肖新華

(湖北理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

基于Moldflow的塑料件注塑工藝分析

肖新華

(湖北理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

注塑成型作為塑料制品的主要成型方法之一，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過(guò)程中注塑件會(huì)存在短射、翹曲、變形、熔接痕等缺陷，造成產(chǎn)品質(zhì)量的下降。與依靠經(jīng)驗(yàn)多次試模來(lái)改善或避免缺陷的方法相比，采用注塑成型Moldflow軟件的CAE技術(shù)對(duì)成型注塑工藝進(jìn)行注塑分析、優(yōu)化，找出缺陷原因，可得到合理的注塑壓力、鎖模力、流動(dòng)速率、模具溫度、成型溫度、冷卻時(shí)間等工藝參數(shù)值，顯著縮短注塑成型設(shè)計(jì)與制造時(shí)間，同時(shí)能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量，大大減少對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴，對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐有很好的指導(dǎo)作用。

注塑成型；缺陷；CAE技術(shù)；Moldflow

0 引言

對(duì)于注塑件來(lái)說(shuō)，其產(chǎn)品的主要缺陷就是翹曲、氣泡、熔接痕、裂紋等變形。塑件在成型過(guò)程中，由于塑料收縮的不均勻，就會(huì)在材料內(nèi)部分子之間產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)品就產(chǎn)生了變形翹曲[1-2]；冷卻不到位，就會(huì)產(chǎn)生氣泡、熔接痕等缺陷。這種缺陷直接會(huì)影響注塑件的成型外觀和質(zhì)量，從而使形狀和尺寸達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求，影響其他零件進(jìn)行裝配，翹曲變形量大的，甚至?xí)斐闪慵?bào)廢。

Moldflow軟件擁有非常全面的功能，可以對(duì)注塑成型過(guò)程中各個(gè)參數(shù)(注塑速度、澆注系統(tǒng)溫度、塑件材料成型壓力等)產(chǎn)生的影響進(jìn)行細(xì)致的模擬，模擬為何產(chǎn)生缺陷、對(duì)缺陷如何進(jìn)行改進(jìn)，還可以模擬最終成型結(jié)果等。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模具的方法一般只能依賴于工作人員個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行估算、設(shè)計(jì)，往往需要多次試模才能得出較為滿意的成品，生產(chǎn)制造效率低，同時(shí)生產(chǎn)制造的成本也太高，產(chǎn)生的廢品數(shù)量也很多，特別是對(duì)大型精密儀器的生產(chǎn)更是影響巨大，因此，急需新的技術(shù)與方法來(lái)代替舊的人工模具設(shè)計(jì)方法。

本文通過(guò)采用現(xiàn)代CAE技術(shù)及Moldflow技術(shù)，對(duì)注塑成型過(guò)程中澆口位置、充填、冷卻、流動(dòng)、翹曲、成形窗口、常見(jiàn)缺陷與解決辦法等進(jìn)行分析，從而得到最優(yōu)的注塑成型方案，為實(shí)際注塑成型生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)，避免缺陷的產(chǎn)生，從而使生產(chǎn)成本降低、生產(chǎn)效率大大提高,因此，研究意義十分重大[2]。

1 塑料件幾何模型的Moldflow前處理

在注塑工藝性分析之前，要對(duì)塑料件的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格分析、設(shè)置材料屬性、提出工藝要求，同時(shí)要進(jìn)行澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及網(wǎng)格劃分，構(gòu)建與實(shí)際模具結(jié)構(gòu)相一致的結(jié)構(gòu)。在本分析中模具采用一模兩腔進(jìn)行生產(chǎn)，需要進(jìn)行冷卻、填充、保壓和翹曲分析。網(wǎng)格類(lèi)型為雙層面，網(wǎng)格匹配百分比為87.4 %，相互網(wǎng)格匹配百分比為83.7%，節(jié)點(diǎn)數(shù)為13 607個(gè)，柱體單元數(shù)有170個(gè)，三角形單元數(shù)有26 884個(gè)，零件單元總數(shù)為26 894個(gè)，流道單元總數(shù)有10個(gè)，模具單元總數(shù)有508個(gè)，回路單元總數(shù)有160個(gè)，塑件材料采用聚合物PP，Moldflow前處理后的幾何模型如圖1所示。

