如何应用注塑成型分析报告指导模具设计

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如何应用注塑成型分析报告指导模具设计
" l; d$ ]1 ^: J+ V  s! M) W一.为什么要进行注塑成型模拟分析

% A& I9 c* q& ?. R# O1 塑料及其性质
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" g/ J1 m' T2 ~/ @2 S* E由于塑料的内部结构比金属复杂，故掌握其性能特点也就比较困难。然而要想有效地进行塑料的注射成型，就应该对其与成型有关的性能有所了解。
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6 j# P3 |& d, x, Q8 {5 [1).比热容

不同塑料的比热容差别较大，并随着温度的变化而变化。
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) x0 [- ?. u% N6 V* g# `2). 热扩散系数
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塑料的热扩散系数对成型中材料的温度与冷却有较大关系，并且也随着温度的变化而变化。
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+ `4 }( Z' {# f; g) ^5 ~- l! W3). 密度/比容
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塑料的密度与温度有强烈的依赖关系，温度升高时密度较小。注射成型过程中，温度不断变化，故材料的密度也在不断变化，这种变化对产品的质量有重要影响。

3 i* q# A- Z- g# L4). 热降解、分解温度
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7 p4 I6 T0 }0 ]% R' D2 p塑料因加工温度偏高，或在较高温度下停留时间过长，从而使平均分子量降低的现象称为热降解。如出现这种情况，则熔体的粘度降低，制品出现飞边、气泡和银丝，机械性能变差，如弹性消失、强度降低等。分解温度是指聚合物因受热而迅速分解为低分子的温度。显然分解温度是注射成型温度的上限。

; Z& S+ R4 g1 Q: s5). 剪切变稀
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塑料熔体的粘性系数并非常数（非牛顿流体），而是随剪应变率的增加而降低，这种现象称为剪切变稀。不同塑料的剪切变稀程度差别较大。因为粘度特性在注射成型工艺中是一个非常重要的因素，故剪切变稀对注射成型的压力、温度等有重要影响。

8 L. [/ \  ]* i7 U2. 应用注射模流动模拟软件的必要性
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塑料材料性能的复杂性决定了注射成型过程的复杂性，有些注射成型问题连有经验的模具设计师也很难把握。同时，注塑制品的质量也主要取决于注射成型过程，塑料熔体注入模具后的流动行为在决定制品质量方面具有头等重要意义，因此很有必要对充模过程进行有效地分析。

3 w% h: t/ k  e' k# a5 w: V" D  {+ m注塑过程中的流动分析在国外已得到了普遍的应用，它建立在计算机与CAD被广泛应用的基础上，其目的是预测塑料熔体注入模具型腔时的流动情况，从而判断熔体流动给注塑件质量带来的影响。流动模拟软件的应用主要包括三个方面：第一是利用软件来预计所设定注塑方案的压力、温度等的分布；第二是利用预计的压力、温度等的分布来改善模具和塑料制品的设计；第三是对多个候选的注塑方案进行比较优化，选择最佳方案。
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! T( j, W& r) L! v: o9 o* Z/ |传统的注塑模设计首先考虑的是模具本身的需要，之后考虑的才是注塑制品的需要。换句话说，传统的注塑模设计是把塑料熔体在流道和型腔中的流动放在第二位考虑的。例如，常规的模具设计通常是根据经验确定浇口的数量和位置，而不是根据流动分析来确定这些参数，结果经常是浇口数量偏多、尺寸偏大。但是在市场经济条件下，产品的质量与成本已成为企业生存发展的生命线，注射成型模拟软件可以辅助企业确立竞争优势。

二.如何应用注塑成型分析报告指导模具设计

1. 注塑条件对制品成型的影响
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" l' N0 q1 C4 g1 h2 r1). 塑料材料
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: b: e2 ~" q/ v2 A/ `如前所叙，塑料材料性能的复杂性决定了注射成型过程的复杂性。而塑料材料的性能又因品种不同、牌号不同、生产厂家不同、甚至批次不同而差异较大。不同的性能参数可能导致完全不同的成型结果。对注射成型过程影响比较大的材料参数见“基础篇”
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2). 注射温度
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  B/ ]1 t9 V4 w2 A! u' }熔体流入冷却的型腔，因热传导而散失热量。与此同时，由于剪切作用而产生热量，这部分热量可能较热传导散失的热量多，也可能少，主要取决于注塑条件。熔体的粘性随温度升高而变低。这样，注射温度越高，熔体的粘度越低，所需的充填压力越小。同时，注射温度也受到热降解温度、分解温度的限制。
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: [- T8 z9 L' ^1 J( R9 N3). 模具温度
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- m& \) E& T% P/ |9 q. M模具温度越低，因热传导而散失热量的速度越快，熔体的温度越低，流动性越差。当采用较低的注射速率时，这种现象尤其明显。

