基于Moldflow的薄壁注塑件翹曲優(yōu)化分析

王善凱，李 晶，胡激濤，孫曉盼，范曉健

（1.西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安710048；2.惠州市銀寶山新科技有限公司，廣東 惠州516000）

0 引 言

隨著“以塑代鋼，以塑代木”研究的不斷深入，人們對(duì)于塑料制件的要求也越來(lái)越高.注塑件的翹曲變形是影響注塑件質(zhì)量?jī)?yōu)劣的主要因素，而翹曲產(chǎn)生的原因很多.目前，針對(duì)注塑件翹曲變形的研究分析主要是從理論、實(shí)驗(yàn)或者優(yōu)化設(shè)計(jì)方面進(jìn)行翹曲分析［1－4］，文獻(xiàn)［5］通過調(diào)整工藝參數(shù)及優(yōu)化冷卻系統(tǒng)來(lái)減少注塑件的翹曲變形.這些方面的研究往往只是局限于模具機(jī)構(gòu)、塑料材料或工藝參數(shù)等單一因素，而沒有將諸多因素結(jié)合考慮，使得優(yōu)化結(jié)果出現(xiàn)較大偏差.因此，對(duì)注塑件進(jìn)行翹曲綜合因素分析與優(yōu)化，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義.

文中所要分析的對(duì)象為中興品牌的路由器前蓋，前蓋的整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，側(cè)壁四周分布著卡扣和筋結(jié)構(gòu).前蓋一端具有一排圓孔，延伸出薄壁結(jié)構(gòu).路由器前蓋模具為大批量生產(chǎn)模具，采用Auto desk公司的Mold flow軟件對(duì)路由器前蓋的注塑成型過程進(jìn)行分析，找出塑件在注塑成型過程中產(chǎn)生翹曲的原因，并對(duì)其進(jìn)行一定優(yōu)化，可以提高試模的成功率，降低模具生產(chǎn)成本，縮短模具開發(fā)周期.

1 分析前處理

1.1 網(wǎng)格劃分

首先在UG軟件中對(duì)路由器前蓋進(jìn)行三維模型的創(chuàng)建，其三維尺寸為210mm×177mm×18mm.在UG中建模完成后導(dǎo)出x－t格式文件，并導(dǎo)入到cad doctor中進(jìn)行模型修復(fù)與簡(jiǎn)化，將模型中的自由邊修復(fù)，并將一些小的倒角、圓角及字體等特征簡(jiǎn)化.將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入到Moldflow中進(jìn)行注塑成型過程分析.為提高M(jìn)oldflow分析效率，在導(dǎo)入前蓋模型時(shí)選擇雙面網(wǎng)格模型，全局網(wǎng)格邊長(zhǎng)設(shè)置為5mm，其余設(shè)置默認(rèn).由于網(wǎng)格劃分后存在自由邊、縱橫比過大等缺陷，同時(shí)在Moldflow中進(jìn)行翹曲分析時(shí)需要相互匹配率達(dá)到90%以上，最大縱橫比在6～10以內(nèi)，因此為提高M(jìn)oldflow對(duì)模型分析的準(zhǔn)確性，需要使用網(wǎng)格工具對(duì)網(wǎng)格的縱橫比及厚度等問題進(jìn)行修復(fù)，確保網(wǎng)格沒有缺陷.最終的網(wǎng)格劃分統(tǒng)計(jì)情況如表1所示.

表1 網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)信息Table 1 Information of mesh

1.2 澆口位置確定

澆口位置是決定注塑件最終品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一，產(chǎn)品的使用、外觀、設(shè)計(jì)和模具結(jié)構(gòu)等都會(huì)對(duì)澆口位置的選擇產(chǎn)生影響［6］.因此澆口位置選擇的正確與否，將直接影響塑料熔體在注塑模腔中的流動(dòng)情況，對(duì)塑件成型后是否會(huì)產(chǎn)生欠注、熔接痕和翹曲量大小等問題也有很大影響.在Moldflow中，可以通過AMI中的“澆口位置”分析模塊快速準(zhǔn)確分析出塑件的最佳澆口位置，從而提高模具設(shè)計(jì)效率及塑件質(zhì)量.采用AMI中的“澆口位置”分析類型對(duì)前蓋進(jìn)行最佳澆口位置分析，得到的最佳澆口如圖1所示，最佳澆口的設(shè)置區(qū)域?yàn)樯钌珔^(qū)域，其最佳澆口位置在N10858附近.

