张天友，殷 蕾，张 军，王森甲，俞炜豪
（无锡科技职业学院智能制造学院，江苏 无锡 214029）
模具在航空航天、船舶、交通等领域有广泛地应用；
而模具设计是产品设计中关键一环，直接影响产品的最终性能；
模具设计涉及成型理论、制造工艺和设备原理等多方面的专业知识[1]。综合运用专业知识解决实际工程问题，是模具专业学生必须具备专业技能，而理论联系实际的课程安排是培养该核心能力的关键。为了提高模具人才的综合素质，许多高校在模具专业课程设计中采用了多种方法，它们大概可分为两大类：其一是开展虚拟化教学，其二是综合实践实训。其目的是传授学生理论知识和实际动手能力，以期实现模具人才综合素质的培养。但是虚拟化教学采用的模型只能近似地反映真实情况，甚至存在较大偏差；
实训课程中采用的主要方式之一是上机操作，操作过程和所得制品与虚拟化所受内容存在不一致甚至冲突的地方；
致使学生产生一定程度的困惑，最终影响模具人才综合素质培养目标的实现。导致这种情况的主要原因之一是学生无法将所学理论知识应用实训课程，实训课上发现的问题也无法在所学理论知识中找到答案[2-4]。
针对这一问题，在21级模具专业学生培养方案中开设了“模具有限元技术应用”和“注塑成型工艺”两门课程，前者采用的模型与后者生产的实物制品相同。两门课程开设在同一学期，实现了注塑工艺理论学习和实际操作的闭环，为更好地培养学生综合运用专业知识解决实际问题的能力，创造了条件[5-8]。填充过程是注塑工艺的核心知识之一，该过程涉及模具温度、熔体温度、浇口位置等关键工艺参数[9-13]。对上述概念的理解与把握，是综合运用相关知识的关键；
对注塑机的实际操作，则提供了应用上述概念的具体场景。该闭环为学生掌握理论用于实践提供了可操作的案例，为培养模具专业学生的综合素质提供了一条具有可操作性的教学思路。
1.1 模型选择
为了提高学生的学习积极性和参与程度，所用实例模型由“第45届世界技能大赛塑料模具工程项目全国选拔赛（10进5）所用模型”修改而来，简化比赛模型中的一些细节，保留了模型的主要结构，具体如图1所示。该模型包含实际注塑产品的一些基本特征，如孔、倒角、阶梯结构、平面结构的厚度不一。以此为模型，利用Moldflow进行模拟分析时，可以较为真实地反映注塑工艺中的填充过程，为学生掌握填充过程的基本概念提供了基础。
图1 实例模型
1.2 材料信息
材料选用南京金杉汽车工程塑料有限责任公司生产的聚丙烯（PP），牌号为PP2540，该材料没有填充物。PP2540在Moldflow的材料库中，材料性能参数和工艺参数比较完善，模拟分析结果的可信度高。另外，PP2540容易获得，用作制备实物模型的材料。模拟分析所用材料与实物制备材料相同，增加了模拟分析结果用于实物制备的可行性，为学生将理论知识用于实践过程提供了保证。
1.3 网格划分
由图1可知，模型主体为层状，为此选用双层面网格进行模拟分析。划分网格时，曲面上的全局边长为2 mm，其他参数选用默认值，得到8 608个三角形单元，它们的纵横比为1.16～11.1，平均值为1.85；
三角形单元全部取向，不存在自由边；
满足Moldflow填充分析得到条件要求。网格模型如图2所示。
图2 网格模型
1.4 浇口分析
浇口位置分析用于为零件推荐注射位置。本文采用两种浇口位置设置方案，方案一采用1个浇口，方案二采用2个浇口。模具温度设置为45℃，熔体温度设置为220℃，材料选用PP2540，其他参数采用Moldflow软件默认设置。得到结果如图3～6所示。
图3 1个浇口位置流动阻力指示图
