注塑模具剛強度分析研究進(jìn)展

摘要：介紹了注塑模具及其剛強度分析在注塑模具設(shè)計中的重要性，對目前注塑模具剛強度分析研究現(xiàn)狀和發(fā)展進(jìn)行了論述。

Abstract： This paper introduces the importance of injection molds and its stiffness and strength analysis in the design of injection molds， and discusses the current status and development of research on stiffness and strength analysis of injection molds.

關(guān)鍵詞：注塑模具;數(shù)值模擬;剛強度

Key words： injection mold;numerical simulation;stiffness and strength

0 ?引言

注塑成型周期短，能夠大批量生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高精度的制品，成型制品表面質(zhì)量好，成型后只需少量修整或者不需修整。注塑成型批量生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)效率高，在塑料加工行業(yè)中占有非常重要的地位[1，2]。注塑模具的設(shè)計和制造是注塑成型工藝中最重要的一個環(huán)節(jié)，模具的變形和結(jié)構(gòu)剛強度問題對制件的質(zhì)量和模具的壽命有很大影響。在注塑模具型腔充填過程中，熔體壓力很高，型腔側(cè)壁必須具有足夠的剛強度以承受熔體充模時產(chǎn)生的高壓。模具剛度不足時會發(fā)生彈性變形，當(dāng)變形超過彈性極限時會產(chǎn)生塑性變形，使零部件表面配合間隙變大，從而形成溢料或飛邊，影響制品的成型質(zhì)量，精度降低，造成脫模困難。模具強度不足時會發(fā)生塑性變形，當(dāng)變形超過屈服極限，模具就會發(fā)生破裂[3]。模具剛強度過大將導(dǎo)致昂貴的模具材料的浪費并增加生產(chǎn)成本。如何用科學(xué)方法準(zhǔn)確對模具的剛強度作出評估，得到最優(yōu)的模具尺寸設(shè)計對于節(jié)約模具生產(chǎn)成本、提高制品的性能具有重要意義。

1 ?注塑模具剛強度研究現(xiàn)狀

注塑模具剛強度校核是模具設(shè)計中非常重要的環(huán)節(jié)，目前關(guān)于注塑模具剛強度研究依據(jù)不同的研究方法歸納起來主要可分為三類：一是模具設(shè)計人員憑借自身的經(jīng)驗和公式對注塑模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛強度校核;二是利用CAE軟件對注塑模具結(jié)構(gòu)受力狀況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到應(yīng)力和應(yīng)變分布情況，利用分析結(jié)果為模具設(shè)計優(yōu)化提供參考;三是將相關(guān)的CAE軟件結(jié)合使用，解決好軟件之間的數(shù)據(jù)交換和載荷映射等問題，必要時利用軟件接口二次開發(fā)出相應(yīng)的分析系統(tǒng)，從而得到更加接近實際情況的模擬結(jié)果，為模具的設(shè)計和制造提供了更加可靠的依據(jù)。

傳統(tǒng)模具設(shè)計在剛強度校核上多憑經(jīng)驗和簡單的公式?jīng)Q定，一些具有復(fù)雜3D構(gòu)型的注塑模具關(guān)鍵受力部件無法簡化為簡單力學(xué)模型，也沒有相應(yīng)的剛強度校核公式，硬性地簡化處理會使分析結(jié)果與實際相比存在很大的偏差和不確定性。實際設(shè)計生產(chǎn)中往往為了保險起見而加大模具的壁厚，從而造成模具材料的浪費，增加生產(chǎn)成本。

隨著現(xiàn)代力學(xué)，計算數(shù)學(xué)和計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機輔助工程（CAE）[4，5]在理論和計算機實現(xiàn)方面都取得了很大進(jìn)展。CAE技術(shù)在注塑加工行業(yè)應(yīng)用也很廣泛，許多研究人員利用商品化的CAE軟件對注塑模具剛強度進(jìn)行研究，取得了很多研究成果。

胡占軍等人[6]針對探測器殼體注塑模具型腔壁厚進(jìn)行了設(shè)計計算，首先利用Pro/E繪圖軟件構(gòu)建模具型腔的三維模型，然后將其導(dǎo)入到ANSYS中，分析模具結(jié)構(gòu)的靜剛度，得到腔體的應(yīng)力應(yīng)變云圖。得到了模腔內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變分布，找到了模具型腔剛度薄弱的位置和應(yīng)力集中的部位，為注塑模腔設(shè)計提供參考。姚濤等人[7]利用MSC公司的PATRAN前處理軟件及NASTRAN有限元分析軟件，對注塑模具受力構(gòu)件的應(yīng)力及變形情況進(jìn)行分析。通過與理論計算的對比分析，驗證了MSC.NASTRAN在注塑件結(jié)構(gòu)分析和應(yīng)力分析中的可靠性和可行性。李兵等人[8]在薄壁注塑模具設(shè)計中應(yīng)用了有限元分析方法，利用ANSYS與UG的雙向互導(dǎo)功能實現(xiàn)從設(shè)計到分析的無縫接合，分析了在鎖模力和注塑壓力作用下公模和母模的剛度和強度，實現(xiàn)了注塑模具的輕量化設(shè)計。

