注塑模集成设计系统的研究

　　顾正朝，胡树根，黄长林，宗晔（浙江大学机械与能源工程学院，浙江杭州310027）系统进行完整全面的设计。利用专家系统进行流道和浇口的初始设计，采用CAE工具C-MOLD和评价目标函数，进行流道和浇口的优化设计，并总结流道和浇口的形状特征，最终建立流道系统的特征和实体模型。这一方法已很好地应用于构造新一代注塑设计制造系统中。

　　注塑模具作为近终成形方式的一种，是家用电器、汽车和航空航天等领域中塑料制品的重要生产工具。传统的以经验为主的试探法和一般性的CAD工具已不能满足当前对模具设计制造技术提出的高质高效的要求，迫切需要采用新技术新思想构造合理快捷的注塑设计制造系统。注塑模设计本身分为两部分：一部分是注塑模功能零件的设计，另一部分是注塑模辅助零件的设计。功能零件主要是指模具型腔、型芯及相关部分零件，辅助零件通常是标准件，它保证模具装配体的总体功能。流道系统是注塑模功能零件设计十分关键的环节。在注塑过程中，塑料熔体经过流道系统即喷嘴流道和浇口进入模具型腔。流道系统设计的好坏，对注塑模的质量和生产效益都有非常重要的影响。流道截面太大，则塑料消耗多，并且冷却时间长；流道截面太小，则会引起过多的压力下降，造成充填型腔时压力不足，此外，流道截面小，还会因粘性热过大而使聚合物降解。因此要合理选择流道截面形状和大小以及流道的长度。对多腔注塑情况，要合理安排主流道和分流道的布置形式与各截面尺寸以及浇口尺寸的大小，保证每个型腔都在同一瞬时以相同的压力充满。对多浇口的单型腔模具来说，不同的浇口尺寸（如浇口直径、浇口开度等）和浇口位置以及不同的流道系统都会改变熔接线位置，从而影响到塑件的力学性质。不论是对单浇口单型腔、单浇口多型腔、多浇口多型腔、多浇口单型腔，正确合理的流道系统设计十分重要。

　　流道系统设计的传统方法是按实际经验，采用试探法，观察是否产生短射或其他缺陷来确定流道设计的好坏，这种方法效率低，成本高，并经常会导致设计的流道尺寸过大，从而使得塑料浪费大和成型周期长。自从CAE分析工具出现后，采用流动模拟程序和优化设计方法来确定流道系统的各有关尺寸受到重视。这一方法首先需要设计者交互构造好流道系统，确定各截面尺寸和浇口尺寸及位置和类型，然后利用CAE分析工具进行平衡流道系统分析、预测熔接线的位置塑件的收缩与翘曲和残余应力大小等结果。用户根据自己的模具设计经验，评估初始流道系统设计的好坏。若不理想，修改流道系统的部分设计参数，再用CAE分析工具进行评估。直到达到满意结果为止。可见这一过程对模具设计者经验的要求较高，但仍较为繁琐。基于知识的专家系统通过对模具设计专家知识的处理，可以极大地帮助设计者正确有效地设计模具。在这方面已有一些研究成果。如采用优化设计方法进行浇口设计，采用知识库和特征技术相结合进行流道系统设计，4浇口及流道的优化设计经过初始设计产生的浇口设计方案流道布置和分流道截面形状等信息，还需要经过优化及迭代设计，才能获得最优或局部最优的设计结果。这包含浇口优化设计和平衡流道设计计算两部分，我们采用CAE分析软件C-MOLD与优化设计策略相结合的方式，实现浇口及流道设计的优化设计。

　　4.1浇口优化设计浇口优化设计分为两步。第一步是建立浇口设计评价函数，对每个浇口初始设计结果进行评估比较，得到最佳塑件设计质量的浇口设计结果；第二步是对第一步获得的浇口位置，采用数值分析计算的方法，计算塑件有限元模型中相邻节点位置作为浇口位置获得的设计质量，以获得局部最优的设计结果。

　　为了判断浇口设计的质量，首先建立评价目标函数通过分析浇口设计对注射成形工艺过程和成形塑件质量的影响因素，选取模具温度变化过充模的单元百分数、摩擦过热单元的百分数和超过许用流动比的单元百分数等4个参数作为评价参数。其定义和计算方法如下：模具温度变化Td.Td=Tmax-T，Tmax，Tmin是流动模拟结果中得出的塑件各有限单元节点温度的最大值和最小值。模具温度变化值应小于等于20°C，即20°C.过充模。所谓过充模是指在充模阶段，由于剪切和摩擦，使得型腔各部分压力损失不同导致型腔内压力分布不同，造成塑件密度不均，从而影响收缩率的变化。密度大的区域收缩率小。这一现象称为过充模。在采用有限元分析时，某单元称为过充单元，是当该单元的三个节点压力非常高，且压力梯度接近于零，即满足下式：摩擦过热。熔体注入型腔时，由于剪切产生摩擦热，高的剪切速率不仅会引起塑件的翘曲，还会导致塑料的降解塑件表面质量下降仕因此要笕降啤！切速率和剪切应力。由于经验设计扁中没有对塑料剪切速率和剪切应力的最大允许值作规定，故而不能直接以剪切应力等作为评价参数，因为摩擦热正比于剪切应力和剪切速率：摩擦热=.在过热单元区，其剪切应力和速率要大于普通单元，即度梯度矢量。每个单元有三个相关节点，每个节点具有充填时间和充填结束时的温度信息。

