基于数值模拟的注塑模具设计与工艺参数分析

瞿智锋

摘要：考虑到注塑加工中材料成型的变化较为复杂，注塑模具在设计时需要考虑更多因素。因此，提出基于数值模拟的注塑模具设计与工艺参数分析，建立模具设计函数，模拟设计中的模具指数，采用数值模拟来模拟模具的约束条件，参照模拟结果，对注塑模具进行设计、调整设计方案。同时考虑到模具的生产结果，对于模具的工艺参数进行数值模拟，对模具的刚粘塑性进行分析，分析模具的热力耦合。考虑到模具的使用寿命，建立模具的抗磨损模型，通过工艺参数的模拟分析，为模具设计环节提供更多的数据支持。

关键词：模具;注塑加工;数值模拟;工艺参数;

在塑料制品的生产及加工工艺中，注塑模具的设计是塑料制品生产的重要一环[1]。但由于在加工中的成品往往较为复杂，使得材料在成型过程中容易出现多种问题，因此模具设计不仅需要考虑到相关塑料的工艺要求，还要对生产时可能遇到的问题进行考虑，因此需要对模具设计时进行一定的模拟。在模具的设计过程中，要考虑到模具在生产中的固体运输、流动、相变等容易出现的问题[2]。这些问题就跟模具成型与所经历的受力状态有关。而模具在制造后的各种工艺需求是否满足也需要进一步模拟，传统的方法对于模具设计生产后再来对模具的工艺参数进行判断的方式，不仅成本高，而且更费时。基于此，可以使用数值模拟的方法，建立函数从多方面考虑模具在设计时所遇到的问题。同时数据模拟的多种算法可以确定在加工中加工条件的变化规律，对于待生产的模具也可以确定工艺参数，参照数据结果，科学地选择出模具设计工艺的最佳方案。

1基于数值模拟的注塑模具设计

1.1建立模具设计函数

通常在设计注塑模具时要允许一定的压力下降，因为在生产过程中的注射压力难以达到，所以要设置使用压力[3]。考虑到被设计模具的安全使用寿命以及其经济性的因素得出其的系数，在设计过程中，要考虑模具在生产中的因素，其充填性和所需压力小于公称，这里为了减小流道横截面积，同时为了保证流道中滞留料减少的目的，对于流道中所允许的压力下降应为：

在公式（2）中代表着非牛顿指数，代表非牛顿体的粘度系数，代表加工时的流道长度，则代表流道的半径，表示在加工中某段流道的体积流率。而在此时加工模具的流道压力降会发生改变，这里的压力降如下：

公式（3）表明这些流道半径，这里的半径函数采用的函数。通過数值模拟可以对模具的设计给出具体的函数并得出假设，因为浇口的体积较小，因此接下来的数值模拟中也不需要对填充浇口的时间进行计算。通过建立模具的设计参数函数，来对模具的约束条件进行进一步的分析。

1.2 数值模拟约束条件

考虑到流道系统中的每个流道情况，对于各流道的约束需要进行数值模拟，以方便对于模具的设计。这里对于主流道和分流道的约束公式表示为

公式（4）中，表示为主流道的半径，在公式中表示为分流道的半径，而则代表分流道的数量。 根据分流道的设计约束建模，考虑在溶体中达到路径的末端，并且对各分流道也应该满足公式（5）

在公式（5）中，表示公共主流道的长度，代表分流道的长度，而则表示在上下游的流道中连接处具有的分支数，则是表示分流道和公共流道的半径和，则表示分流道的压力。而要考虑到注塑件的不同位置的残余应力的分布，再结合脱模后的膜内残余应力，以此将各层模中的残余应力的平均值进行改变，从而对于模内残余应力分布情况进行改善。根据给出的函数式以及约束函数式，在模具的设计中，对于约束条件下给出优化问题的求解，也可以通过函数公式在设计中确定模具的流道长度和各种压力约束的条件，并且进行改善，从而在设计中给出更好的设计数据。