付春輝[9]首先用HYPERMESH為前處理軟件建立了模具的有限元模型，然后利用ANSYS做為求解器和后處理軟件。結(jié)合兩個有限元模型的比較研究，對模具凹模的剛度，強度和疲勞性進(jìn)行了有限元分析。確定了應(yīng)力集中區(qū)域和模具的最大應(yīng)力，應(yīng)變和位移。趙海霞等人[10]利用有限元分析軟件ANSYS Workbench中的穩(wěn)態(tài)熱分析和靜力結(jié)構(gòu)分析模塊進(jìn)行耦合，模擬了注塑成型過程中模腔內(nèi)壁的變形情況，為模具的設(shè)計和材料的選擇提供依據(jù)。張國鵬等人[11]也使用ANSYS對臺燈罩注塑模具進(jìn)行了強度的有限元分析，通過分析得到了模具的最大位移量，以及模具最大應(yīng)力處于澆口位置。結(jié)果表明模具材料的屈服強度遠(yuǎn)大于所受應(yīng)力，從而確保模具的強度符合要求。魯韶磊等人[12]同樣是利用ANSYS對空調(diào)的橫向風(fēng)板注射模具型腔進(jìn)行變形和強度的可靠性分析，通過分析找到模具的應(yīng)力集中區(qū)域處于定模模架的臺階根部，并且分析了模具的開裂原因。師彩云等人[13]采用ANSYS和正交試驗方法，研究模具底部和周圍壁厚，以及壓力對塑料檢查井模具型腔剛強度的影響，得到各參數(shù)對應(yīng)力應(yīng)變的影響程度大小。太原理工大學(xué)的黃能會[14]基于UG對大型注塑模具型腔壁厚進(jìn)行剛度研究，通過進(jìn)行仿真模擬分析得出型腔壁發(fā)生最大變形的位置以及變形最大位移值，從而獲得模具壁厚參考數(shù)據(jù)，以此提出了大型注塑模具型腔壁厚設(shè)計的剛度準(zhǔn)則。洪偉等人[15]基于Abaqus模擬洗衣機上蓋的注塑成型過程，首先利用UG進(jìn)行實體建模，將簡化后的模型導(dǎo)入Abaqus中進(jìn)行分析，從而得到注塑模腔變形云圖以及變形量大小，防止了因為模具剛度不足而導(dǎo)致零件不合格情況的發(fā)生。

以上對于注塑模具剛強度研究的做法是：在CAD軟件中造型，然后把模型導(dǎo)入CAE軟件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。但是在設(shè)定模具型腔的受力載荷時，往往做了大幅度的簡化處理。在注塑成型過程中，模具型腔內(nèi)部不同位置的溫度和壓力是不同的，同一點的溫度和壓力也會隨時間發(fā)生變化。對于模具型腔受力載荷不能準(zhǔn)確施加，往往使分析結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差。為此，一些研究人員開始將相關(guān)的CAE軟件結(jié)合使用，從而得到更加接近實際情況的模擬結(jié)果，為模具的設(shè)計和制造提供了更加可靠的依據(jù)。一般的思路是先利用注塑成形模擬軟件計算出注塑成形時模具型腔的最大壓力分布，以此壓力分布作為應(yīng)力應(yīng)變模擬軟件的初始受力載荷條件。

