基于CAE分析的塑件3D制造技術(shù)

臧建所

(1.哈爾濱理工大學(xué) 機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院, 哈爾濱 150080; 2.黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

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基于CAE分析的塑件3D制造技術(shù)

臧建所1,2

(1.哈爾濱理工大學(xué) 機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院, 哈爾濱 150080; 2.黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

為縮短模具設(shè)計(jì)與制造周期，提高塑件質(zhì)量，以塑料盒蓋為研究對象，在澆注、冷卻系統(tǒng)確定的前提下，應(yīng)用CAE技術(shù)對其進(jìn)行流動(dòng)、冷卻和翹曲模擬分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)冷卻回路介質(zhì)溫差0.94 ℃、充填時(shí)間4.859 s、總體變形量0.791 8 mm時(shí)，滿足塑料模具設(shè)計(jì)要求。

CAE; 3D; 注射模; 冷卻系統(tǒng); 塑料盒蓋

0　引　言

隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造由2D向3D轉(zhuǎn)變,利用CAE軟件進(jìn)行輔助分析得到直觀的3D效果,越來越普遍被研究人員所采用[1]。注射模作為塑料制品生產(chǎn)的主要設(shè)備,其傳統(tǒng)設(shè)計(jì)對經(jīng)驗(yàn)依賴性強(qiáng),需反復(fù)試模,最終才能投入生產(chǎn),從設(shè)計(jì)到投產(chǎn)整個(gè)流程是典型的串行路線[2]。注射模CAE技術(shù)可以代替試模,在模具制造之前,先在計(jì)算機(jī)上對整個(gè)成型過程進(jìn)行模擬分析,準(zhǔn)確預(yù)測熔體的填充、保壓、冷卻以及塑件中的應(yīng)力分布、分子和纖維取向分布、塑件的收縮和翹曲變形等情況,設(shè)計(jì)者可以不斷調(diào)整工藝參數(shù),優(yōu)化工藝規(guī)程[3],盡早發(fā)現(xiàn)并解決問題,及時(shí)修改塑件和模具結(jié)構(gòu),而不是等到試模以后再返修模具,在設(shè)計(jì)階段以最小的花費(fèi)、最短的時(shí)間優(yōu)化設(shè)計(jì)。CAE技術(shù)縮短開發(fā)周期,降低生產(chǎn)成本,使得注射模的設(shè)計(jì)得以優(yōu)化[4-5]。

1　CAE分析前處理

1.1塑件參數(shù)及工藝

塑件如圖1所示的塑料盒蓋。該塑料盒蓋材料為Cycolac PS-507(ABS),壁厚2 mm,且均勻,尺寸精度均為MT4。上表面有9個(gè)通孔,整體形狀較規(guī)則,外觀質(zhì)量要求較高,表面粗糙度Ra為1.6 μm,無飛邊、毛刺等塑件缺陷。

圖1　塑料盒蓋3D圖

1.2網(wǎng)格劃分

塑件三維模型導(dǎo)入CAE系統(tǒng)后,首先需要對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格是CAE模擬分析整個(gè)過程的基礎(chǔ),直接影響模擬結(jié)果精度,甚至?xí)?dǎo)致求解無法進(jìn)行[6]。

以Fusion表面網(wǎng)格類型導(dǎo)入塑料盒蓋模型。啟用CAE網(wǎng)格自動(dòng)劃分功能,劃分好的網(wǎng)格模型如圖2所示。網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)信息顯示:網(wǎng)格平均邊長3 mm,網(wǎng)格單元為15 536個(gè)三角形,節(jié)點(diǎn)數(shù)為7 776個(gè),連通區(qū)域?yàn)?,自由邊為0,縱橫比范圍為1.158 000～5.652 000,匹配率為91.6%,大于80%,計(jì)算能夠順利進(jìn)行且結(jié)果精度較高[6]。

圖2　塑料盒蓋網(wǎng)格自動(dòng)劃分結(jié)果

1.3澆注、冷卻系統(tǒng)及工藝條件

澆注系統(tǒng)是塑料熔體從注射機(jī)噴嘴出來到達(dá)模腔之前在模具中流經(jīng)的通道。澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接影響塑件的內(nèi)在質(zhì)量和外觀。根據(jù)塑件的表面質(zhì)量要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用手工方式創(chuàng)建澆注系統(tǒng),其中分流道截面形狀為圓形,直徑為5 mm,采用潛伏式澆口,始端直徑1.5 mm,末端直徑5 mm,如圖3所示。

