一种灌水器的注塑模拟方法

技术领域

本发明涉及农业装备注塑技术领域，具体涉及一种灌水器的注塑模拟方法。

背景技术

滴灌是先进的现代农业灌溉方法，灌水器作为滴灌系统的核心部件，其制造偏差、质量等的好坏直接影响到滴灌系统的寿命及灌水质量的高低。然而由于制造工艺和材料收缩变形等影响，不可避免地会产生制造偏差。目前人们主要通过频繁更换电火花电极、镜面抛光等机械工艺减少模具制造中的由于损工等带来的各型腔偏差大的问题，但其必然导致成本的急剧上升。同时由于灌水器产品的多样性、复杂性和设计人员经验的局限性，传统的模具设计往往要经过反复试模、修模才能成功。这大大增加了人工和成本的费用，这对于现代农业来说是不适用的。如何在不明显增加成本的基础上提升灌水器的注塑精度，则成为了滴灌系统推广的关键所在。目前发现通过注塑模具设计及工况优化对于提升注塑件精度有很大的作用，因此如何通过注塑模拟的优化设计方法进行注塑生产精度与成本的权衡对于滴灌系统的推广具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种灌水器的注塑模拟方法，以建立针对灌水器的注塑流程模拟及其精度提升方法。

本发明提出一种灌水器的注塑模拟方法，所述方法包括：

使用软件对灌水器进行注塑模拟时，通过对所述灌水器的结构、注塑模具及注塑工艺进行优化分析，以得到所述灌水器的较优注塑方案。

根据本发明的一种实施方式，所述方法还包括对所述灌水器的注塑进行建模，所述网格的匹配百分比为90％及以上，所述网格的纵横比不高于20，自由边、多重边为0，所述网格的厚度大于0.1mm，配向不正确的单元为0，交叉及重叠的单元为0，优选地，建模时所述灌水器的模型网格的全局边长设置范围为0.3mm-0.7mm。

根据本发明的一种实施方式，进行所述建模时还包括进行参数设置：包括注塑机的锁模力、模具温度及熔料温度的设置；所述模具温度优选设置在40℃-104℃之间，所述熔料温度优选设置在220℃-428℃之间。

根据本发明的一种实施方式，所述方法还包括：采用评价方法对不同的结构、注塑模具及注塑工艺进行评价对比，按照权重占比大小依次为偏差率、体积收缩率、翘曲变形量、缩痕大小的评价指标进行评价，得到灌水器的较优注塑方案。

根据本发明的一种实施方式，进行所述评价时，按照偏差率占10、体积收缩率占5、翘曲变形量占3、缩痕大小占2，总计20的权重进行评价。按照不同组合方案的偏差率数值*50％+体积收缩率最大数值*25％+翘曲变形量最大数值*15％+缩痕最大数值*10％进行计算，选出数值最小的一组为灌水器的较优注塑方案。

根据本发明的一种实施方式，进行所述评价时，不同对比方案按照同等注塑效力的灌水器为一组，分为不同组别进行对比分析评价；对于不同的流道结构分别对其进行“充填+保压+翘曲”分析。

根据本发明的一种实施方式，进行所述分析时，进行充填分析后，计算每组的型腔重量之间的偏差率即为该流道结构下的所述偏差率。

根据本发明的一种实施方式，所述结构的优化包括浇口的类型和位置的优化，所述模具的优化包括流道的排布形式的优化、冷却流道的高度与排布的优化。

根据本发明的一种实施方式，在进行所述模具的优化时，保证每种排布形式的模具控制面积一致；优选地，所述冷却管道的高度高于所述流道高度的15-20mm；优选地，所述浇口的位置设于所述灌水器的下方。

根据本发明的一种实施方式，对灌水器的注塑工艺进行优化时，包括充填压力与充填时间、保压压力与保压时间、冷却管道温度与冷却时间的优化；

优选地，选择较优的流道排布类型，通过软件设置注塑机的技术参数，进行工艺优化分析，之后再重新进行充填+保压分析，根据之前工艺优化分析的结果，设置优化的工艺设置参数分析，确定工况的优化程度；

优选地，优化的工艺设置包括更改冷水温度和充填压力；

优选地，所述冷水温度的范围为0℃-25℃，所述充填压力的范围为80％-100％，对应型腔内整体压力13.5MPa-20MPa；优选地，优化时，将所述冷水温度和充填压力两种参数进行搭配不同方案分析，经计算后按照评价方法进行评价；优选地，经计算得充填压力100％、冷水温度20℃、冷水管道高度17mm时为较优的注塑方案。

