单志, 胡晓岳, 刘志聃, 黎花, 刘金彦, 戴护民
（广东机电职业技术学院，广州 510515）
注射成形仿真技术（CAE技术）可以在模具设计阶段，在电脑上模拟整个注射成形过程，能够提供塑料熔体的压力、温度和时间耦合分析动态图，以及塑料制品中的翘曲变形、收缩及应力分布等情况，辅助设计人员验证自己的设计是否无误，提前做好修改塑料制品、模具结构及工艺设计等补救措施，而不是像传统模具设计那样反复试模修模，对提高塑料制品质量和降低企业生产成本等，在经济和技术领域都具有较大的意义。
邢继军等[1]介绍了美国的模流分析软件——Moldflow在塑料成型中的应用；
熊江等[2-5]介绍了Moldflow软件辅助塑料模具设计；
李方方[6]介绍了Moldflow软件结合正交实验及神经网络在工艺参数优化中的应用。但是对华塑注射成形仿真系统（华塑CAE）软件应用的研究比较少，本文以常见的电子类塑料制品——手机壳为例，介绍了华塑CAE软件的基本原理、主要功能、分析步骤及案例应用。
华塑CAE软件是由华中科技大学开发出的一款注射成形仿真软件，功能齐全、易学易懂。
1.1 华塑CAE的基本原理
注射成形仿真技术应用了高分子材料的流变理论和数值求解法，并结合质量守恒、动量守恒、能量守恒方程式，建立起成型工艺参数与充模、保压、冷却等过程的非线性关系，并获取塑料熔体在型腔内的速度、应力、压力、温度等参数的分布，以及塑料制品翘曲变形的原因。
目前在注射成形仿真技术市场上很多停留在中面流技术，华塑CAE软件是基于实体流技术，熔体充模流动的仿真技术是采用3D网格，利用三维有限差分法和三维有限元法进行分析的。其原理与中面流技术差别不大，不同之处是数值分析方法。在中面流技术中，假设塑料熔体在型腔里面的流动是扩展层流，在厚度方向上，其压力和温度保存恒定不变，并且相对于长度方向和宽度方向的尺寸，塑料制品的厚度方向尺寸几乎可以忽略，因此可将熔体的厚度方向速度分量忽略。为了将三维流动问题转换为厚度方向的一维问题和流动方向的二维问题，使用一维有限差分法求解厚度方向的时间变量等，使用二维有限元法求解流动方向的温度、压力等。并且在分析过程中，有限差分法与有限元法是交替进行的。而在实体流技术中熔体的厚度方向有速度分量，熔体的压力随厚度方向变化[7]。
理论上，注射成形数值分析可以协助工程师优化塑料制品设计、模具设计、成型加工等，帮助设计人员提高一次试模成功率，降低成本。
1.2 软件的主要功能
华塑CAE软件具有以下功能：
1）充模、保压、冷却、翘曲全过程三维模拟充模模块模拟塑料熔体的充填过程，指导制品设计、优化浇口位置、平衡流动，预测潜在的短射、熔接线、困气等现象。
2）保压模块在充模过程模拟的基础上，进一步预测制品的密度分布与收缩程度；
确定浇口凝固时间，预测锁模力大小；
优化保压时间、保压压力等关键参数，减少制品的翘曲变形。
3）冷却模块采用真实三维并行分析技术对冷却过程进行模拟，可优化冷却系统设计，使制品均匀一致地冷却，减少冷却引起的翘曲变形；
同时缩短成型周期，降低生产成本。
4）应力/翘曲模块在充模、保压、冷却模拟的基础上，分析制品的成型过程中产生的残余应力，预测制品的收缩、自由变形与装配变形。通过分析收缩与翘曲的原因，可以在建模前改进制品的结构、合理选择材料和优化成形参数。
5）浇注系统设计方便快捷，完全可视化、参数化设计，并可与CAD系统之间导入/导出中心线，支持热流道、阀浇口等多种浇注形式。
6）冷却系统设计采取交互式设计，支持冷却管、外接管、隔板、喷流管和螺旋管等多种结构，并可与CAD系统之间导入/导出回路中心线。7）基于人工智能技术的工艺参数优化。8）开放式材料数据库、注塑机数据库。
1.3 软件的分析步骤
华塑CAE软件基于STL模型被划分的若干个三角形单元，每个三角单元都有3个节点（顶点），熔体流动控制方程和能量方程在三角单元上建立节点压力、温度、流量之间的关系，从而求解得到节点压力分布和温度分布。
软件的分析步骤如图1所示。
图1 华塑CAE软件分析步骤
1）导入STL。导入要分析的塑料制品STL三维模型，该三维模型一般由UG、Pro/E等三维软件创建并导出STL格式。
2）网格划分。华塑CAE软件自动划分网格，如果网格有问题，可以直接点击“华塑网格管理器”进行修改。
3）多型腔设计。软件提供线性分布、圆形分布、一模一腔等型腔自动布局功能，也可以手动进行型腔布局。
