气辅注射成型工艺参数CAE模拟分析
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3 CA E 模拟分析缺陷形成与工艺参数关系
在气辅注射中导致制品产生缺陷的因素主要是 产品结构及模具结构设计 、气道设计以及成型工艺 条件的设置不合理 。运用 CA E 技术是在对设计方 案进行模拟的基础上 ,合理设计模具结构以及确定 气道开设的位置及尺寸 ,同时优化注料时间 、进气时 间 、进气压力等工艺参数 ,从而获得理想的成型工艺 条件 。
[ 1 ] 梁瑞凤. 气体辅助注射成型技术 ———一项向传统注射成型工艺 挑战的未来技术. 高分子通报 ,1996 (4) :226～233
3. 0
2. 5
在 3 次模拟实验中可以看出模拟 1 中气体穿透 现象严重 ,模拟 2 比模拟 1 已有很大的改善 。模拟 3 中气体穿透现象基本消失 ,达到了很好的气辅效 果 ,模拟结果如图 2 所示 。
4 结束语
气辅注射成型与传统注射成型相比 ,其工艺参 数较多 ,成型过程也更加复杂 。采用传统试模的方 法来发现成型缺陷 ,既费时又不经济 ,甚至无法解决 问题 。因此 ,对气辅注射成型过程进行CA E分析已
2 气辅注射典型 CA E 分析方法
气辅注射 CA E 分析一般都采用 K. K. Wang 等
开发的有限元/ 有限差分/ 控制体积等数值方法并作
为基本理论基础 。运用示踪粒子技术 ,较好地解决
了气辅注射的主要问题 。该方法将气辅注射过程分
为大量的时间段 ,每一段根据不同的边界条件 ,通过
求解质量守恒 、动量守恒和能量守恒方程组 ,得到压
(b) 模拟 2
(c) 模拟 3 图 2 模拟结果
成为一种必然的趋势 。在气辅成型中采用 CA E 模 拟 ,通过模拟分析确定气辅制品合理的结构 ,改进气 辅模具设计结构 ,优化成型工艺设计和设定合理的 工艺参数 ,可使制品得到最好的成型质量 ,避免废品 的出现 ,从而降低生产成本 。
参考文献 :
2. Ningbo University of Technology , Ningbo 315000 , China ) Abstract : This paper presented CA E met hod in gas2assisted injection molding. The relation be2 tween processing parameter and defect of production were elaborated. Defect was disappeared t hrough FLOW2COOL2FLOW analysis and processing parameter adjust ment of plastic production by using plastic molding process analysis software Moldflow Plastic Insight5. 0. Key words : CA E ; gas2assisted injection molding ; Simulation
— 51 —
《电加工与模具》2005 年第 3 期 设计·研究
题 。近年 来 CA E 软 件 在 功 能 上 的 日 益 完 善 , 使 CA E 技术在生产实践中发挥的作用越来越大 。目 前典 型 的 气 辅 注 射 成 型 CA E 软 件 有 C2MOLD 、 MOLDFLOW , MOLDEX3D 等 。通过 CA E 对气辅 成型的工艺参数与制品结构进行优化 ,能使成型制 品获得最好的成型质量 。
pcp (
9T 9t
+
u
9T 9x
Байду номын сангаас
+
v
9T 9y
)
=
k
92 T 9z 2
+ ηγ2
式中 : b 、p 、γ、η、cp 、k 分别表示为半壁厚 、压力 、剪
切速率 、粘度 、比热容和导热率 ; u 为 x 方向速度 ; v