采用1个浇口时，流动阻力指示如图3所示，模型边缘处的阻力最大；
最佳浇口位置位于节点N17368，如图5中黄色锥形所示。采用2个浇口时流动阻力指示如图4所示，阻力最大处与图3有所不同，但也处于边缘处。如图6中2个黄色锥形所示，最佳浇口位置分别位于节点N15743和N16063。若在图5～6所示的位置设置浇口，会增加流道系统的设计难度。若在中心孔区域设置浇口（1个或2个），可以降低流道系统的设计难度。为此，将浇口位置限定在该区域，再次计算最佳浇口位置。为了提高浇口位置的预测精度，对模型中心区域进行了加密，加密后的结果如图7所示。加密后单元的总数目为10 634。浇口位置被限制在图7中红色所示区域，单独取出该区域，结果如图8所示。采用相同的工艺参数和材料，进行浇口分析，得到的结果如图9和图10所示；
图4和图10非常相似，阻力最大位置都处于模型的边缘处。
图4 2个浇口位置流动阻力指示图
图5 最佳1个浇口位置示意图
图6 最佳2个浇口位置示意图
图7 网格模型（中心孔处网格已加密）
图8 限定浇口位置区域
图9 两个浇口位置流动阻力指示图
图10 最佳浇口位置示意图
1.5 填充分析
填充指的是熔融塑料在模具型腔内流动的过程。熔融塑料的流动轨迹及其影响因素，可以利用Moldflow的填充分析序列进行模拟。为学生理解“流动过程”、“影响因素”等基本概念，提供了以一个很好的案例。填充过程关键参数设置如下：浇口的数量为2个，模具表面温度为45℃，熔体温度220℃，材料选用PP2540，“充填控制”和“速度/压力切换”选择自动，其他参数采用默认值。
熔融塑料在模具型腔内流动过程，可以通过“填充时间”显示（如图11～图14）。对于“填充时间”在Moldflow中官方定义为：显示了填充型腔时流动前沿在常规间隔时所处的位置。在Moldflow软件中，“填充时间”可通过动画显示，为学生把握“流动过程”这一核心概念，提供了一个很好的工具。
图11 填充时间-1 s
图12 填充时间-2 s
图13 填充时间-5 s
图14 填充时间-8 s
由图15可知，在0.82 s时，注射压力达到的最大值为5.604 MPa。学校先用的注塑机DY1380X的最大注射压力为166 MPa，在注塑机的允许范围内。由图16可知，熔体的流动前沿温度范围为：215.2～220℃，温差为5℃，在可以接受的温度范围内。由图16可知，该模型填充过程所需要的最大锁模力为1.294 t，学校先用的注塑机DY1380X的最大锁模力为140 t，在注塑机工作范围内。由图17可知，最大剪切速率为25 917（1/s），在材料PP25401的允许范围内（＜100 000/s），在填充的过程中，PP25401受到的剪切速率未超过最大允许值。由图18可知，该模型填充过程中受到的最大剪切力为0.173 6 MPa，在材料PP25401允许的最大剪切应力（0.25 MPa）范围内。这个数字超了，该如何处理。上述模拟分析表明，选用的注塑工艺参数，在学校先用注塑机DY1380X的工作范围内，理论上可以利用上述参数和材料，制备实物模型。
图15 压力转换示意图
图16 流动前沿温度示意图
图17 体积剪切速率示意图
图18 壁上剪切应力示意图
图19 注射位置处压力：XY图结果示意图
图20 锁模力示意图
1.6 温度变化对填充过程的影响
温度直接影响填充过程，进而注塑机得到的实物模型质量，即最终产品的质量。当然温度只是影响产品质量的因素之一，其他因素包括压力、注射时间、流道、冷却等。温度变化是影响填充过程的核心参数，为此，本文利用Moldflow中的参数优化工具，分析了模具表面温度（40℃、45℃、50℃）、熔体温度（200℃、220℃、240℃）对注塑过程的影响。