2 Moldflow的分析

Moldflow軟件在完成幾何模型的網(wǎng)格劃分后進(jìn)行澆注系統(tǒng)、流道、冷卻系統(tǒng)、排氣等部分的設(shè)計(jì)和網(wǎng)格劃分，設(shè)置工藝參數(shù)，進(jìn)行填充、流動(dòng)、冷卻、翹曲等分析，得出優(yōu)化結(jié)果。

2.1 充填分析

為了讓分析結(jié)果能接近實(shí)際過(guò)程，需要設(shè)置必要的工藝參數(shù)，注塑機(jī)參數(shù)有：最大注塑機(jī)鎖模力為7 000 tonne；最大注塑壓力為180 MPa；最大注塑機(jī)注塑率為5 000 cm3/s；充填時(shí)間為1 s；平均模具外部溫度為26.363 3 ℃；速度/壓力切換方式為自動(dòng)[3]。充填階段的壓力、鎖模力、流動(dòng)速率變化見(jiàn)表1；保壓階段的壓力、鎖模力變化見(jiàn)表2。在表1、表2中，狀態(tài)V為速度控制，P為壓力控制，V/P為速度/壓力切換。充填時(shí)間變化如圖2所示，速度/壓力切換時(shí)的壓力路徑圖如圖3所示；流動(dòng)前沿溫度如圖4所示；注塑位置處壓力XY圖如圖5所示[4]。 從圖2～5中可以看出，填充時(shí)間、速度/壓力切換時(shí)的壓力、流動(dòng)前沿溫度、注塑位置處壓力都是模具成型是否合理的關(guān)鍵因素，圖2顏色的變化代表充填的先后時(shí)間，圖5曲線代表壓力的變化。從注塑開(kāi)始到填滿型腔[5]，該分析可以預(yù)測(cè)模擬塑件的填充是否符合實(shí)際情況、澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理、填充是否充分、壓力分布是否合理、溫度變化是否過(guò)熱，這些因素能夠直接影響到塑件質(zhì)量。由圖2看出整個(gè)充填時(shí)間為1.009 5 s、熔融塑料在模具型腔中流動(dòng)的情況。圖3及圖4反映出該模具結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)了合理填充、冷卻均勻、充模時(shí)間分配合理、熔融塑料流動(dòng)好，分析結(jié)果與實(shí)際一致[6]。

2.2 冷卻系統(tǒng)分析

冷卻系統(tǒng)可采用向?qū)Щ蚴止さ姆绞竭M(jìn)行創(chuàng)建。向?qū)?chuàng)建的冷卻系統(tǒng)比較規(guī)則，而對(duì)于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、不規(guī)則的制品來(lái)說(shuō)，需要采用手工方式進(jìn)行創(chuàng)建[7]。設(shè)置零件表面溫度的最大值為66.451 6 ℃，零件表面溫度的最小值為30.692 9 ℃，零件表面溫度的平均值為38.543 6 ℃，通過(guò)外邊界的熱量排除為0.013 9 kW[8]。

表1 充填階段的壓力、鎖模力、流動(dòng)速率變化

表2 保壓階段的壓力、鎖模力變化

圖2 充填時(shí)間變化

圖3 速度/壓力切換時(shí)的壓力路徑圖(縱坐標(biāo)為壓力)

圖4 流動(dòng)前沿溫度變化

圖5 注塑位置處壓力XY 圖(縱坐標(biāo)為壓力)