为 y 方向速度 。 流变本构方程 :τ=η(γ)γ γ= [ ( 9u/ 9z ) 2 + ( 9v/ 9z ) 2 ]1/ 2
力场 、温度场 、速度场及残余应力分布 ,并预测气穴 、
气体穿透 、熔接线等位置分布数据及图像 。其数学
表达式如下[3 ] :
动量守恒
0 :
=
9 9z
(η
9u 9z
)
-
9p 9x
0
=
9 9z
(η
9v 9z
)
-
9p 9y
质量守恒
:
9 9x
( bu)
+
9 9y
(
bv )
=
F(
x
,
y,
t)
能量守恒 :
助刚接触气辅成型技术的工程技术人员认识成型原 理 ,还能让有经验的气辅成型工程师利用 CA E 技术 在产品成型之前预测可能出现的缺陷 ,减少试模次 数 ,提高制模效率和提升产品质量 。
由上述分析方法可见 ,在气辅成型过程中影响 气辅制品质量的主要因素是壁厚 、压力 、剪切速率 、 粘度 、比热容和导热率 ,在气辅制品结构设计和气辅 注射工艺设计中就表现为制品壁厚 、气体注射压力 、 延时时间 、熔体温度等 。
设计·研究 《电加工与模具》2005 年第 3 期
气辅注射成型工艺参数 CAE 模拟分析
欧长劲1 郑子军1 胡如夫2
( 1. 浙江工业大学机电学院 ,浙江杭州 310014 2. 宁波工程学院 , 浙江宁波 315000)
摘要 : 介绍了气体辅助注射成型中的 CA E 分析方法 ,阐述了气辅制品缺陷与工艺参数的关 系 。并通过塑料成型过程分析软件 Moldflow Plastic Insight5. 0 对制品进 FLOW2COOL2FLOW 分 析 ,调整工艺参数达到消除气辅缺陷的目的 。
收稿日期 : 2005 - 02 - 22 第一作者简介 : 欧长劲 , 男 , 1956 年生 , 副教授 。
1 气辅成型产品缺陷
气体的流动与聚合物相比有巨大的差异 ,气辅 注射由于增加了气体注射阶段 ,因而与传统注射成 型相比 ,其注射过程更为复杂 :非牛顿特性的高温塑 料熔体在高压气体推动下向温度较低的模腔充填 , 熔体一方面由于模具传热而快速冷却 ,另一方面因 高速剪切而产生热量 ,同时伴有熔体固化 、体积收缩 及分子取向 。因此气辅注射成型的工艺参数比传统 注射成型要多 ,过程的控制也比普通注射过程更加 复杂 。如果在生产中对气辅成型的各种工艺参数 (如熔体的预注射量 、注射温度 、气体的延时时间 、气 体 、熔体的注射压力) 调整不当 ,气辅注射除了会产 生与传统注射相同的缺陷外 ,还会产生因气体引入 而产生另一些缺陷 ,如气穴 、气体吹穿 、短射 、薄壁 穿透 、指纹效应 、跑道等 。气辅成型工艺参数与制品 结构的复杂性 , 决定了气辅模具设计中必须采用 CA E 技术进行模拟分析 ,才能避免气辅成型中制品 产生缺陷并解决传统注射无法解决的某些成型问
表 1 模拟参数
内 容
模拟 1
参数设定 模拟 2
模拟 3
选用材料
PP
PP
PP
预注射量 (体积比)
95 %
95 %
95 %
延迟时间/ s
2. 0
1. 5
1. 5
气体压力/ MPa
15
15
20
环境温度/ ℃
20
20
20
熔体温度/ ℃
220
220
220
模具内壁温度/ ℃
30
30
30
平板壁厚/ mm
3. 0
(a) 模拟 1
图 1 CA E 模型
在模拟中设定预注射量为 95 % ,熔体温度 220 ℃,环境温度为 20 ℃,模具内壁温度与冷却水温相 同为 30 ℃,利用 Moldflow PLASTIC Insight5. 0 软 件分别对厚度不同的两模型设定不同的延迟时间与
气体压力进行模拟 ,模拟参数见表 1 。
