基于數(shù)值模擬的注塑模具設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)分析

瞿智鋒

摘要：考慮到注塑加工中材料成型的變化較為復(fù)雜，注塑模具在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮更多因素。因此，提出基于數(shù)值模擬的注塑模具設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)分析，建立模具設(shè)計(jì)函數(shù)，模擬設(shè)計(jì)中的模具指數(shù)，采用數(shù)值模擬來模擬模具的約束條件，參照模擬結(jié)果，對(duì)注塑模具進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)整設(shè)計(jì)方案。同時(shí)考慮到模具的生產(chǎn)結(jié)果，對(duì)于模具的工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)模具的剛粘塑性進(jìn)行分析，分析模具的熱力耦合?？紤]到模具的使用壽命，建立模具的抗磨損模型，通過工藝參數(shù)的模擬分析，為模具設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)提供更多的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：模具;注塑加工;數(shù)值模擬;工藝參數(shù);

在塑料制品的生產(chǎn)及加工工藝中，注塑模具的設(shè)計(jì)是塑料制品生產(chǎn)的重要一環(huán)[1]。但由于在加工中的成品往往較為復(fù)雜，使得材料在成型過程中容易出現(xiàn)多種問題，因此模具設(shè)計(jì)不僅需要考慮到相關(guān)塑料的工藝要求，還要對(duì)生產(chǎn)時(shí)可能遇到的問題進(jìn)行考慮，因此需要對(duì)模具設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行一定的模擬。在模具的設(shè)計(jì)過程中，要考慮到模具在生產(chǎn)中的固體運(yùn)輸、流動(dòng)、相變等容易出現(xiàn)的問題[2]。這些問題就跟模具成型與所經(jīng)歷的受力狀態(tài)有關(guān)。而模具在制造后的各種工藝需求是否滿足也需要進(jìn)一步模擬，傳統(tǒng)的方法對(duì)于模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)后再來對(duì)模具的工藝參數(shù)進(jìn)行判斷的方式，不僅成本高，而且更費(fèi)時(shí)?；诖?，可以使用數(shù)值模擬的方法，建立函數(shù)從多方面考慮模具在設(shè)計(jì)時(shí)所遇到的問題。同時(shí)數(shù)據(jù)模擬的多種算法可以確定在加工中加工條件的變化規(guī)律，對(duì)于待生產(chǎn)的模具也可以確定工藝參數(shù)，參照數(shù)據(jù)結(jié)果，科學(xué)地選擇出模具設(shè)計(jì)工藝的最佳方案。

1基于數(shù)值模擬的注塑模具設(shè)計(jì)

1.1建立模具設(shè)計(jì)函數(shù)

通常在設(shè)計(jì)注塑模具時(shí)要允許一定的壓力下降，因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中的注射壓力難以達(dá)到，所以要設(shè)置使用壓力[3]?？紤]到被設(shè)計(jì)模具的安全使用壽命以及其經(jīng)濟(jì)性的因素得出其的系數(shù)，在設(shè)計(jì)過程中，要考慮模具在生產(chǎn)中的因素，其充填性和所需壓力小于公稱，這里為了減小流道橫截面積，同時(shí)為了保證流道中滯留料減少的目的，對(duì)于流道中所允許的壓力下降應(yīng)為：

在公式（2）中代表著非牛頓指數(shù)，代表非牛頓體的粘度系數(shù)，代表加工時(shí)的流道長(zhǎng)度，則代表流道的半徑，表示在加工中某段流道的體積流率。而在此時(shí)加工模具的流道壓力降會(huì)發(fā)生改變，這里的壓力降如下：

公式（3）表明這些流道半徑，這里的半徑函數(shù)采用的函數(shù)。通過數(shù)值模擬可以對(duì)模具的設(shè)計(jì)給出具體的函數(shù)并得出假設(shè)，因?yàn)闈部诘捏w積較小，因此接下來的數(shù)值模擬中也不需要對(duì)填充澆口的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。通過建立模具的設(shè)計(jì)參數(shù)函數(shù)，來對(duì)模具的約束條件進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

1.2 數(shù)值模擬約束條件

考慮到流道系統(tǒng)中的每個(gè)流道情況，對(duì)于各流道的約束需要進(jìn)行數(shù)值模擬，以方便對(duì)于模具的設(shè)計(jì)。這里對(duì)于主流道和分流道的約束公式表示為

公式（4）中，表示為主流道的半徑，在公式中表示為分流道的半徑，而則代表分流道的數(shù)量。 根據(jù)分流道的設(shè)計(jì)約束建模，考慮在溶體中達(dá)到路徑的末端，并且對(duì)各分流道也應(yīng)該滿足公式（5）