本发明通过三维建模软件和模流分析软件创建灌水器注塑的模拟方法，可以实现任意工况下的注塑模拟，使内部流动可视化，大幅降低模具生产中试模、修模所不必要的成本浪费。本发明并通过3D建模软件设计了新的适配于该种浇口位置的灌水器，实现注塑流动更加平衡。

本发明通过建立评价方法，可以选出同时兼顾多个注塑影响因素的最佳工况设置组，简便客观地对不同的工况设置进行筛选。

本发明通过在不同的注塑环境下分析运算，从分析结果中观测生产产品质量上的缺陷并可以计算生产产品之间的偏差大小，实现缺陷数字化、偏差数字化。使结果更加精准可靠易观查，为进一步优化改进提供了分析基础。

本发明通过计算最适配的工况条件，可以高效预知设计的缺陷和注塑缺陷，加速了设计进度，降低了设计成本。

本发明通过计算最合适的冷却管道的工艺参数，分析冷却系统对流动过程的影响，优化冷却管路的布局和工作条件，从而能够产生均匀的冷却，并由此缩短成型周期，减少产品成型后的内应力。

附图说明

图1为本发明一实施例灌水器注塑模拟方法的流程图；

图2a为灌水器产品结构示意图；

图2b为灌水器的一种浇口示意图；

图3为灌水器的另一种浇口示意图；

图4为回字形冷却管路俯视结构示意图；

图5为蛇形冷却管路俯视结构示意图；

图6为一种灌水器注塑流道排布结构示意图；

图7为改进后的第一种灌水器注塑流道排布结构示意图；

图8为改进后的第二种灌水器注塑流道排布结构示意图；

图9为改进后的第二种灌水器注塑流道排布结构示意图；

图10为改进后的第二种灌水器注塑流道排布结构示意图；

附图标号：

1—浇口；2—进水口；3—流道；4—出水口；5—射入端；6—射出端；31—分流道；311—一级分流道；312—二级分流道；32-主流道；7—进胶口；8—冷却流道；81—入口；82—出口；9—模具。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

本发明建立了灌水器的注塑模拟方法，提出了从灌水器的结构、模具、注塑工艺几方面进行比较分析，从而择优注塑的模拟方法，能够更全面、更合理地对灌水器的注塑进行模拟，以达到优化的目的。

进一步的，本发明建立的灌水器的注塑模拟方法，开创了注塑流程的问题诊断-方案设置-工况对比-试模生产的完整流程，提出了基于注塑方法的灌水器设计控制阈值，最终建立了针对现有灌水器注塑流程的模拟及精度提升方法。

本发明所提出的提升灌水器注塑的优化方法，该方法在设计过程中着重考虑了灌水器的注塑精度，主要包括注塑方法及评价建立、问题诊断及结构设计、方案对比、工艺优化四个阶段。

根据本发明的一种实施方式，上述技术方案的具体设计步骤如下：

可采用3D软件建立灌水器模型后，将其导入分析软件中。可选用双层面网格分析，双层面分析采用三维有限元迭代法来预测熔融体流动路线,即熔融体从模具浇口到最后充满型腔的那一点的路线。熔体流动过程中的粘度计算可根据塑件材料的不同和注塑情况的不同选用式(1)和式(2)两种计算公式。

η＝αγ

式中:η表示粘度,γ表示剪切率,T表示温度,α为粘度系数,β为剪切系数,C为温度系数。

γ＝A

式中:γ为粘度,X为剪切率,Z为温度,A1-A6为多项式的6个系数。

Moldflow软件通过对模具型腔内的熔融液体进行有限元网格划分,取得熔融体流动前锋位置的节点,计算时从原来已经计算出来的熔融体前锋某一节点处开始,向与节点相连的另一组节点过渡。在计算过程中,自动调整迭代参数以及其他相关系数来求解非牛顿流体、非等温状态下的流动方程和热传导过程,完成一次计算。然后,熔融体流动前锋的位置向前增加一点,最后模拟出熔融体的流动充填过程。

网格的全局边长设置范围为0.3mm-0.7mm，由于灌水器的大小形状不尽相同，划分网格后一个灌水器网格数量约有5000-15000个。划分完成后对划分的网格进行网格无关性验证及修改。要求网格的匹配百分比达到90％及以上、网格的纵横比不高于20、自由边、多重边为0、网格厚度大于0.1mm、配向不正确的单元为0、交叉及重叠的单元为0。

