塑料制品建模

第二节　塑料制品建模

塑料制品建模是指塑料制品的全信息模型在计算机硬件和软件的支持下建立起来，包含塑件结构形状特征、工艺特征和物理属性参数及材料参数等。塑料制品建模的目的有两个方面:一是设计出的塑件应满足使用要求，在满足使用要求的同时还要考虑模塑工艺及模具结构性能的要求。用计算机来建立描述零件的形状、结构与工艺特征及材料属性的完全信息模型，即生成具有详细结构的三维实体图形，便于设计人员交流思想及修正。二是为注射模CAD三维系统在设计模具时提供足够的初始信息和设计依据。通常塑料制品建模有两种情况:一是对已有的塑件建模，按现有结构尺寸建立模型并输入有关数据;另一种是根据实际需要设计某种新型塑件并建立其模型。

一、塑件建模的特点

按照传统方法，注射产品的构思完成后，需制作实体模型以评估其外观，测定其性能。通常要制作木模，经过两次翻型后方能得到石膏模。这种方法的主要缺点是木模的精度无法保证，由于仅凭经验设计模具，模具在装配完毕后，往往需要经过几次试模和修正才能生产出合格的注射产品。

注射模CAD/CAM的重点在于注塑产品的造型、模具设计、绘图和数控加工数据的生成。CAE将工程设计、试验分析、文件生成乃至制造贯穿于产品研制的每一个环节之中，用以指导产品的构思和设计。

CAD/CAE/CAM的集成化从根本上改变了传统的模具生产方式。采用几何造型技术，注塑制品一般不必进行实体模型实验，制品形状能逼真地显示在计算机屏幕上，并能借助于弹性有限元分析软件对制品的力学性能进行预测。借助于CAD软件，自动绘图代替了人工绘图，自动检索代替了手册查阅，快速分析代替了手工计算，模具设计师因此能从繁冗的绘图和计算中解放出来，集中精力从事诸如方案构思和结构优化等创造性的工作。

塑件建模首先应选择合适的塑料，并从塑料性能参数库中搜索并读取各项性能参数数据，再完成塑件结构形状的设计。

注射模具主要零部件的设计以塑件的形状、尺寸为依据，以能否生产出合格塑件为其质量的主要检验标准。归纳起来，注射模具结构CAD三维建模对塑件模型有以下几个方面的依赖关系:

(1)模具的总体设计方案要通过对塑件模型的形状特征与尺寸大小的分析计算来确定。模具的总体设计方案包括:分型面选在何处，型腔数量是单腔还是多腔，浇注系统是否采用分流道以及选择何种浇口，冷却系统选取何种方案，是否需侧向抽芯机构，模架选取哪种类型和哪种规格等等，这些都是与塑件的形状、结构和尺寸大小密切相关的。

(2)模板尺寸计算的基本依据是塑件的形状、大小及模具的总体设计方案。

(3)模具型腔、型芯实体图的自动生成主要依据其表面形状、尺寸与塑件外表面和内表面形状、尺寸的映射关系。

(4)模具成型零部件的工艺要求主要根据塑件的工艺要求并结合考虑塑件生产批量、模具零部件加工设备等因素确定。

二、塑件建模系统的总体流程和模具工作部分尺寸设计

1．塑件建模系统的总体流程

塑件建模系统的总体流程如图4－3所示，而图4－4中给出的是外形体或内形体构造的流程图。

图4－3　塑件建模系统的总体流程

特征造型在主流的CAD系统中广泛使用。一般来说，特征可分为造型特征和面向过程的特征。造型特征(又称为形状特征)是指那些实际构造出零件的特征，而面向过程并不实际参与零件几何形状的构造。造型特征进一步分为基本特征和二次特征，基本特征并不实际参与零件几何构造。造型特征进一步分为基本特征和二次特征，基本特征是指构成零件主要形状的特征，二次特征是指用来修改基本特征的特征，通常分为正、负特征。面向过程的特征又可细分为精度特征、技术要求特征、材料特征和装配特征。

由图4－3和图4－4可知，为了建立塑件的特征，需要构造塑件的外部形体和内部形体并生成塑件实体图形，输入所用塑料的属性参数、塑件工艺特征并计算塑件的物性参数。而塑件外部和内部形体的构造是通过形状特征合并或相减来完成的，由形状特征构造的参数化构件可使形体的构造更为方便和快捷。

