泵體的熱流道注塑成型過程模擬分析

杜遙雪，柳天磊

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泵體的熱流道注塑成型過程模擬分析

杜遙雪，柳天磊

（五邑大學 機電工程學院，廣東 江門 529020）

利用MPI軟件對泵體的熱流道注塑成型過程進行模擬仿真，結果表明：將澆口設置在泵體錐部中心可以實現平衡充模，最大體積收縮率和制品最高溫度發(fā)生在泵體錐部中心，制品凍結時間在泵體法蘭凹槽處最長，最大翹曲量位于泵體法蘭底部，合模系統(tǒng)所需最大鎖模力為32.6 t，注射系統(tǒng)所需最大注射壓力為25.15 MPa，采用三排管路冷卻系統(tǒng)可以有效降低泵體制品成型加工后的最高溫度，熱流道系統(tǒng)在節(jié)能降耗、降低生產成本等方面比冷流道優(yōu)越.

泵體；熱流道；注塑成型過程；模擬

熱流道技術是應用于塑料注塑模流道系統(tǒng)的一種先進技術，是塑料注塑成型發(fā)展的新方向，熱流道注塑成型時沒有回頭料的回收、挑選、粉碎、染色等工序，具有節(jié)約原材料、降低生產成本、提高產品質量的特點，與冷流道相比可減小開合模行程、縮短制品脫模和成型周期，有利于實現自動化生產[1]. 目前，熱流道技術在國外的應用發(fā)展非常迅速，熱流道注塑模具廣泛應用于電子、汽車、醫(yī)療、日用品、包裝、建筑、辦公設備等方面，塑料模具廠制造的模具50%以上采用熱流道技術，有的甚至高達80%以上，而國內生產企業(yè)的使用率僅20%~30%. 洗衣機和洗碗機的排水泵采用永磁同步電機式排水泵，主要由泵體、泵蓋、葉輪、轉子、線圈、安裝座等組成，大部分零件為注塑件，制品精度要求高. 本文針對由熱流道模具注塑成型加工的泵體，應用Moldflow Plastics Insight（MPI）軟件，對泵體的型腔尺寸、澆口位置及數量、澆注與冷卻系統(tǒng)進行設計，分析加工參數和條件對泵體成型過程流動、冷卻和翹曲的影響，通過CAD/CAE技術進行模擬仿真，預測制品成型缺陷，從而減少模具制造過程反復試模和修模的次數、提高模具產品質量、獲得合理的工藝參數，以便快速成型加工出最佳的泵體制品.

1 泵體模型的前處理

采用Pro/ENGINEER軟件建立泵體三維實體模型，并將文件類型轉化為STL格式，應用MPI軟件輸入泵體模型時選擇Fusion表面網格，用網格工具生成網格[2-3]. 網格邊長一般為制品最小壁厚的1.5~2倍，通過比較確定全局網格邊長為2.5 mm. 由于模型網格質量的好壞直接影響計算結果的準確性，因此對Fusion表面模型進行冷卻或翹曲分析時，一般要求最大縱橫比小于10、模型匹配率大于85%. 對網格縱橫比診斷，采用合并節(jié)點、插入節(jié)點、交換邊方法修改縱橫比，模型網格統(tǒng)計信息如圖1所示：最大縱橫比為5.974，匹配率為86.1%，其余參數均在規(guī)定范圍，符合模擬分析計算的要求.

泵體所用材料為聚丙烯，在方案任務視窗中選擇分析類型為澆口位置并運行分析，可以得到圖2所示的泵體澆口位置分布云圖. 圖2顯示：最佳澆口位置在泵體的圓柱底部，但是如果將澆口設在該處會使模具結構設計復雜、生產制造成本增加. 根據澆口位置的選擇原則，綜合澆口位置的分布云圖，將澆口設置在泵體錐部中心.

