殼體注塑成型數(shù)值模擬及工藝研究

韓　瑩，王承志，黃　勇，杜曉明，張　景

(1.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 10159　2.煙臺(tái)南山學(xué)院，山東 煙臺(tái) 265713)

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殼體注塑成型數(shù)值模擬及工藝研究

韓瑩1，王承志2，黃勇1，杜曉明1，張景1

(1.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 101592.煙臺(tái)南山學(xué)院，山東 煙臺(tái) 265713)

摘要：以Moldfow模擬軟件為分析平臺(tái)，研究增強(qiáng)PA66交流接觸器殼體注塑工藝。通過填充，保壓等過程的仿真模擬，針對(duì)殼體的縮痕，翹曲等缺陷，運(yùn)用正交試驗(yàn)法優(yōu)化出最佳的注塑工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)并制造出殼體注塑模具，并通過生產(chǎn)實(shí)踐得到了合格的殼體產(chǎn)品，證明了模擬結(jié)果的正確性且可以應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。

關(guān)鍵詞：注塑成型；數(shù)值模擬；殼體；模具設(shè)計(jì)；工藝參數(shù)

玻璃纖維增強(qiáng)PA66與標(biāo)準(zhǔn)材料相比，具有高達(dá)兩倍的耐沖擊性，可進(jìn)行注塑成型加工，適用于復(fù)雜形狀和薄壁制件的注塑成型。注塑成型作為一種重要的塑料加工方法，能以較短的生產(chǎn)周期、自動(dòng)化的生產(chǎn)方式生產(chǎn)出尺寸精確和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的塑料產(chǎn)品[1]。經(jīng)過注塑加工出來的塑料制品可廣泛用于電子、醫(yī)療器材、汽車等行業(yè)。殼體是交流接觸器的主要部件，交流接觸器的使用環(huán)境對(duì)零件的力學(xué)性能有較高的要求，注射工藝要求較高，技術(shù)難度較大，因此采用數(shù)值模擬對(duì)殼體注塑模具設(shè)計(jì)及工藝進(jìn)行研究[2]。近年來對(duì)注塑成型數(shù)值模擬的研究已取得了一定的進(jìn)展，主要集中在PA、PP、ABS的成型工藝及翹曲缺陷分析上，本次研究運(yùn)用數(shù)值模擬改進(jìn)了澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并且通過對(duì)從溫度分布、收縮率、壁上剪切應(yīng)力等指標(biāo)的優(yōu)化，減少縮痕、翹曲等缺陷，科學(xué)而有效地提高了零件的成品率[3]。

1殼體澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及填充模擬

1.1殼體零件的3D模型

用UG作為設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)殼體產(chǎn)品進(jìn)行3D建模，以Moldflow作為分析平臺(tái)對(duì)注塑過程進(jìn)行仿真模擬，對(duì)填充過程、翹曲、溫度變化等進(jìn)行數(shù)值模擬分析，再對(duì)注塑過程中的工藝參數(shù)如溫度、壓力等做進(jìn)一步的研究。圖1為殼體產(chǎn)品3D造型圖。

圖1　殼體產(chǎn)品3D造型圖

殼體零件的外形尺寸為80.48mm×74.64mm×113.55mm，最薄壁厚為2.01mm，最厚為4.39mm，計(jì)算總重量為：115.86g，材料為PA66，收縮范圍大，取向性明顯，所以注塑模具溫度、注射時(shí)間、保壓時(shí)間等參數(shù)對(duì)殼體件的收縮率、凹痕、變形、縮孔等都有較大的影響[4]。

1.2殼體澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

殼體注塑成型選用CJ320型臥式注塑機(jī)，根據(jù)產(chǎn)量及產(chǎn)品特征設(shè)計(jì)為一模一腔。交流接觸器殼體屬于深腔注塑件，選用的玻璃纖維增強(qiáng)PA66材料黏度較大，因此首先選擇為進(jìn)料速度快，傳遞壓力較好的主流道型澆口，但由于零件外觀要求較高，而主流道澆口加工難度較大，且采用主流道+點(diǎn)澆口的澆注系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致澆口壓力過大，綜上多種因素，采用多點(diǎn)進(jìn)澆方案，根據(jù)殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)置了4條分流道，對(duì)應(yīng)4個(gè)點(diǎn)澆口，如圖2所示。