圖3　澆注系統(tǒng)示意

冷卻系統(tǒng)對塑件質(zhì)量的影響非常大。冷卻效果直接影響塑件的表面質(zhì)量、機(jī)械性能和結(jié)晶度等。根據(jù)塑件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),依經(jīng)驗(yàn),冷卻水道的主要參數(shù)為:直徑8 mm,水道與塑件間距為10 mm,上、下表面各設(shè)置1條環(huán)形水道,水道超出塑件外距離40 mm。如圖4所示。

圖4　冷卻系統(tǒng)示意

CAE系統(tǒng)根據(jù)選用的塑料Cycolac PS-507,推薦成型工藝參數(shù)為:熔體溫度210 ℃,模具表面溫度60 ℃,開模時(shí)間為5 s,注射周期為30 s。設(shè)置充填自動(dòng)控制,速度/壓力自動(dòng)切換,保壓控制由充填壓力與時(shí)間決定。頂出溫度為81 ℃,環(huán)境溫度為25 ℃,頂出時(shí)的凍結(jié)百分比為100%,并將翹曲原因分離。模流分析序列采用“冷卻+流動(dòng)+翹曲”。

2　模擬結(jié)果與分析

2.1冷卻分析

冷卻分析用于判斷冷卻系統(tǒng)的冷卻效果。根據(jù)冷卻模擬所計(jì)算出的冷卻時(shí)間來確定成型周期。另外,通過冷卻分析優(yōu)化冷卻水道的布局,降低成型周期,提高生產(chǎn)率[7]。

2.1.1回路冷卻介質(zhì)溫度

顯示冷卻液在水道中的溫度變化。冷卻液的溫度變化要均勻,溫度變化不宜超過3 ℃。該實(shí)驗(yàn)中的冷卻水溫差為0.94 ℃,CAE分析結(jié)果如圖5所示,符合要求。

圖5　回路冷卻介質(zhì)溫度

2.1.2凍結(jié)時(shí)間

凍結(jié)時(shí)間是從成型周期開始至制品完全冷卻至低于頂出溫度所需要的時(shí)間。該塑件的凍結(jié)時(shí)間為63.95 s,CAE分析結(jié)果如圖6所示。

圖6　凍結(jié)時(shí)間

2.2流動(dòng)分析

流動(dòng)分析是用來模擬塑料從注塑點(diǎn)逐漸擴(kuò)展并充填完模腔的流動(dòng)情況。通過預(yù)測缺陷,獲得最佳保壓曲線,從而降低由保壓引起的制品收縮、翹曲等缺陷[8]。

2.2.1充填時(shí)間

CAE分析結(jié)果如圖7所示,遠(yuǎn)離澆口處的塑件邊緣充填時(shí)間最長,為4.859 s。

圖7　充填時(shí)間

2.2.2體積收縮率

圖8顯示塑件頂出時(shí)體積收縮CAE分析結(jié)果。由圖8可知,體積收縮較均勻,處于5.522%左右。最大收縮處于流道中,對塑件的成型無影響。

圖8　體積收縮率

2.2.3注射壓力

圖9為模擬注射位置各時(shí)刻壓力分布圖。壓力曲線峰值處對應(yīng)的時(shí)間t1=4.833 s,p=41.45 MPa,處于塑料Cycolac PS-507推薦的注射壓力20～100 MPa范圍內(nèi),注射壓力合理。

壓力降為0時(shí),對應(yīng)的時(shí)間t2=14.85 s,故第二段保壓的起始時(shí)間T1=(t1+t2)/2=9.842 s。

由圖6所示的澆口凍結(jié)時(shí)間可知,第二段保壓終止時(shí)間即凍結(jié)時(shí)間T2=63.95 s。從表1所示的“結(jié)果概要”中可知,保壓壓力p為填充完畢時(shí)的壓力,即p=33.16 MPa。注射時(shí)間T3為發(fā)生V/P轉(zhuǎn)化時(shí)的時(shí)間,即T3=4.83 s。

圖9　注射位置壓力分布

t/sv/%p/MPa鎖模力/t流動(dòng)速率/(cm3·s-1)狀態(tài)4.6394.8640.4024.7398.50V4.8399.0141.4530.2798.42V/P4.8499.2133.1628.3765.05P4.8599.3733.1627.2962.97P4.86100.0033.1622.0762.36已充填

綜上,對保壓曲線進(jìn)行優(yōu)化,第一段保壓時(shí)間Ta=第二段保壓的起始時(shí)間-注射時(shí)間=9.842-4.83=5.012s,第二段保壓時(shí)間Tb=凍結(jié)時(shí)間-(第一段保壓時(shí)間+注射時(shí)間)=第二段保壓的起始時(shí)間-注射時(shí)間=63.95-9.842=54.108s。優(yōu)化后的保壓曲線如圖10所示。