一模兩腔成型后整體變形情況如圖6所示，變形在合理的范圍之內(nèi);冷卻不均造成的變形如圖7所示;冷卻不均造成的熔接線如圖8所示;模腔內(nèi)溫度變化如圖9所示,圖9反映了模腔內(nèi)溫度變化造成的產(chǎn)品缺陷，而且熔融塑料在模具型腔填充時(shí)需要將型腔內(nèi)氣體及時(shí)排出，否則就會(huì)形成表面缺陷、氣泡等外觀質(zhì)量問(wèn)題，產(chǎn)生廢品[9]。

圖6 所有效應(yīng)的變形情況

圖7 冷卻不均造成的變形

圖8 冷卻不均造成的熔接線

圖9 模腔內(nèi)溫度變化

冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好與壞直接影響模具的加工周期、注塑件的尺寸精度，經(jīng)過(guò)模擬預(yù)測(cè)分析，在填充過(guò)程中，模具各方面的溫差較小，在注塑中能保證塑件質(zhì)量，冷卻保壓后可以生產(chǎn)出合格產(chǎn)品；同時(shí)要注意翹曲變形，翹曲變形的主要影響因素是保壓壓力、熔體溫度和冷卻時(shí)間的控制，其中，保壓壓力的影響最大，通過(guò)注塑分析得出這些分析數(shù)據(jù)有非常重要的參考價(jià)值，可以優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[10]。

3 結(jié)論

通過(guò)用Moldflow軟件對(duì)塑件進(jìn)行模擬仿真注塑工藝性分析，分別對(duì)澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和翹曲變形的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，從而得到最佳方案，并得到如下結(jié)論：

1)塑件底部的裂痕與注塑開(kāi)始后形成的熔接痕相關(guān)，要設(shè)計(jì)合理的冷卻回路。

2)利用Moldflow軟件對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了分析和優(yōu)化，得出一組較佳工藝參數(shù)組合：注塑溫度200 ℃；模具溫度65 ℃；充填時(shí)間1.2 s；保壓時(shí)間12 s；保壓壓力剛開(kāi)始時(shí)為90%的V/P轉(zhuǎn)換點(diǎn)壓力，并進(jìn)行分段保壓。

3)運(yùn)用Moldflow軟件對(duì)塑件注塑工藝參數(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化，不僅可以縮短模具設(shè)計(jì)時(shí)間，也可以解決生產(chǎn)中的反復(fù)試模、修模問(wèn)題，做到不用試模就可以生成合格的產(chǎn)品，從而大大縮短模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期、降低模具生產(chǎn)成本、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

總之，塑件的注塑成型工藝CAE分析得到優(yōu)化參數(shù)，在實(shí)際的注塑機(jī)上輸入相應(yīng)的參數(shù)值，如：注塑壓力、鎖模力、流動(dòng)速率，模具溫度、成型溫度、冷卻時(shí)間，使得到的塑件與實(shí)際生產(chǎn)合格產(chǎn)品基本一致，模擬分析中得到的優(yōu)化注塑工藝參數(shù)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有非常重要的指導(dǎo)意義。

[1] 師中華,胥光申.基于筆記本上邊框的Moldflow分析與應(yīng)用[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2014,28(3)：306-310.

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(責(zé)任編輯 吳鴻霞)

Analysis of Plastic Injection Process Based on Moldflow

XiaoXinhua

(School of Mechanical and Electronic Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

Injection molding is one of the molding methods for plastic products. However,defects such as short shot,warp,deformation and weld marks exist in the production process,which results in the quality decline.By using CAE technology of Moldflow software,injection molding process can be analyzed and optimized,reasons for those defects can be found out,and the reasonable process parameters concerning injection pressure,clamping force,flow rate,mold temperature,moulding temperature and cooling time can be obtained.The design and production time of injection molding can be significantly shortened and thus the product quality can be improved, greatly reducing reliance on experience and providing guidance for practical production.

injection molding;defects;CAE technology;Moldflow

2016-07-31

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：B2014028)。

肖新華，副教授，碩士，研究方向：材料加工工程。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.06.003

TQ320.5

A

2095-4565(2016)06-0011-04