接下来进行参数设置。

成型工艺条件的选择与控制是否合理决定了塑件的质量，注塑成型中主要的参数包括以下几点：

注塑机：对于制造灌水器来说，主要是依据注塑机的锁模力，可控制灌水器的数量和灌水器的大小的能力，总的模具面积大小这三项标准选取注塑机。对于灌水器模具来说，32腔模具选择锁模力为120T-160T注塑机、64腔模具选择锁模力为160T-200T注塑机、128腔模具选择锁模力为200T-250T注塑机、256腔模具选择锁模力为250T-280T注塑机、384腔模具选择锁模力为280T-320T注塑机。

模具温度：针对不同的塑料材料、塑件结构和模具的生产效率，要求模具温度达到适宜的温度。对于灌水器模具来说温度一般设置在40℃-104℃之间。

熔料温度：熔融体温度应与塑料种类、注塑机特性、射出量等参数相互配合。通常选择高于软化温度并低于塑料熔点作为熔融体温度，避免过热而裂解。对于灌水器模具来说熔料温度一般设置在220℃-428℃之间。

灌水器产品示意图如图2a所示。灌水器上设置浇口1、流道3和进水口2、出水口4。

根据一种实施方式，可在灌水器两边创建浇口1，浇口1如图2b所示。浇口1选择潜伏式浇口，即浇口1的射出端6连接灌水器的下半部分。浇口处射入端5的尺寸设置在1mm-2mm之间、射出端6的尺寸设置在0.5mm-1mm之间。浇口1连接分流道31。

设置完成后构建注塑模具系统，包括：主流道设置、分流道设置、冷却回路设置。主流道尺寸设置在5mm-10mm之间、分流道尺寸设置在2mm-5mm之间、冷却回路高度设置在15mm-20mm之间、冷水温度在0度-25度之间、冷却回路平面俯视设置如图4、图5所示，铺设形状及铺设范围覆盖流道，流道连通即可。

本发明进一步建立了评价方法。

由于流道设计的多样性及不对称性，每一模注塑产品距离进胶口7的位置和距离也不尽相同。故对其进行分组，分组方法为同等注塑效力的灌水器为一组，分为不同组别。灌水器因为离注塑口有远近之分，所以注塑效果不尽相同，离注塑口距离相同的几组灌水器注塑效果一样，命名为同等注塑效力。

进行“充填分析”后，计算每组“型腔重量”之间的偏差率即定义为该流道结构下的偏差率。再对于这些不同的流道结构，分别对其进行“充填+保压+翘曲”分析。

本方法以“偏差率”、“缩痕大小”、“体积收缩率”、“翘曲变形量”作为评价灌水器质量的好坏主要指标。其中“偏差率”、“体积收缩率”的影响效果最大，“偏差率”影响效果大于“体积收缩率”影响效果，“缩痕大小”影响效果次于“翘曲变形量”影响效果。故按照偏差率占10、体积收缩率占5、翘曲变形量占3、缩痕大小占2的权重进行评价。由各组的偏差率数值*50％+体积收缩率最大数值*25％+翘曲变形量最大数值*15％+缩痕最大数值*10％进行计算，选出数值最小的一组为质量最好的一组。

对于目前的灌水器模具来说，现已开发有64腔、128腔、256腔和512腔的半热流道、全热流道的模具。根据需要的灌水器尺寸和形式可以设计生产出不同形式的灌水器模具。

以512腔模具为例，共由16个注塑位点组合形成一副模具，每个注塑位点控制注塑32个产品。产品的浇口设置在靠近进水格栅的一端。流道的排布形式如图6所示，为中心对称式排布。工艺参数设置根据实际需要确定。

可采用UG NX建立灌水器模型后，导入Moldflow中。选用双层面网格分析，分析灌水器的浇口匹配性。完成了浇口位置分析之后，会产生两个结果，即屏幕显示和最佳浇口位置分析结果。分析结果示意图其实是浇口位置合理性因子分布图示。当因子为1时，表示这个位置是最佳浇口位置，因子值越小，浇口位于这个位置的成型合理性就越小。评价结果显示注塑流动性、浇口匹配性最佳的浇口位置，对比分析结果色条确定最佳的浇口位置。

在流动性、浇口匹配性最佳的布设范围内选取不影响灌水器顶出的浇口位置，在此位置布设浇口。

塑料制品在成型过程中，由于压力、温度等因素的影响，在材料分子之间产生很大的内应力，在这种内应力的作用下，不可避免会产生变形翘曲。产生变形翘曲的原因主要有以下三个方面：冷却不均、收缩不均、纤维取向。每种因素所产生的翘曲方向及大小都是不一样的。