圖10　優(yōu)化后的保壓曲線

2.2.4鎖模力

圖11顯示,在5.069s最大鎖模力為74.68t,為注射機(jī)的選擇提供了重要依據(jù)。

圖11　鎖模力模擬曲線

2.2.5剪切應(yīng)力

圖12所示,最大剪切應(yīng)力為0.402 8MPa,動(dòng)畫顯示最大剪切應(yīng)力產(chǎn)生在潛伏式澆口始端位置,小于塑料CycolacPS-507的最大許用剪切應(yīng)力0.45MPa。剪切應(yīng)力滿足材料使用要求。

圖12　剪切應(yīng)力分布

2.3翹曲分析

在成型過程中由于冷卻不均、收縮不均、分子配向性效應(yīng)等原因可導(dǎo)致塑件翹曲變形。翹曲分析是用于判斷成型制品是否會(huì)出現(xiàn)翹曲以及分析翹曲的原因[1]。

變形分為所有因素、x方向變形、y方向變形和z方向變形。所有因素變形如圖13所示。通過分析可知,總體變形量為0.791 8mm,其中,x方向最大變形量為0.734 2mm,y方向最大變形量為0.762 3mm,z方向最大變形量為0.310 9mm。從影響因素來看,由冷卻方式引起變形為0.180 6mm,由分子取向引起變形為0.186 6mm,由塑件收縮引起變形最大為0.689 8mm。

圖13　CAE分析結(jié)果-變形，所有因素

由上述塑件翹曲變形的定量分析可知:翹曲變形主要集中在沿y軸方向上發(fā)生的變形;由收縮因素對y向的翹曲變形影響最大,而冷卻和分子取向因素的影響相對較小。

3　模具設(shè)計(jì)

注射模具一般分為8個(gè)基本組成部分,分別為成型部件、澆注系統(tǒng)、導(dǎo)向部件、推出機(jī)構(gòu)、側(cè)向分型抽芯機(jī)構(gòu)、調(diào)溫系統(tǒng)、排氣槽和標(biāo)準(zhǔn)模架[9]。根據(jù)以上CAE分析,并結(jié)合塑件具體使用要求,應(yīng)用CAD軟件可方便地設(shè)計(jì)出模具的型腔、型芯等零部件,通過加載模架等標(biāo)準(zhǔn)件完成模具具體設(shè)計(jì),爆炸圖如圖14所示。

圖14　模具3D設(shè)計(jì)爆炸圖

4　結(jié)束語

(1)將CAE技術(shù)應(yīng)用于塑件生產(chǎn),以數(shù)值模擬方法,幫助設(shè)計(jì)制造人員預(yù)測產(chǎn)品成型質(zhì)量,從而不斷改進(jìn)產(chǎn)品工藝和模具設(shè)計(jì)方案,有效地縮短生產(chǎn)周期,降低生產(chǎn)成本。

(2)以實(shí)際塑料盒蓋為例,在建立澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和設(shè)置工藝參數(shù)等條件下,應(yīng)用CAE技術(shù)進(jìn)行“流動(dòng)+冷卻+翹曲”分析,系統(tǒng)以3D彩圖等形式給出充填時(shí)間、體積收縮率、回路冷卻介質(zhì)溫度和各方向的變形量等結(jié)果。

(3)不同的設(shè)計(jì)方案能夠得到不同的模擬結(jié)果。設(shè)計(jì)制造人員可以根據(jù)模擬結(jié)果,從各方案中選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案,在一定程度上克服了傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)依賴經(jīng)驗(yàn)、需反復(fù)試模的缺點(diǎn),使模具設(shè)計(jì)更加優(yōu)化,進(jìn)而提高了塑件的生產(chǎn)質(zhì)量。

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(編輯晁曉筠)

Plastic parts 3D manufacturing technology based on CAE analysis

ZANGJiansuo1,2

(1.School of Mechanical Power Engineering, Harbin University of Science & Technology, Harbin 150080, China;2.College of Mechanical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

Aimed at shortening the injection mold design and manufacturing cycle and improving plastic parts quality, this paper introduces the use of CAE technology for the simulation analysis of the flow, cooling, and warping, based on the plastic cover used as the research object, with definite casting and cooling system. Results show the possibility of fulfilling the requirements of injection mold design, with the cooling circuit medium temperature difference of 0.94 ℃, the filling time of 4.859 s, and the overall deformation of 0.791 8 mm.

CAE; 3D; injection mold; cooling system; plastic cover

2013-06-12

臧建所(1980-),男,吉林省農(nóng)安人,講師,碩士,研究方向:機(jī)械制造、模具CAD/CAE/CAM技術(shù),E-mail:zangjiansuo@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.05.011

TQ320.66

1671-0118(2013)05-0449-04

A