談在塑膠成型中MP I的應(yīng)用

趙自鵬

（山西榮長汽車部件有限公司 山西 太原 030032）

0 引言

眾所周知，注塑成型是高溫塑料熔體通過流道、澆口向低溫度的模具型腔充填，熔體一方面由于模具傳熱而快速冷卻，另一方面因高速剪切而產(chǎn)生熱量，同時(shí)伴有熔體固化、體積收縮、取向、結(jié)晶等過程。因此注塑CAE技術(shù)是綜合了高分子物理學(xué)、流變學(xué)、傳熱學(xué)、注塑成型工藝學(xué)、計(jì)算機(jī)、圖形學(xué)、有限元等學(xué)科的交叉學(xué)科。注塑CAE是指在模具制造之前，對模具結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)進(jìn)行注塑成型過程的數(shù)值模擬，預(yù)測制品的成型質(zhì)量，檢查模具結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)是否合理。

1 MPI高級成型分析

MPI是專業(yè)模流分析軟件。它針對大型及成型困難的制件做設(shè)計(jì)及修改階段的優(yōu)化。在設(shè)計(jì)階段針對未來產(chǎn)品可能出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行優(yōu)化，提高一次試模的成功率。降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期。如處于模具修改階段，MPI可針對產(chǎn)品缺陷進(jìn)行模擬分析，在多種解決方案中選擇最佳方案。

2 MPI使用注意事項(xiàng)

2.1 模型的簡化處理及單元的選擇

MPI可與UG、CATIA、PRO/E等3D軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換。將3D數(shù)據(jù)以stl或igs的格式輸入到MPI中。在倒入前，需對一些特征進(jìn)行簡化處理，以免網(wǎng)格劃分后的單元縱橫比偏大而影響分析結(jié)果。也可借助專門的網(wǎng)格劃分工具如hypermesh劃分完后再倒入MPI中。

對于線框和表面模型，MPI可直接讀取任何CAD表面模型并進(jìn)行分析。而且MPI可自動生成中型面網(wǎng)格并準(zhǔn)確計(jì)算單元厚度，進(jìn)行精確分析。MPI的中型面模塊用于處理薄壁制件，節(jié)省用戶的CAE建模時(shí)間，使他們致力于CAE分析和優(yōu)化。對于薄壁實(shí)體，MPI的FUSION模塊可直接進(jìn)行薄壁實(shí)體模型分析。FUSION可直接從MPA中讀取模型進(jìn)行分析。對于厚壁實(shí)體Moldflow的MPI/Flow3D和MPI/Cool3D采用全三維的自適應(yīng)網(wǎng)格進(jìn)行全三維分析。

2.2 網(wǎng)格編輯

如何對經(jīng)MPI自動生成的網(wǎng)格進(jìn)行編輯是關(guān)鍵。MPI的自動網(wǎng)格生成后，點(diǎn)擊網(wǎng)格工具中的自動修補(bǔ)，MPI可自動編輯修補(bǔ)一些網(wǎng)格。

2.2.1 連通域必須為1，否則應(yīng)通過網(wǎng)格連通排除造成不連通的柱狀體（beams）;排除柱狀體后連通區(qū)域仍顯示不為1的話，就需重倒入3D零件的stl或igs文件，或修改原3D造型。

2.2.2 單元邊界信息中自由邊界個(gè)數(shù)應(yīng)為0。自由邊是指一個(gè)三角形或3D單元的某一邊沒有與其它單元共用。對于中型面網(wǎng)格只允許在模型的邊界上有自由邊界；而且允許有非交疊邊。交疊邊是指由兩個(gè)三角形或3D單元所共用的一條邊。非交疊邊是指由兩個(gè)以上三角形或3D單元所共用的一條邊。fusion和3Dmesh不允許有自由邊界和非交疊邊；而交疊邊的數(shù)目越多越好。通過節(jié)點(diǎn)合并、刪除節(jié)點(diǎn)、填充網(wǎng)格破孔和創(chuàng)建三角形單元來修改單元要求完成對自由邊界的編輯。

