第四章 注射成型 CAD
4-1 注射模结构 CAD
4-1-1 注射模结构 CAD的内容
?注射制品的几何造型
?模腔工作面的自动生成
?模具结构方案设计
?标准模架的选择
?二维工程图的生成
?结构计算与校核
4-1-2 注射模结构 CAD应具备的基本功能
?强大且完善的几何造型能力
?标准化设计
?设计数据的处理和管理
?拥有充分的柔性和适应性
4-1-3 注射模结构设计软件实例
?软件总体结构 (P174G6-5)
?标准模架选择及编码
原电子工业部颁布的标准模架 (SJ2528-84)：
10类基本模架,44种派生系列,31150种具体规格。
Z 系列：单分型面模架系列
T 系列：双分型面模架系列
标准模架选择流程 (P175G6-6)
利用编码存储和管理模架数据。
顶杆零件的编码示例 (P176G6-7)。
利用数据库存储和管理模架数据
?成型零件设计
成型零件设计中的难点之一：镶拼式结构设计。
由于镶拼结构的多样性和复杂性，故目前仍以交互方式
为主进行设计。
镶块件的标准化、参数化解决是镶拼式结构设计的重要
途径之一。 (P178G6-8,G6-9)
?参数化图库的应用
参数图形－－图形的结构固定 (即几何约束固定 )，但尺寸可
变 (即尺寸约束可变 )。改变尺寸便可得到同类图形的变种 (实
例 )。
Φ
Φ5
参数化图库－－参数图形的集合。
参数化图库主要用于标准零件和通用零件的设计、管理与
应用。
?图形数据库结构 (P181G6-11)
图形数据库结构中“终点坐标”和“标注点位置坐标”
的确定：
)17( 2
1
1
221
111
1
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个尺寸模式个坐标点所用到的第求解第
求解坐标点的总数
总数图形中完整标注的尺寸
寸值或变量
点坐标用到的尺由已知点坐标求解未知
的坐标值点也可是参数化图形的基已知结点，
值图形中待求结点的坐标，方程左边
式中
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?参数化图形库的建立思路
?建立参数化基本图元 (元件 )子库；
?在基本图元子库的基础上，通过图形变换和布尔运算，
生成复合图元或零部件几何结构图；
?为零部件几何结构图标注参数尺寸。
?参数化图形库的使用 (P182G6-12)
4-2 注射成型过程数值模拟
4-2-1 塑料熔体流动过程模拟
目的：预测熔体充模过程的流动行为，尽早发现设计中存在
的问题。
(1) 一维流动分析
一维流动的三种基本形式
圆管流动 矩形板流动 径向流动
)107(
)97(
)87(
)77(
)67(
2
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p
熔体流动率
压力梯度，
型腔形状函数
粘性热
设定的熔体注射流量
剪切速率
模腔压力
剪切粘度
模腔厚度方向坐标
方向流速
式中
)(
S
z
P
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Q
P
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????
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?