圖1 網格統(tǒng)計信息

圖2 最佳澆口位置分布云圖

采用冷卻回路向導創(chuàng)建泵體冷卻系統(tǒng)，水管直徑8mm，水管與制品的距離15mm，管道中心間距20 mm，制品之外距離15 mm. 為了減少模型網格數目、降低前處理與系統(tǒng)計算所需時間、提高分析工作效率，可更改泵體表面模型、熱流道和熱澆口的屬性，將其出現次數設置為4（用數值表示某個對象的重復出現次數，不直接將整個模腔中的制品模型和澆注系統(tǒng)全部創(chuàng)建出來），即可得到與圖3中一模四腔模型分析效果相同的簡化模型見圖4. 選擇分析圖4的冷卻+流動+翹曲，根據聚丙烯材料的推薦工藝成型條件[2]70,[4]，設置泵體成型過程的工藝參數：模具表面溫度50℃，熔體溫度230℃，開模時間5 s，注射+保壓+冷卻時間30 s，填充控制選擇自動，在99%填充體積時速度控制轉變?yōu)閴毫刂?，保壓控制采用默認的充填壓力與時間關系曲線，運行MPI軟件即可得到流動分析、冷卻分析和翹曲分析的模擬計算結果.

圖3 一模四腔澆注系統(tǒng)

圖4 簡化的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)

2 流動模擬結果與分析

通過MPI流動分析可以獲得塑料熔體在模具型腔中的填充和保壓情況、優(yōu)化工藝參數、提高制品質量. 圖5為熔體填充型腔過程的時間分布，顯示了熔體流動前沿擴展情況和制品整體填充情況. 由圖5可知：泵體在0.774 5 s內完成了熔體的填充，泵體法蘭端面底部是最后被熔體填充的部位；充填時間云圖左右對稱，表明澆注系統(tǒng)設計合理，熔體流動前沿的速度相等，泵體各對稱遠端基本在同一時刻充滿，實現了平衡充模.

泵體在排水泵中起連接和定位各零部件的作用，因此必須保證其與其他零部件的配合精度. 圖6為泵體成型加工后的體積收縮率，由圖6可以看出：體積收縮率最大達到15.49%，并導致制品產生較大翹曲，對此一般通過調整澆注系統(tǒng)和修改成型條件來解決；最大體積收縮率發(fā)生在泵體錐部中心，該部位區(qū)域小且收縮率遠高于其他部位，很容易產生氣穴和熔接痕，但轉子磁芯、軸承和軸承座配合部位的泵體體積收縮率約為3%且分布均勻，所以不影響排水泵的工作性能.

圖5 熔體充填時間云圖

圖6 體積收縮率

圖7為注塑成型過程中鎖模力隨時間變化的曲線，可作為注塑機合模系統(tǒng)鎖模力的選擇依據. 由圖7可知：最大鎖模力達到32.6 t，發(fā)生在1.684 s，在此之前鎖模力迅速增大，之后也有比較快的下降，從而保證熔體在0.7745 s的充填時間內完成注射填充過程.

圖8為注塑成型過程中注射壓力隨時間變化的曲線，可依此決定注塑機注射系統(tǒng)所提供注射壓力的最小值. 由圖8可知：在0.7615s時注射壓力達到最大值25.15 MPa（發(fā)生在充填時間0.7745 s之前），即在體積填充99%時實現了速度控制向壓力控制的轉變；在達到最大注射壓力后10 s內，以充填結束時注射壓力的80%（20.12 MPa）保持系統(tǒng)壓力恒定，實現保壓.

圖7 鎖模力隨時間變化的曲線

圖8 注射壓力隨時間變化的曲線

3 冷卻模擬結果與分析

MPI的冷卻分析采用邊界元法對模具溫度場進行模擬，將模具溫度場與冷卻管道中冷卻介質能量方程聯立，采用解析法計算制品、模具、冷卻介質的溫度分布. 冷卻結束后泵體制品的溫度分布如圖9所示：制品最高溫度為103.1℃，發(fā)生在泵體錐部中心，冷卻效果不理想，制品脫模后容易出現變形現象. 由于最高溫度位于澆口且所占區(qū)域較小，而泵體其他部位溫度都在85℃以下且較低，因此冷卻系統(tǒng)設計合理.