4). 注射时间
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( y5 D; r$ y- ]! G2 L4 i. [- m注射时间对注塑过程的影响表现在三个方面：
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（1）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。
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（2）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。

（3）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。
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以上三种情况共同作用的结果，使图1中的充满型腔所需要的注射压力的曲线呈现“U”形。也就是说，存在一个注射时间，此时所需的注射压力最小。

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图1 注射时间与注射压力、熔体温度的关系

2. CAE软件的指导作用
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, z7 w6 V: m% m" T注射模流动模拟软件的指导意义十分广泛，她是一种设计工具，能够辅助模具设计者优化模具结构与工艺，指导产品设计者从工艺的角度改进产品形状，选择最佳成型性能的塑料，帮助模具制造者选择合适的注射机，当变更塑料品种时对现有模具的可行性做出判断，分析现有模具设计弊病。同时，流动软件又是一种教学软件工具，能够帮助模具工作者熟悉熔体在型腔内的流动行为，把握熔体流动的基本原则。下面逐项分析三维流动软件的主要输出结果是如何用来指导设计的。
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1). 熔体流动前沿动态显示

; }' c8 D7 ^6 K, v' a三维流动模拟软件能显示熔体从进料口逐渐充满型腔的动态过程，由此可判断熔体的流动是否较理想的单项流形式（简单流动）（复杂流动成型不稳定，容易出现次品）。各个流动分支是否在同时充满型腔的各个角落（流动是否平衡）。若熔体的填充过程不理想，可以改变进料口的尺寸，数量和位置，反复运行流动模拟软件，一直到获得理想的流动形式为止。若仅仅是为了获得较好的流动形式而暂不考察详尽的温度场，应力场的变化，或是初调流道系统，最好是运行简易三维流动分析（等温流动分析），经过几次修改，得到较为满意的流道设计后，再运行非等温三维流动分析。

2). 型腔压力
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在填充过程中最大的型腔压力值能帮助判断在指定的注射机上熔体能否顺利充满型腔（是否短射），何处最可能产生飞边，在各个流动方向上单位长度的压力差（又称压力梯度）是否接近相等（因为最有效的流动形式是沿着每个流动分支熔体的压力梯度相等），是否存在局部过压（容易引起翘曲）。流动模拟软件还能给出在熔体填充模具所需的最大锁模力，以便用户选择注射机。
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3). 熔体温度
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流动模拟软件提供型腔内熔体在填充过程中的温度场。可鉴别在填充过程中熔体是否存在着因剪贴发热而形成的局部热点（易产生表面黑点、条纹等并引起机械性能下降），判断熔体的温度分布是否均匀（温差太大是引起翘曲的主要原因），判断熔体的平均温度是否太低（引起注射压力增大）。熔体接合点的温度还可帮助判断熔合纹的相对强度

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4). 剪切速率
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剪贴速率又称应变速率或者速度梯度。该值对熔体的流动过程影响甚大。实验表明，熔体在剪贴速率为103S-1左右成型，制品的质量最佳。流道处熔体剪贴速率的推荐值约为5*102~5*103S-1，浇口处熔体剪贴速率的推荐值约为104~105S-1 。流动软件能给出不同填充时刻型腔各处的熔体剪切速率，这就有助于用户判断在该设计方案下预测的剪切速率是否与推荐值接近，而且还能判断熔体的最大剪切速率是否超过该材料所允许的极限值。剪切速率过大将使熔体过热，导致聚合物降解或产生熔体破裂等弊病。剪切速率分布不均匀会使熔体各处分子产生不同程度的取向，因而收缩不同，导致制品翘曲。通过调整注射时间可以改变剪切速率。
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5). 剪切应力
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剪切应力也是影响制品质量的一个重要因素，制品的残余应力值与熔体的剪切应力值有一定的对应关系，一般，剪切应力值大，残余应力值也大。因此总希望熔体的剪切应力值不要过大，以避免制品翘曲或开裂。根据经验，熔体在填充型腔时所承受的剪切应力不应超过该材料抗拉强度的1%。
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6). 熔合纹/气穴