在公式（5）中，表示公共主流道的長(zhǎng)度，代表分流道的長(zhǎng)度，而則表示在上下游的流道中連接處具有的分支數(shù)，則是表示分流道和公共流道的半徑和，則表示分流道的壓力。而要考慮到注塑件的不同位置的殘余應(yīng)力的分布，再結(jié)合脫模后的膜內(nèi)殘余應(yīng)力，以此將各層模中的殘余應(yīng)力的平均值進(jìn)行改變，從而對(duì)于模內(nèi)殘余應(yīng)力分布情況進(jìn)行改善。根據(jù)給出的函數(shù)式以及約束函數(shù)式，在模具的設(shè)計(jì)中，對(duì)于約束條件下給出優(yōu)化問題的求解，也可以通過函數(shù)公式在設(shè)計(jì)中確定模具的流道長(zhǎng)度和各種壓力約束的條件，并且進(jìn)行改善，從而在設(shè)計(jì)中給出更好的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

1.3 得出數(shù)據(jù)完成設(shè)計(jì)

在完成對(duì)模具設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)模擬后，就可以參照數(shù)據(jù)模擬的結(jié)果，對(duì)模具本身來完成設(shè)計(jì)，也可以使用已經(jīng)完成的模具設(shè)計(jì)方案，帶入數(shù)據(jù)模擬的函數(shù)中，以此來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的質(zhì)量和優(yōu)劣性。數(shù)據(jù)模擬的本身就是幫助設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)的同時(shí)考慮模具在成型時(shí)的變形歷史以及形態(tài)變化。在參照模擬結(jié)果后，可在模具生產(chǎn)前就對(duì)模具生產(chǎn)中和使用中遇到的問題做出判斷。

2 基于數(shù)值模擬的模具工藝參數(shù)分析

2.1 模具剛粘塑性分析

通過采用反函數(shù)法，來對(duì)于剛粘塑性的狀況來進(jìn)行分析，并引入材料的不可壓縮條件來進(jìn)行變分處理。

公式（6）中代表在邊界上的給定外力，而是表示該工件在模具上的摩擦力，代表工件在模具邊界里的相對(duì)滑動(dòng)速度，這里的罰因子在取。根據(jù)數(shù)據(jù)模擬可以得出模具在過程中在半錐角不同的情況下的載荷形成的曲線，如圖1所示。

通過數(shù)據(jù)模擬可以對(duì)模具的載荷的峰值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在模具生產(chǎn)前分析模具設(shè)計(jì)方案是否可以滿足要求，而對(duì)于半錐角來說，擠壓載荷隨半錐角的增大而增大，同時(shí)發(fā)生變形區(qū)。半錐角的不同情況下的載荷行程是在模具設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)之一[4]。在確立剛粘塑性數(shù)據(jù)后，進(jìn)行熱力耦合分析，以保證材料在成型過程中的使用。

2.2 熱力耦合分析

公式（7）中，代表模具材料的變形應(yīng)力的張量，代表材料變形時(shí)的應(yīng)變率張量，表示該材料的變形體和外界熱交換過程中的熱流密度，表示變形體匯總熱源的熱流密度。在完成對(duì)模型的剛粘塑性的分析以及模具的熱力耦合的模擬后，建立一個(gè)模具的抗磨損模型，去綜合考慮模具的使用壽命。

2.3 模具的抗磨損模型

在模具的工藝參數(shù)中，模具的抗磨損能力也是重要的工藝指標(biāo)[5]。也是反應(yīng)模具使用壽命的一項(xiàng)參數(shù)。通過建立數(shù)學(xué)表達(dá)式來模擬模具的磨損并得出該模具的抗磨損能力。

公式（8）中代表著磨損的深度，代表的是界面的壓力，表示相對(duì)的滑動(dòng)速度，表示模具所用材料的硬度，這里的代表模具的使用時(shí)間。而公式中的則是公式中的修正系數(shù)，修正系數(shù)分別取，，，而的修正系數(shù)這里取0.002。關(guān)于材料硬度應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的模具材料來改變。模具的抗磨損模型的建立，是通過對(duì)于模具的剛粘塑性分析和熱力耦合分析以及抗磨損模型來得出模具的使用壽命。

3 結(jié)語(yǔ)

本文為了提高注塑模具的設(shè)計(jì)效率和成品的可靠性，使用數(shù)值模擬來對(duì)注塑模具設(shè)計(jì)及其工藝參數(shù)進(jìn)行分析。使用數(shù)值模擬建立模具的設(shè)計(jì)參數(shù)模型，并分析相關(guān)參數(shù)，使用數(shù)值模擬對(duì)模具進(jìn)行工藝參數(shù)的分析，兩者的目的皆在于提高模具設(shè)計(jì)的效率并提供數(shù)據(jù)支持。而研究對(duì)于模具設(shè)計(jì)時(shí)的參照的數(shù)據(jù)有限，缺少對(duì)于特定要求模具的設(shè)計(jì)參數(shù)，因此研究仍存在局限性，數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)于注塑模具的設(shè)計(jì)提供的幫助仍有待開發(fā)。

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