2 初始分析

2.1 澆注及冷卻系統(tǒng)創(chuàng)建

在產(chǎn)品進(jìn)行成型分析之前需將模型的澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)創(chuàng)建完成，并將分析類型由“澆口位置”改為“冷卻＋填充＋保壓＋翹曲”類型.由澆口位置分析得知最佳澆口位置位于節(jié)點(diǎn)N10858附近，但由于注塑件為路由器前蓋，注塑件表面需要光滑平整，因此在初始方案中澆注系統(tǒng)的澆口采用潛伏式澆口，由手工進(jìn)行創(chuàng)建.由于路由器前蓋結(jié)構(gòu)較為平整，沒有復(fù)雜特征，因此結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，手動(dòng)設(shè)計(jì)冷卻水路，水路數(shù)量為8條，其余設(shè)置默認(rèn).澆注系統(tǒng)及冷卻回路創(chuàng)建結(jié)果如圖2所示.

2.2 初始方案

2.2.1 材料選擇及工藝設(shè)置 路由器的前蓋需要有良好的抗沖擊性能且具有一定的熱穩(wěn)定性.同時(shí)考慮到在填充時(shí)需要一定的流動(dòng)特性，因此注塑材料選擇Chi Mei Corporation的Wonderloy 540型PC＋ABS材料，其中，熔體密度為1.005 6g·cm－3，預(yù)出溫度為95℃，熔體溫度為200～260℃，最大剪切應(yīng)力為0.4MPa，模具溫度為40～70℃.

圖1 最佳澆口位置Fig.1 The best loction of sprue

圖2 澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)Fig.2 Cooling system and pouring system

工藝設(shè)置中，將“注射＋保壓＋冷卻時(shí)間”設(shè)置為“指定30s”，填充控制設(shè)置為注射時(shí)間2s，注射壓力達(dá)到120MPa時(shí)進(jìn)行速度/壓力切換.保壓曲線設(shè)置：首先是6s的100%充填壓力保壓，然后進(jìn)行5s的80%充填壓力保壓，再經(jīng)過4s的60%充填壓力保壓，最后分離翹曲原因.工藝設(shè)置完成后開始注塑成型分析.

2.2.2 結(jié)果分析 分析完成后通過結(jié)果文件查看翹曲量，其結(jié)果如圖3所示.注塑件的翹曲主要發(fā)生在邊角處，所有因素引起的總翹曲量最大為0.416 0mm，而收縮不均和冷卻不均引起的最大翹曲變形量分別為0.424 7mm，0.032 7mm.取向因素所引起的翹曲量為0，由于冷卻及取向因素所引起的翹曲較小，可以忽略不計(jì).

圖3 初始方案翹曲主因分析Fig.3 The warping result of initial solution

3 優(yōu)化分析

3.1 溫度優(yōu)化

在注塑成型過程中，溫度是導(dǎo)致注塑件產(chǎn)生收縮不均的主要原因之一［7］.熔體溫度過低會(huì)使得熔體不易解取向，易于產(chǎn)生翹曲；熔體溫度較高時(shí)，會(huì)因冷卻時(shí)間變長(zhǎng)而增加塑件收縮的機(jī)會(huì)，從而產(chǎn)生翹曲.而對(duì)于模具溫度，增加模具溫度，會(huì)增大塑件的成型收縮率，導(dǎo)致塑件脫模后變形較大；當(dāng)模具溫度過低時(shí)，模具型腔內(nèi)熔體流動(dòng)性變差，容易使塑件出現(xiàn)短射等現(xiàn)象.因此，在一定范圍內(nèi)選取適當(dāng)模具溫度與注塑溫度有助于減小注塑件翹曲變形量［8］.