气 体 辅 助 注 射 成 型 ( Gas2Assisted2Injection Molding) 是一种新型的注射成型工艺 ,近几年在国 外已得到广泛应用 ,国内的使用也越来越多 。从 20 世纪 80 年代开始实际应用时就表现出传统注射成 型无法比拟的优势[2 ] : ①所需的注射压力与锁模力 小 ,减小了对模具与注射机的要求 ; ② 注射过程中 内应力分布均匀 ,制品翘曲小 ; ③可消除缩痕 ,提高 制品表面质量 ; ④打破了传统注射成型对制品壁厚 均匀的设计要求 ,使制品设计的自由度大大提高 ; ⑤ 通过气体穿透可减轻制品质量 ,提高质量与刚度 、强 度的比值 ; ⑥能减少冷却时间 ,缩短成型周期 ,提高 生产效率 。 气辅成型方法如果运用得当 ,可以解决传统注 射无法解决的制品质量隐患 。所以气辅注射成型被 工业界称为注射成型方法的一次革命[4 ] 。
CA E 中采用的是 Cross- WL F 模型 :
η(γ,
T,
P)
=
1
η0 ( T , P) + (ητ00γ) 1 -
n
η0 ( T , P) = exp ( T0/ T) exp (βP)
式中 :η0 为零剪切粘度 ;τ0 为材料常数 ; n 为非牛指
数 ; B 、β均为材料常数 。
边界条件 :压力边界条件有熔体前沿 P = 0 , 型
设计·研究 《电加工与模具》2005 年第 3 期
Plastic Insight5. 0 进行模拟分析 ,通过调整气体压 力和延时时间 ,并减少壁厚至 2. 5 mm ,解决了实际 生产中严重的气体穿透问题 。
周转 箱 外 形 尺 寸 为 500 mm ×500 mm × 250mm ,制品如图 1 所示 。模型中间有 <12 mm 的 加强筋作为气道 ,在模具中分别在型腔板与型芯中 开冷却水道 ,MOLDFLOW 软件中用恒体积法注气 方式对模型进行 FLOW2COOL2FLOW 模 拟 , CA E 模型如图 1 所示 。
— 52 —
腔边界上满足无渗透边界条件 9p/ 9n = 0 。气熔边 界上满足 P = Pgas 。在型腔厚度上呈对称流动 , 故 有速度边界条件 z = 0 , 9u/ 9z = 9v/ 9z = 0 ; z = ± b , u = v = 0 。温度边界条件是一组未知量的方程组
[ B ij ] = { Ti} = { f i} 通过 CA E 模拟分析气辅成型过程 ,不仅可以帮
关键词 : CA E ;气体辅助注射成型 ;模拟
Cae Simulation of Processing Parameter in Gas2assisted Injection Molding
Ou Changjin1 , Zheng Zijun1 , Hu Ruf u2 ( 1. Zhejiang University of Technology , Hangzhou 310014 , China ;
粘度模型 :在 CA E 分析中目前较常用的粘度模
型有两种 ,一种是幂律模型 ( Power-law) ,另一种是
Cross- WL F 模型 。幂律模型有计算简单的优点 ,一
般可满足对熔体流动的描述要求 。但当剪切速率较
低时 ,由幂律模型计算出来的粘度偏高 。而 Cross-
WL F 模型则适用更宽的剪切速率范围 。在气 辅
从上述 CA E 分析方法中可知 ,在恒体积气辅成 型方法中 (目前应用最多的注气方式) ,气体穿透深 度随熔体温度或气体压力的增加而减小 ,当溶体温 度和气体压力增加到一定值后 ,其趋势逐渐变缓 。 体积填充时间也随压力的增加而逐渐变小 。从高聚 物流变学理论来分析 ,随着温度升高 、压力增大 ,气 体容易推动更多的塑料熔体 ,使气道的横截面积增 大 ,由于气体体积不变 ,从而造成气体穿透深度减 小 。气体的穿透深度随熔体预注射量的增加而减 小 。熔体预注射量增加以后 ,气体在型腔中所占的 体积减小 ,因此气体的穿透半径和穿透深度都会变 小 。同时 ,由于熔体预填充量的增加 ,填满型腔所须 气体的体积减小 ,故体积填充时间会变短 。当预注 射量减少到一定值时 ,不管怎么调整其他参数 ,也会 出现短射现象 。气体穿透深度随延迟时间的缩短而 增大 ,但是过短的延迟时间会造成过大的薄壁穿透 甚至吹穿 。另外壁厚对气体穿透影响也很大 ,壁厚 越大穿透的可能性也越高 。根据上述分析 ,我们结 合周围转箱气辅成型生产实践过程 ,采用 Moldflow