圖2　殼體澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

這種設(shè)計(jì)既采用了易于分離的點(diǎn)澆口，又有效地分散了澆口的壓力，而且為避免澆口壓力過大導(dǎo)致周圍壁上剪切應(yīng)力增大的情況，相應(yīng)擴(kuò)大主流道和澆口的橫截面[5]。通過多次填充模擬實(shí)驗(yàn)，最終選定澆注系統(tǒng)尺寸為：主流道橫截面直徑5.1～11mm，分流道橫截面直徑為7.1～3.2mm，點(diǎn)澆口橫截面直徑為1.1mm，長度為1.8mm。

1.3網(wǎng)格劃分及預(yù)填充模擬

在模擬之前，首先對(duì)模型進(jìn)行前處理，包括3D造型的完善和修復(fù)以及網(wǎng)格的劃分及修復(fù)，如圖3所示。

圖3　殼體網(wǎng)格劃分圖

圖中網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：

三角形單元：66882；連接節(jié)點(diǎn)：33415；表面積：874.968cm2；體積：108.307cm3；縱橫比：最大27.0，平均1.68，最小1.15；匹配百分比：91.0%；相互百分比：90.8%。

圖4為設(shè)計(jì)注塑工藝下的充填-保壓-翹曲分析結(jié)果。

(a)填充時(shí)間

(b)填充末端總體溫度

(c)翹曲形變

由填充時(shí)間結(jié)果(圖4a)可見，澆注系統(tǒng)具有良好的平衡性。但填充末端總體溫度差較大，達(dá)到42.5℃，并且分布不均勻，澆口附近溫度較高。體積收縮率在填充結(jié)束時(shí)的最大值為9.902%，經(jīng)過保壓后最大值達(dá)到8.343%，將導(dǎo)致零件有較大的形變和縮痕指數(shù)。翹曲最大值為0.6186mm，分布位置如圖4c所示，其中由于收縮不均造成的形變達(dá)到0.6063mm，由纖維取向造成的形變達(dá)到0.3523mm。厚壁位置縮痕指數(shù)較大，易產(chǎn)生縮孔和凹痕。這些缺陷都是導(dǎo)致制品的尺寸穩(wěn)定性差，沖擊強(qiáng)度下降，影響零件的精度和使用壽命的原因。因此需要通過數(shù)值模擬改進(jìn)工藝，提高零件產(chǎn)品的品質(zhì)特性。

2殼體數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化

2.1正交模擬試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

PA66屬于結(jié)晶性料，熔點(diǎn)較高，熔融溫度范圍狹窄，成型收縮率大，取向性明顯，易發(fā)生縮孔，凹痕和變形等缺陷，成型條件應(yīng)穩(wěn)定在20～90℃。具體溫度按壁厚選擇，低模溫易產(chǎn)生縮孔和結(jié)晶度低等現(xiàn)象，料溫高則收縮大，易出飛邊。注射壓力依注射機(jī)類型、料溫、零件尺寸，澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而變化。注射壓力高則易出現(xiàn)飛邊，取向性強(qiáng)，收縮小，注射壓力低易發(fā)生凹痕、波紋等缺陷，注射時(shí)間及高壓時(shí)間對(duì)塑件收縮率、凹痕、變形、縮孔等影響較大[6]。

玻璃纖維的含量直接影響制品的力學(xué)性能，玻璃纖維增強(qiáng)的PA66具有絕緣性好、抗腐蝕性好、耐熱性強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。但也存在脆性高、耐磨性較差的缺點(diǎn)，而且當(dāng)玻璃纖維用量過高時(shí)，也會(huì)引起浸潤和料液流動(dòng)不良等問題。因此，玻璃纖維的用量一般不宜超過30%[7]。