两个流动前沿相遇时形成熔合纹，因而，在多浇口方案中熔合纹不可避免，在单浇口时，由于制品的几何形状以及熔体的流动情况，也会形成熔合纹。熔合纹不仅影响外观，而且为应力集中区，材料结构性能也受到削弱。改变流动条件（如浇口的数目与位置等）可以控制熔合纹的位置，使其处于制品低感光区和应力不敏感区（非“关键”部位）。而气穴为熔体流动推动空气最后聚集的部位，如果该部位排气不畅，就会引起局部过热、气泡、甚至充填不足等缺陷，此时就应该加设排气装置。流动模拟软件可以为用户准确地预测熔合纹和气穴的位置。

7). 多浇口的平衡

, D9 A0 n' V9 ]; j4 D: D' }$ N当采用多浇口时，来自不同浇口的熔体相互汇合，可能造成流动的停滞和转向（潜流效应），这时各浇口的充填不平衡，影响制品的表面质量及结构的完整性，也得不到理想的简单流动。这种情况应调整浇口的位置。

流动模拟软件在优化设计方案更显优势。通过对不同方案的模拟结果的比较，可以辅助设计人员选择较优的方案，获得最佳的成型质量。
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4 \) d$ g, I2 g* h8 }3. 流动软件的正确使用
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注射模流动模拟软件只是一种辅助工具，它能否在产生中性层发挥作用并产生经济效益，在很大程度上取决于模具设计者的正确使用。

6 d% u5 t) Q) r- d0 X+ F! S. e$ M1). 流动软件的使用人员
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7 e7 z8 T3 V9 E8 p流动软件的使用者必须熟悉注射成型工艺，具有一定的注射模设计经验。这样，用户才能针对性地利用流动软件解决模具结构设计或工艺问题，例如，如果浇口处剪切速率过高，是修正浇口尺寸，还是改变熔体温度，抑或更换注射材料呢，不具备注射成型工艺知识的人很难做出正确选择的。流动软件的输出的结果涉及到塑料粘度，剪切速率，温度，压力以及它们的相互作用，即使是经验丰富的模具设计师也应学一点塑料流变学的知识，总结注射流动的基本规律，这样才能站在理论与实践结合的高度用好流动模拟软件。
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2). 输入数据的正确性

首先要输入合理的注射成型工艺参数，常用材料的成型温度见表1（仅供参考）。
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表1 常用材料的成型参考温度
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除此之外，还要有正确的材料参数（如热传导率，比热，密度，不流动温度以及粘度等）。如前所叙，塑料材料的性能参数（流变性、压缩性等）十分重要，不同的性能参数将导致完全不同的模拟结果。同时，塑料材料的性能又因品种不同、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性能参数是使用CAE软件的前提条件。尤其是材料的粘性参数，对充模流动有重要影响，又不易通过实验直接获得，华中科技大学模具技术国家重点实验室塑料模研究室可以为客户测试并拟合材料的粘度参数。

" [5 Q+ w. ^( b# M+ p三．注射模流动模拟软件的指导作用

# m5 N1 [' n% x; \/ E注射模流动模拟软件的指导意义十分广泛，它是一种设计工具，能够辅助模具设计者优化模具结构与工艺，指导产品设计者从工艺的角度改进产品形状，选择最佳成型性能的塑料，帮助模具制造者选择合适的注射机，当变更塑料品种时对现有模具的可行性做出判断，分析现有模具设计弊病。同时，流动软件又是一种教学软件工具，能够帮助模具工作者熟悉熔体在型腔内的流动行为，把握熔体流动的基本原则。下面逐项分析三维流动软件的主要输出结果是如何用来指导设计的。
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$ l& S/ W1 v. n. h" I1 熔体流动前沿动态显示 （图 2）

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( q* B, z9 o# |, e1 E) i图2 熔体流动前沿动态显示

三维流动模拟软件能显示熔体从进料口逐渐充满型腔的动态过程，由此可判断熔体的流动是否较理想的单项流形式（简单流动）（复杂流动成型不稳定，容易出现次品）。各个流动分支是否在同时充满型腔的各个角落（流动是否平衡）。若熔体的填充过程不理想，可以改变进料口的尺寸，数量和位置，反复运行流动模拟软件，一直到获得理想的流动形式为止。若仅仅是为了获得较好的流动形式而暂不考察详尽的温度场，应力场的变化，或是初调流道系统，最好是运行简易三维流动分析（等温流动分析），经过几次修改，得到较为满意的流道设计后，再运行非等温三维流动分析。