4）浇注系统设计。浇注系统一般需要创建点或线，根据点线创建单元，也可以选择起始点直接创建单元。首先添加进胶点，然后在进胶点的基础上设置浇口，分流道设置好尺寸后，直接点击起始点创建，主流道则是选择起点直接创建。
5）成型工艺参数。主要选择材料种类、注射机参数、成型条件、注射参数、保压参数及阀浇口（流量控制）等，其中材料种类、注射参数及成型条件必须设置。
6）冷却系统设计。首先要设计定模板和动模板，其次指定一个参考面，在该参考面上绘制线，设置线的属性（冷却系统参数）即可生产冷却水道。
7）导出分析及报告。
2.1 产品信息
如图2所示，塑料制品总体尺寸约为80 mm×40 mm×11 mm，平均壁厚为1.2 mm，体积约为4 cm3，一模两腔布置，总体结构比较规整，上下表面比较平，上有许多按钮用的通孔，表面要求光洁无毛刺、无缩痕，注塑材料是聚碳酸酯（PC），该材料为线性结构，非结晶型，熔点高，黏度大，流动性较差，易产生应力集中。
图2 手机壳三维图
2.2 注射成形CAE分析
1）新建零件，然后新建分析方案，接来下导入制品STL模型并且默认出模方向，导入STL模型后，华塑CAE软件会立即自动运行网格划分，如遇网格划分有问题，可以用“华塑网格管理器3.0”软件进行修复。
2）多型腔设计。
根据生产实际一模两腔，线性分布，角度为90°，产品总体尺寸在80 mm以内，故产品间隔设置为30 mm，如图4所示。
图3 导入后的塑件模型
图4 多型腔设计
3）浇注系统设计。
浇注系统是进料通道，注射时塑料熔体流经浇注系统后到达型腔，并且能够将注射压力有效地传递到整个型腔，以获得质量优异、形状无误的塑料制品。浇注系统分为普通浇注系统和热流道浇注系统两大类，根据生产实际，选择设计普通浇注系统。普通浇注系统包括浇口、分流道、主流道及冷料穴，设计原则有：
a.所有流道保持平衡性，对称性；
b.总体布局结构紧凑，流道长度尽可能短，并且避免不必要的转折，应使各型腔在同一时间开始填充，同一时间结束填充，并且同一时间保压且保压持续时间相同；
c.复杂模具需要注塑CAE软件分析，确定最佳的进胶点；
d.流道的大小跟产品的大小、塑料熔体的流动性等有关，如PMMA、PC等流动性差的，流道和浇口尺寸大一些。而PA、POM、PP、PE等塑料流动性好, 流道和浇口尺寸应小一些。
e.对于有嵌件和细小型芯的模具，其浇口位置的选择要尽量避开直接冲击嵌件和细小型芯，防止嵌件移动或细小型芯变形，另外浇口尽量在边缘处或者塑料制品内表面，以防止去除后影响塑件的外观。
f.所有流道必须有冷料穴，冷料穴的长度是直径的1.5倍。
在华塑CAE软件中设计浇注系统需要先添加进料口，然后再在进料口上创建浇口，接着按照浇口→分流道→主流道的次序依次设置，冷料穴是自动添加，不需要设置。
设置进胶点：进胶点坐标为（0,-22.4,0），如图5所示。
图5 设置进胶点
设置浇口：塑料熔体进入型腔时被浇口控制，浇口尺寸合适会使进入型腔的塑料熔体层流。保压结束后，浇口固化，封闭型腔，可防止倒流现象。浇口有矩形浇口、盘形浇口、扇形浇口、点浇口等。矩形浇口结构简单，易加工，因此选择矩形浇口，其长为1 mm，宽为3 mm，深为1 mm，如图6所示类型选择浇口，截面类型选上梯形，长度为-1 mm，负号控制浇口方向。另外一腔的浇口使用“多型腔分布镜像”功能镜像过去。
图6 浇口设计
塑料熔体在成型过程中其压力和热量损失最小是分流道设计重点考虑因素之一，流道的凝料最少，各型腔均衡进料，其截面有圆形、半圆形、梯形等。其中圆形流道截面的比表面积最小，热量损失小，流道的效率最高，因此选择圆形截面分流道，分流道直径为6 mm。
设计主流道：主流道尺寸必须恰当，主流道太大会造成塑料消耗增多，太小会使熔体流动阻力增大，压力损失大，对充模不利。主流道为倒圆台形，顶圆直径为1.6 mm,底圆直径为6 mm，高度为40 mm。如图7所示。
图7 浇注系统
2.3 设置成形工艺
材料种类选择PC，牌号为Apec1605。
注塑机选用海天的HTVS-30-35-P-A型注塑机，该注塑机参数如表1所示。
表1 海天HTVS-30-35-P-A注塑机参数
注塑机初步校核：制品的流到体积约1 cm3，型腔体积约为8 cm3，总填充体积大概为9 cm3，流动长度预计为70.5 mm，注塑机参数满足成型要求。
成形工艺条件：注射温度为330 ℃，模具温度为110℃，环境温度默认为20 ℃，充模时间工艺参数为自动。