2.2.3 定位信息要求所有單元都被定位。可以通過全部定位使所有單元定位。

2.2.4 交集信息，要求單元交集和重疊及重復(fù)的柱狀體數(shù)目都為0。對其進(jìn)行編輯時(shí)，主要通過節(jié)點(diǎn)合并，必要時(shí)插入點(diǎn)，然后將靠近的節(jié)點(diǎn)再合并。

2.2.5 單元縱橫比信息，其值越小越好，最大縱橫比對于充填分析應(yīng)小于10，高縱橫比的長度方向與流動方向垂直，冷卻或翹曲分析應(yīng)小于6。氣輔或精密小零件應(yīng)小于4。當(dāng)然最小值應(yīng)為1.1547（等邊三角形）。平均縱橫比應(yīng)接近最小值并＜3。一般在midplane和fusion類型網(wǎng)格分析中，縱橫比推薦極大值是6；在3D類型的網(wǎng)格中，推薦的縱橫比MAX=50，MIN=5，平均值15左右。

2.2.6 對于fusion mesh網(wǎng)格與模型的匹配率，其值越高越好。對于3Dmesh,tetra aspect ratio也是越高越好。

2.3 材料選擇

MPI提供有千余種材料的性能數(shù)據(jù)及相關(guān)材料特性信息，用戶可方便地借助這個(gè)材料庫挑選適合的材料作為成型原料并根據(jù)原料的特性確定成型工藝條件。

2.4 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MPI可以進(jìn)行主流道、冷料井、分流道的設(shè)計(jì)。復(fù)雜和有效澆注系統(tǒng)要借助于MPI的建模功能。

2.5 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MPI可以通過創(chuàng)建向?qū)гO(shè)計(jì)冷卻回路，在創(chuàng)建冷卻系統(tǒng)時(shí)，必須是模型在XY平面內(nèi)，且只能創(chuàng)建X和Y方向的冷卻管道。復(fù)雜和有效冷卻管道要借助MPI的建模功能。

2.6 注塑工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)

MPI可提供默認(rèn)工藝參數(shù)，也可輸入工藝參數(shù)：注塑壓力、速度、模具溫度、PVT等。

2.7 注塑分析及結(jié)果后處理

零件前處理完畢后，MPI可對充填、保壓、冷卻、結(jié)晶、取向、翹曲、應(yīng)力、熔體溫度、收縮等進(jìn)行模擬分析。

3 成型工藝窗口分析

成型工藝窗口定義了生產(chǎn)合格產(chǎn)品的成型工藝條件范圍。根據(jù)選擇的參數(shù)，完成工藝窗口分析后，Moldflow會計(jì)算出相應(yīng)的分析結(jié)果。成型工藝窗口由模溫、熔體溫度和注塑時(shí)間三個(gè)參數(shù)確定。圖中紅色區(qū)域?yàn)椴豢蛇x成型范圍，黃色區(qū)域?yàn)榭蛇x成型范圍，綠色為首選成型范圍。應(yīng)盡量在綠色范圍內(nèi)選擇成型條件。

4 結(jié)論與展望

總之，利用Moldflow技術(shù)可在模具加工前，用計(jì)算機(jī)對整個(gè)注塑成型過程進(jìn)行模擬分析，預(yù)測熔體的填充、保壓、冷卻及制品中的應(yīng)力分布、分子和纖維取向分布、制品的收縮和翹曲變形等情況，以便設(shè)計(jì)者盡早發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)修改制件和模具設(shè)計(jì)。這不僅是對傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)的突破，而且對減少模具返修報(bào)廢、提高制品質(zhì)量和降低成本等，都有著重大意義。塑料模具設(shè)計(jì)不但要采用CAD，而且還要采用CAE技術(shù)，這是未來發(fā)展的必然趨勢。

［1］吳崇峰.實(shí)用注塑模CAD/CAE/CAM技術(shù)[M].中國輕工業(yè)出版社, 2000.

［2］李海梅，申長雨.注塑成型及模具設(shè)計(jì)實(shí)用技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［3］單巖，王蓓，王剛.Moldflow模具分析技術(shù)基礎(chǔ)[M].清華大學(xué)出版社，2004.