由表1可知，随着模具表面温度和熔体温度的提高，锁模力、注射压力和壁剪切应力逐渐下降，但是下降的幅度也随之降低。熔体温度为240℃时，模具表面温度从40℃增至45℃时，锁模力降低了0.47 MPa；
模具表面温度从45℃增至50℃时，锁模力降低了0.13 MPa；
降低的幅度明显减小。注射压力和壁剪切应力，也呈现相同趋势。说明，温度升高对上述参数的影响在降低。另外温度高，耗能就高，成本就高，还会引发其他问题。所以，选择合适的模具温度和熔体温度是关键。若采用试验的方法，则至少要进行9次试验，才能得到上述部分数据；
时间和经济成本非常高，另外有些数据（比如壁剪切应力）难以通过试验获得。这是Moldflow进行模拟分析的优势所在，但是模拟分析不能完全刻画实际注塑过程，所以最终注塑工艺还是需要通过实践验证。
表1 模具温度和熔体温度对填充过程关键参数的影响
2.1 注塑机
学校实训室采用注塑机为德亚公司产品，型号为DY1380X，关键参数如表2所示。
表2 德亚(DY1380X)注塑机关键参数
2.2 实物制品
以为PP2540原料，利用注塑机（DY1380X）制备的实物如图21所示。制备过程采用的模具表面温度和熔体温度分别为45℃和220℃。在实训老师的指导下，一次成功；
操作注塑机学生非常兴奋。随后实训老师展示了一个失败的实物样品（图22），并询问学生注塑实物样品失败的原因。尽管学生当时无法解释其中原因，但是成功激发了学生的学习兴趣和动力。
图21 实物样品（成功案例）
图22 实物样品（失败案例）
2.3 模拟分析的不同
图23所示为理论实践对比示意图，注塑工艺涉及的理论知识用长虚线圆表示（左上角，T：理论），涉及的实践部分用短虚线圆表示（右上角，P：实践）。学生现阶段已掌握的理论知识，用实现圆表示（左上角，T1：理论）；
已掌握的实践内容，用实现圆表示（右上角，P1：理论）。实线圆面积的大小，表示相应知识的多少。随着知识的扩展和经验的丰富，学生掌握的理论知识和实践内容，会不变扩大，如图中的左下图和右下图所示。利用Moldflow软件不但可以模拟注塑工艺参数对注塑过程的影响，而且可以将注塑过程以图片、图标、动画等形式展示给学生，从而加强学生对一些基本概念的理解和把握。而具体的实践过程，学生通过操作注塑机获得实物样品，不但增加了学生的学习兴趣，而且提供理论联系实际的应用场景。学生在制作实物样品的过程中，可以借助Moldflow提供的动画和图片等，想象实际的注塑过程，进而实现从理论到实践的学习过程。
图23 理论实践对比示意图
利用Moldflow软件，向学生展示了浇口位置和数量、温度对填充过程的影响。结合所用模型特点，利用Moldflow软件提供的分析工具逐步优化，确定在模型中心孔区域设置2个浇口。温度模拟分析结果表明，熔体温度为240℃时，模具温度从40℃增至45℃，锁模力降低了0.47 MPa；
模具温度从45℃增至50℃，锁模力降低了0.13 MPa；
说明提高温度可以降低锁模力，但降幅逐步下降；
填充过程中的关键参数，如注射压力和壁剪切应力也呈现相同趋势。以PP2540为原料，利用注塑机（DY1380X）了获得实物样品，完成了从概念到实物的闭环学习。当然，注塑工艺涉及甚广，填充只是注塑过程的一部分。为此，提供成功案例的同时提供一个失败的实物样品，成功激发了学生的学习兴趣，为学生掌握注塑工艺提供了动力。本文提供的填充案例，为培养学生理论联系实际的能力，提供一个实际可行的教学案例。