图4－4　外(内)形体构造的流程

为满足注射模CAD系统对塑件建模系统的要求，并考虑造型操作的方便性，将塑件形体图的构造分为三个独立子过程，即外形体构造、内形体构造、塑件形体生成。

构造方法是分别构造塑件的外形体和内形体，并分别存盘;再使用这两种形体生成塑件的形体。

对于常见的薄壳型塑件，由于其内壁和外壁往往都有局部凹凸或孔洞，使塑件形体的构造变得复杂。采用分步构造的方法，可将一个复杂过程分解细化成多个子过程，每个子过程相对简单一些，这有利于整个过程复杂度的减小。此外，这也是为模具成型零部件设计提供有效方法的需要，因为塑件外形体和内形体可分别用于凹模和凸模的生成。

(1)外模型　即基本模型，是将塑件视为实心体进行造型所得的实体模型。外模型的构造只考虑塑件外部的形状特征和工艺属性特征。

(2)内模型　内模型是对以塑件内壁为边界的视在物体进行造型所得的实体模型。内模型的构造只考虑塑件内部的形状特征和工艺属性特征。内形体具有负特征性质。

附加的形体用于外(内)壁底部有台阶或卷边等情况。例如，当杯(盒)型塑件有卷边，甚至卷边上还有孔时，可先进行外形体构造而忽略其卷边，再将卷边作为附加形体进行单独构造。这种做法也给打孔等操作带来了方便。附加形体有内外之分，附加外形体归属于外模型;而附加内形体归属于内模型，也具有负特征性质。

2．模具工作部分尺寸设计

用CAD/CAE/CAM软件系统进行模具设计、制造的过程中，很重要的一个问题是如何利用软件系统快速准确地建立产品模型、零件加工的三维模型。

模具尺寸的确定是从塑件尺寸转换到模具工作部分尺寸的。由于注射成型生产的特殊性，注射制品要想达到金属制品那样的精度是比较困难的。最主要的精度误差是由塑件的收缩引起的，此外还有模具组装等引起的误差。

模具工作部分的尺寸包括:型腔和型芯径向尺寸(包括矩形或异形型腔、型芯的长和宽)，型腔深度和型芯高度尺寸，型腔和型芯的孔、中心距或突起部件中心距的尺寸，螺距的尺寸。

按塑料平均收缩率进行尺寸转换比较简单、实用，这也是实际生产中最常用的方法。

对于型腔，设制品尺寸为，换算公式为:

式中：L _m——模具工作部分尺寸;

　L——塑件尺寸;

　S——塑料平均收缩率;

　Δ——塑件的尺寸公差;

　δ——模具制造公差;

　K——修正系数，与塑料的收缩、型腔的磨损及制造精度有关，一般取0．5～0．8。

对于型芯，设制品尺寸为，换算公式为:

由式(4－1)、(4－2)可以看出，型腔或型芯的尺寸不等于(1+ S)L，所以，无法把制品的几何模型按比例变换得到模腔几何模型。

为确保按转换计算得到的尺寸设计出的模具能够生产出满足尺寸精度要求的制品，这些转换后的尺寸均需进行校核。尺寸校核的基本公式为:

式中：S _max、S _min——塑料的最大、最小收缩率;

　δ_c——模具工作部件的磨损余量。

应该指出的是，上述转换与校核公式仍存在着缺陷。比如在式(4－1)、式(4－2)中，Δ前的系数K往往凭借设计人员的经验确定，K取值不准确就会导致塑件实际尺寸超差。有时即使满足了校核公式，塑件尺寸仍有可能超差。例如，当塑件的实际收缩率为塑料的最大收缩率，型腔又被加工到允许的最小尺寸时，制品的实际尺寸有可能偏小。反之，当塑件的实际收缩率为塑料的最小收缩率，型腔又被加工到允许的最大尺寸时，塑件的实际尺寸有可能偏大。考虑到上述两种极限情况，在程序中采用下式来判断K值的取值范围:

式中：L——塑件尺寸;

　S _max、S _min——塑料的最大、最小收缩率;