在气辅注射中导致制品产生缺陷的因素主要是 产品结构及模具结构设计 、气道设计以及成型工艺 条件的设置不合理 。运用 CA E 技术是在对设计方 案进行模拟的基础上 ,合理设计模具结构以及确定 气道开设的位置及尺寸 ,同时优化注料时间 、进气时 间 、进气压力等工艺参数 ,从而获得理想的成型工艺 条件 。
[ 1 ] 梁瑞凤. 气体辅助注射成型技术 ———一项向传统注射成型工艺 挑战的未来技术. 高分子通报 ,1996 (4) :226～233
3. 0
2. 5
在 3 次模拟实验中可以看出模拟 1 中气体穿透 现象严重 ,模拟 2 比模拟 1 已有很大的改善 。模拟 3 中气体穿透现象基本消失 ,达到了很好的气辅效 果 ,模拟结果如图 2 所示 。
4 结束语
气辅注射成型与传统注射成型相比 ,其工艺参 数较多 ,成型过程也更加复杂 。采用传统试模的方 法来发现成型缺陷 ,既费时又不经济 ,甚至无法解决 问题 。因此 ,对气辅注射成型过程进行CA E分析已
2 气辅注射典型 CA E 分析方法
气辅注射 CA E 分析一般都采用 K. K. Wang 等
开发的有限元/ 有限差分/ 控制体积等数值方法并作
为基本理论基础 。运用示踪粒子技术 ,较好地解决
了气辅注射的主要问题 。该方法将气辅注射过程分
为大量的时间段 ,每一段根据不同的边界条件 ,通过
求解质量守恒 、动量守恒和能量守恒方程组 ,得到压
(b) 模拟 2
(c) 模拟 3 图 2 模拟结果
成为一种必然的趋势 。在气辅成型中采用 CA E 模 拟 ,通过模拟分析确定气辅制品合理的结构 ,改进气 辅模具设计结构 ,优化成型工艺设计和设定合理的 工艺参数 ,可使制品得到最好的成型质量 ,避免废品 的出现 ,从而降低生产成本 。
参考文献 :
2. Ningbo University of Technology , Ningbo 315000 , China ) Abstract : This paper presented CA E met hod in gas2assisted injection molding. The relation be2 tween processing parameter and defect of production were elaborated. Defect was disappeared t hrough FLOW2COOL2FLOW analysis and processing parameter adjust ment of plastic production by using plastic molding process analysis software Moldflow Plastic Insight5. 0. Key words : CA E ; gas2assisted injection molding ; Simulation
— 51 —
《电加工与模具》2005 年第 3 期 设计·研究
题 。近年 来 CA E 软 件 在 功 能 上 的 日 益 完 善 , 使 CA E 技术在生产实践中发挥的作用越来越大 。目 前典 型 的 气 辅 注 射 成 型 CA E 软 件 有 C2MOLD 、 MOLDFLOW , MOLDEX3D 等 。通过 CA E 对气辅 成型的工艺参数与制品结构进行优化 ,能使成型制 品获得最好的成型质量 。
pcp (
9T 9t
+
u
9T 9x
Байду номын сангаас
+
v
9T 9y
)
=
k
92 T 9z 2
+ ηγ2
式中 : b 、p 、γ、η、cp 、k 分别表示为半壁厚 、压力 、剪
切速率 、粘度 、比热容和导热率 ; u 为 x 方向速度 ; v
为 y 方向速度 。 流变本构方程 :τ=η(γ)γ γ= [ ( 9u/ 9z ) 2 + ( 9v/ 9z ) 2 ]1/ 2
