陳 振，黃 勇，李 鑫

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

基于Moldflow的繼電器殼架注塑成型數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化

陳 振，黃 勇，李 鑫

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

根據(jù)繼電器殼架件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用Moldflow和CAD等軟件進(jìn)行數(shù)值模擬和工藝優(yōu)化，設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。依據(jù)殼架體積收縮率和翹曲變形大小為質(zhì)量鑒定指標(biāo)，設(shè)計(jì)DOE正交實(shí)驗(yàn)方案，得到優(yōu)化的工藝組合為：熔體溫度285℃，模具溫度90℃，注射時(shí)間為1.2s，保壓時(shí)間為二段保壓10s，壓力為注射壓力的85%。通過實(shí)際生產(chǎn)得到了合格的繼電器殼架產(chǎn)品，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性，可以進(jìn)行注塑生產(chǎn)。

繼電器；數(shù)值模擬；DOE；生產(chǎn)實(shí)踐

繼電器是一種電子控制器件，在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器殼架(以下簡稱殼架)是繼電器的重要組成部分，殼架的作用及環(huán)境要求其內(nèi)在強(qiáng)度和外形精度較高，不允許有熔接痕、氣泡、縮孔和翹曲變形等缺陷[1]。在注塑過程中如工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，易產(chǎn)生各種缺陷，影響塑件質(zhì)量，特別是近年來采用的一體產(chǎn)生技術(shù)[2]，傳統(tǒng)的靠經(jīng)驗(yàn)試模的方法已經(jīng)不能滿足對于生產(chǎn)高效率和產(chǎn)品完美性的需求。本文運(yùn)用Moldflow軟件模擬殼架的注塑成型過程，預(yù)測殼架缺陷產(chǎn)生的原因，研究熔體溫度、充填時(shí)間和保壓壓力等工藝參數(shù)對充填過程中產(chǎn)生缺陷的影響，得到了優(yōu)化的注塑工藝參數(shù)，控制了缺陷產(chǎn)生，為模具設(shè)計(jì)及產(chǎn)品生產(chǎn)提供了參考。

1 塑件建模及成型工藝分析

1.1 塑件前處理

殼架尺寸為58mm×72mm×60mm，最大壁厚為4.36mm，最小壁厚為1.21mm，材料為PA66-GF25，殼架總質(zhì)量為42.32g。殼架采用UG軟件做三維造型設(shè)計(jì)，將三維圖轉(zhuǎn)化為igs格式，先將模型導(dǎo)入CAD Doctor進(jìn)行檢測，消除能夠影響分析的缺陷后導(dǎo)入Moldflow內(nèi)劃分為雙層面網(wǎng)格，進(jìn)行網(wǎng)格診斷和修復(fù)，得到自由邊、多重邊、配向不正確單元和相交單元均為0；縱橫比最大為6.3、小于10；網(wǎng)格匹配百分比為92.8%，高于模擬要求的85%，滿足Moldflow分析對于網(wǎng)格的要求。殼架三維造型和網(wǎng)格模型如圖1、圖2所示。

圖1 殼架三維造型

1.2 澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在Moldflow中建立澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，為保證澆口的合理性，需要多次試驗(yàn)?zāi)M檢查在注塑過程中是否有填充不良的現(xiàn)象產(chǎn)生(如流動阻滯現(xiàn)象)，保證表面光滑，避免有澆口去除痕跡。設(shè)計(jì)注射澆口為潛伏式澆口，澆口可以在開模時(shí)自動切斷，澆口痕跡相對較小。玻璃纖維增強(qiáng)PA66材料黏度較大，避免因澆注壓力過大，剪切速率超出塑料最大承受能力而導(dǎo)致塑料降解；采用雙點(diǎn)進(jìn)膠，澆口扇形弧度與塑件圓形弧度相等，有效分散了進(jìn)膠壓力。冷卻系統(tǒng)采用環(huán)繞冷卻，壁厚部位加強(qiáng)冷卻；水為冷卻介質(zhì)，恒溫25℃，回路雷諾數(shù)選擇默認(rèn)值10000。澆注系統(tǒng)如圖3、冷卻系統(tǒng)如圖4所示。

圖2 殼架網(wǎng)格模型

圖3 澆注系統(tǒng)

圖4 冷卻系統(tǒng)