　Δ——塑件的尺寸公差。

根据式(4－4)来选择修正系数K，可保证制品尺寸不会超差。程序将根据输入的塑件基本尺寸、公差及数据库中已存储的该塑料的最大、最小收缩率，用式(4－4)来校验修正系数K。当K的取值无法使式(4－4)成立时，程序将提醒设计人员注意塑件可能超差，询问用户能否放宽塑件的尺寸公差。

运行本模块时，程序将自动对转换的尺寸进行编号，同时将该尺寸编号、塑件尺寸及换算后的尺寸数值存入数据文件，为后续的图形输入模块做好准备。

三、模具的总体结构及标准模具零件的生成

关于注射模具的总体设计问题，有两种实现方案:一种是柔性化方案，另一种是基于知识的专家系统技术方案。前一种实现方案采用符号零件与装配关系模型，通过交互方式，使用户能方便地设计出注射模的草图，反映出自己的总体设计思想，还能方便地对总体设计方案进行修改，灵活快捷。后一种实现方案将设计规则和设计经验形式化地保存于知识库中，适当运用知识库的知识进行推理，得出模具总体的推荐方案，供设计人员确认或修改。

注射模具设计的工作重复性很大，除了确定塑料制品模板的形状、型腔的结构、型芯等外，其余的板类、杆类、定位装置、浇口套、冷却水管接头等构件在结构和形状方面基本上很少变化，只是在长短、高低等结构参数方面不同而已。如果每设计一套模具，都重复地构造这些大同小异的构件，势必造成人力物力的极大浪费，因此，模具CAD技术的任务之一，就是将模具设计人员从这些重复性的劳动中解放出来。

在图4－5中，定位装置及非结构件的顶杆、浇套口、定位圈、冷却水管接头等都属于标准件，不需考虑;而模板、垫板、固定板等构件则是非标准模具零件。模具设计方针是:通过选择模具的总体结构，建立一套标准模具零件参数库，根据一定的选择规则，选择适合的标准模具零件参数，在模具设计中动态生成模具标准零件，下面分别叙述。

图4－5　模具构件分类

1．模具的总体结构

注射模结构CAD的一个主要设计步骤是根据型腔形状及布置方案确定注射模具的总体结构，选定标准模架，即所谓的典型模具组合，标准模架的组成如图4－6所示。这些标准模架及标准模具零件在设计工作开始之前均应存放在模具数据库中，供模具设计人员调用。目前，日本、美国、德国等先进国家均已实现了注射模架的标准化，我国的注射模架系列也有了国家标准，但目前商品化注射模CAD系统中，没有国内GB系列的标准模架库。标准化、系列化工作是开发模具CAD系统的前提，在推广注射模CAD技术的同时，首先应做好模具的标准化工作。例如美国Cornell大学的注射模CAD/CAM系统用的是美国DME公司七种系列的注射模架组合。美国DME公司在开发注射模CAD系统时，规定了标准模架共有七种系列，它们是A、AR、B、X5、X6、AX和T系列。在这七种系列中，A、AR和B系列属于两板结构(单分型面)，X5、X6和AX属于三板模架结构(双分型面)，而T系列属于四板结构(三分型面)，图4－7分别给出了B、X5和T三种模架系列的简图。与A系列相比，B系列没有上、下垫板。AR系列与A系列结构相同，只是导柱、导套反装。X5和X6系列与A系列不同，在结构上增加了推件板，X5与X6两个系列的差别在于X6系列设置有动模垫板。AX系列与A系列的不同点是，AX系列具有一块中间活动板，形成两个分型面，分别脱出流道凝料和塑料制品。T系列具有两块活动板，可以形成三个分型面，常用于热流道模具等一些特殊场合。