在Moldflow中，系統(tǒng)推薦Wonderloy 540型PC＋ABS材料的模具溫度范圍為40～70℃，而系統(tǒng)推薦的熔體溫度為200～260℃.按照系統(tǒng)推薦的模具溫度與熔體溫度，選取28組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，模具溫度依次設(shè)置為40℃，50℃，60℃，70℃，注塑溫度依次設(shè)置為200℃，210℃，220℃，230℃，240℃，250℃，260℃.按照上述溫度設(shè)定尋找翹曲變形最小時(shí)的模具溫度與注塑溫度，結(jié)果如表2所示.

表2 不同模具溫度和注塑溫度下的翹曲量Table 2 The warpage of different die temperature and injection temperature mm

對(duì)比表2中的數(shù)據(jù)可以看出，在其他條件完全相同時(shí)，不同模具溫度與注塑溫度的設(shè)置，可導(dǎo)致不同注塑件的翹曲量.對(duì)比分析不同模具溫度與注塑溫度下的翹曲結(jié)果可知，當(dāng)模具溫度和注塑溫度分別在50℃，220℃時(shí)翹曲量最小，為0.411 0mm.翹曲主要是由收縮不均引起的.

3.2 保壓曲線優(yōu)化

在上述優(yōu)化的基礎(chǔ)上繼續(xù)對(duì)保壓曲線進(jìn)行保壓優(yōu)化分析.保壓曲線的優(yōu)化與分析主要是通過調(diào)整保壓曲線，使注塑件的體積收縮率盡可能減小且分布均勻，從而降低由收縮不均引起的翹曲變形［9］.為了使注塑件內(nèi)應(yīng)力最小化，同時(shí)避免發(fā)生縮壁現(xiàn)象，應(yīng)使保壓壓力盡可能低.保壓壓力一般取充填壓力的80%～100%，也可以進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整.

由前面優(yōu)化可知，翹曲在0.411 0mm時(shí)最大鎖模力為440t，注射位置處最大壓力為120MPa.因此對(duì)保壓曲線進(jìn)行如下調(diào)整：將保壓控制由“充填壓力與時(shí)間”改為“保壓壓力與時(shí)間”，先進(jìn)行5s的120MPa壓力保壓，然后進(jìn)行5s的90MPa壓力保壓，再經(jīng)過3s的60MPa壓力保壓，最后經(jīng)過2s的30MPa壓力保壓.保壓曲線調(diào)整后再次分析，其所有因素引起的翹曲變形結(jié)果如圖4所示，總翹曲量最大為0.387 5mm，相對(duì)于溫度優(yōu)化時(shí)翹曲下降明顯.而引起翹曲變形的主要因素還是收縮不均（0.404 7mm），冷卻不均及取向因素所引起的翹曲忽略不計(jì).

3.3 厚度優(yōu)化

在所有影響注塑件翹曲的因素中，除保壓曲線外，對(duì)注塑件翹曲影響最大的是注塑件的壁厚［10］.注塑件厚度的變化，會(huì)直接影響到冷卻時(shí)間、保壓壓力等參數(shù)的變化，從而會(huì)對(duì)注塑件的翹曲產(chǎn)生影響.對(duì)于不同類型的材料，壁厚的增加或降低對(duì)翹曲的影響也不同.對(duì)于結(jié)晶型材料，降低壁厚能夠減小產(chǎn)品收縮率變化，從而能夠降低翹曲；而對(duì)于無(wú)定型材料，增加壁厚能夠增加產(chǎn)品硬度，且能降低翹曲量.因此，在翹曲分析時(shí)合理優(yōu)化產(chǎn)品壁厚能夠最大程度地降低產(chǎn)品翹曲.

路由器前蓋所采用的材料為Chi Mei Corporation的Won derloy 540型PC＋ABS材料，為無(wú)定型材料，因此，在進(jìn)行厚度優(yōu)化時(shí)，可以通過適當(dāng)增加產(chǎn)品厚度來(lái)降低翹曲.由上述翹曲分析可知，翹曲量變化較大區(qū)域主要分布在產(chǎn)品的邊角.通過Mold flow中的網(wǎng)格厚度檢測(cè)可知，網(wǎng)格厚度變化較大的區(qū)域同樣發(fā)生在產(chǎn)品的邊角上，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)考慮到裝配因素，將邊框部分厚度設(shè)置為1.4mm左右.

