基于Moldflow的薄壁深腔類塑件注塑成型過程研究

湯陸文 盧廣彬

【摘要】薄壁深腔類塑件具有尺寸大、壁厚薄，容易出現(xiàn)充填不均，翹曲變形等缺陷。本文借助Moldflow仿真軟件，對(duì)薄壁深腔塑件注塑的全過程進(jìn)行模擬分析。通過流動(dòng)阻力分析，充型流動(dòng)性分析和冷卻過程中的翹曲分析，從而得出得出最優(yōu)的充型壓力和充型保壓時(shí)間，最理想的澆口設(shè)置位置，對(duì)模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及注射成型相關(guān)工藝參數(shù)的設(shè)置提供了重要的依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】Moldflow，薄壁深腔塑件，注射成型

實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)塑件的生產(chǎn)，是以先進(jìn)的模具、高效的設(shè)備以及合理的加工工藝為前提的[1]。其中，塑料模具對(duì)實(shí)現(xiàn)塑料成型工藝要求、保證塑件質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本起著至關(guān)重要的作用。一副質(zhì)量?jī)?yōu)良的塑料模具可成型幾十萬(wàn)次，甚至上百萬(wàn)次，具有優(yōu)良的使用性能和較長(zhǎng)的壽命。傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)，主要依賴于模具設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)與直覺，通過多次的試模和改進(jìn)方能得到優(yōu)良模具，對(duì)工作人員要求較高且生產(chǎn)周期長(zhǎng)。如今，隨著越來越多的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件被研發(fā)出來并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，模具設(shè)計(jì)變得越來越簡(jiǎn)便而快捷。其中，Autodesk Moldflow仿真軟件是較為成熟的應(yīng)用于注射模具設(shè)計(jì)的CAE軟件之一。該軟件的強(qiáng)大之處在于能通過計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，模擬注塑的全過程，進(jìn)行分析預(yù)測(cè)實(shí)際加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)的缺陷，提前在模具加工之前得到最優(yōu)的制品設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)模具周期且能保證模具的質(zhì)量，用以增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力[2]。

冷凍室用的冰箱果蔬籃，不但要滿足外觀透明、光滑且薄，而且要求在低溫受載荷時(shí)不得出現(xiàn)裂紋和變脆等現(xiàn)象。因此，對(duì)注塑成型過程提出較高的工藝要求。之前的生產(chǎn)工藝是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)與制造，但是由于產(chǎn)品開發(fā)周期縮短和品質(zhì)要求的提高，這種方式已不適合目前社會(huì)的發(fā)展需要?，F(xiàn)在采用Moldflow軟件對(duì)塑件的充模、冷卻、流動(dòng)等行為進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，從而達(dá)到利用結(jié)果指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)和選取成型參數(shù)的效果。

1、塑件分析

冰箱果蔬籃是一個(gè)透明塑料件，形狀尺寸長(zhǎng)×寬×高=340mm×180mm×190mm，壁厚為3mm，通過pro/e軟件對(duì)其進(jìn)行三維建模，結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。從外形上進(jìn)行分析可知，該塑料產(chǎn)品的特點(diǎn)是薄壁深腔，且尺寸較大，對(duì)充型塑料的流動(dòng)性要求較高，而且還要求具有光滑漂亮的外觀質(zhì)量。

從使用要求上分析，該產(chǎn)品主要用于低溫的冰箱環(huán)境，要能夠在低溫下有一定的強(qiáng)度和剛度，可以作為承載容器使用，不能在低溫載荷時(shí)出現(xiàn)裂紋和變脆等現(xiàn)象。結(jié)合以上各因素綜合考慮，決定選用聚苯乙烯PS塑料作為成型材料。

聚苯乙烯是苯乙烯的聚合物，縮寫代號(hào)是PS，是五大通用塑料之一。它具有價(jià)格低、模塑性好、易著色、剛度高、吸濕性小等優(yōu)點(diǎn)，它透光率高于88%，霧度大概3%，折射率較大，在1.59～1.60之間，具有特殊光亮性[3]。

為了提高生產(chǎn)效率，在保證塑件的成型質(zhì)量，且能縮短成型周期，本次設(shè)計(jì)會(huì)借助Moldflow軟件，通過對(duì)產(chǎn)品的澆口位置分析、流動(dòng)分析、翹曲分析，從而達(dá)到采用先進(jìn)技術(shù)指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)與制造的效果。

2、網(wǎng)格的劃分與處理

在利用CAE軟件進(jìn)行模擬分析前，需要對(duì)塑料產(chǎn)品離散化，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這樣才能進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算模擬[4]。通過安裝Moldflow Design link2010插件，將圖1.1的Pro/E三維建模直接導(dǎo)入Moldflow軟件中，之后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的劃分與處理是模流分析最重要、最復(fù)雜的環(huán)節(jié)，且網(wǎng)格的劃分的質(zhì)量將會(huì)影響到后續(xù)的分析的準(zhǔn)確度，因此需要進(jìn)行多次的反復(fù)修改。此次塑件的分析網(wǎng)格類型選擇模流分析最常用的雙層面，它創(chuàng)建在模型的上下兩個(gè)表層上。從軟件使用可知?jiǎng)澐值木W(wǎng)格邊長(zhǎng)越小分析就越精確，但是分析的計(jì)算量就會(huì)大大增加，延長(zhǎng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算的時(shí)間。經(jīng)過網(wǎng)格劃分、診斷、修復(fù)最終得到網(wǎng)格模型如圖1.4所示。