率时的粘度和温度描述熔体处于零剪切速
减小的特性粘度随剪切应力增加而表述热塑性塑料熔体的，
与塑料性质有关的参数，
初始剪切速度粘度
式中
公式求得熔体的粘度采用
,
,,
)127( )/e x p ()(
)117(
) (1
)(
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可以利用有限差分法求解上述 (4-3)～ (4-10) 。
具体解法思路,
?已知某一时刻的温度场 T,利用上一时刻的粘度 ?和式 (4-7)求
得流动率 S；
?利用式 (4-6)求得压力梯度，便可知该时刻压力场 P；
?利用 (4-11)求得该时刻的粘度 ?；
?利用 (4-8)求得 ?；
?利用 (4-10) 求得粘性热 ?；
?利用 (4-9)求得熔体流速场 u；
?再利用 (4-4)求解下一时刻的温度场 T；
?…… 。
如此循环，直到整个一维模腔被熔体充满为止。
(2) 二维流动分析
经过适当划分，将二维流动转化成一维流动单元的串联，然
后利用一维流动分析模型求解熔体的二维流动过程。
常用一维流动单元举例
圆形管 具有中心浇口的圆板 具有边缘浇口的平板 具有中心浇口的圆环板
下图是某个二维模腔经适当划分后形成的九个流动单元，
由这九个流动单元构成了五条流动路径：
1-2-9,1-3-4,1-3-5-6,1-3-5-7,1-3-5-8
二维流动分析思路：
?以一维流动分析诸方程为基础；
?在一个时间步长内只考虑一个单元的熔体流动过程；
?因每条路径的入口压力近似，且沿每条流动路径的总压力
降应相等，所以，利用迭代法求解基于一维流动分析的塑料
熔体流动诸方程时，应分别沿每条路径更新其体积流量 Q；
?只要流动单元内的熔体流动尚未停止，则在每个时间步长
内，都需要更新单元的温度场；
?根据更新后的体积流量，计算熔体在每个未充满单元内的
前沿位置；
?根据一维流动分析中所介绍的步骤，计算单元内的压力场、
速度场和温度场等；
?重复上述一维计算步骤，直到全部流动路径上的单元均被
熔体充满为止。
(3) 三维流动分析
通常将三维流动问题分解成流动平面 (x-z平面 )的二维分析和
壁厚 (y)方向的一维分析。流动平面内的未知量 (如，温度、压
力等 )用有限元法求解，而型腔壁厚方向上的未知量 (如，时间
等 )则用有限差分法求解。
在求解过程中，有限元法与有限差分法交替进行，相互依
赖。
(4) 数值求解过程 (P191G6-23)
4-2-2 注射冷却过程模拟
影响塑料制品冷却的主要因素：
制品结构、冷却管道类型和尺寸及位置、冷却介质流速与
温度、制品与模具之间的非稳态热交换等。
(1) 一维冷却分析
? 管边距与管间距计算
一维冷却系统的管道布置举例 (P192G6-24)
用迭代公式求解一维冷却系统的管道布置
管边距与管间距
冷却水应带走的热量
冷却水的平均温度
型腔壁的平均温度
模具材料的热导率
热系数冷却水与管壁之间的传
冷却管道直径
动率冷却管中允许的温度波
式中
,
)147(
)](13.0[876.0
)(87.0
)137( ln4.2
8.2
22.0
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具体解法：
设初值 d0,b0/a0和 j ?代入 (4-13)中求得 J ?比较 J 与 j ?
若 J 与 j 的差值在允许范围外 ?减小比值 b/a(或增大 d)，继续
迭代 ? …… 。
利用热平衡方程求解出初值 q’ ? 设初值 a=d ?将初值代
入 (4-14)求得 Qc ?比较 q’与 Qc ?若比值超过允许值 ?增大 a
?继续计算 Qc ? …… 。
上述两个迭代相辅相成 (由 b/a关联 )，以最终得到 a和 b。
?冷却时间计算
模腔的最低温度
制件的脱模温度
熔体的注射温度
塑料的热扩散系数
制品的半个厚度
间塑料制品的最小冷却时
式中
)157(
)(
)(4
ln
4
m i n2
m i n1
m a x1
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m i n2m i n1
m i n2m a x1
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?热阻计算 (略 )
热阻：模壁同冷却水道之间的传热阻力，与模具材料、
模壁和水道之间距离有关。
?冷却水道总长度计算
冷却水道总长度取决于冷却水道总面积 A：
冷却水道带走的总热量
式中
)167(
)(
243
Q
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Q
A
mm
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?
的流速冷却水处于湍流状态时
直径管水道
的传热系数水道壁与冷却水界面处
冷却水平均温度
总热阻腔壁与冷却水道之间的
模腔壁平均温度
水道壁平均温度
)(
)187( )0 1 5.01(3 4 8.7
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?预测制品的实际脱模温度
制品与模壁之间的温差可表示为
针对制品的一个冷却循环
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)197( )(
c
21
m i n2m a x121
最小冷却时间
度制件和模腔壁的平均温，
式中
TT
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kt
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?