图4－6　标准模架的组成

图4－7　DEM公司的三种模架系统

在实际应用中，可根据塑料制品形状的具体特征，选择合适的模架组合。利用图4－8所示的程序流程，模具设计人员就能方便地选择出所需要的系列。

图4－8　标准模具选择流程图

2．标准模具零件参数库的数据结构

在典型模具组合确定以后，接着需要确定该组合中合适的模具零件尺寸。各种模具系列中所包含的模具零件尺寸均应存在数据库中，存放的方式不是将模具设计手册中的表格数据原封不动照搬，这样势必要占大量的计算机存储空间，且查找也不方便。一种行之有效的方法是建立简明的编码系统，根据模具零件尺寸之间的联系和对应关系，在编码系统中采用两种数据结构(链表结构和树状结构)来构成标准模具零件库，即用属于顺序关系结构的链表结构来存储某一模具零件所有不同规格的尺寸，通过指针数据逐个访问，以选取合适的数据;用属于层次关系结构的树状结构来存储不同的模具零件，根据隶属关系，可将不同种类的模具零件安排在不同的层次里。例如，若将顶料板放在第一层，将定模板放在第二层，在查询时，首先在顶料板这一层利用链表结构查到顶料板所需宽度的最小尺寸，然后进入定模板层，查找同一宽度下合适的定模板长度。两种数据结构如图4－9所示。

图4－9　数据结构

在计算机存储空间中这种数据结构的分布是合理的，不存在多余存储空间或因数据量大而出现的数据溢出现象。在实际应用中，还可以根据需要不断地补充新的内容或者删除、修改已有的内容。

3．模板尺寸的选择规则

在编码系统的基础上，需要制定一组原则来选择模具零件尺寸，并根据这些原则编制计算机程序，使模具零件尺寸的选择过程能够自动地或者以人机交互的形式完成。模板尺寸的选择应遵循以下两条原则:

(1)推件板的宽度应大于或等于型腔的总宽度。

(2)在长度方向上，导柱的中心距离应大于型腔的总长度。

第一条原则的根据是所有的顶杆必须位于推件板的平面内，所以推件板的尺寸应该大得能容纳下整个型腔平面;第二条原则是保证模板在长度方向能容纳下型腔和导柱。由于每一种宽度的模板对应着一定宽度的推件板，所以一旦推件板宽度确定下来，模板的宽度也就确定下来了，模板长度根据第二条原则确定。若宽度所对应的所有长度尺寸均无法满足第二条原则，则模板宽度需增加一个档次，再重新根据第二条原则选取合适长度，一直到两条原则全部满足为止。

如前所述，所有模具零件尺寸数据是按一定的数据结构排列的，当模板的长度和宽度尺寸确定后，则建立相应的指针指示模板在数据结构中的位置。根据这些指针，能方便地查询所有与模板尺寸对应的模具零件的其他尺寸。模板厚度则通过屏幕菜单由设计人员交互选定。一旦模具中所有的厚度确定下来，各种杆件的长度尺寸就能按预定的原则确定。以上过程可由程序自动完成，然后显示出结果等待模具设计人员认定或修改。例如，复位杆的长度选择原则是:复位杆长≤顶杆固定板厚度+垫板厚度+动模板厚度+顶杆最大行程，顶杆的长度应短于复位杆的长度，其直径、数量、位置都可由人机交互确定。顶出机构设计流程图如图4－10所示。

图4－10　顶出机构设计流程图

4．标准模具零件的生成

在上述模具组合及型腔周边尺寸等关键参数确定后，标准模具零件的形状变化就很小了，由于标准模具零件的尺寸为变量，故标准模具零件模块的编辑基本上是个变量设计问题。通过对标准模具零件的结构变量(如长、宽、高、圆心、半径、孔类、孔数等)赋一定值，调用构型模块就可生成所需要的标准件。

四、CAE与优化设计

在注塑成型中，如果模具设计不合理，塑件可能出现熔接线、充填不足、表面烧伤、翘曲、缩痕及残余应力等缺陷。一旦模具制造完成后发现试生产出的塑件有上述缺陷，对模具进行修整非常麻烦，还要拖延模具的交货期，严重时会造成模具报废。利用CAE模拟功能可以对初步设计方案进行模拟，发现问题即对设计方案进行修改，直到对整个成型过程满意为止。利用CAE系统可使注塑模设计和注塑成型过程模拟更快更好地完成。

一般认为CAE是一个包含数值计算技术、数据库、计算机图形学、工程分析与仿真等在内的一个综合性软件系统。就塑料模具CAE技术而言，它主要是利用高分子流变学、传热学、数值计算方法和计算图形学等基本理论，对塑料成型过程进行数值模拟，在模具制造之前就可以形象直观地在计算机屏幕上模拟出实际成型过程，预测模具设计和成型条件对产品的影响，发现可能出现的缺陷，为判断模具设计和成型条件是否合理提供科学的依据。