由于灌水器流道的结构为非对称性结构，产生的变形翘曲也不尽相同。流道部分受到来自不同方向的应力作用，使得流道部分的变形翘曲更为严重。

可以根据需求预设不同的注塑流道结构包括浇口的类型和位置、模具流道的排布形式、冷却流道的高度、排布等方面。保证每种排布形式的模具控制面积一致。冷却管道的高度高于流道15-20mm，冷却管道可以设置成回形、蛇形等形状，只要覆盖注塑流道，尺寸合理即可。

可以根据需求预设不同的注塑流道工艺条件，包括充填压力与充填时间、保压压力与保压时间、冷却管道温度与冷却时间等方面。

分别对不同注塑流道工艺条件的模型进行“充填+保压+翘曲”分析，根据建立的评价方法对其进行分析评价，选取最适合于该种注塑方式的排布形式。

对选择的最合适的流道排布类型，可在Moldflow软件进行工艺优化(充填+保压)。在工艺设置向导中自定义录入注塑机的技术参数，包括最大注塑机注射行程设置在200mm-300mm之间、最大注塑机注射速率设置在3000cm

完成工艺设置的优化分析后，通过【螺杆位置与时间：XY图】计算出注塑时间和流动速率。

重新进行充填+保压分析，根据之前分析的结果，填入优化的工艺设置参数。运行分析后对分析结果中几项重要结果进行分析比较。确定工况的优化程度。当优化结果不合理时，如：时间太短可能会导致产品短射、充填不平衡，两端的模型充填时间差距较大等原因，则需要重新进行优化分析。确定优化分析结果后，选取最终优化方案为基础方案，调整冷却管道高度每1mm为一组、调整水温每5℃为一组、调整压力每10％为一组。对三组不同的水温和压力进行两两搭配，再次分析。以所建立的评价标准为参考，得到一种提高灌水器注塑精度的方法。

基于目前国内外关于提高灌水器注塑精度优化理论的空白，本发明提出了提升灌水器注塑精度的优化方法，使得在国际范围内灌水器注塑制造能够产生质的提升。

更具体地，本发明通过三维建模软件和模流分析软件创建灌水器注塑的模拟方法，可以实现任意工况下的注塑模拟，使内部流动可视化，大幅降低模具生产中试模、修模所不必要的成本浪费。本发明通过3D建模软件设计了新的适配于该种浇口位置的灌水器，使得注塑流动更加平衡。

本发明通过建立评价方法，可以选出同时兼顾多个注塑影响因素的最佳工况设置组，简便客观地对不同的工况设置进行筛选。

本发明可通过分析运算不同的注塑环境下生产产品质量上的缺陷、生产产品之间的偏差大小，实现缺陷数字化、偏差数字化，使结果更加精准可靠易观查，为进一步优化改进提供了分析基础。

本发明可通过计算最适配的工况条件，可以高效预知设计的缺陷和注塑缺陷，加速了设计进度，降低了设计成本。

本发明可通过计算最合适的冷却管道的工艺参数，分析冷却系统对流动过程的影响，优化冷却管路的布局和工作条件，从而能够产生均匀的冷却，并由此缩短成型周期，减少产品成型后的内应力。

实施例

应用上述提升灌水器注塑模拟方法进行设计。设计背景为：本实施例以一款片式灌水器产品为研究对象，对其注塑模拟及精度优化。具体过程如下：

本实施例首先使用UG NX软件对灌水器模型进行建模。以STL格式导出，在Moldflow中新建工程后导入STL文件。使用双层面网格分析导入模型，再对其进行网格划分。网格全局边长为0.52mm，一个灌水器划分网格数量9890个，网格匹配率为96.5％。

划分网格后进入网格诊断选项卡进行网格诊断。包括纵横比、网格厚度、自由边、重叠、取向。纵横比范围在1.16-18.32，平均纵横比为2.01。网格厚度范围在0.2093mm-1.806mm。自由边、多重边为0，配向不正确的单元为0，交叉及重叠的单元为0，符合模拟运算要求。

网格划分完成后，在靠近进水格栅的一端设置浇口，浇口射入端直径设置为2mm，射出段直径设置为0.6mm。设置主流道32、分流道31。主流道32为圆台形，其上端直径设置为2.5mm，下端直径设置为10mm，高度设置为6mm。连接主流道的一级分流道31的直径设置为5mm，连接一级分流道的二级分流道32的直径设置为2mm。流道模型建立后连通性正常，符合模拟运算要求。