使用Moldflow和ANSYS進(jìn)行綜合分析有較多的成果。

劉斌[16]，覃孟然[17]使用Moldflow軟件對注塑過程中的模腔壓力進(jìn)行數(shù)值模擬。先確定發(fā)生最大壓力的時間，輸出節(jié)點壓力值，對于壓力變化較大的型腔面，在ANSYS中要進(jìn)行大面分割，并將壓力峰值和其它條件輸入到ANSYS中進(jìn)行腔體變形分析。不僅實現(xiàn)了模具剛度的校核和優(yōu)化設(shè)計，而且研究了幾種ANSYS的二次開發(fā)工具的特點，并利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言APDL編寫程序，使得普通技術(shù)人員只需輸入幾個簡單的參數(shù)就可以查看到ANSYS分析的結(jié)果，提高了剛度分析的效率。耿鐵[18]，涂維清[19]基于ANSYS Workbench軟件，利用其二次開發(fā)接口研究開發(fā)了注塑模具專用剛強度分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有良好的界面可操作性，可與ANSYS連接使用。首先使用Moldflow對注塑成型過程進(jìn)行模擬分析，得到不同時間和位置的模腔壓力分布，并對所得載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。將載荷數(shù)據(jù)通過剛強度分析系統(tǒng)導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行分析得出結(jié)果，從而為注塑模具設(shè)計提供參考。陳志新等人[20]也使用Moldflow和ANSYS，以開水瓶外殼為實例對其剛強度進(jìn)行了綜合分析，從而得到更加全面直觀的塑料的流動情況以及模具變形情況。宋瑞坤[21]同樣是結(jié)合Moldflow和ANSYS，對大型塑件周轉(zhuǎn)箱進(jìn)行綜合仿真分析。首先使用Moldflow分析得到了周轉(zhuǎn)箱的最佳澆口位置和制件的翹曲情況，從而確定最佳的澆注方案，并對影響翹曲的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。然后利用ANSYS對模具滑塊及模套進(jìn)行靜力學(xué)分析，并對型腔壁厚進(jìn)行了強度和剛度分析與校核。

基于Moldflow與Abaqus的聯(lián)合仿真也有成功的案例。翟林，韓國泰等人[22]利用Moldflow針對“固定套”注塑模具進(jìn)行注塑仿真分析，得到最大型腔壓力參數(shù)。然后以Moldflow輸出的壓力參數(shù)為依據(jù)，使用有限元軟件Abaqus對“固定套”注塑模具的相關(guān)模板進(jìn)行形變仿真，成功驗證了模具結(jié)構(gòu)的可靠性。

為了更準(zhǔn)確地把模流分析的受力數(shù)據(jù)施加到注塑模具上，趙軍等人[23]提出了一種基于載荷映射對注塑模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的方法。這種方法首先通過有限元軟件進(jìn)行模流分析以此獲得塑料熔體對模具的作用力，然后使用編制的程序?qū)⑵漭d荷作為力邊界條件映射于模具表面，從而對注塑模具進(jìn)行應(yīng)力和變形分析，提高了注塑模具結(jié)構(gòu)剛強度校核的準(zhǔn)確性。

鑒于注塑模具結(jié)構(gòu)剛強度校核的重要性，華中科技大學(xué)的李巍毅[24]研究開發(fā)了專用的注塑模具剛強度分析計算系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于三維彈性邊界元理論，建立了注塑模具三維邊界元彈性問題的數(shù)值模型，該系統(tǒng)可以與華塑HSCAE[25]注塑成型分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，無縫配合使用，對注塑成形過程和模具變形進(jìn)行綜合模擬。Ming Huang等人[26]在Z-mold注塑成型模擬系統(tǒng)中，通過均勻網(wǎng)格建立了Z-mold與ANSYS之間的數(shù)據(jù)共享界面。解決了零件成型分析與模具結(jié)構(gòu)分析兩者結(jié)果之間的相互導(dǎo)入問題，成功預(yù)測了在實際成型壓力負(fù)載下的模具變形。

2 ?總結(jié)和展望

模具是一個非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組件，相比于注塑成型過程模擬以及相關(guān)工藝參數(shù)的優(yōu)化，對注塑模具剛強度校核的研究還較少。實際設(shè)計生產(chǎn)中模具剛強度校核大多依賴經(jīng)驗和簡單公式，對于模具壁厚都留有較大的余量，造成模具材料的浪費。目前，很多通用的數(shù)值分析軟件都沒有特殊的結(jié)構(gòu)分析模塊來解決模具的變形問題。常用的結(jié)構(gòu)分析軟件沒有相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換接口，對制件注塑成型過程分析得到的壓力場等邊界條件，在結(jié)構(gòu)分析軟件中不能有效施加到模具型腔上，只能進(jìn)行簡化處理，影響了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。雖然一些注塑模擬軟件可以解決比較簡單的注塑模模具強度校核問題，但是對于實際生產(chǎn)中存在的多組件，熱力耦合，數(shù)據(jù)交換等問題，目前還沒有很好的解決方案。基于上述分析，目前應(yīng)該加大對注塑模具剛強度研究，將相關(guān)有限元分析軟件結(jié)合使用，做好分析軟件之間的數(shù)據(jù)交換，載荷映射等關(guān)鍵問題;研究開發(fā)專門的注塑模具剛強度分析系統(tǒng)加入注塑成型模擬過程，使模擬分析更加貼合實際，為注塑模具設(shè)計和制造提供更好的參考依據(jù)，從而減少模具材料的浪費，降低生產(chǎn)成本。

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