1.3 得出数据完成设计

在完成对模具设计的相关参数模拟后，就可以参照数据模拟的结果，对模具本身来完成设计，也可以使用已经完成的模具设计方案，带入数据模拟的函数中，以此来验证设计的质量和优劣性。数据模拟的本身就是帮助设计者在设计的同时考虑模具在成型时的变形历史以及形态变化。在参照模拟结果后，可在模具生产前就对模具生产中和使用中遇到的问题做出判断。

2 基于数值模拟的模具工艺参数分析

2.1 模具刚粘塑性分析

通过采用反函数法，来对于刚粘塑性的状况来进行分析，并引入材料的不可压缩条件来进行变分处理。

公式（6）中代表在边界上的给定外力，而是表示该工件在模具上的摩擦力，代表工件在模具边界里的相对滑动速度，这里的罚因子在取。根据数据模拟可以得出模具在过程中在半锥角不同的情况下的载荷形成的曲线，如图1所示。

通过数据模拟可以对模具的载荷的峰值进行数据分析，在模具生产前分析模具设计方案是否可以满足要求，而对于半锥角来说，挤压载荷随半锥角的增大而增大，同时发生变形区。半锥角的不同情况下的载荷行程是在模具设计中的重要参数之一[4]。在确立刚粘塑性数据后，进行热力耦合分析，以保证材料在成型过程中的使用。

2.2 热力耦合分析

公式（7）中，代表模具材料的变形应力的张量，代表材料变形时的应变率张量，表示该材料的变形体和外界热交换过程中的热流密度，表示变形体汇总热源的热流密度。在完成对模型的刚粘塑性的分析以及模具的热力耦合的模拟后，建立一个模具的抗磨损模型，去综合考虑模具的使用寿命。

2.3 模具的抗磨损模型

在模具的工艺参数中，模具的抗磨损能力也是重要的工艺指标[5]。也是反应模具使用寿命的一项参数。通过建立数学表达式来模拟模具的磨损并得出该模具的抗磨损能力。

公式（8）中代表着磨损的深度，代表的是界面的压力，表示相对的滑动速度，表示模具所用材料的硬度，这里的代表模具的使用时间。而公式中的则是公式中的修正系数，修正系数分别取，，，而的修正系数这里取0.002。关于材料硬度应根据相应的模具材料来改变。模具的抗磨损模型的建立，是通过对于模具的刚粘塑性分析和热力耦合分析以及抗磨损模型来得出模具的使用寿命。

3 结语

本文为了提高注塑模具的设计效率和成品的可靠性，使用数值模拟来对注塑模具设计及其工艺参数进行分析。使用数值模拟建立模具的设计参数模型，并分析相关参数，使用数值模拟对模具进行工艺参数的分析，两者的目的皆在于提高模具设计的效率并提供数据支持。而研究对于模具设计时的参照的数据有限，缺少对于特定要求模具的设计参数，因此研究仍存在局限性，数值模拟技术对于注塑模具的设计提供的帮助仍有待开发。

参考文献

[1]吉宏选，张静文，牛婧捷.复杂多腔铝型材挤压过程数值模拟与模具设计优化的实践应用[J].模具工业，2020（03）：51-55.

[2]吉宏选.复杂多空腔铝型材挤压过程数值模拟与模具设计优化的实践应用[J].铝加工，2020（01）：61-64.

[3]张卓，杨威，颜丙越，等.高压绝缘拉杆树脂浸润纤维的气泡缺陷数值模拟与工艺参数优化[J].绝缘材料，2020（04）：89-94.

[4]李琴，李欣夏，常维纯，等.拱顶储罐气相层惰化过程数值模拟及工艺参数研究[J].中国安全生产科学技术，2020（01）：37-42.

[5]魏勇，邓听之，周淑怡，等.激光立体成形技术中工艺参数的数值模拟分析[J].湖南理工学院学报（自然科学版），2019（02）：49-52.