基于数值模拟和定量反变形的精密注塑模具型腔设计方法.doc

基于数值模拟和定量反变形的精密注塑模具型腔设计方法摘要：塑料零件的精度与注射成型模具型腔直接相关，本文将塑料注射成型数值模拟分析与反变形模具设计技术紧密结合，提出了基于数值模拟定量反变形的精密注塑模具型腔设计方法，介绍了该方法的基本原理，探讨了该方法中塑件模型松弛迭代反变形和注射成型数值模拟分析的实施过程；研究松弛系数对产品精度和迭代过程的影响，获得反变形松弛系数的一般取值原则；结合反变形塑件网格模型的特点，提出在 CAD 软件中由网格模型构建特征模型的方法，讨论了各建模方法的特点和适应范围；将提出的模具型腔设计方法应用于典型薄壁方盒形塑料零件注射成型模具的设计，结果表明：在相同条件下，该方法的应用能显著提高产品成型精度关键词：注射成型；数值模拟；反变形；模具型腔Design Method for Precision Injection Mould Cavity Based on Numerical Simulation and Quantitative Reverse DeformationAbstract In injection molding process, the wrapage of plastic part is unavoidable, so the precision of finial plastic part is closely depended on injection mould cavity. In this paper, a design method for precision injection mould cavity was developed on the basis of numerical simulation and reverse deformation, and the basic principle was introduced. The implementation process, which includes iterative injection molding numerical simulation and plastic part relaxation reverse deformation, was investigated in details. The effect of relaxation coefficient to finial plastic part precision and iterative process was analyzed, and the general rule for relaxation coefficient in iterative process was obtained. According to the characteristic of reverse deformation plastic part mesh model, the methods for building feature model from mesh model in CAD software system was proposed, and their specialty and applicability range were discussed. As an application, the presented method was employed to design injection mould cavity for a typical thin-walled plastic square box, the results show that the plastic part precision can be improved greatly under the same process conditions.Key Words injection molding; numerical simulation; reverse deformation; mould cavity1 引言在确定材料的塑料零件（塑件）的注塑成型时，尽管选择了合理的工艺条件，采用了合理模具结构形式；但由于收缩不均匀、温度不均匀、分子取向不均匀等方面的原因，仍然会导致塑件产生翘曲变形，有时甚至会严重影响产品（特别是精密塑件）的形状尺寸精度和产品质量 [1-4]。

因此，在合理工艺条件和模具结构的前提下，如何设计注射成型模具的型腔，以减小塑件的翘曲变形，提高产品精度是注塑模具设计和制造中的重要内容 [5-7]在具体塑件的实际生产中，在确定了塑料材料、工艺条件和模具结构后，解决塑件翘曲变形问题的方法主要还是对模具型腔进行反变形处理目前基本上是根据计算机模拟结果进行定性的反变形处理，或根据产品检测结果进行反变形修模这种通过定性反变形处理来设计和制造的模具型腔，对产品质量的提高、试模次数的减少、模具制造周期的缩短只能起到有限的作用因此，在合理工艺条件和模具结构的前提下，充分利用注塑成型过程的数值模拟，在数值模拟结果的基础上，采用定量化的反变形处理设计模具型腔，将对解决塑件翘曲变形问题具有重要的意义将数值模拟优化塑料注射成型工艺参数和模具结构，以减小塑件的翘曲变形，国内外已开展了相关研究如周华民等人提出塑料注射成型塑件的残余应力和翘曲变形数值模拟的方法，预测和减小塑件翘曲变形 [8]刘斌、陈晓平、申长雨等人将数值模拟和神经网络应用于注射成形工艺参数的优化，以减小塑件的翘曲变形 [9-11]N.R. Subramanian、Babur Ozcelik、Ozcelik, B.等人以数值模拟为基础，采用变量分析、神经网络和遗传算法结合的方法优化工艺参数，减小塑件翘曲变形 [2-4,12]。

Ching-Piao Chen 等人将数值模拟和统计方法结合分析工艺参数对塑件翘曲变形的影响，以减小塑件翘曲变形 [13]研究表明：运用数值模拟优化工艺参数以减小塑件翘曲变形，虽然有一定效果，但不能完全避免将数值模拟与反变形技术结合进行模具型腔设计在金属成型中已开展初步应用卜昆等人将数值模拟和反变形技术结合应用于涡轮叶片的铸造模具设计，能提高铸件精度，取得较好结果 [14]胡成亮等人将数值模拟与反变形技术应用于齿轮锻造模具的设计，并考虑了模具的弹性变形，实际应用表明能提高锻件精度 [15]国外在这方面研究不多，目前还未见有将数值模拟和定量反变形模具设计方法结合来解决成形工件翘曲变形问题相关深入的研究报道本文将数值模拟和反变形结合的技术应用于精密塑料注射成型模具型腔的设计，提出基于数值模拟松弛迭代定量反变形的精密注塑模具型腔设计方法，详细介绍该方法的基本原理和实施过程2 基于数值模拟反变形模具型腔设计的基本原理通过将注塑成型过程数值模拟、反变形和模具 CAD 技术的紧密结合，本文提出一种基于数值模拟反变形的精密模具型腔设计方法，其基本原理如图 1 所示具体实施步骤如下：1）针对具体材料的塑件，根据塑料注射成型工艺理论、实践经验和数值模拟等，确定优化的注塑工艺条件和模具结构形式等；2）在选定的数值模拟软件中设置初始坐标系统，建立所分析塑件的初始模型及其注塑模具的浇注系统、冷却系统，并划分单元网格节点，设定已知的工艺条件，对塑件注塑过程进行包括流动分析、保压分析、冷却分析、应力分析和翘曲变形分析等在内的初始数值模拟分析；3）通过翘曲变形分析获得塑件模型所有单元节点位置的翘曲变形量，并获取各节点的初值坐标和翘曲变形量值，取总体节点编号为 i 的节点的初始坐标为 ，而首次分析的翘曲变形量为 ；0(,)iixyz 00(,)iiixyz4）由塑件模型各节点的翘曲变形量乘以一个松弛系数得到各节点的反变形量，该松弛系数一般为小于等于 1 大于 0，根据反变形量对塑件模型进行反向变形处理，得到第一次反变形后塑件模型各节点的坐标为（1）10011001iiiiiixxyyzz式中， 1 为第 1 次反变形的松弛系数， 为反变形模型各节点1(,)iixz的坐标。