泵體制品從成型周期開始到完全冷卻至低于頂出溫度所需的凍結時間及其分布如圖10所示. 由圖10可知：制品凍結發(fā)生在泵體法蘭凹槽處，凍結時間為25.96 s；對壁厚較小的圓柱部位，法蘭內環(huán)凍結時間在3 s左右且在保壓開始階段就首先均勻凍結. 由此可知前述設置泵體工藝參數時，將注射+保壓+冷卻的成型周期時間設定為30 s是合理的.

圖9 制品溫度分布圖

圖10 制品凍結時間

4 翹曲模擬結果與分析

5 冷卻系統(tǒng)的改進及冷熱流道對比

為解決圖9所示泵體制品由于冷卻效果不理想而導致最高溫度偏高的問題，將圖4的冷卻系統(tǒng)改進為如圖12所示的布局，即在上下水管中間增加一條水管. 為了進一步揭示熱流道注塑模具對泵體制品成型加工的優(yōu)越性，將圖4熱流道澆注系統(tǒng)改為冷流道澆注系統(tǒng)，采用與前述相同的工藝參數設置，得到泵體成型過程的流動、冷卻和翹曲模擬計算結果見表1.

表1 各種系統(tǒng)計算結果

由表1并結合圖12可知：冷卻系統(tǒng)的改進有效地降低了制品成型加工后的最高溫度、減小了溫度應力的不利影響和制品的翹曲變形. 由表1可知：冷流道澆注系統(tǒng)的鎖模力比熱流道系統(tǒng)的顯著增大，需要更大噸位鎖模力的注塑機才能滿足工作要求，而且將加工熔體射入模具型腔所需的注射壓力提高，成型制品的充填時間和凍結時間增加，使得泵體制品的成型周期比熱流道的延長，能量消耗增加.

圖12 改進的冷卻系統(tǒng)制品最高溫度

6 結論

本文通過對泵體的熱流道注塑成型過程的模擬分析說明：應用MIP軟件對泵體的型腔尺寸、澆口位置及數量、澆注及冷卻系統(tǒng)進行的設計是合理的，并為實際工程應用提供了合理的加工工藝參數；熱流道系統(tǒng)在節(jié)能降耗、減低生產成本、提高生產效率、改善熔體的流動性和提高制品質量等方面比冷流道優(yōu)越，有很好的應用前景.

[1] 王建華，徐佩弦. 注射模的熱流道技術[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[2] 王衛(wèi)兵. Moldflow中文版注塑流動分析案例導航視頻教程[M]. 北京：清華大學出版社，2008.

[3] 戴劍青，杜遙雪. 掃描器的注塑成型參數正交優(yōu)化設計[J]. 模具制造，2006, 6(7): 43-46.

[4] 王樹勛，朱亞林，梅伶，等. 注塑模具設計[M]. 廣州：華南理工大學出版社，2005.

[責任編輯：孫建平]

Simulation of the Hot Runner Injection Molding Process for the Pump Body

DUYao-xue,LIUTian-lei

Simulation of the hot runner injection molding process of the pump using MPI software shows that placing the gate in the center of the pump body cone can achieve equilibrium filling; the maximum volumetric shrinkage rate and the product maximum temperature occur in the pump cone; the product’s freezing time is the longest in the pump body’s flange grooves; the maximum warpage is at the bottom of the pump flange; the maximum clamping force required by the clamping system is 32.6 t; and the maximum injection pressure required by injection system is 25.15 MPa. The adoption of the three-row pipe cooling system can effectively reduce the maximum temperature of the pump product. The hot runner system is better than the cold runner system in energy saving and consumption reduction and in lowering production cost.

the pump body; hot runner; injection molding process; simulation

1006-7302（2010）03-0006-01

TH122

A

2009-09-04

廣東省自然科學基金資助項目（9151063101000021），廣東省科技計劃資助項目（2005B10201010）

杜遙雪（1962—），男，山東萊州人，教授，博士，研究方向：機械設計和聚合物成型加工，E-mail: luoting@wyu.edu.cn.