2 型腔压力 （图3）

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图3 型腔压力

在填充过程中最大的型腔压力值能帮助判断在指定的注射机上熔体能否顺利充满型腔（是否短射），何处最可能产生飞边，在各个流动方向上单位长度的压力差（又称压力梯度）是否接近相等（因为最有效的流动形式是沿着每个流动分支熔体的压力梯度相等），是否存在局部过压（容易引起翘曲）。流动模拟软件还能给出在熔体填充模具所需的最大锁模力，以便用户选择注射机。
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3 熔体温度 （图4）
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* R+ q3 B5 E2 B+ z) m4 R! D图4 熔体温度

流动模拟软件提供型腔内熔体在填充过程中的温度场。可鉴别在填充过程中熔体是否存在着因剪贴发热而形成的局部点（易产生表面黑点、条纹等并引起机械性能下降），判断熔体的温度分布是否均匀（温差太大是引起翘曲的主要原因），判断熔体的平均温度是否太低（引起注射压力增大）。熔体接合点的温度还可帮助判断熔合纹的相对强度。

3 y2 }, @, |5 Y; M4 剪切速率 （图5）

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$ b! e$ O3 n/ r$ e) X图5 剪切速率

剪贴速率又称应变速率或者速度梯度。该值对熔体的流动过程影响甚大。实验表明，熔体在剪贴速率为103S-1左右成型，制品的质量最佳。流道处熔体剪贴速率的推荐值约为5*102~5*103S-1，浇口处熔体剪贴速率的推荐值约为104~105S-1 。流动软件能给出不同填充时刻型腔各处的熔体剪切速率，这就有助于用户判断在该设计方案下预测的剪切速率是否与推荐值接近，而且还能判断熔体的最大剪切速率是否超过该材料所允许的极限值。剪切速率过大将使熔体过热，导致聚合物降解或产生熔体破裂等弊病。剪切速率分布不均匀会使熔体各处分子产生不同程度的取向，因而收缩不同，导致制品翘曲。通过调整注射时间可以改变剪切速率。
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% z8 n; Z  @8 a4 u; `+ P9 w5 剪切应力 （图6）

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图6 剪切应力

剪切应力也是影响制品质量的一个重要因素，制品的残余应力值与熔体的剪切应力值有一定的对应关系，一般，剪切应力值大，残余应力值也大。因此总希望熔体的剪切应力值不要过大，以避免制品翘曲或开裂。根据经验，熔体在填充型腔时所承受的剪切应力不应超过该材料抗拉强度的1%。
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3 s) h5 J5 u* R6 熔合纹/气穴 （图7）

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图7 熔合纹/气穴

两个流动前沿相遇时形成熔合纹，因而，在多浇口方案中熔合纹不可避免，在单浇口时，由于制品的几何形状以及熔体的流动情况，也会形成熔合纹。熔合纹不仅影响外观，而且为应力集中区，材料结构性能也受到削弱。改变流动条件（如浇口的数目与位置等）可以控制熔合纹的位置，使其处于制品低感光区和应力不敏感区（非“关键”部位）。而气穴为熔体流动推动空气最后聚集的部位，如果该部位排气不畅，就会引起局部过热、气泡、甚至充填不足等缺陷，此时就应该加设排气装置。流动模拟软件可以为用户准确地预测熔合纹和气穴的位置。

7 多浇口的平衡

9 G1 E! Q5 f) X# a- K* B) U9 s当采用多浇口时，来自不同浇口的熔体相互汇合，可能造成流动的停滞和转向（潜流效应），这时各浇口的充填不平衡，影响制品的表面质量及结构的完整性，也得不到理想的简单流动。这种情况应调整浇口的位置。

四．结束语
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7 l+ k5 V$ A3 X9 R1 O流动模拟软件在优化设计方案更显优势。通过对不同方案的模拟结果的比较，可以辅助设计人员选择较优的方案，获得最佳的成型质量。

9 t+ G- J3 K- x/ _, [! x注射模流动模拟软件只是一种辅助工具，它能否在产生中发挥作用并产生经济效益，在很大程度上取决于模具设计者的正确使用。