5）在数值模拟软件中建立反变形塑件模型，与初始模型相比该模型只存在节点坐标的差别，坐标系、单元和节点编号等其它信息都相同；设定与初始数值模拟分析相同的工艺条件，在建立相同的浇注系统、冷却系统等模具结构后，对反变形塑件模型的注塑成型过程进行数值模拟分析，数值模拟分析的过程和步骤与初始数值模拟分析的相同；6）通过对反变形塑件注塑成型过程的数值模拟，得到塑件模型的翘曲变形量，计算翘曲变形后的各节点的坐标，并与初始模型比较，获得塑件模型各节点坐标的偏差，即相对于初始模型的变形量为（2）1101011010Diiiiiiiiiiixxxyyyzz式中， 为第 1 次反变形模型各节点的翘曲变形量11(,)iiixyz7）判断反变形塑件模型翘曲变形后的形状相对于初始模型的变形量是否符合塑件精度要求，即检测是否在确定的偏差范围内；1(D,iii 图 1 基本原理图确定优化的工艺条件和模具结构开 始注塑过程数值模拟分析获得塑件的翘曲变形量考虑松弛系数的塑件模型反变形处理基于反变形塑件模型的注塑过程数值模拟分析反变形塑件模型翘曲变形后的形状与初始模型的比较符合塑件精度要求根据最终反变形塑件模型，设计模具型腔否是8）如符合精度要求，则根据反变形塑件网格模型，在 CAD 软件中采用逆向造型建立反变形塑件特征模型，然后再进行模具型腔的设计；9）如不符合精度要求，则根据反变形塑件模型翘曲变形后的形状相对于初始模型的变形量，继续进行塑件模型反变形处理和数值模拟；其中塑件模型反变形后的坐标为（3）1111jjjiijijjjiijijjjiijixDxyyzz式中， 为第 j+1 次反变形模型各节点的坐标； 为第 j 次反变形模型各节点的坐标；11(,)jjjiiixyz (,)jjiixyzj+1 为第 j +1 次反变形的松弛系数； 为第 j 次数值模拟分析所得塑件模型各节点相对于初(,)jjjiiixy始模型各节点坐标的偏差，即（4）00Djjjiiiijjjiiiixyzz式中， 为第 j 次数值模拟分析所得塑件模型各节点的翘曲变形量。

)jjjiiixyz10）通过反复迭代的数值模拟、翘曲变形量计算和反变形处理，直到获得符合精度要求的塑件最终反变形模型，并根据最终反变形网格模型，采用逆向造型建立其特征模型，再进行模具型腔的设计3 关键技术3.1 松弛迭代反变形处理在迭代反变形处理和数值模拟分析过程中，由式（3）可得，反变形塑件模型的节点坐标与所选择的松弛系数 j+1 以及塑件模型节点坐标的偏差值 有关偏差 根据反变形模型节(,)jjjiiiDxyz(,)jjjiiiDxyz点坐标、翘曲变形量和初始模型节点坐标进行计算，并以此判断最终塑件形状是否符合精度要求塑件模型精度判据一般可采用两种方法，即：节点坐标分量的最大偏差值和节点坐标位置的最大偏差值，分别表示为（5a）1 01Max(,)jjjiiiEyzE（5b）2222 0=jjjiiiDy式中， 和 分别为精度判据因子过小的精度判据因子将增加迭代次数，根据塑件精度要求，适当01E2选择判据因子大小对平衡最终塑件模型的精度、收敛速度和迭代计算次数都具有重要意义塑件模型迭代反变形的松弛系数一般人为选取为0 j+11， j+1的大小对迭代过程和最终塑件的精度都有影响。

选择较小的松弛系数时，迭代过程稳定，但收敛速度慢，将增加迭代次数；采用较大的松弛系数时，初始收敛速度快，但最终迭代过程出现振荡；而当松弛系数大于1时，迭代过程将更不稳定为分析松弛系数对迭代过程和最终塑件模型精度的影响，针对典型的薄壁方盒形塑件，选择0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.0、1.1等不同松弛系数条件下，进行了迭代数值模拟和塑件模型反变形处理的比。