3、塑件的澆口位置分析

最佳澆口位置是采用Moldflow軟件澆口位置分析模塊進(jìn)行模擬分析，可以通過軟件簡(jiǎn)單明了的數(shù)據(jù)圖得到澆口位置的信息，避免因選擇澆口位置不當(dāng)，而導(dǎo)致塑件的注塑質(zhì)量不好，嚴(yán)重可能注塑不成形。此次用澆口位置分析模塊，結(jié)果如圖3.1和圖3.2所示，軟件規(guī)定藍(lán)色區(qū)域?yàn)樽罴褲部谖恢?，紅色區(qū)域?yàn)樽畈钗恢?，則從圖可以看出塑件的最佳澆口位置即藍(lán)色區(qū)域在底部的幾何中心處附近。

4、塑件流動(dòng)及翹曲模擬分析

分析塑件流動(dòng)前，首先要對(duì)塑件的材料進(jìn)行選擇，而Moldflow提供豐富材料庫(kù)，方便設(shè)計(jì)者的選擇，此次對(duì)冰箱果蔬籃的材料，我選擇牌號(hào)是PS Generic Estimates，制造商是CMOLD Generic Estimates。接著是通過Moldflow的成型窗口，對(duì)塑件注射時(shí)0間的初步的確定。分析結(jié)果出來后，可以通過材料推薦工藝可知模具溫度是50℃，熔體溫度是230℃，以此為依據(jù)，修改分析結(jié)果的屬性，可以得到最低前沿溫度和質(zhì)量（成型窗口）：XY圖，如圖4.1與圖4.2所示。由圖中數(shù)據(jù)可知，塑料熔體充滿整個(gè)型腔并達(dá)到所需質(zhì)量要求需要的時(shí)間約為2.7s，在此期間，塑料熔體前鋒的料流最低溫度則保持在210～250℃之間，說明在該時(shí)間段內(nèi)，前鋒冷料的溫度比較高，不會(huì)影響塑料熔體的充型流動(dòng)。

與注射時(shí)間有比較大關(guān)系的還有塑料熔體的最大剪切速率和最大剪切應(yīng)力，從分析得到圖4.3和圖4.4。從圖中可以看到，初始時(shí)塑料熔體的剪切速率隨著注射時(shí)間的延長(zhǎng)而劇減，過了2.5s后逐漸趨于平緩，說明熔體的粘度會(huì)隨著注射時(shí)間的增加而增大；而熔體的剪切應(yīng)力在初始時(shí)也是劇減，在3s左右達(dá)到最小值，隨后又逐漸增大。

綜上所述，再結(jié)合型腔的補(bǔ)縮等因素，初步選擇注射時(shí)間為2.7s。再綜合考慮到注射機(jī)的最大注射速率，此時(shí)塑件的注射速率為=（網(wǎng)格體積）/（注射時(shí)間）=842.664cm3/2.7s=312.097（cm3/s）。此時(shí)流道的體積為4.4766cm3，熔體流過需要的時(shí)間整合取0.1s。所以最終選定的注射時(shí)間為2.8s。

5、流動(dòng)分析結(jié)果

1）充填時(shí)間分析

塑件充填時(shí)間的分析結(jié)果如圖3.13，可以看出塑件完全充填時(shí)間是2.959s，符合之前的2.8s相差0.5s的準(zhǔn)則，所以是合理的。

2）氣穴分析

氣穴分析結(jié)果如圖3.14所示，氣穴大部分分布在分型面附近，容易排氣，故符合要求。

3）熔接痕

熔接痕是在塑件表面的一種線狀痕跡，是由于熔體在型腔內(nèi)若干股流料在模具中分流后匯合到一處，熔料在匯合處未能完全熔合，相互間不能熔接為一個(gè)整體，造成熔合痕跡，從而影響塑件的表面質(zhì)量和受力強(qiáng)度。從形成熔接痕的原因出發(fā)，要減少熔接痕，就要降低注射中熔體出現(xiàn)“分流后匯合”的可能性。從分析結(jié)果圖3.15可知，把手那有一條熔接痕，是因?yàn)閮商幦垠w相交匯處，處在把手的中間，在塑件使用時(shí)受力不大，此處的熔接痕不影響塑件的使用，符合設(shè)計(jì)要求。

4）翹曲分析

翹曲分析結(jié)果如圖3.16，翹曲變形最大值是1.313mm，而X方向變形為0.8436mm，Y方向變形為0.5229mm，Z方向變形為1.279mm，符合要求。

以上是塑件流動(dòng)翹曲部分的分析結(jié)果，由圖片中可以看出，塑件的設(shè)計(jì)總體符合生產(chǎn)的要求。

6、結(jié)論

通過Moldflow軟件，對(duì)薄壁深腔塑件的注塑成型過程進(jìn)行了流動(dòng)阻力分析，充型流動(dòng)性分析和翹曲分析，從而得出得出最優(yōu)的充型壓力和充型保壓時(shí)間，最理想的澆口設(shè)置位置，對(duì)模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及注射成型相關(guān)工藝參數(shù)的設(shè)置提供了重要的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]俞芙芳.塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社，2011.

[2]孫麗娟，邢東仕，黃專，林礪宗.Moldflow在注射模設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].模具工業(yè)，2010，36（3）：41-44.

[3]羅河勝.塑料材料手冊(cè)[K].廣東科技出版社，2010.

[4]單巖，王蓓，王剛.Moldflow模具分析技術(shù)基礎(chǔ)[M].清華大學(xué)出版社，2006.

作者簡(jiǎn)介

湯陸文（1985-），女，漢族，籍貫?zāi)系ぃ瑥V西桂林人，桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院，助教，主要研究方向：材料成型與控制工程。