注塑模CAE技术能使塑件和模具一次成功的可能性达到最大;解决诸如翘曲、尺寸不稳定和加工周期长等问题;减少加工成本，如模具投入使用成本、塑件成型机时成本、材料费、模具返工费、废料和回用料成本;对决定注塑件品质的结晶度和分子取向等微细结构进行预测。

注塑模CAE系统包括建模部分、分析模块、数据库、后置处理模块。完善的注塑模CAE系统应包括以下功能:对流道、浇口、模腔进行充模流动分析、保压分析、冷却分析、收缩与翘曲变形分析、熔接强度分析、微观分析(定向、结晶、内应力)等。

注射模的传统设计制造流程，只有试模或对塑件测试后才能发现问题，并根据出现的问题进行分析研究，决定改进方案或调整成型条件，不合格就要修模，甚至更改设计。这样不断地反复进行，直到试模和产品测试没有问题为止，既费时又耗资，尤其在设计大型、精密注射模和采用新型塑料原料及新的成型工艺时，从设计到正式投产周期会更长，影响新产品开发。

图4－11所示的是利用CAE技术的流程图，在产品开发的任何一个阶段，都可以用CAE技术来检验各种想法的可行性，可以防患于未然。它很好地解决了上述问题。

图4－11　利用CAE技术的流程图

塑料注射成型是一个复杂的物理过程，高温塑料熔体在压力驱动下通过浇注系统流向低温的模具型腔，熔体在模具中冷却而快速固化，同时伴随着熔体剪切生热、体积收缩、分子产生取向和结晶过程。利用计算机对注射成型过程各阶段进行定性与定量描述，可以在模具制造前发现并改正设计弊端。目前注射模CAE技术的研究工作主要集中在流动模拟、冷却模拟及保压和翘曲等方面。

1．注射模流动分析

(1)软件组成　注射模流动模拟分析软件由以下几个部分组成:

①数据库　常用的一些分析软件，如MoldFLOW软件包及C－MOLD均带有塑料材料与性能数据库，能提供各国主要塑料制造厂各种塑料的牌号与性能参数，以供计算中查询。塑料材料分为通用塑料、工程塑料、特种塑料。

②几何构形模块　几何构形软件用于定义浇注系统和型腔形状、进行有限元网格划分等。几何资料档案中存有常用几何元素。例如，在MoldFILL中有圆形、梯形、矩形、扇形、碟形、圆锥形、楔形、楔状碟形、环形、环锥形等几何形式用来模拟料流。

③充模分析程序　充模分析程序是流动模拟软件的核心，用于评估流道的配置和尺寸、浇口的数目和位置及尺寸，寻求合适的充模条件(包括充填时间、注塑温度、流量、注塑压力、模具表面温度等)。充模分析软件可以指出料流温度、充填情况(不足或过度)，以及切应力和剪切速率的大小与分布。

④显示结果　流动模拟软件要求实现计算结果图形化，比如提供压力分布图、温度分布图、速度场图和熔体填充瞬态图等。根据这些图表和数据，模具设计人员来判定充填过程是否合理，并可进行修改。每次修改一个参数(如材料、温度、浇口位置及尺寸等)，再运行分析程序，考察流动过程变化，直到满意为止。

(2)软件功能　使用流动模拟软件对充模过程进行分析，分析结果能够在以下几个方面做出判断:

①塑料充满模腔所需的最低温度应高于塑料的流动温度，最高温度不得引起塑料分解。

②预测熔接线位置，正确确定排气位置，避免注射不足、局部过热等缺陷。

③预测取向。对任何注射成型件最重要的是控制充填方式，以提高或降低塑件内部分子的定向程度，控制取向方向。控制填充方式有助于避免因为不同的分子取向所致的翘曲。采用中心浇口的圆片，因分子取向不同，会造成圆片翘曲，分子沿圆片径向的取向就是流动的方向，沿圆周方向的取向则与流动方向垂直，圆片的翘曲反映了收缩量的差异。取向所影响的不仅是翘曲问题，它也与塑件的各项性能密切相关。

