黃知洋

摘 要：本文主要利用模流分析軟件Moldflowsynergy對(duì)汽車保險(xiǎn)杠注塑成型的澆口位置優(yōu)化的一般流程進(jìn)行分析。利用Moldflow軟件技術(shù)能在制模前期發(fā)現(xiàn)可能存在的問(wèn)題，其分析的結(jié)果有利于設(shè)計(jì)人員的合理設(shè)計(jì)，避免了用實(shí)際試模帶來(lái)的諸多弊端。從而縮短開(kāi)發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，從而提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)能力。

關(guān)鍵詞：Moldflow;cae;澆口位置;優(yōu)化分析

中圖分類號(hào)：U466 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中國(guó)的注塑產(chǎn)業(yè)在改革開(kāi)放后取得了很大的發(fā)展，近幾年注塑模CAE技術(shù)的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)也越發(fā)成熟。傳統(tǒng)的注塑模具設(shè)計(jì)常常采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)完成澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)，合理與否常常進(jìn)行試模嘗試，由于制模的生成周期長(zhǎng)、修模次數(shù)多、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期延長(zhǎng)和模具成本上升，給企業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)巨大壓力[1-2]。

1 Moldflow軟件簡(jiǎn)介

Moldflow采用有限元分析技術(shù)，建立注塑制品的分析模型，模擬注塑全過(guò)程，校驗(yàn)?zāi)?、料溫、注射時(shí)間、澆點(diǎn)等，從而確定出合適的成型參數(shù)，為注塑成型設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供了效的解決方法，幫助廠商實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、短周期的目標(biāo)。Moldflow主要具有優(yōu)化塑料制品設(shè)計(jì)、優(yōu)化塑料模設(shè)計(jì)優(yōu)化注塑工藝參數(shù)三個(gè)方面的作用。

2 成型工藝過(guò)程分析

本文主要是分析汽車保險(xiǎn)杠成型工藝，一般的操作流程為：

導(dǎo)入CAD模型——設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)并劃分網(wǎng)格——選用相關(guān)材料設(shè)定工藝參數(shù)——進(jìn)行模擬分析——確定初步的設(shè)計(jì)方案——改進(jìn)工藝參數(shù)——進(jìn)行多次模擬分析——確定最終的設(shè)計(jì)方案。

2.1 建模

首先通過(guò)solidworks軟件，建立汽車保險(xiǎn)杠的幾何模型，如圖。

同時(shí)檢查模型厚度，減少后期分析過(guò)程中出現(xiàn)的各種制品缺陷，例如凹坑、氣穴、變形等。將模型輸出為IGS格式，使得模型數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入Moldflow軟件中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

在Moldflow中檢查模型主要參數(shù)，如表。

不同厚度，不同材質(zhì)會(huì)影響其最大流動(dòng)距離。本案例中采用PP材料，一般其常規(guī)成型工藝條件，塑料的流動(dòng)距離可以達(dá)到220 mm。產(chǎn)品厚度結(jié)果為：產(chǎn)品平均壁厚為3.0 mm左右，最大壁厚5.8 mm，整體壁厚符合注塑成型要求。

在設(shè)計(jì)樹(shù)中設(shè)置其材料規(guī)格。雙擊PP，在彈出的“選擇材料”對(duì)話框里選擇一種牌號(hào)，本例選擇LG的LupolTE-5011A。

2.2 網(wǎng)格劃分

在Moldflow中，對(duì)模型網(wǎng)格劃分重要三種方式，分別為中性面網(wǎng)格、雙層面網(wǎng)格和實(shí)體網(wǎng)格。雙層面網(wǎng)格是在模型表面分別形成面，屬于半立體空間的結(jié)構(gòu)。適用于取中性面較為困難的模型。因此就有了表面網(wǎng)格獨(dú)有的網(wǎng)格匹配率的概念。當(dāng)網(wǎng)格匹配率達(dá)到或高于85%時(shí)，則認(rèn)為網(wǎng)格的質(zhì)量比較好，可以滿足冷卻、流動(dòng)、翹曲的分析。

由于汽車保險(xiǎn)杠模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，必然會(huì)出現(xiàn)較多網(wǎng)格缺陷需要修復(fù)。同時(shí)模型的尺寸較大、總表面積和網(wǎng)格邊長(zhǎng)值相對(duì)較大，網(wǎng)格數(shù)量相對(duì)較大。[3]所以采用雙層面網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分和分析計(jì)算。并且將完整的汽車保險(xiǎn)杠根據(jù)中間平面對(duì)稱，取其中一半進(jìn)行分析。如圖整體網(wǎng)格初步劃分，右半汽車保險(xiǎn)杠網(wǎng)格劃分。

為了滿足后期分析的需要，相關(guān)參數(shù)必須達(dá)到要求，才能進(jìn)行計(jì)算。例如網(wǎng)格匹配率是表面網(wǎng)格模型與原模型相似程度的一項(xiàng)參數(shù)，其值要滿足85%以上，分析結(jié)果才相對(duì)準(zhǔn)確。

2.3 產(chǎn)品厚度分析

根據(jù)前期準(zhǔn)備的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，考慮分析效果，對(duì)部分產(chǎn)品進(jìn)行了簡(jiǎn)化。利用軟件完成了對(duì)產(chǎn)品厚度的詳細(xì)分析，顯示了不同區(qū)域的厚度分布，找出了不合理的地方。經(jīng)分析，產(chǎn)品整體壁厚均勻，滿足注塑成型的要求，但局部壁厚變化較大，因此有必要將制品的平均壁厚降低到3.0 mm左右。