　　=C/XD.其中C/是料流经过的最多节点数，D是节点间的平均距离，D= Xf+Y2+Z2.m是与浇口相连的节点数。由此可计算出任意节点E的最大流动距离Lfe. /Nn，Nfe为超过许用流动比的总的节点数，Nn为塑件总的节点数。

　　1之间取值，4个权值系数之和为1.权值系数由用户设置，或可由系统半自动赋值。浇口位置优化设计过程如下：STEP1将初始设计方案的结果读入，组成一组初始数据Gty―，GLaion'Gnumher.ihi =1，《STEP2构造塑件中截面模型，计算每个组成面的厚度，并进行必要的简化；STEP3以IGES文件格式把塑件中截面模型传送到CMOLD，并进行有限元网格划分；STEP 4对第一个浇口设计方案，传送到CMOLD，产生浇口类型单元，设置浇口位置。进行CMOLD流动模拟分析；STEP5流动模拟的结果以文件传送到评价目标函数分析计算程序。根据模拟结果计算评价目标函数值，结果记录在一数组RESULT中；STEP7从数组RESULT记录中进行数值比较，最小值对应的那个设计方案为最优设计方案；2浇口位置的局部优化在浇口设计方案中，浇口位置一般都设置在塑件表面中心角点或边的中点处。当塑件形状复杂时，这些中心点或角点并不一定是局部最优的结果，而只是所有初始设计方案中最优的。因此利用评价目标函数，对浇口位置相邻节点进行评价分析，若相邻节点的评价目标函数值要比初始浇口位置的目标函数值要低，则浇口位置移至该节点。这一过程持续到对评价目标函数不再有改进为止。这一方法的步骤如下：STEPlGpt=G，Fps=Fs，这里GFs为经过优化设计获得的浇口位置和浇口位置的评价目标函数值；STEP2与G相邻节点aG，。，G，计算各个浇口位置的评价目标函数值F1，F2，…，Fn.假设Fm（Km 　　在非自然平衡流道系统中，各流道路径的几何形状和长度各不相同，因而熔体在每条流道路径中的流动阻力也不相同。流道及浇口尺寸的计算，针对两种流道情况应分别处理。这方面已有成熟的算法，这里不再讨论。 　　5浇口及流道特征模型创建系统提供浇口及流道设计的特征，用户从中拾取所需特征，根据前面设计获得的流道布置和分流道截面形状、浇口类型及尺寸，系统自动创建出浇口及流道的实体模型。

　　在分析流道设计各种变化的基础上，系统抽出最能反映流道设计要求的基本特征，构成流道设计特征库。库中包含：直线型、T型、L型、S型HMU型曲线型和星型等特征类型。通过调用这些基本特征，可组成各种复杂的流道布置情况。对非平衡流道布置，改变每个基本特征的设计参数，就可获得需要的设计结果。对浇口形状特征，系统考虑的浇口类型共有10类，对每类浇口的形状设计均由系统提供相应的形状特征构造，其形状有矩形、扇形环形盘形耳柄型等。分流道截面形状特征为二维形状特征，有圆形半圆形梯形、U形、矩形和正六边形。分流道截面形状特征和流道布置特征一起，构成流道特征；流道特征同浇口特征一起形成流道系统的实体模型。

　　由于特征的定义是参数化的，因此可以很方便地对设计的流道及浇口特征进行修改，以满足迭代设计的要求6示例一个材料为聚乙烯的长框形塑件，长、宽、高分别为200mm 100mm和200mm，所用的模具为4腔的两板模，各腔表面积均为32000mm2，制件的重量为108g，壁厚为3mm，要求去触角口后制件表面不留明显痕迹。系统的设计结果为选择浇口类型：侧浇口流道截面类型：流道布置：主流道尺寸：第一分支流道尺寸：第二分支流道尺寸：浇口尺寸：U型H型系统所生成的流道系统如所示。

　　7结论流道系统的设计是注塑模设计中非常关键的环节。本文通过总结流道系统的设计知识，结合基于特征的设计、专家系统技术和CAE分析工具，对流道系统进行完整全面的设计。利用专家系统进行流道和浇口的初始设计，采用CAE工具C-MOLD和评价目标函数，进行流道和浇口的优化设计，并总结流道和浇口的形状特征，最终建立流道系统的特征和实体模型。这一方法已很好地应用于构造新一代注塑模设计系统中。