基于Moldflow 塑料彎管注塑模澆注與冷卻系統(tǒng)優(yōu)化①

林 權(quán)

(武夷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山354300)

0 引 言

MoldFlow 作為塑料產(chǎn)品注塑成型過程的計算機(jī)輔助分析軟件，在開模生產(chǎn)前或生產(chǎn)過程中經(jīng)由計算機(jī)數(shù)值模擬塑料熔體充填、保壓、冷卻及變形等，來幫助模具設(shè)計者或技術(shù)員了解塑料在成型過程中的各種狀態(tài)［1～2］，獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)與設(shè)計的可行性.然而在每次獲得模擬數(shù)據(jù)時，如何有效的判別是相當(dāng)重要的課題，在此以塑料彎管注塑件為例，應(yīng)用Moldflow 模流軟件，結(jié)合模具設(shè)計制造實際經(jīng)驗，對模流分析結(jié)果進(jìn)行分析，提出符合生產(chǎn)制造要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量的最佳澆注與冷卻系統(tǒng)建設(shè)方案，為模流分析人員提供技術(shù)參考.

1 零件結(jié)構(gòu)與成型工藝分析

圖1 為塑料連接彎管零件圖，該零件主要用于液體輸送管道安裝，從圖中分析可知道塑件總體尺寸及公差要求，其中內(nèi)孔拐彎角度為90 度，其他生產(chǎn)技術(shù)要求如下:(1)批量生產(chǎn)，材料為奇美公司生產(chǎn)的注塑級ABSPA757，允許收縮率為0.5%.(2)塑件頭部帶錐面與凹槽部分長25mm，為密封連接段，模具結(jié)構(gòu)中不允許設(shè)置頂針;(3)未注圓角為R0.5，未注脫模斜度為0.5°;(4)使用側(cè)澆口進(jìn)料，不允許有縮水，流痕，波紋，表面剝離，氣泡等注射缺陷.

在對塑件進(jìn)行模擬成型分析之前，首先要建立有限元分析模型，并選擇成型條件.在此運(yùn)用UGNX8.0 建立塑件三維模型，并以STL 格式導(dǎo)入MoldFlow 中，通過內(nèi)建指令對塑件進(jìn)行表面網(wǎng)格化，劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2 所示.成型條件選擇主要包括注射時間、保壓時間與冷卻時間，模具溫度、熔體溫度與冷卻溫度［3～4］，本研究根據(jù)模擬軟件推薦與實際經(jīng)驗相結(jié)合的辦法，選用注射時間為1.8sec，保壓時間10sec，冷卻時間20 sec，選用模具溫度為60 ℃，熔體溫度為230 ℃，保壓冷卻后產(chǎn)品頂出溫度為80℃.其余注射工藝參數(shù)按照MOLDFLOW 成型窗口中推薦的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，如最大保壓壓力為18MPa，保壓方式為階段保壓，速度壓力切換發(fā)生在98%填充體積時候，最大注射壓力為23MPa.

圖1 直角連接彎管

2 數(shù)值模擬成型分析

2.1 創(chuàng)建數(shù)值模擬分析系統(tǒng)

為了保證熔體在模具型腔內(nèi)合理流動，澆口位置的選擇尤為重要［5～6］，在此運(yùn)用MOLDFLOW 最佳澆口位置分析模塊，獲知本產(chǎn)品最佳澆口位置位于直角拐彎接近凹槽處，另外從零件圖可以看出該塑件內(nèi)部有垂直內(nèi)孔，需要側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，而且抽芯距比較大，兩個方向都需要，所以為了降低模具設(shè)計制造的成本，選用一模兩腔的布局.通過創(chuàng)建澆注系統(tǒng)，再根據(jù)簡單而實用的原則設(shè)置冷卻系統(tǒng)，最后產(chǎn)品的數(shù)值模擬分析系統(tǒng)如圖3 所示.

圖2 塑件有限元分析模型

圖3 數(shù)值模擬分析系統(tǒng)

圖4 流動前沿溫度分布

圖5 模具溫度分布

圖6 修正后數(shù)值模擬分析系統(tǒng)

圖7 改進(jìn)方案熔接痕分布

2.2 數(shù)值模擬分析結(jié)果

圖4 為流動前沿溫度分布，通過分析可以獲知塑料熔體流動前沿溫度一直保持在熔融狀態(tài)，整體分布基本為228 ～230℃，所以可以判斷澆注系統(tǒng)的設(shè)計方案使各模腔充填均勻，且達(dá)到流動平衡.圖5 為冷卻后模具型芯型腔溫度分布云圖，通過對云圖分析可知，模具型腔的溫度在30 ～40℃之間，說明模具型腔冷卻效果好，而型芯模仁的溫度在65 ～78℃之間，特別是彎管內(nèi)孔拐彎處，最高溫度達(dá)到78℃，且覆蓋面積較大，說明成型內(nèi)孔的模仁鑲件溫度太高，明顯高于成型條件工藝設(shè)置的模具溫度60℃，所以模具冷卻需要更長的時間且不符合工藝要求，因此必須對模仁鑲件部分加強(qiáng)冷卻，對數(shù)值模擬分析系統(tǒng)進(jìn)行修正.