④选择最佳浇口位置和浇口数量。模具设计者必须正确选择浇口的位置和数量，以实现合理充填。流动分析可使设计者对多种浇口位置和数量的方案作出评价。

⑤浇注系统优化设计。浇注系统优化设计往往要反复权衡各种因素，尽量使设计方案达到最佳。通过流动分析，可以帮助设计人员设计出压力平衡、温度平衡或者压力、温度均平衡的浇注系统，对流道内的剪切速率和剪切热进行估算，从而避免材料的降解和型腔内过高的熔体温度。

⑥减少流道返修成本。在试模之前就可以预测各种模具设计对成型过程的影响，减少模具试模次数。

⑦估计熔体温度、模具温度和注射速度等主要注射工艺参数及其变动范围。借助流动分析，可估计各工艺参数值，并确定其变动范围，结合选用最经济的设备，设定最佳的模具方案。

⑧减少塑件内应力和浇曲。选择最佳工艺参数使塑件残余应力最小，残余应力常常使塑件在成型后出现浇曲、变形甚至开裂失效。

⑨省料和减少过量充模。流道和型腔设计采用平衡流动，有助于减少材料的使用和消除因局部过量注射所形成的膨胀。

⑩预测塑件的外观质量。许多塑料制品都有外观要求，对气泡、烧焦、缺料、熔合线等外观缺陷，可在充模分析中通过改善浇口和流道的设计来防止。

(3)分析方法　注射模流动模拟软件可分为三个层次:一维、二维和三维流动模拟。

①一维流动　用单方向的流速来表征熔体的流动速度场，它的基本形式有圆管流动、矩形板流动和径向流动。圆管流动主要用来模拟熔体在流道中的流动，矩形板和径向流动用来模拟熔体在型腔内的流动。一维流动模拟软件实际上是一维有限差分程序，只要输入塑料名称、牌号、型腔最大流动长度、平均厚度、熔体温度和模具温度，便能得出熔体填充时间及相应的注射压力、切应力和不同时刻的熔体温度。

②二维流动　模拟软件常用的方法是将三维型腔展平，人为地划分若干流动分支，每个分支又被抽象为若干基本流动单元(如圆棍、圆板、圆环、矩形板等)，如图4－12所示。然后对每个单元进行一维分析，以求出每个分支的压力、剪切速率、切应力和不同时刻的熔体温度。二维流动模拟分析软件的基本算法类似于一维分析，也有一些二维流动模拟软件采用有限元法。

图4－12　二维流动单元

③三维流动　模拟软件可以在型腔的三维图上直接生成有限元网络。在输入塑料名称、牌号和成型工艺参数后，三维流动模拟软件能给出熔体流动前沿的动态图，提供不同时间间隔的熔体各处温度、压力、剪切速率及切应力的分布。目前多数三维模拟采用的是流动方向的二维有限元计算与厚度方向的一维差分计算的耦合，它的优点是不需要由模具设计者人为选定流动分支和基本流动单元。使用三维流动模拟软件需要输入的数据有塑料流变和物理性能数据、型腔几何数据和注塑成型形状工艺参数等。

当采用注射模CAD/CAE/CAM集成系统以后，在CAD阶段生成的型腔几何形状，可直接供流动模拟软件调用。目前，许多软件均能提供这类接口。注塑成型工艺参数的正确输入也是使用三维流动模拟软件的一个重要前提。模具设计者除了根据自身经验和常用公式来设定工艺参数外，也可以根据一维流动模拟软件来初选注塑成型工艺参数，采用二维流动模拟软件来平衡流道系统，根据一维和二维软件的分析结果，设定较为正确的工艺参数，再运行三维软件。有时为了获得比较精确的模具温度分布，还可利用冷却分析软件先进行分析，然后再调用流动模拟软件。

2．保压分析

保压是为了补料，补充模具腔中塑料熔体在冷却固化过程中的收缩量，适当的保压可防止制品产生缩孔、翘曲、凹陷等缺陷。对尺寸精度、重量要求严格的塑件，保压就显得更为重要。

由于目前塑料制品向部件的一体化和大型化发展，对尺寸的要求更为严格，并且对于如保险杠等制品还要注意缩孔等问题，以成型条件消除这种缩孔、翘曲等缺陷是非常困难的，往往要经过多次修模。因此，需借助保压分析手段来预测缩孔及翘曲。