力场 、温度场 、速度场及残余应力分布 ,并预测气穴 、
气体穿透 、熔接线等位置分布数据及图像 。其数学
表达式如下[3 ] :
动量守恒
0 :
=
9 9z
(η
9u 9z
)
-
9p 9x
0
=
9 9z
(η
9v 9z
)
-
9p 9y
质量守恒
:
9 9x
( bu)
+
9 9y
(
bv )
=
F(
x
,
y,
t)
能量守恒 :
助刚接触气辅成型技术的工程技术人员认识成型原 理 ,还能让有经验的气辅成型工程师利用 CA E 技术 在产品成型之前预测可能出现的缺陷 ,减少试模次 数 ,提高制模效率和提升产品质量 。
由上述分析方法可见 ,在气辅成型过程中影响 气辅制品质量的主要因素是壁厚 、压力 、剪切速率 、 粘度 、比热容和导热率 ,在气辅制品结构设计和气辅 注射工艺设计中就表现为制品壁厚 、气体注射压力 、 延时时间 、熔体温度等 。
设计·研究 《电加工与模具》2005 年第 3 期
气辅注射成型工艺参数 CAE 模拟分析
欧长劲1 郑子军1 胡如夫2
( 1. 浙江工业大学机电学院 ,浙江杭州 310014 2. 宁波工程学院 , 浙江宁波 315000)
摘要 : 介绍了气体辅助注射成型中的 CA E 分析方法 ,阐述了气辅制品缺陷与工艺参数的关 系 。并通过塑料成型过程分析软件 Moldflow Plastic Insight5. 0 对制品进 FLOW2COOL2FLOW 分 析 ,调整工艺参数达到消除气辅缺陷的目的 。
收稿日期 : 2005 - 02 - 22 第一作者简介 : 欧长劲 , 男 , 1956 年生 , 副教授 。
1 气辅成型产品缺陷
气体的流动与聚合物相比有巨大的差异 ,气辅 注射由于增加了气体注射阶段 ,因而与传统注射成 型相比 ,其注射过程更为复杂 :非牛顿特性的高温塑 料熔体在高压气体推动下向温度较低的模腔充填 , 熔体一方面由于模具传热而快速冷却 ,另一方面因 高速剪切而产生热量 ,同时伴有熔体固化 、体积收缩 及分子取向 。因此气辅注射成型的工艺参数比传统 注射成型要多 ,过程的控制也比普通注射过程更加 复杂 。如果在生产中对气辅成型的各种工艺参数 (如熔体的预注射量 、注射温度 、气体的延时时间 、气 体 、熔体的注射压力) 调整不当 ,气辅注射除了会产 生与传统注射相同的缺陷外 ,还会产生因气体引入 而产生另一些缺陷 ,如气穴 、气体吹穿 、短射 、薄壁 穿透 、指纹效应 、跑道等 。气辅成型工艺参数与制品 结构的复杂性 , 决定了气辅模具设计中必须采用 CA E 技术进行模拟分析 ,才能避免气辅成型中制品 产生缺陷并解决传统注射无法解决的某些成型问
表 1 模拟参数
内 容
模拟 1
参数设定 模拟 2
模拟 3
选用材料
PP
PP
PP
预注射量 (体积比)
95 %
95 %
95 %
延迟时间/ s
2. 0
1. 5
1. 5
气体压力/ MPa
15
15
20
环境温度/ ℃
20
20
20
熔体温度/ ℃
220
220
220
模具内壁温度/ ℃
30
30
30
平板壁厚/ mm
3. 0
(a) 模拟 1
图 1 CA E 模型
在模拟中设定预注射量为 95 % ,熔体温度 220 ℃,环境温度为 20 ℃,模具内壁温度与冷却水温相 同为 30 ℃,利用 Moldflow PLASTIC Insight5. 0 软 件分别对厚度不同的两模型设定不同的延迟时间与
气体压力进行模拟 ,模拟参数见表 1 。
