分析 针对成型的主要问题：两侧长梁充填不足，我们共设计了五个候选方案，这些方案的基本结构及工艺设计见表1，其中侧梁浇口是指图1中标记为“A”的侧梁上的两个新增浇口，分级注射所采用的速度曲线如图3所示（由软件推荐）。

图3 分级注射速度-注射体积曲线图

表1 多方案的流动模拟比较方案是否新增侧梁浇口注射时间(S)是否采用分级注射所需注射压力(MPa)1否2否1602是2否1223是4否1064是6否1175是4是86

对表1进行分析，可以得出： （1）新增侧梁浇口缩短了熔体的流动长度，改善了结构的可充填性，所需注射压力有较大下降。 （2）方案2-4的其他条件相同，注射时间由2S递增到6S，而所需注射压力并没有单调变化，却呈现为“U”形曲线，也就是说，存在一个注射时间，此时所需的注射压力最小。这是以下三种情况共同作用的结果：（a）缩短注射时间，熔体中的剪应变率也会提高，为了充满型腔所需要的注射压力也要提高；（b）缩短注射时间，熔体中的剪应变率提高，由于塑料熔体的剪切变稀特性，熔体的粘度降低，为了充满型腔所需要的注射压力也要降低；（c）缩短注射时间，熔体中的剪应变率提高，剪切发热越大，同时因热传导而散失的热量少,因此熔体的温度高,粘度越低，为了充满型腔所需要的注射压力也要降低。由此可以看出：一味地增大注射时间并不总是有利于顺利充模。 （3）方案5在方案3的基础上采用了分级注射，其所需注射压力进一步降低，这主要是因为分级注射中的注射速率在注射的后阶段有所下降。分级注射的另一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。由于其具有很大的优越性并且易于实现，分级注射逐渐成为注射工艺调整的一个重要方面。 通过表1的对比分析，很容易看出方案5最有利于成型充模，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4、5所示。

图4 方案5的流动前沿分布图

图5 方案5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。 参考文献 1. Manzione L T ed. Application of Computer-aided Engineering in Injection Molding, Hanser Publisher, Munich (1987).2. Chiang H H, Hieber C A, and Wang K K. A Unified Simulation of the Filling and Postfilling Stages in Injection Molding. Part I: Formulation. Polym Eng Sci, 1991, 2(31).(end)

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