现在使用的保压分析软件有CADMOULD、MUKAM－2等。MUKAM－2不仅可以分析流动、保压及冷却等一系列过程，还可以预测结晶性塑料的结晶度及非结晶塑料的双折射率。

3．注射模冷却系统模拟分析

在注射模冷却系统统计中，注射成型周期中有5%的时间用于注射成型，15%的时间用于顶出，80%的时间用于冷却。由于冷却时间在注塑成型周期中所占比例最大，故进行冷却分析具有重大意义，注射模冷却系统的设计直接影响着注塑生产率和塑件质量，冷却系统的冷却效果决定着注射模的冷却时间。一个完善的冷却系统能显著地减少冷却时间，从而提高注射成型的生产率。塑件的翘曲变形和内部残余热应力常常是由于冷却不均匀而产生的。

(1)注射模冷却系统冷却系统设计的目的，一是使注射模冷却时间最短，以提高注射制品的生产率;二是使注射制品表面温度均匀，以减少制品的变形，提高制品质量。用计算机辅助设计塑料模冷却系统，不但可以模拟昂贵、费时的试模过程，而且在模具制造出来以前就能预测模具的冷却功能。冷却分析软件能缩短塑料模冷却系统的设计制造周期，大大提高模具生产效率和增加经济效益，并减少废品。

影响注射模冷却的因素很多，如制品的形状，冷却介质的种类、温度、流速，冷却管道布置，模具材料，熔体温度，工件要求的顶出温度和模具温度，以及塑料和模具间的热循环交互作用等。模具制成以后再用试模方法来检查注射模冷却系统，或用实验方法来测验不同冷却系统的影响，都耗时费钱，而采用计算机模拟方法可以在模具加工之前进行预测和分析，属最理想方式。

使用注射模冷却过程分析软件，如Calma公司的POLYCOOL软件，模具制造周期可缩短35%左右，当然制造方法及模具不同，其改进程度也不同。如图4－13所示，注射模冷却分析软件应具备以下功能:

①确定模冷却所需冷却水的数量及分布。

②预知随冷却时间变化的模具温度场分布状态，指出最高温度和最低温度的数值及其在模具中的位置以及不同时刻制品表面和内部的温度。

③预知最短冷却时间。

④改变冷却水道几何尺寸、位置、数量及注射成型温度、模具温度、冷却介质等参数。

⑤模拟试模过程。

⑥预知最佳注塑成型温度、模具温度等。

图4－13　冷却分析模拟软件的功能模块

(2)冷却分析模拟软件的组成　冷却分析模拟软件的组成包括:

①数据库　包括模具材料和注射塑料材料的各种有关参数。在运行冷却分析程序前，用户必须指明所用材料的关键字，从数据库中调出有关参数作为分析程序的输入数据。

②几何构形和条件设置模块　三维冷却软件必须要有定义三维型腔、模具外形和冷却管道的图形功能。条件设置指注射过程工艺参数的设置，例如熔体初始冷却温度、塑件顶出温度、环境温度以及冷却液初始温度、流量等。

③冷却分析程序　它是冷却模拟软件的核心，其分析精度和运行时间取决于数学模型的复杂程度。

④分析结果显示模块　显示模腔表面温度分布甚至模具温度分布、热流量分布、冷却时间、塑件表面及内部温度分布等。

⑤辅助程序　提供注射机的参数、经济分析、冷却系统评价等。

一个商品化的注射模冷却模拟分析软件，根据提供的冷却水温、冷却水流量和水压，可以计算出冷却时间、水温度、冷却率和制品被顶出时的温度;经分析后可以指出模腔的热点和冷点、冷却不均匀程度及冷却设计的不足;还可以通过经济分析指出成本结构的改变、生产增加量和改进后可能获得的效益。此外，还可指出防冻剂的需要量、供水和回水总管的直径及水泵所需的功率等。

(3)冷却分析方法　影响注射模冷却系统的因素是多方面的，原则上应选用考虑全部影响因素和热现象的冷却系统模拟程序，但那样计算繁琐且代价昂贵。在工程应用中，可以从制品形状和冷却条件两个方面进行简化，如用一维或二维分析代替三维分析，用稳态温度场代替非稳态温度变化。无论采用几维冷却分析软件，都是用于检验模具设计人员设计的冷却系统是否合理，而不能完全代替人来设计注射模冷却系统。