將厚度變化較大區(qū)域的厚度適度增厚至2.5mm左右，使厚度同其他區(qū)域厚度接近，同時(shí)將邊框部分的厚度增加到1.5mm.厚度優(yōu)化后，繼續(xù)對(duì)翹曲進(jìn)行分析，翹曲變形最大為0.134 7mm，其主要是由收縮不均所引起的（翹曲為0.130 9mm），Z方向上的翹曲由0.364 7mm，降低到0.073 0mm.

3.4 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)是引起注塑件翹曲變形的主要因素.在澆注系統(tǒng)中，澆口位置不當(dāng)、澆口太小或太大都會(huì)使得流長(zhǎng)、流阻過大，而澆道、流道的不合理設(shè)計(jì)也會(huì)使注射壓力提高，同時(shí)高分子易被拉伸或壓擠，殘余應(yīng)力過大，容易發(fā)生翹曲；澆注系統(tǒng)的不合理設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致凸凹模溫差過大，從而產(chǎn)生較大彎曲力矩，使塑件形狀發(fā)生改變，產(chǎn)生翹曲［11］.

圖4 優(yōu)化保壓曲線后翹曲變形量Fig.4 The warpage with the optimized presure maintaining curve

由上述分析優(yōu)化可知，模具凸凹模之間溫差很小，而由冷卻導(dǎo)致的翹曲較小，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足要求，因此，模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化以澆注系統(tǒng)的優(yōu)化為主.首先將潛伏式澆口更改為測(cè)澆口并重新確定澆口位置，其次將流道直徑由原先的8mm，6mm分別減小至6mm，5mm，并將原8mm的流道長(zhǎng)度縮短.澆注系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)束后，分析結(jié)果如圖5所示，翹曲變形縮小至為0.119 0mm，其主要是由收縮不均所引起的（翹曲為0.112 3mm）.

圖5 澆注系統(tǒng)優(yōu)化后的翹曲Fig.5 The warp after optimized the gating system

從上述優(yōu)化的結(jié)果可以看出，注塑件的翹曲變形主要發(fā)生在邊角，且引起注塑件翹曲的主要因素是收縮不均.通過對(duì)注塑件壁厚以及模具溫度、熔體溫度、保壓曲線等工藝參數(shù)的優(yōu)化，注塑件翹曲量已由初始方案的0.416 0mm縮小到0.119 0mm，達(dá)到了路由器模具設(shè)計(jì)所需要求.

3.5 驗(yàn)證

根據(jù)注塑件的質(zhì)量及尺寸，結(jié)合Moldflow模擬分析結(jié)果，在實(shí)際試模中工藝參數(shù)設(shè)置為：模具溫度50℃，模具流道溫度225℃，塑料熔體加熱溫度215～225℃，注塑壓力、時(shí)間以及保壓壓力、時(shí)間按Moldflow分析結(jié)果設(shè)置，開模時(shí)間為5s.試模結(jié)束后，其結(jié)果與Moldflow最終優(yōu)化結(jié)果相似，塑件翹曲變形量較小，完全在允許范圍之內(nèi).整個(gè)試模過程工藝穩(wěn)定，塑件沒有明顯的飛邊、短射及熔接痕等缺陷，完全符合設(shè)計(jì)要求.

4 結(jié) 論

（1）文中利用Moldflow軟件對(duì)路由器前蓋的注塑成型過程進(jìn)行了“冷卻＋填充＋保壓＋翹曲”分析，通過分析路由器前蓋翹曲的產(chǎn)生原因可知，收縮不均及冷卻不均是注塑件產(chǎn)生翹曲的主要因素，而產(chǎn)品厚度以及溫度、保壓曲線的不合理設(shè)置等是注塑件產(chǎn)生收縮不均及冷卻不均的主要原因.

（2）使用Moldflow軟件對(duì)注塑成型過程進(jìn)行分析、優(yōu)化不僅可以有效減少模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的反復(fù)試模、修模過程，做到一次試模成功，同時(shí)還可以縮短模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力.

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