2.4 熔體充填分析

2.4.1 灌裝時(shí)間分析

熔體在塑件兩端和制品中心的流動(dòng)形態(tài)是以澆口為中心的圓形區(qū)域，并在多個(gè)端部延伸。整個(gè)灌裝過(guò)程平衡，灌裝時(shí)間5.2 s。

2.4.2 氣穴分析

氣穴通常發(fā)生在兩個(gè)流動(dòng)前沿的交匯處或流動(dòng)路徑的末端。對(duì)于塑件上產(chǎn)生的氣穴，可能產(chǎn)生燒焦、欠注等表面缺陷。在分析中，我們通常關(guān)注它的生成位置。它是在產(chǎn)品的最終填充位置產(chǎn)生的，對(duì)表面有一定的影響。

2.4.3 焊縫分析

熔接痕是一種成型缺陷，它不僅影響塑料件的外觀質(zhì)量，還會(huì)降低塑料件的沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能，嚴(yán)重影響塑料件的安全和壽命。主要原因是塑料制品結(jié)構(gòu)不合理，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理。[4]塑料制品的熔接痕主要分布在產(chǎn)品邊緣，對(duì)產(chǎn)品的整體外觀和功能沒(méi)有影響。但是，兩個(gè)表面的熔接痕會(huì)影響產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，這可以通過(guò)設(shè)置工藝結(jié)構(gòu)或提高成型溫度來(lái)避免。

2.4.4 流動(dòng)前沿溫度分析

流動(dòng)前沿溫度是指熔體填充前沿中間層的溫度，是熔體到達(dá)某一節(jié)點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)溫度。對(duì)于這種塑料件，外觀要求高，溫度波動(dòng)應(yīng)嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)。一般不超過(guò)10℃。從分析結(jié)果來(lái)看，溫度分布均勻，溫差為9.1℃，滿足要求。[5]但是，255.2℃超過(guò)了建議的最高熔體溫度。

2.4.5 收縮指數(shù)分析

值越大，出現(xiàn)縮痕或縮孔的可能性越大。計(jì)算收縮指數(shù)時(shí)，將同時(shí)使用零件的體積收縮率和壁厚。該方案的收縮指標(biāo)為3.21%，小于一般要求的5%。

3 成型工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)

塑件成形的主要缺陷是不均勻收縮引起的翹曲。為了獲得合適的成型工藝，分析了不均勻收縮的原因。當(dāng)閘門數(shù)量增加1個(gè)時(shí)，采用側(cè)澆口的形式，并對(duì)其位置進(jìn)行修正。同時(shí)，對(duì)塑料件局部厚度不均勻的問(wèn)題進(jìn)行了修正。

3.1 澆注系統(tǒng)類型

澆口的位置、形狀和數(shù)量會(huì)影響成型過(guò)程中的填充狀態(tài)，從而導(dǎo)致塑件的收縮變形。改進(jìn)后的填充時(shí)間進(jìn)一步縮短，整個(gè)填充效果的顏色分布更加均勻。降低了不平衡填充的概率。

3.2 冷卻系統(tǒng)形式

在成型過(guò)程中，冷卻不均勻會(huì)導(dǎo)致塑料件收縮不均勻，造成變形。從分析結(jié)果來(lái)看，焊縫數(shù)量有所增加，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響較大。位置變化不大，主要集中在塑料件的邊緣。為了減少熔接痕，可采取增加成型周期等措施，使塑化更徹底。

3.3 流動(dòng)前沿溫度分析

從分析結(jié)果來(lái)看，溫度分布均勻，溫差為4.6℃，小于一般的12℃值，滿足要求。前緣最高溫度為245.2℃，低于材料熔體溫度的建議值。分析結(jié)果優(yōu)于原方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員往往通過(guò)實(shí)際的模具試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)這種設(shè)計(jì)的合理性。如果試模不成功，必須修改設(shè)計(jì)。有時(shí)這是一個(gè)重復(fù)的過(guò)程，甚至不能得到最優(yōu)方案。以聚合物流變學(xué)理論為基礎(chǔ)，利用注塑成型分析軟件Moldflow建立了汽車保險(xiǎn)杠的有限元模型。掌握Moldflow的使用方法，對(duì)塑料件的可加工性進(jìn)行早期判斷，發(fā)現(xiàn)成形過(guò)程中可能出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷，模擬各種工藝，以獲得最佳的工藝方案和工藝參數(shù)，提高工藝穩(wěn)定性，降低材料消耗，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]付宏生，劉國(guó)良.塑料成型工藝與設(shè)備[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]王利霞，余曉榮，申長(zhǎng)雨，等.CAE技術(shù)在注塑成型中的應(yīng)用[J].化工進(jìn)展，2004，24（03）：260-266.

[3]屈華昌.塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)[M].高等教育出版社，2007.

[4]李忠文，蔣文藝，陳延軒.精密注塑工藝與產(chǎn)品缺陷解決方案100例[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[5]單巖，王蓓，王剛.Moldflow模具分析技術(shù)基礎(chǔ)[M].清華大學(xué)出版社，2004.