系数制品与模具之间的传热
环中应带走的热量冷却系统在一个冷却循
式中
＝
根据牛顿冷却定律，有
可得
的初值条件的平均值，并利用进行积分，取对
)217( )(
)207(
)(
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联立解 (4-20),(4-21)，采用迭代算法，便可得到给定冷
却条件下制品脱模温度的预测值 T1min。
(2) 二维和三维冷却分析 (略 )
塑料注射成型数值模拟举例
4-1 注射模结构 CAD
4-1-1 注射模结构 CAD的内容
?注射制品的几何造型
?模腔工作面的自动生成
?模具结构方案设计
?标准模架的选择
?二维工程图的生成
?结构计算与校核
4-1-2 注射模结构 CAD应具备的基本功能
?强大且完善的几何造型能力
?标准化设计
?设计数据的处理和管理
?拥有充分的柔性和适应性
4-1-3 注射模结构设计软件实例
?软件总体结构 (P174G6-5)
?标准模架选择及编码
原电子工业部颁布的标准模架 (SJ2528-84)：
10类基本模架,44种派生系列,31150种具体规格。
Z 系列：单分型面模架系列
T 系列：双分型面模架系列
标准模架选择流程 (P175G6-6)
利用编码存储和管理模架数据。
顶杆零件的编码示例 (P176G6-7)。
利用数据库存储和管理模架数据
?成型零件设计
成型零件设计中的难点之一：镶拼式结构设计。
由于镶拼结构的多样性和复杂性，故目前仍以交互方式
为主进行设计。
镶块件的标准化、参数化解决是镶拼式结构设计的重要
途径之一。 (P178G6-8,G6-9)
?参数化图库的应用
参数图形－－图形的结构固定 (即几何约束固定 )，但尺寸可
变 (即尺寸约束可变 )。改变尺寸便可得到同类图形的变种 (实
例 )。
Φ
Φ5
参数化图库－－参数图形的集合。
参数化图库主要用于标准零件和通用零件的设计、管理与
应用。
?图形数据库结构 (P181G6-11)
图形数据库结构中“终点坐标”和“标注点位置坐标”
的确定：
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个尺寸模式个坐标点所用到的第求解第
求解坐标点的总数
总数图形中完整标注的尺寸
寸值或变量
点坐标用到的尺由已知点坐标求解未知
的坐标值点也可是参数化图形的基已知结点，
值图形中待求结点的坐标，方程左边
式中
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?参数化图形库的建立思路
?建立参数化基本图元 (元件 )子库；
?在基本图元子库的基础上，通过图形变换和布尔运算，
生成复合图元或零部件几何结构图；
?为零部件几何结构图标注参数尺寸。
?参数化图形库的使用 (P182G6-12)
4-2 注射成型过程数值模拟
4-2-1 塑料熔体流动过程模拟
目的：预测熔体充模过程的流动行为，尽早发现设计中存在
的问题。
(1) 一维流动分析
一维流动的三种基本形式
圆管流动 矩形板流动 径向流动
)107(
)97(
)87(
)77(
)67(
2
)57( )(
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熔体流动率
压力梯度，
型腔形状函数
粘性热
设定的熔体注射流量
剪切速率
模腔压力
剪切粘度
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式中
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率时的粘度和温度描述熔体处于零剪切速
减小的特性粘度随剪切应力增加而表述热塑性塑料熔体的，
与塑料性质有关的参数，
初始剪切速度粘度
式中
公式求得熔体的粘度采用
,
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可以利用有限差分法求解上述 (4-3)～ (4-10) 。
具体解法思路,
?已知某一时刻的温度场 T,利用上一时刻的粘度 ?和式 (4-7)求
得流动率 S；
?利用式 (4-6)求得压力梯度，便可知该时刻压力场 P；
?利用 (4-11)求得该时刻的粘度 ?；
?利用 (4-8)求得 ?；
?利用 (4-10) 求得粘性热 ?；
?利用 (4-9)求得熔体流速场 u；
?再利用 (4-4)求解下一时刻的温度场 T；
?…… 。
如此循环，直到整个一维模腔被熔体充满为止。
(2) 二维流动分析
经过适当划分，将二维流动转化成一维流动单元的串联，然
后利用一维流动分析模型求解熔体的二维流动过程。