气 体 辅 助 注 射 成 型 ( Gas2Assisted2Injection Molding) 是一种新型的注射成型工艺 ,近几年在国 外已得到广泛应用 ,国内的使用也越来越多 。从 20 世纪 80 年代开始实际应用时就表现出传统注射成 型无法比拟的优势[2 ] : ①所需的注射压力与锁模力 小 ,减小了对模具与注射机的要求 ; ② 注射过程中 内应力分布均匀 ,制品翘曲小 ; ③可消除缩痕 ,提高 制品表面质量 ; ④打破了传统注射成型对制品壁厚 均匀的设计要求 ,使制品设计的自由度大大提高 ; ⑤ 通过气体穿透可减轻制品质量 ,提高质量与刚度 、强 度的比值 ; ⑥能减少冷却时间 ,缩短成型周期 ,提高 生产效率 。 气辅成型方法如果运用得当 ,可以解决传统注 射无法解决的制品质量隐患 。所以气辅注射成型被 工业界称为注射成型方法的一次革命[4 ] 。
CA E 中采用的是 Cross- WL F 模型 :
η(γ,
T,
P)
=
1
η0 ( T , P) + (ητ00γ) 1 -
n
η0 ( T , P) = exp ( T0/ T) exp (βP)
式中 :η0 为零剪切粘度 ;τ0 为材料常数 ; n 为非牛指
数 ; B 、β均为材料常数 。
边界条件 :压力边界条件有熔体前沿 P = 0 , 型
设计·研究 《电加工与模具》2005 年第 3 期
Plastic Insight5. 0 进行模拟分析 ,通过调整气体压 力和延时时间 ,并减少壁厚至 2. 5 mm ,解决了实际 生产中严重的气体穿透问题 。
周转 箱 外 形 尺 寸 为 500 mm ×500 mm × 250mm ,制品如图 1 所示 。模型中间有 <12 mm 的 加强筋作为气道 ,在模具中分别在型腔板与型芯中 开冷却水道 ,MOLDFLOW 软件中用恒体积法注气 方式对模型进行 FLOW2COOL2FLOW 模 拟 , CA E 模型如图 1 所示 。
— 52 —
腔边界上满足无渗透边界条件 9p/ 9n = 0 。气熔边 界上满足 P = Pgas 。在型腔厚度上呈对称流动 , 故 有速度边界条件 z = 0 , 9u/ 9z = 9v/ 9z = 0 ; z = ± b , u = v = 0 。温度边界条件是一组未知量的方程组
[ B ij ] = { Ti} = { f i} 通过 CA E 模拟分析气辅成型过程 ,不仅可以帮
关键词 : CA E ;气体辅助注射成型 ;模拟
Cae Simulation of Processing Parameter in Gas2assisted Injection Molding
Ou Changjin1 , Zheng Zijun1 , Hu Ruf u2 ( 1. Zhejiang University of Technology , Hangzhou 310014 , China ;
粘度模型 :在 CA E 分析中目前较常用的粘度模
型有两种 ,一种是幂律模型 ( Power-law) ,另一种是
Cross- WL F 模型 。幂律模型有计算简单的优点 ,一
般可满足对熔体流动的描述要求 。但当剪切速率较
低时 ,由幂律模型计算出来的粘度偏高 。而 Cross-
WL F 模型则适用更宽的剪切速率范围 。在气 辅
从上述 CA E 分析方法中可知 ,在恒体积气辅成 型方法中 (目前应用最多的注气方式) ,气体穿透深 度随熔体温度或气体压力的增加而减小 ,当溶体温 度和气体压力增加到一定值后 ,其趋势逐渐变缓 。 体积填充时间也随压力的增加而逐渐变小 。从高聚 物流变学理论来分析 ,随着温度升高 、压力增大 ,气 体容易推动更多的塑料熔体 ,使气道的横截面积增 大 ,由于气体体积不变 ,从而造成气体穿透深度减 小 。气体的穿透深度随熔体预注射量的增加而减 小 。熔体预注射量增加以后 ,气体在型腔中所占的 体积减小 ,因此气体的穿透半径和穿透深度都会变 小 。同时 ,由于熔体预填充量的增加 ,填满型腔所须 气体的体积减小 ,故体积填充时间会变短 。当预注 射量减少到一定值时 ,不管怎么调整其他参数 ,也会 出现短射现象 。气体穿透深度随延迟时间的缩短而 增大 ,但是过短的延迟时间会造成过大的薄壁穿透 甚至吹穿 。另外壁厚对气体穿透影响也很大 ,壁厚 越大穿透的可能性也越高 。根据上述分析 ,我们结 合周围转箱气辅成型生产实践过程 ,采用 Moldflow