根據(jù)流道經(jīng)驗(yàn)公式和對應(yīng)材料要求，設(shè)計(jì)主流道的直徑大端12mm、小端3mm，長度為82mm；分流道為圓柱型，直徑3mm，長度為1mm；澆口為扇形，半徑為8mm，厚度1mm；冷卻管道直徑設(shè)置為10mm。

2 初步模擬實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果

初步設(shè)定成型時(shí)間為25s，注射時(shí)間為1s，保壓時(shí)間為8s，最大保壓壓力為注射壓力的80%，塑件推出過程5s，澆注溫度為290℃。實(shí)驗(yàn)初期，盡量延長冷卻時(shí)間，推出之前確保塑件冷卻完畢，防止因推出不當(dāng)而導(dǎo)致的塑件變形。初步實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，澆注系統(tǒng)注塑較均勻，沒有膠體流動阻滯現(xiàn)象。殼架流動前沿溫度相差較大，最高溫度為290.4℃，最低溫度為235.0℃，相差為55.4℃，熔體交匯處易形成較大熔接痕，降低塑件整體質(zhì)量，需提高熔體和模具表面溫度或加大注射速率等。體積收縮率最大為10.36%，分布不太均勻，高收縮率易產(chǎn)生縮痕或孔洞等相關(guān)缺陷，需要優(yōu)化注塑工藝，如：適當(dāng)提高保壓時(shí)間和保壓壓力來防止缺陷。不均勻的體積收縮使塑件內(nèi)應(yīng)力集中，引起制件翹曲，翹曲變形最大為0.5674mm；繼電器殼架要求使用精度較高，需進(jìn)一步降低翹曲。冷卻液最高溫度25.79℃，最低25.01℃，溫度相差較小，效果較好；由冷卻不均造成翹曲為0.0365mm，可以忽略不計(jì)，該冷卻系統(tǒng)滿足使用要求。

圖5 實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果

3 工藝參數(shù)優(yōu)化正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為使殼架產(chǎn)品的質(zhì)量及穩(wěn)健性得到提高，同時(shí)提高實(shí)驗(yàn)效率，采用DOE正交方法來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，且將干擾因子的影響降到最小[4]。根據(jù)材料庫中塑料的推薦使用值區(qū)間和實(shí)際使用需求，從6個(gè)重要的影響因子中篩選出對產(chǎn)品變形缺陷有較大影響的5個(gè)變量，選取模具溫度M、熔體溫度R、注射時(shí)間Z、保壓時(shí)間B，保壓壓力N(占注射壓力的百分比)這5個(gè)工藝參數(shù)建立5因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)方案。設(shè)計(jì)正交因素表如表1所示。

表1 正交因素水平表

根據(jù)上述正交表，采用正交表L9(35)其中L是正交表代號；9代表實(shí)驗(yàn)次數(shù)，即要進(jìn)行9次模擬實(shí)驗(yàn)；5代表熔體溫度、模具表面溫度、澆注時(shí)間、保壓時(shí)間與保壓壓力這五個(gè)因子；3代表這四個(gè)因子分別取不同的四個(gè)值[5]。按照表1所設(shè)置的參數(shù)來進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，并得到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果

從表2可以看出體積收縮率和翹曲變形受各種因素影響，變化差異較大，為更直觀的發(fā)現(xiàn)各質(zhì)量指標(biāo)的因數(shù)反應(yīng)，通過表2數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)Moldflow中DOE實(shí)驗(yàn)，得到更為直觀的顯示數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 各因素對指標(biāo)的影響大小

通過表3可以看出，不同工藝參數(shù)對塑件體積收縮率和翹曲變形變化的影響不同，溶體溫度和保壓時(shí)間對其影響較大。

3.2 優(yōu)化工藝參數(shù)后的模擬結(jié)果

設(shè)計(jì)工藝DOE實(shí)驗(yàn)，得到優(yōu)化的工藝參數(shù)：防止熔體在充填過程中溫降較大，提高模具表面溫度為90℃；優(yōu)化保壓曲線，延長恒壓時(shí)間為7.5s，遞減保壓為2.5s；提高保壓壓力為注射壓力的85%。將優(yōu)化后的工藝參數(shù)應(yīng)用于模擬分析，得到模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 工藝優(yōu)化后的模擬結(jié)果