对灌水器进行“浇口位置”分析，在流动性、浇口匹配性最佳的布设范围内选取不影响灌水器顶出的位置，在此位置布设浇口。浇口底端设置在灌水器下半部分，上端与灌水器中间截面保持同一条水平线上。并设计了一种适配于该浇口的灌水器如图3所示，此灌水器的浇口至少深入灌水器产品0.5mm，且壁厚不影响注塑。

以设置不同的流道排布为例。基于该种浇口位置，共设计了三种排布形式如图7-图9所示。并采用传统注塑的浇口位置设计了一种排布形式以及原排布形式作为对比项，如图6、图10所示。浇口射入端直径设置为2mm，射出段直径设置为0.6mm。设置主流道、分流道。主流道32为圆台形，上端直径设置为2.5mm，下端直径设置为10mm，高度设置为6mm。一级分流道311的直径设置为5mm，二级分流道312的直径设置为2mm。在模具9的流道的上方(或下方)设置冷却流道8。冷却流道8包括入口81和出口82。冷却流道的设置图4、图5所示，冷却流道距离模具流道的高度约为15mm—20mm，冷水水温为0度—25度。

流道绘制完成后，进行连通性分析。当流道连通方可进行分析，如不连通需要打断不连通的流道，重新赋予属性后再重新划分网格。

通过分析计算后，按照偏差率占10、体积收缩率占5、翘曲变形量占3、缩痕大小占2的权重进行评价。由各组的偏差率数值*50％+体积收缩率最大数值*25％+翘曲变形量最大数值*15％+缩痕最大数值*10％进行计算，选出数值最小的一组为质量最好的一组。图9灌水器注塑流道排布所示的排布形式流道体积收缩率最小为9.476％、缩痕最小为0.0488mm。整体的翘曲变形量为0.0864mm。按照建立的评价方法，经过权重计算后得评价数值为0.08306，为最小。故选择该排布形式为适配于该方法下的流道排布。

对选择的最合适的流道排布类型，在Moldflow软件内选择分析序列为“工艺优化(充填+保压)”。在工艺设置向导中自定义录入注塑机的技术参数，包括“牌号”、“制造商”、“最大注塑机注射行程”、“最大注塑机注射速率”、“注塑机螺杆直径”、“注塑机最大注射压力”等参数。其中，最大注射行程为210mm、最大注射速率为5000cm

重新进行充填+保压分析，根据之前分析的结果，填入优化的工艺设置参数。运行分析后对分析结果中几项重要结果(如注塑时间、流动速率)进行分析比较。确定工况的优化程度。按照新的优化参数(如注塑时间、流动速率)，更改冷水温度和填充压力。冷水温度范围为0℃-25℃，整体填充压力范围为80％-100％％。两种参数进行搭配，经计算后按照设置的评价方法进行评价。经计算得填充压力100％、冷水温度20℃、冷水管道高度17mm时最合适该产品注塑。

综合所得到的浇口位置、灌水器结构、管道排布、工艺设置等，实现灌水器注塑精度的提高。

本发明建立了灌水器的注塑模拟方法，并在此基础上，提出了提升灌水器注塑精度优化的方法，可以有效解决以下几方面的问题：

(1)基于三维建模及注塑模拟软件，开发了完善的灌水器注塑模拟方法。实现了任意工况下的注塑模拟，大幅降低了传统模具生产中反复试模、修模的成本投入。

(2)综合考虑多型腔制造偏差、单型腔缩痕、收缩率等多指标，提出了滴灌灌水器注塑产品的评价体系，可直观地评价灌水器的质量优劣，解决了灌水器注塑模拟评价方法欠缺的问题。

(3)建立了基于注塑的灌水器参数控制阈值。改变传统仅考虑灌水器水力性能与抗堵塞性能的灌水器设计体系，减少灌水器注塑生产工艺难度，大幅降低了灌水器目前注塑生产中的系统偏差。

(4)提出了灌水器注塑模具的结构设计方法，通过对不同灌水器的流道排布、冷却流道结构等关键部件的方案对比，降低了传统方法中寻求灌水器所适宜的最优模具结构的成本。

(5)提出了灌水器注塑工况控制阈值及其优化方法，提出了冷却水温、注塑压力、保压时间等参数控制阈值，并可建立不同的方案进行对比，突破了传统灌水器模具最优注塑工况难以建立的问题。

需要说明的是，在本文中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

此外，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中实施例的各零部件、装置都是可以有所变化的，各实施方式都可根据需要进行组合或删减，附图中并非所有部件都是必要设置，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所述的这些实施例，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。