基于熔接痕處應(yīng)力值的澆口位置優(yōu)化設(shè)計(jì)

單 志,朱建華＊,劉 勇,朱祖媛

(1.國家復(fù)合改性聚合物材料工程技術(shù)研究中心,貴州 貴陽550014;2.貴陽海信電子有限公司,貴州貴陽550009)

0 前言

熔接痕是由于方向相反或平行的兩股熔體相遇而形成的。在工作狀態(tài)下,塑料制品應(yīng)力較大區(qū)域出現(xiàn)熔接痕,熔接痕處因應(yīng)力集中而使得制品的性能大大降低。熔接痕的存在不僅影響制品的外觀品質(zhì),而且對制品力學(xué)性能產(chǎn)生影響,損害制品的使用性能[1],是注塑制品常見缺陷之一。澆口位置是注塑模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分,澆口位置的設(shè)定直接關(guān)系到熔接痕的位置分布和性能。因此,可以通過熔接痕的性能評價來判斷澆口位置的設(shè)計(jì)合理性,同時,又可以通過澆口位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)來提高熔接痕的性能,從而達(dá)到改善塑料制品使用性能的目的。

熔接痕的分析與研究受到廣泛的關(guān)注,有文獻(xiàn)[2-5]針對啞鈴型實(shí)驗(yàn)制件,研究了工藝參數(shù)對熔接痕的影響,在一定程度上提高了制件的強(qiáng)度。但是在工業(yè)生產(chǎn)中,制品的復(fù)雜性導(dǎo)致了熔接痕分布的復(fù)雜性,從而導(dǎo)致了熔接痕上應(yīng)力分布的復(fù)雜性,改變工藝參數(shù)并不能改變制品應(yīng)力分布情況,實(shí)際使用過程中,制品的熔接痕上可能承受著較大應(yīng)力而成為制品發(fā)生破壞的裂紋源。傳統(tǒng)的澆口設(shè)計(jì)也主要依靠工程師的經(jīng)驗(yàn),對于大型、造價昂貴的模具,完全依靠經(jīng)驗(yàn)會有很大的風(fēng)險。本文結(jié)合數(shù)值模擬軟件Moldflow和結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS對塑料制品的熔接痕位置及其應(yīng)力狀況進(jìn)行分析,利用Moldflow預(yù)測塑料制品的熔接痕位置,并通過ANSYS分析獲得實(shí)際載荷下制品熔接痕處的應(yīng)力值。在塑料制品所用材料和注塑工藝條件一樣的條件下,通過對不同澆口位置所形成熔接痕的應(yīng)力水平進(jìn)行對比分析,判斷出澆口位置設(shè)計(jì)的合理性,為熔接痕性能評價和澆口位置優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠指導(dǎo),減少企業(yè)模具設(shè)計(jì)周期和生產(chǎn)成本。

1 制品結(jié)構(gòu)特征及受力分析

該塑料制品是液晶顯示器上的一個結(jié)構(gòu),件總體尺寸為45 mm×17 mm×19 mm,結(jié)構(gòu)件下部設(shè)計(jì)3個銷釘孔,三維模型及受力分析如圖1所示。由于在工作狀態(tài)下,該結(jié)構(gòu)件是處于高溫(40～70℃)和受到液晶面板的重力作用,因此對其力學(xué)性能要求較高。

該結(jié)構(gòu)件主要承受液晶顯示器的重力,在受力面的分布均勻,且受力方向不變,如圖1箭頭所示。由于工作過程中受力均勻和方向不變,可以假定結(jié)構(gòu)件各個區(qū)域的應(yīng)力分布不受作用力大小的影響。此外,在注射成型過程中,結(jié)構(gòu)件不可避免產(chǎn)生多條熔接痕。因此,通過分析和研究熔接痕上的應(yīng)力狀況,判斷澆口位置設(shè)計(jì)的合理性。通過澆口位置的設(shè)計(jì)和改變,將熔接痕分布到應(yīng)力較小的區(qū)域,從而減小熔接痕對結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能的影響。