4．注射模CAE软件简介

目前国际上具有代表性的注射模CAE商品化软件有:美国AC－Tech公司的注射模CAE软件C－MOLD系统，美国SDRC公司的I－DEAS软件，澳大利亚MOLDFLOW公司的注射模CAE软件MF，德国IKV研究所的CAD/CAE软件CADMOULD，等等。国内由北京北航海尔软件有限公司与美国AC－Tech公司合作开发的面向注射模的中文辅助分析软件CAXA－TPD，采用了国际上CAE技术的最新成果。

C－MOLD软件包建立在美国康奈尔大学注塑成型研究计划CIMP研究成果的基础上。使用该软件，可在模具制造完成前预测出注射压力、锁模力、型腔内熔料流动情况(包括速度、温度、压力、切应力分布)以及熔接痕、气泡和烧焦的位置，对于分子取向、翘曲变形等缺陷也可以预知。按所得信息修改设计，可以提高一次试模成功率，提高劳动生产率。

下面就以C－MOLD软件为例来介绍注射模CAE技术的功能和特点，图4－14为C－MOLD软件结构框图。该软件分三个层次，采用公用的几何数据库和统一的输入/输出格式，并自动实现各分析模块间数据的转换。

第一层次的软件用于初始阶段的设计(C－DESIGN)，以确定设计参数和工艺过程参数，它包含选择成型材料、冷却剂、模具材料和注射机等七个数据库。这个程序由一个完整的模糊逻辑和关系数据库管理系统(DBMS)支持，通过界面程序执行，这些界面程序由DBMS对数据库中的数据动态显示、排序、恢复来提供。C－DESIGN提供很多功能，允许用户针对不同设计要求选择物质。

图4－14　C－MOLD软件结构框图

第二层次的软件主要包括三维流动模拟C－FLOW、三维冷却分析软件C－COOL和保压分析软件C－PACK，第二层分析主要是为了提高生产和操作的一致性。第一层设计处理中产生的数据被用于填充模拟和冷却模拟，以便发现设计和处理中潜在的问题。第二层分析的目标是评估模具、零件设计和处理窗口，使充模问题最小化和优化资源(机器和材料)的使用，决定冷却管道的设置和冷却剂的有关数据，例如冷却剂的温度和流速，以提高生产效率和操作的稳定性。

第三层次的软件由一个完整的填充/残余应力分析程序(C－PACK/W)以及翘曲分析程序和模具冷却分析程序组成，是基于第二层的分析结果进行三维定向分析、塑料制品的应力及翘曲分析，以便提高制品的质量。借助于C－MOLD软件，模具设计者可在设计阶段预测成型过程中可能存在的问题及制品可能出现的缺陷，对设计方案进行检验和校对。

五、工作零件CAM方法

在注射模具的制造中经常遇到较为复杂的型腔、型芯的加工，以前的模具加工通常在仿型铣床、坐标镗床和磨床上进行初步加工，然后进行手工修正，加工的速度和质量依赖于操作工人的技能，花费很大的人力物力，这已经远远不能适应快速变化的市场需求。因此，在大型复杂精密注射模制造上，必须采用数控加工。

三维型腔、型芯等零部件采用数控加工的工作内容主要包括:

(1)对图样或CAD阶段设计的工作零件的几何造型信息进行分析，以确定需要数控加工的部分。

(2)利用CAD阶段定义的工作零件的几何造型数据或运用图形软件对工作零件上需要数控加工的部分造型。

(3)根据加工条件选择合适的加工工艺，包括刀具参数、几何位置参数、机床参数、刀具轨迹(包括粗加工、半精加工、精加工轨迹)。

(4)通过模拟仿真检验生成的刀具轨迹的精度，并通过代码校核，用图形方式检验加工代码的正确性。

(5)在屏幕上用图形形式显示刀具轨迹，通过后置处理，生成与机床相匹配的加工代码。

(6)将数控加工代码传输到数控机床，控制机床各坐标的伺服系统，驱动机床进行加工。