由圖6可以看出，殼架塑件的成型質(zhì)量得到大幅提升。塑件流動前沿溫度較為均勻，最高溫與最低溫度相差14.1℃，溫差較小；最低溫度為276.7℃，高于熔體凝結(jié)溫度，分布在殼架邊緣斷層處，對塑件整體質(zhì)量成型影響不大。塑件整體溫度較均勻，性能較平衡。體積收縮率較均勻，較大的體積收縮集中在流道內(nèi)，對殼架塑件質(zhì)量成型影響較小。塑件收縮大小多為4%以下(見圖6b)，有效降低由收縮不均造成的塑件內(nèi)應(yīng)力集中而產(chǎn)生的翹曲變形。翹曲變形由優(yōu)化前的0.5674mm降低為0.3850mm。通過對比證實(shí)利用正交實(shí)驗(yàn)法來優(yōu)化注塑成型工藝參數(shù)的可行性。

4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

殼架形狀復(fù)雜，凹槽通孔較多，結(jié)構(gòu)不規(guī)整，模具的設(shè)計(jì)和制造相對復(fù)雜，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到充模的完整性。將澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化方案應(yīng)用于模具設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)并制造出殼架注塑模具裝配圖如圖7所示。

圖7 殼架裝配圖

1為上模座板;2為靜模板;3、5、13、14、17、29、30為螺釘;4為大斜鐵;6為大滑塊1;7為大斜導(dǎo)柱;8為大滑塊1拼塊;9為靜模大芯;10為定位環(huán);11為圓柱銷;12為澆口套;15為大滑塊2拼塊;16為動模套;18為大滑塊;19為導(dǎo)柱;20為導(dǎo)套;21為壓塊;22為水嘴;23為反推桿;24為彈簧;25為動模板;26為墊板;27為下推板;28為下模座板;31為上推板;32為支腳;33為頂桿;34為拉料桿。

5 生產(chǎn)驗(yàn)證

按照模擬優(yōu)化的注塑工藝參數(shù)進(jìn)行試模，注塑機(jī)采用CJ320型，材料選用25%玻璃纖維填充PA66，如圖8所示。

由圖8可以看出，殼架外表無瑕疵，填充均勻，塑件整體外觀良好，沒有溢料和飛邊等情況，此繼電器殼架產(chǎn)品合格。

圖8 生產(chǎn)出的殼架成品

6 結(jié)論

(1)通過正交實(shí)驗(yàn)數(shù)值模擬確定出優(yōu)化注塑工藝參數(shù)為：熔體溫度285℃、模具溫度90℃、注射時(shí)間1.2s、保壓時(shí)間10s、壓力為注射壓力的85%。

(2)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果制造出殼架注塑成型模具，通過實(shí)際生產(chǎn)，得到了合格的殼架注塑件，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性，可以應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中。

[1] 趙蓓蓓.注塑件注塑成形的數(shù)值模擬及翹曲變形控制[D].上海：上海交通大學(xué),2012.

[2] 莫彥波，李旭東，唐園亮.注塑成型工藝參數(shù)對電腦顯示器前框翹曲變形的影響[J].塑料,2015(2):78-82.

[3] 劉細(xì)芬,黃家廣.基于Moldflow軟件的注塑制件澆口優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].塑料工業(yè),2007,35(12):36-38.

[4] Ching Piao,Chen Ming.Simulation and Experimental study in determining injection molding process parameters for thin-shell plastic parts via design of experiments analysis[J].Expert Syst.Appl.,2009(36):52-59.

[5] ?ktem H.Modeling and Analysis of Process Parameters for Evaluating Shrinkage Problems During Plastic Injection Molding of a DVD-ROM Cover[J].Journal of Materials Engineering and Performance,2012(21):25-32.

[6] 李云雁，胡傳榮.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

TheRelayShellMoldingNumericalSimulationandProcessOptimizationBasedonMoldflow

CHEN Zhen,HUANG Yong,LI Xin

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

According to the structural characteristics of relay shell parts,the numerical simulation and process optimization were designed based on the software of Moldflow and CAD.The gating system and cooling system were established.According to the shrinkage rate of the shell and the size of the warping deformation,the DOE orthogonal experiment was designed.The optimized process combination was:the melt temperature 285℃;mold temperature 90℃;injection time 1.2s;holding time 10s,the pressure 85% of the injection pressure.Through production practice the qualified relay shell products can be obtained,the correctness of the simulation results can be validated.Injection molding can be used in production.

relay;numerical modeling;DOE;production practice

TB324

A

2016-11-22

陳振(1990—)，男，碩士研究生；通訊作者：黃勇(1959—)，男，教授，研究方向：凝固過程數(shù)值模擬技術(shù)。

1003-1251(2017)05-0090-05