塑料注射成型CAE若干关键技术探索和发现

摘要：塑料以其，密度小、轻质、比强度高、绝缘性好等优点被广泛应用于化工、机电、仪表、航天等领域。随着社会经济的可持续发展，塑料制品朝着高度集中化、高产量化、高度机能化方向发展，各种注射成型技术工艺也随之发展起来。塑料注射成型CAE技术能有效提高提高模具设计和制造的精度，这是塑料注射成型发展的中心方向。因此，将可视化、数字化、知识化的CAE技术应用到塑料注射成型中是非常必要的。

关键词：注射成型；模具；塑料；CAE

塑料被广泛应用于航空、仪表、机电、化工、汽车等行业，为各行各业生产提供原材料和制品，在现代社会发展中具有十分重要的作用。同时，塑料工业的发展带动了塑料模具行业的发展，塑料模具占模具市场将近一半的份额，我国的塑料模具以注射模具为主，而大型、精密、设计水准高的注射模具是塑料模具市场的主要发展方向。

1 塑料注射成型CAE技术概况

CAE技术指信息领域的计算机辅助工程，也就是说，用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，并通过数值分析和求解优化结构性能。CAE软件既可以进行静态结构分析，也可以进行动态分析。既能分析线性问题，也能求解非线性问题。既能分析固体结构，也能分析流体、电磁结构。

塑料注射成型生产实践中，成型过程非常复杂，影响因素多，模具的结构不同，工艺要求也就不同，而这些模具又有一定的缺陷，仅仅依靠简单的经验性公式和设计准则难以全面掌握这些影响因素，而且，公式和设计准则的发展难以跟上塑料制品精度要求日益提高的发展步伐。因此，近年来，许多专家开始将CAE技术应用到塑料注射成型中，对成型过程进行仿真分析，以期获得更高精度的塑料模具。

传统塑料注射成型生产流程为：概念设计-产品设计-模具设计-模具制造-试模-生产。在这个生产流程中，只有在试模阶段才能发现前期设计、制造中存在的问题，然后再更改设计，如此反复进行，直到试模没有问题为止。这种生产流程既浪费时间和资金，又耽误了新产品的上市和推广，不利于塑料行业的健康发展。而CAE技术的应用可以在塑料注射成型最初的概念设计中进行仿真分析，而且，计算机拥有较高的计算能力，能同时进行多个设计方案的计算和测试，这样就能有效节约时间，提高效益。

在具体的CAE软件上，国外有美国的C-MOLD软件，其具有流动、保压、冷却等分析功能；澳大利亚的MF软件具有流动模拟、冷却模拟、翘曲分析、应力分析等功能。美国SDRC公司开发的I-DEAS软件在通用CAD软件基础上开发出了一塑料注射模设计制造为主的软件包。我国的HSCAE系列软件、Z-MOLD软件是塑料注射成型模CAE技术的典范。华中科技大学模具技术国家重点实验室于2006年推出HsCAE3D7.0软件，是塑料注射成型模CAE系统，分成充模模拟、保压模拟、冷却模拟、应力分析、翘曲分析等模块，还有分析报告工具、塑料材料测试、实体流等模块，是一个功能齐全的CAE系统。

2 塑料注射成型的影响因素

2.1 熔体温度

熔体进入冷却型腔时会因热传导而损失热量，而剪切摩擦又会产生热量，而注塑条件则影响到损失热量是大于产生热量还是小于产生热量。熔体的温度与其粘性成反比例关系，当充填压力恒定时，熔体温度低，其粘性大，流动速率就低，流动过程中的压力损失也大，而型腔的实际压力会降低，最终结果就是制品的密度变小。如果提高熔体的温度，那么其粘性迅速变小，制品的应力水平降低，密度也降低，再进一步提高熔体的温度，型腔的压力变化不大时，制品的应力水平变化幅度也不大，但材料的裂解性提高，制品质量下降。而且，熔体温度过高会导致型腔的压力降低，体积收缩率变大，制品变轻，且容易出现凹陷缺陷。

2.2 模具温度

当模具温度低于熔体的凝固温度时，其对注塑件的冷却时间有影响，对熔体的应力水平和压力没有太大影响。当采用较低的注射速率时，提高模具温度不会使熔体因温度降低而提高粘性，其流动性保持在较为稳定的状态。

2.3 注射量

注射量就是螺杆向模具内注射的物料熔体量，其小于注塑机的理论容积量，满足浇筑系统的总用料量要求。注射量少会导致制品的缺陷，注射量多又会导致物料的浪费。

2.4 计量行程

计量过程就是注射完成后到螺杆碰到限位开关的过程，其具体过程是这样的：注射完成时螺杆在料筒的最前端，到达预塑化程序时，螺杆开始进行旋转运动，物料被输送到螺杆的头部，而螺杆则在物料的作用下向后退，一直到触碰限位开关位置，螺杆从料筒最前端后退至碰到限位开关的位置之间的距离就是计量行程。

2.5 余料量

螺杆注射完之后，料筒中往往还存有一定的余料，这样可以防止螺杆头部与喷嘴发生机械碰撞事故，同时，余料量可以控制注射量的重复精度，达到控制制品质量的目的。

2.6 注射时间

注射时间短时注射速率高，此时熔体的剪应变率提高。注射时间长时，熔体的剪应变率低，熔体热量损失大，温度降低，流动性变差，从而使得注射压力提高。利用CAE软件绘制注射时间与熔体温度和注射压力的关系图，找到两条曲线相交的点，该点的注射时间就是最佳注射时间。

根据塑料注射成型的影响因素，进行工艺参数的优化，通过CAE软件的仿真分析，得出最佳工艺参数，促进模具设计和制造精度的提高。接下来简要介绍注射时间的优化。

3 注射时间的优化

在实际生产中，材料、制品、模具精度等参数一般都已固定，这个时候要提高塑料制品的质量可以从调整注射温度和模具温度两方面着手，而这两个内容都与注射时间有关，这就提出了注射时间的优化。

运用CAD软件的流动模型和有限差分计算方法分析某一固定注射时间下的温度场和压力场，通过各个注射时间点的分析，找出满足成型窗口条件的注射时间集合，然后再找出满足注射压力的最小注射时间，这个时间就是最优注射时间。成型窗口如图1所示，保证塑料注射成型的各项工艺参数在窗口之内，这样才能有效保证制品的质量。

图1 成型窗口

先给定一组注射时间，然后对这一组时间中的每一个都进行温度场和压力场的仿真分析和计算，并将不满足上述成型窗口的时间点剔除掉，然后再根据注射时间与熔体温度和注射压力的曲线图，然后找出注射压力最小的注射时间，这个注射时间制出来的成品应力水平最低，质量好，所以说，这是最优注射时间。

结束语

随着科学技术的快速发展和互联网的普及，塑料注射成型CAE技术的功能也将进一步扩充，朝着精确化、智能化、集成化、简单化、网络化方向发展。而CAE技术的发展将带动塑料工业和塑料模具行业的健康发展，使我国的塑料模具行业逐渐与国际接轨。

机电、仪表、航天、医药、家电等行业的快速发展和人们要求的提高，市场对注塑制品的需求量提高，这推动塑料工业的发展。同时，人们对注塑制品质量、美观度、耐用等要求的提高将推动我国注塑工艺、模具设计的健康发展，塑料注射成型技术有广阔的发展前景。

参考文献

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[2]胡科皓.传统工艺之上的新变革――塑料注射-压缩成型技术的介绍与应用[J].中国科技博览，2012（8）：9.

[3]吴健文.塑料注射成型技术的最新进展[J].国外塑料，2010，28（3）：49-51.