圖8 改進(jìn)方案模具溫度分布

2.3 修正數(shù)值模擬分析系統(tǒng)

由于初始模擬系統(tǒng)在成型內(nèi)孔的模仁鑲件上冷卻能力較差，所以需要在內(nèi)孔增加合適的冷卻水路，但由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可知，內(nèi)孔成型需要兩個互相垂直的模仁鑲件進(jìn)行穿插，再結(jié)合澆注系統(tǒng)，可知要想在動模模仁鑲件上設(shè)置水路且又不阻礙模仁鑲件的內(nèi)孔抽芯，則必須改變產(chǎn)品在模具中的布局，且對澆注系統(tǒng)要進(jìn)行重新設(shè)計修正.在此選取彎管的外圓弧面中間點(diǎn)的地方設(shè)置側(cè)澆口，雖然澆口位置不是最優(yōu)的，但也是非常合理的選擇，重新布置的數(shù)值模擬分析系統(tǒng)如圖6 所示.從圖中可以看出，模具由一模兩腔改為一模四腔，因為改變進(jìn)膠方向后，塑料彎管的垂直內(nèi)孔都朝外，容易設(shè)置模具鑲件進(jìn)行側(cè)抽芯，且互不阻礙，另外塑件內(nèi)孔朝外也給模仁鑲件設(shè)置水路留下空間，圖中采用隔板式冷卻水路給模仁鑲件冷卻，目的是為了不給動模型腔與模仁鑲件的加工制造增加困難.

2.4 修正方案分析結(jié)果

改進(jìn)方案后的熔體流動前沿溫度分布與原方案比較沒有明顯變化，充模過程中熔體仍然保持在熔融狀態(tài)，由于填充流道縮短了，溫差更小了，基本穩(wěn)定在230℃.但塑件澆注系統(tǒng)改變后，會影響熔接痕的形成與分布，圖7 為改進(jìn)方案后塑件熔接痕分布狀況，很容易就可以看出，熔接線由原來塑料彎管的外圓弧面轉(zhuǎn)移到內(nèi)角拐彎處，且處在不明顯的位置，極大程度上改善了產(chǎn)品的美觀，且熔接線的長度也比較小，再結(jié)合對流動前沿溫度的分析，可知產(chǎn)生熔接線的地方溫度高，不但可以保證熔接痕產(chǎn)生的幾率小，而且高溫也會讓熔接痕熔合性好，保證熔接痕使用強(qiáng)度.圖8 為改進(jìn)方案后模具溫度，模具溫度范圍為31.73 ～55.42℃，最高溫度由78℃下降到55.42℃，降幅約22℃，雖然熱負(fù)荷嚴(yán)重的區(qū)域仍然處于產(chǎn)品拐彎處，但是覆蓋面積明顯減小，溫度大大降低，明顯低于設(shè)置的目標(biāo)模具溫度60℃，縮短了冷卻定型時間.從圖中還可以看出，模具型腔的溫度稍有降低但變化不大，主要原因是型腔部分的冷卻系統(tǒng)沒有發(fā)生變化，冷卻效率與原始方案類似.然而型腔與型芯的溫差減小很明顯，對比圖5 與圖8 可知，原先塑料彎管的內(nèi)表面溫度分布為56 ～78℃，外表面約為35℃，型芯型腔的溫差最大達(dá)到43℃，改進(jìn)方案后的產(chǎn)品內(nèi)表面溫度分布為43 ～55℃，外表面約為40℃，型芯型腔的最大溫差為15℃，降低幅度大改善明顯，有利于減小冷熱不均帶來的翹曲變形等其他注塑缺陷.

3 結(jié) 語

最后通過運(yùn)用Moldflow 對產(chǎn)品進(jìn)行充填、保壓、冷卻及變形等數(shù)值模擬分析，獲知產(chǎn)品在成型過程中的各種狀態(tài)符合生產(chǎn)技術(shù)要求，塑料彎管經(jīng)實際模具制造和試模，產(chǎn)品驗收合格，證實了注塑模澆注與冷卻系統(tǒng)建設(shè)方案的合理性.

通過對本課題的研究，發(fā)現(xiàn)獲得數(shù)值模擬數(shù)據(jù)時，如何有效的判別是相當(dāng)重要的，對于本產(chǎn)品澆口的最優(yōu)位置并不適合，未能取得較好的充模效果，但是采用注塑模CAE 技術(shù)，突破了傳統(tǒng)模具設(shè)計方式，改變了重復(fù)試模修模的約束，運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)可以進(jìn)行不限次數(shù)的“試?！狈治?，取得問題所在并加以修正，最終獲取最佳的澆注與冷卻系統(tǒng)建設(shè)方案，大大提高了產(chǎn)品的開發(fā)效率和成型質(zhì)量.

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