圖1 結(jié)構(gòu)件三維模型Fig.1 Three dimensionalmodel for the injection molded part

2 澆口設(shè)計(jì)方案分析

對兩種澆口位置設(shè)計(jì)方案所得到的熔接痕的分布進(jìn)行模擬分析,通過結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析得到結(jié)構(gòu)件在實(shí)際載荷條件下的大小和分布情況,綜合兩種模擬分析數(shù)據(jù)和結(jié)果得到結(jié)構(gòu)件在使用狀態(tài)下的應(yīng)力狀況,從而為澆口位置的設(shè)計(jì)和安排提供判斷依據(jù)。

2.1 成型過程模擬前處理和澆口設(shè)計(jì)方案

采用丙烯腈-苯乙烯-丁二烯(ABS)作為結(jié)構(gòu)件用材料。在三維設(shè)計(jì)軟件UG中建立結(jié)構(gòu)件三維模型,并以 STL格式導(dǎo)入到Moldflow中。模擬分析過程為:選擇分析序列:填充+保壓;選擇 Monsanto Kasei公司的ABS作為原料;設(shè)置工藝參數(shù)為:模溫40℃,熔體溫度240℃,其他工藝默認(rèn)設(shè)置。

在Moldflow分析中,設(shè)置網(wǎng)格類型為3D,定義全局網(wǎng)格邊長為1.5 mm,劃分網(wǎng)格單元數(shù)38658。復(fù)制3D方案得到復(fù)結(jié)構(gòu)件方案,重命名為2D,定義網(wǎng)格類型為雙層面,重新劃分網(wǎng)格,系統(tǒng)去除3D有限元模型的內(nèi)部單元,保留表層單元一切屬性,得到雙層面單元數(shù)4278。

結(jié)構(gòu)件模具澆口設(shè)計(jì)方案有2個,其中方案1是某模具企業(yè)澆口設(shè)計(jì)方案,如圖2(a)所示,澆口在結(jié)構(gòu)件中的位置比較對稱;方案2是本文提出的,如圖2(b)所示,澆口在結(jié)構(gòu)件的側(cè)邊設(shè)置。

圖2 澆口設(shè)計(jì)的2個方案Fig.2 Different program of gate design

2.2 流動分析結(jié)果

運(yùn)行分析兩個澆口設(shè)計(jì)方案(3D網(wǎng)格),分析結(jié)束后,在2D方案中可以查看熔接痕的位置、長度、匯合角等信息,如圖所示3所示。在該塑料結(jié)構(gòu)件在兩個澆口設(shè)計(jì)方案下均出現(xiàn)多條熔接痕。

將熔接痕圖形數(shù)據(jù)保存為Patran格式的單元結(jié)果數(shù)據(jù),命名為“熔接痕數(shù)據(jù).nod”,此數(shù)據(jù)文件用于與結(jié)構(gòu)數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)件應(yīng)力的綜合分析。

圖3 熔接痕位置Fig.3 Weld line position

2.3 應(yīng)力分析前處理

ANSYS并不能直接使用Moldflow的有限元模型,通過二次開發(fā)手段,將Moldflow的有限元模型轉(zhuǎn)換成ANSYS的cdb格式有限元模型,包括四面體網(wǎng)格屬性和材料屬性。

打開ANSYS導(dǎo)入sz.cdb,如圖4所示。單元類型自動匹配成 SOL ID187,材料數(shù)據(jù)全部繼承了 Moldflow中的3D有限元模型材料屬性。

2.4 應(yīng)力分析邊界條件設(shè)置

將結(jié)構(gòu)件在工作狀態(tài)下所受載荷做簡化處理,設(shè)結(jié)構(gòu)件的固定面部分被固定,而上邊部分受1 MPa的壓力。如圖4所示,在ANSYS中加載,結(jié)構(gòu)件上部分箭頭表示向上壓力,下部分箭頭處表示被限制了所有自由度。