表1為針對(duì)PA66的性能及殼體零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的變量及因數(shù)水平。

表1　正交試驗(yàn)變量及因數(shù)水平

為了使殼體產(chǎn)品的質(zhì)量及穩(wěn)健性得到提高，同時(shí)提高實(shí)驗(yàn)效率，采用田口方法來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，不僅減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，而且將干擾因子的影響降到最小。表2是為滿足7因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的L19(318)正交表[8]。

表2　L(318)正交表

2.2模擬結(jié)果及分析

對(duì)以上18組工藝參數(shù)進(jìn)行充填—保壓分析，模擬結(jié)果見表3。填充末端溫度(bulk temperature)用來表示填充時(shí)殼體壁上整體溫度分布，成型周期間的溫度分布不僅與填充時(shí)間和位置有關(guān)，也與成型周期間的壁厚有關(guān)[9]?？傮w溫度分布也是檢查流量分配的標(biāo)準(zhǔn)之一，熔體流動(dòng)速率較大的部位通常具有較高的溫度，熔體流動(dòng)緩慢的部位溫度會(huì)有明顯的下降，因此大的溫度差異會(huì)引起收縮不均和翹曲?？s痕指數(shù)表示縮孔和凹痕可能存在的位置和嚴(yán)重程度，體積收縮率顯示了每個(gè)區(qū)域的收縮體積與原始體積的比例，過高的體積收縮率可導(dǎo)致縮孔，而差異過大則會(huì)導(dǎo)致翹曲[10]。填充時(shí)壁上剪切應(yīng)力過高則會(huì)造成內(nèi)部纖維取消性強(qiáng)烈，導(dǎo)致零件成型后沖擊強(qiáng)度下降。

表3　模擬結(jié)果

模擬試驗(yàn)結(jié)果可分成充填、保壓兩個(gè)階段來分析。

2.2.1充填階段結(jié)果分析

表4為充填階段熔體溫度、模具溫度、注射時(shí)間、玻纖含量對(duì)各質(zhì)量指標(biāo)的因數(shù)反應(yīng)。

表4充填階段變量因數(shù)反應(yīng)

由上述因數(shù)反應(yīng)，可得

表5　注塑工藝參數(shù)1

對(duì)于不同指標(biāo)的優(yōu)化工藝參數(shù)有所差異，為了使質(zhì)量損失降到最小，可以計(jì)算各因數(shù)的因子效應(yīng)，因子效應(yīng)代表一個(gè)因子對(duì)指標(biāo)影響的強(qiáng)弱，因子效應(yīng)越大，表示對(duì)指標(biāo)的影響越大[11](表6)。

表6　充填階段變量因子效應(yīng)

通過對(duì)變量的篩選，擬定了表7中的4組方案。

表7　注塑工藝參數(shù)2

將以上方案進(jìn)行模擬分析，運(yùn)用田口方法中的信噪比(S/N)[12]計(jì)算，進(jìn)一步確定最佳的方案。望小特性的算法如下，其中yi為試驗(yàn)結(jié)果，n為試驗(yàn)次數(shù)，S/N值越大，品質(zhì)特性越高。

通過分析和計(jì)算得到，熔體溫度275℃，模具溫度75℃，注射時(shí)間1.5s，玻纖含量30%，信噪比達(dá)到最大值-38.65.

2.2.2保壓階段結(jié)果分析

表8是保壓時(shí)間、保壓壓力、冷卻時(shí)間對(duì)縮痕指數(shù)和體積收縮率的因數(shù)反應(yīng)。

表8　保壓階段變量因數(shù)反應(yīng)　%

分析得出保壓冷卻階段的因子效應(yīng)，如表9所示。

表9　保壓階段變量因子效應(yīng)　%

與充填階段不同，保壓階段可按照不同的需求設(shè)定不同的保壓曲線，通過上述結(jié)果，設(shè)計(jì)如圖5的保壓曲線[13]，既有效的降低了體積收縮率及縮痕指數(shù)，又避免了過保壓現(xiàn)象。

