注塑模具的關(guān)鍵技術(shù)

   一、發(fā)展概況和應(yīng)用背景

　　塑料工業(yè)近20年來(lái)發(fā)展十分迅速，早在7年前塑料的年產(chǎn)量按體積計(jì)算已經(jīng)超過(guò)鋼鐵和有色金屬年產(chǎn)量的總和，塑料制品在汽車、機(jī)電、儀表、航天航空等國(guó)家支柱產(chǎn)業(yè)及與人民日常生活相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。塑料制品成形的方法雖然很多，但最主要的方法是注塑成形，世界塑料成形模具產(chǎn)量中約半數(shù)以上是注塑模具。

　　隨著塑料制品復(fù)雜程度和精度要求的提高以及生產(chǎn)周期的縮短，主要依靠經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)方法已不能適應(yīng)市場(chǎng)的要求，在大型復(fù)雜和小型精密注射模具方面我國(guó)還需要從國(guó)外進(jìn)口模具。

　　二、關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)用功能

　　1．用三維實(shí)體模型取代中心層模型

　　傳統(tǒng)的注塑成形仿真軟件基于制品的中心層模型。用戶首先要將薄壁塑料制品抽象成近似的平面和曲面，這些面被稱為中心層。在這些中心層上生成二維平面三角網(wǎng)格，利用這些二維平面三角網(wǎng)格進(jìn)行有限元計(jì)算，并將最終的分析結(jié)果在中面上顯示。而注塑產(chǎn)品模型多采用三維實(shí)體模型，由于兩者模型的不一致，二次建模不可避免。但由于注塑產(chǎn)品的形狀復(fù)雜多樣、千變?nèi)f化，從三維實(shí)體中抽象出中心層面是一件十分困難的工作，提取過(guò)程非常繁瑣費(fèi)時(shí)，因此設(shè)計(jì)人員對(duì)仿真軟件有畏難情緒，這已成為注塑成形仿真軟件推廣應(yīng)用的瓶頸。

　　HSCAE 3D主要是接受三維實(shí)體/表面模型的STL文件格式?，F(xiàn)在主流的CAD/CAM系統(tǒng)，如UG、Pro/ENGINEER、CATIA和SolidWorks等，均可輸出質(zhì)量較高的STL格式文件。這就是說(shuō)，用戶可借助任何商品化的CAD/CAE系統(tǒng)生成所需制品的三維幾何模型的STL格式文件，HSCAE 3D可以自動(dòng)將該STL文件轉(zhuǎn)化為有限元網(wǎng)格模型，通過(guò)表面配對(duì)和引入新的邊界條件保證對(duì)應(yīng)表面的協(xié)調(diào)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)基于三維實(shí)體模型的分析，并顯示三維分析結(jié)果，免去了中心層模擬技術(shù)中先抽象出中心層，再生成網(wǎng)格這一復(fù)雜步驟，突破了仿真系統(tǒng)推廣應(yīng)用的瓶頸，大大減輕了用戶建模的負(fù)擔(dān)，降低了對(duì)用戶的技術(shù)要求，對(duì)用戶的培訓(xùn)時(shí)間也由過(guò)去的數(shù)周縮短為幾小時(shí)。圖1為基于中心層模型和基于三維實(shí)體/表面模型流動(dòng)分析模擬情況對(duì)比圖。

　　2．有限元、有限差分、控制體積方法的綜合運(yùn)用

　　注塑制品都是薄壁制品，制品厚度方向的尺寸遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向的尺寸，溫度等物理量在厚度方向的變化又非常大，若采用單純的有限元或有限差分方法勢(shì)必造成分析時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法滿足模具設(shè)計(jì)與制造的實(shí)際需要。我們?cè)诹鲃?dòng)平面采用有限元法，厚度方向采用有限差分法，分別建立與流動(dòng)平面和厚度方向尺寸相適應(yīng)的網(wǎng)格并進(jìn)行耦合求解，在保證計(jì)算精度的前提下使得計(jì)算速度滿足工程的需要，并采用控制體積法解決了成形中的移動(dòng)邊界問題。對(duì)于內(nèi)外對(duì)應(yīng)表面存在差異的制品，可劃分為兩部分體積，并各自形成控制方程，通過(guò)在交接處進(jìn)行插值對(duì)比保證這兩部分的協(xié)調(diào)。