圖4 載荷分布Fig.4 Stress distribution

不同澆口位置并不影響結(jié)構(gòu)件應(yīng)力的分布及大小,故該應(yīng)力分析結(jié)果可以同時用于兩個不同澆口設(shè)計(jì)方案。

ANSYS等效應(yīng)力分析結(jié)果如圖5所示(單位是Pa),不同顏色代表了制品上不同應(yīng)力大小及分布的不同,并保存為二進(jìn)制文件“應(yīng)力數(shù)據(jù).lis”。

圖5 制品應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution of the part

2.5 結(jié)構(gòu)件及熔接痕應(yīng)力結(jié)果計(jì)算

實(shí)際結(jié)構(gòu)件在使用過程中,結(jié)構(gòu)件上同一條熔接痕上的應(yīng)力分布并不均勻,熔接痕上最大應(yīng)力處往往是裂紋開始萌生的地方,故熔接痕上的最大應(yīng)力可視為代表整條熔接痕的強(qiáng)度性能。

根據(jù)“熔接痕數(shù)據(jù).nod”文件和“應(yīng)力數(shù)據(jù).lis”文件數(shù)據(jù),計(jì)算出每一條熔接痕上的最大應(yīng)力,即計(jì)算構(gòu)成熔接痕節(jié)點(diǎn)上的最大應(yīng)力,計(jì)算結(jié)果如表1所示。本文列出兩種澆口設(shè)置得到的熔接痕中4條最大應(yīng)力值進(jìn)行對比分析。根據(jù)表中最高四條熔接痕應(yīng)力值可以看出方案2的澆口位置設(shè)計(jì)所得到的熔接痕的應(yīng)力值要低于方案1的熔接痕應(yīng)力值,表明澆口方案2中形成的熔接痕在相同使用條件下安全性能較高,因此就受力狀況而言,方案2的澆口位置設(shè)計(jì)要明顯優(yōu)于方案1。

表1 熔接痕上的最大應(yīng)力Tab.1 The maximumstress value at the weld lines

3 結(jié)論

(1)承受靜力載荷的制品,其薄弱、危險區(qū)域確定,且不隨載荷大小而改變;

(2)熔接痕處于制品薄弱區(qū)域時,會增加制品破壞的可能性;

(3)在其他工藝條件相同的條件下,通過CAE分析,方案2中的澆口設(shè)計(jì)使得制品的熔接痕處于相對較安全的區(qū)域。

[1] Daioanieh I S,Haufe A,Wolf H J,et al.Computer Simulation of Weld Lines in Injection Molded Poly(methyl meth-acrylate)[J].PolymEng Sci,1996,36(15):2050-2057.

[2] Kilwon C,Sunghef A,Jinbae P,et al.Evaluation of the Weld Line Strength of The rmop lastics by Compact Tension Test[J].PolymEng Sci,1997,37(7):1217-1225.

[3] 楊 揚(yáng),董斌斌,劉春太.成型溫度對纖維增強(qiáng)注塑熔接線拉伸性能的影響[J].鄭州大學(xué)學(xué)報,工學(xué)版,2004,25(1):102-104.

[4] 楊風(fēng)霞,姜小瑩,湯 波.工藝參數(shù)對注塑件熔接痕性能的影響[J].塑料工業(yè),2006,34(9):33-34.

[5] Lei Xie.Influence of Processing Parameters on Micro Injection Molded Weld Line Mechanical Properties of Polypropylene(PP)[J].Microsyst Technol,2009,15:1427-1435.

[6] Lu Chang,Yu Xia ofeng,Guo Shaoyun.The Mechanism of U ltrasonic Improvement of Weld Line Strength of Injection Molded Polystyrene and Polystyrene/Polyethylene Blend Parts[J].J PolymSci,Part B:PolymPhys,2006,44:1520-1530.