圖5　保壓曲線

2.3優(yōu)化工藝參數(shù)模擬結(jié)果

將確定的參數(shù)及保壓曲線用于充填-保壓-翹曲模擬，與設(shè)計(jì)工藝進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6～圖9所示。

(a)原定工藝

(b)優(yōu)化工藝

由圖6的填充末端總體溫度結(jié)果來看，優(yōu)化工藝不僅降低了溫度差值，而且使溫度分布更加均勻。

圖7是優(yōu)化工藝減小體積收縮率的結(jié)果。

(a)原定工藝

(b)優(yōu)化工藝

優(yōu)化工藝將原定工藝在填充結(jié)束時(shí)的最大體積收縮率由9.902%降低到了9.256%保壓結(jié)束時(shí)最大體積收縮率由8.343%降低到7.8034%，有效減小了零件出現(xiàn)縮孔，凹痕的程度。

圖8是優(yōu)化前后縮痕指數(shù)的對(duì)比。

(a)原定工藝

(b)優(yōu)化工藝

圖9是翹曲分析結(jié)果，通過對(duì)填充末端總體溫度以及體積收縮率的控制，優(yōu)化后的工藝也有效減小了因收縮不均和纖維取向造成的翹曲形變。

(a)原定工藝

(b)優(yōu)化工藝

整體形變量由0.6186mm降低到0.5716mm，其中收縮不均引起的形變量由0.6063mm降低到0.6762mm，纖維取向不均造成的形變量由0.3523mm降低到0.3473mm。

綜上所述，優(yōu)化工藝模擬結(jié)果將設(shè)計(jì)工藝下的填充末端總體溫度差降低了22.4%，體積收縮率降低了6.5%，縮痕指數(shù)降低了33%，翹曲變形降低了7.8%，其中由收縮不均引起的形變降低5.0%，纖維取向造成的形變降低1.4%。

2.4生產(chǎn)驗(yàn)證

澆注系統(tǒng)的優(yōu)化方案應(yīng)用于模具設(shè)計(jì)，并制造出殼體注塑模具，按照模擬優(yōu)化的注塑工藝參數(shù)進(jìn)行試模，注塑機(jī)采用CJ320型，材料選用30%玻璃纖維填充PA66，生產(chǎn)出合格的殼體產(chǎn)品，如圖10所示。

圖10　生產(chǎn)出的殼體產(chǎn)品

3結(jié)論

(1)根據(jù)殼體零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及生產(chǎn)需求設(shè)計(jì)了殼體注塑澆注系統(tǒng)，通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了其模具設(shè)計(jì)的合理性，并成功設(shè)計(jì)制造出殼體注塑模具。

(2)通過正交實(shí)驗(yàn)數(shù)值模擬確定出注塑工藝參數(shù)為：熔體溫度275℃、模具溫度70℃、注射時(shí)間為1.5s，并設(shè)計(jì)了合理的保壓曲線。

(3)通過生產(chǎn)驗(yàn)證，模擬出的優(yōu)化工藝參數(shù)可以得到合格的殼體產(chǎn)品，證明數(shù)值模擬可以應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中。

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

Numerical Simulation and Process Study of Shell Injection Molding

HAN Ying，WANG Chengzhi,HUANG Yong，DU Xiaoming，ZHANG Jing

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Abstract：The designing of injection mold and the optimizations for process parameters of GF PA66 AC contactor shell were provided by the numerical simulation analysis on filling,packing and warpage,on the platform of Moldflow.The injection mold was designed and prepared,deriving the optimum process referring to the result of numerical simulation,finally acquiring the qualified product through productive practice，which verified the correctness of simulation results.

Key words：injection molding;numerical simulation;shell;mold design;process parameters

中圖分類號(hào)：TB324

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-1251(2016)01-0050-08

作者簡(jiǎn)介：韓瑩(1988—)，女，碩士研究生；通訊作者：黃勇(1959—)，男，教授，研究方向：半固態(tài)成型、注塑成型數(shù)值模擬。

收稿日期：2014-11-14