2.4 冷却系统设计
1）冷却系统设计分析。
模温过低熔体流动性差制品轮廓不清晰甚至流不满型腔或形成熔接痕，制品表面不光泽，缺陷多，力学强度低。模温过高，收缩率大，脱模困难和其后制品变形大，并且易造成溢料和粘模。模温不均匀，型芯和型腔温度相差过大，制品收缩不均匀，导致制品翘曲变形影响制品的形状及尺寸精度。对于注射成型,注射时间约占5%，冷却时间约占80%，推出时间约占15%。因此，缩短冷却时间成为关键。可在保证制品质量和成型工艺顺利的前提下,通过调节塑料和模具的温差（即降低模具温度）来缩短冷却时间的方法提高生产效率。因此设置冷却效果良好的冷却水回路是缩短成型周期、提高制品质量的有效手段。
制品手机壳的上下表面比较平坦，适合直通式冷却回路[8]，而动模部分的镶块内部结构复杂，适合环绕式水路，如图5所示，并在冷却水槽周围设计上密封圈，对水路的运行进行有效地密封。
冷却设计原则：a.大模冷胶位，小模冷内模直径选用φ6、φ8、φ10、φ12 mm；
b.冷却水道的孔壁至型腔表面的距离应尽可能相等，一般取15～25 mm；
c.入水口与出水口距离:25～30 mm；
d.入水口与出水口的温差不宜过大，运水流程不应过长；
e.尽量减少冷却水道中“死水”；
f.冷却水道应避免设在可预见的胶件熔接痕处；
g.水流方向不应与胶流方向平行。
2）基于华塑CAE的冷却系统设计。
设计虚拟型腔，设置定模厚度为40 mm，动模厚度为30 mm，长宽分别为150、120 mm。由于华塑CAE软件默认产品中间高度为5.5 mm的平面为分型面，因此需要将分型面降下来，设置中心偏移为-5.5 mm，如图8所示。
图8 虚拟型腔
依次为定模和动模添加回路1、回路2作为冷却水道回路，直径设置为6 mm，添加参考面作为冷却水道放置平面，参考面偏移量为25 mm，如图9所示。
图9 参考面设置
利用创建直圆管功能和创建外联管功能，绘制冷却水道线，并将绘制好的冷却水道线路移动到对应的回路中，此时冷却水道线会自动生成冷却水道，完成回路效果如图10所示。
图10 创建冷却水道
设置冷却工艺条件，如表2所示。
表2 冷却工艺条件
2.5 结果分析
华塑CAE软件能给出型腔压力场、温度场等耦合时间的动态图，在产品结构与工艺、模具结构与工艺、塑料的选择、注射机的选择等方面，能够给予模具设计人员一定的指导，避免反复试模修模。
1）流动前沿。
华塑CAE软件用流动前沿分析结果显示了熔体在注射过程中的充模行为。确保多型腔模具中在熔体填充时能够同时充满、同时保压，避免不必要的制品缺陷。对于异型腔模具，需要修改流道系统尺寸，反复模拟，直至流动平衡。
图11所示为流动前沿（最后时刻），充填时间为0.23 s，制品两腔几乎同时充满，熔体流动平衡。图11同时显示了制品熔接痕、气穴产生位置，该制品气穴产生的位置都在成型零件缝隙处，有利于气体的排除，如果在试模过程中排气仍然不良，可采取开设排气槽、加透气金属块等措施加大排气力度。
图11 流动前沿（最后时刻）
2）压力场。
华塑CAE软件可以给出型腔压力动态图，图12所示为充填结束时的型腔压力。在填充过程中最大的型腔压力值为132.43 MPa，远低于注射机额定锁门力509 MPa，注塑机符合生产需求，从模拟结果来看也不存在短射现象。
图12 压力场
3）熔体温度。
图13所示为型腔内熔体在填充结束时的温度场。可以看出局部热点较少，产生表面黑点、条纹等并引起力学性能变化的可能性较低，熔体的温度分布比较均匀，由温差太大引起翘曲的风险不高，熔体的平均温度适当，既不会因为过冷而引起注射压力增大，也不会因为过热而引起局部热点。
图13 温度场
4）冷却介质温度场。
图14所示为冷却介质温度场，出入口水温差为2.58℃，温差较小，符合要求。
图14 冷却介质温度场
本文介绍了华塑注射成型仿真系统（华塑CAE）的原理、功能及操作步骤，并应用华塑CAE对电子类制品——手机壳注塑模的浇注系统和冷却系统的设计方案进行了模流分析。根据压力场（充填结束）、温度场（充填结束）、流动前沿温度场（充填结束）等分析结果，分析了塑料制品可能存在的翘曲、短射、条纹等缺陷的风险，提前避免了因模具设计和工艺设计的不足而导致的反复试模、修模，提高了模具设计效率，降低了模具设计与制造的成本。
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