常用一维流动单元举例
圆形管 具有中心浇口的圆板 具有边缘浇口的平板 具有中心浇口的圆环板
下图是某个二维模腔经适当划分后形成的九个流动单元，
由这九个流动单元构成了五条流动路径：
1-2-9,1-3-4,1-3-5-6,1-3-5-7,1-3-5-8
二维流动分析思路：
?以一维流动分析诸方程为基础；
?在一个时间步长内只考虑一个单元的熔体流动过程；
?因每条路径的入口压力近似，且沿每条流动路径的总压力
降应相等，所以，利用迭代法求解基于一维流动分析的塑料
熔体流动诸方程时，应分别沿每条路径更新其体积流量 Q；
?只要流动单元内的熔体流动尚未停止，则在每个时间步长
内，都需要更新单元的温度场；
?根据更新后的体积流量，计算熔体在每个未充满单元内的
前沿位置；
?根据一维流动分析中所介绍的步骤，计算单元内的压力场、
速度场和温度场等；
?重复上述一维计算步骤，直到全部流动路径上的单元均被
熔体充满为止。
(3) 三维流动分析
通常将三维流动问题分解成流动平面 (x-z平面 )的二维分析和
壁厚 (y)方向的一维分析。流动平面内的未知量 (如，温度、压
力等 )用有限元法求解，而型腔壁厚方向上的未知量 (如，时间
等 )则用有限差分法求解。
在求解过程中，有限元法与有限差分法交替进行，相互依
赖。
(4) 数值求解过程 (P191G6-23)
4-2-2 注射冷却过程模拟
影响塑料制品冷却的主要因素：
制品结构、冷却管道类型和尺寸及位置、冷却介质流速与
温度、制品与模具之间的非稳态热交换等。
(1) 一维冷却分析
? 管边距与管间距计算
一维冷却系统的管道布置举例 (P192G6-24)
用迭代公式求解一维冷却系统的管道布置
管边距与管间距
冷却水应带走的热量
冷却水的平均温度
型腔壁的平均温度
模具材料的热导率
热系数冷却水与管壁之间的传
冷却管道直径
动率冷却管中允许的温度波
式中
,
)147(
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)(87.0
)137( ln4.2
8.2
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若 J 与 j 的差值在允许范围外 ?减小比值 b/a(或增大 d)，继续
迭代 ? …… 。
利用热平衡方程求解出初值 q’ ? 设初值 a=d ?将初值代
入 (4-14)求得 Qc ?比较 q’与 Qc ?若比值超过允许值 ?增大 a
?继续计算 Qc ? …… 。
上述两个迭代相辅相成 (由 b/a关联 )，以最终得到 a和 b。
?冷却时间计算
模腔的最低温度
制件的脱模温度
熔体的注射温度
塑料的热扩散系数
制品的半个厚度
间塑料制品的最小冷却时
式中
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?热阻计算 (略 )
热阻：模壁同冷却水道之间的传热阻力，与模具材料、
模壁和水道之间距离有关。
?冷却水道总长度计算
冷却水道总长度取决于冷却水道总面积 A：
冷却水道带走的总热量
式中
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)(
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Q
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的流速冷却水处于湍流状态时
直径管水道
的传热系数水道壁与冷却水界面处
冷却水平均温度
总热阻腔壁与冷却水道之间的
模腔壁平均温度
水道壁平均温度
)(
)187( )0 1 5.01(3 4 8.7
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制品与模壁之间的温差可表示为
针对制品的一个冷却循环
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最小冷却时间
度制件和模腔壁的平均温，
式中
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系数制品与模具之间的传热
环中应带走的热量冷却系统在一个冷却循
式中
＝
根据牛顿冷却定律，有
可得
的初值条件的平均值，并利用进行积分，取对
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联立解 (4-20),(4-21)，采用迭代算法，便可得到给定冷
却条件下制品脱模温度的预测值 T1min。
(2) 二维和三维冷却分析 (略 )
塑料注射成型数值模拟举例
