基于CAE技術的注塑法蘭翹曲變形研究

撰文/徐銘辛 呂育儒 張百年

■中原大學工學院機械工程學系

?

基于CAE技術的注塑法蘭翹曲變形研究

撰文/徐銘辛 呂育儒 張百年

■中原大學工學院機械工程學系

基于CAE技術，利用Moldex3D軟件研究不同材料及注塑成型工藝參數(shù)對承插式DN32型法蘭翹曲變形的影響。通過對法蘭的注塑成型工藝過程的數(shù)值模擬，分析了不同料溫、射出壓力及保壓壓力模式等工藝參數(shù)對產(chǎn)品翹曲變形的影響規(guī)律。法蘭；注塑成型；Moldex3D；翹曲變形

注塑成型是重要的塑料制品成型方式，適于大批量生產(chǎn)形狀復雜、尺寸要求精確的塑料制品［1］。計算機輔助工程（CAE）通過建立產(chǎn)品模型網(wǎng)格、設定成型參數(shù)，以計算機數(shù)值方法進行模擬測試，預測產(chǎn)品性能，并尋找最佳成型參數(shù)。注塑工藝參數(shù)的設定對制件的翹曲變形有著直接的影響［2］。

翹曲是注塑件變形的重要特征之一。曹雄剛［3］研究了注射時間、熔膠溫度、保壓壓力、保壓時間、冷卻時間等工藝參數(shù)對塑料齒輪翹曲變形的影響。朱宏峰［4］指出翹曲變形主要由收縮不均、冷卻不均、取向效應所導致。

注塑法蘭的翹曲變形問題會影響法蘭的形狀精度和表面質量。法蘭在接合面有較高的平坦度要求；翹曲變形還會影響到法蘭孔位排列的真圓度。不良的平坦度與真圓度可能會導致法蘭的應力集中。此研究針對不同料溫、不同注塑壓力和保壓壓力模式等成型參數(shù)的模擬結果進行比較，并找出最佳成型參數(shù)。

產(chǎn)品結構分析與工藝參數(shù)

本研究選用DN32 mm型承插式注塑成型法蘭件。本文使用Creo Parametric 軟件進行法蘭件的結構設計，導入Moldex3D Designer建立實體三維網(wǎng)格模型。該法蘭采用四澆口設計，澆口分布于法蘭螺孔中間位置，澆口尺寸為3 mm × 5 mm針點澆口，冷卻水管為6條平行水管，分布于零件上部及下部。建立的三維網(wǎng)格模型元素個數(shù)為175419個，模穴體積為199.146 mL。

圖1　注塑成型三維模型

探究注塑成型工藝參數(shù)對注塑成型法蘭產(chǎn)品翹曲變形的影響是基于A.Schulman公司生產(chǎn)的Polyman HH 型ABS材料。根據(jù)材料特性，本研究設定在空氣溫度25 ℃、模具溫度60℃、充填時間4.2 sec、開模時間5 sec、頂出溫度108.8 ℃下進行。

注塑成型工藝參數(shù)如表1所示。

為考察不同注塑成型工藝參數(shù)對于注塑成型法蘭產(chǎn)品翹曲變形的影響，在不同注塑成型工藝參數(shù)下，對零件注塑成型過程中充填、保壓、翹曲變形進行分析。

注塑成型分析結果與討論

在不同的注塑成型參數(shù)下，基于空氣溫度25℃、模具溫度60℃、充填時間4.2 sec、開模時間5 sec、頂出溫度108.8℃，產(chǎn)品的X/Y/Z方向位移、總位移、體積收縮率及平坦度量測結果如表2、表3、表4、表5所示。

對照組的參數(shù)為料溫235℃、注塑壓力70%（一段式）、保壓壓力（參照充填結束壓力）70.3%（9.9 sec時）、56.2%（13.2 sec時）、45.0%（16.5 sec時）。對照組的翹曲變形分析結果如表2所示。

當料溫設定為210℃及260℃時，翹曲變形分析結果如表3所示。當料溫為210℃時可以獲得最小的位移，在此溫度下，體積收縮率和平坦度均為最佳。根據(jù)材料的黏度圖及P-ν-T圖，可以發(fā)現(xiàn)該材料在210℃下有較高的黏度及較小的比容。

通過充填結果及保壓結果可以發(fā)現(xiàn)，料溫為210℃時的固化層的厚度比對照組及料溫260℃時的固化層厚度厚，這意味著在低料溫時固化程度較高。固化比例增加會減少流動路徑的截面積，同時也會增加流動阻力和澆口壓力及分子配向性等，但產(chǎn)品頂出后中心溫度較低，溫度差異較小，其冷卻較為平衡，收縮也較為均衡，因此在210℃的料溫下，產(chǎn)品的翹曲變形結果較佳。此外，ABS材料在料溫過高時容易分解，因此料溫不宜設定過高。

當注塑壓力由一段式70%變更為三段式40%-70%-100%及三段式100%-70%-40%，轉變時間分別為25%和50%。翹曲變形分析結果如表4所示。當注塑壓力為一段式70%時可以獲得最佳結果，根據(jù)進澆口壓力及鎖模力數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)熔膠將在0.81 s，約20%時間下通過澆口進入模穴。在初始低注塑壓力模式下，注塑流動速率受到影響，流道位置將產(chǎn)生較厚的固化層，使流動管路變得狹窄。在三段式初始高注塑壓力模式下，澆口處的高注塑速度易導致噴射流和高剪切力。

保壓壓力由三段式70.3%-56.2%-45.0%并參照充填結束壓力變更為一段式100%并分別參照充填結束和參照設備壓力上限。翹曲變形分析結果如表5所示。在保壓壓力為一段式100%并參照機器壓力上限時獲得最佳結果。

不足的保壓壓力或時間會導致補償收縮作用較小，從而可能使產(chǎn)品表面產(chǎn)生縮凹。雖然在較大的保壓壓力下一般會減少體積收縮，但是也需要較高的夾模力，也可能產(chǎn)生高殘留應力。

結論

本文基于CAE技術，利用Moldex3D軟件研究了注塑成型工藝參數(shù)對承插式DN32型法蘭翹曲變形的影響，考察了零件翹曲變形隨料溫、注塑壓力及保壓壓力等注塑成型工藝參數(shù)的變化。

對于該ABS承插式DN32型法蘭，料溫、注塑壓力及注塑壓力等工藝參數(shù)對產(chǎn)品的翹曲變形具有顯著影響。其中，料溫及保壓壓力模式對翹曲變形影響較為顯著。

產(chǎn)品的翹曲變形與其注塑壓縮參數(shù)的原理有關。一方面料溫影響熔膠的流動性、固化程度等；另一方面注塑壓力要考慮到材料的流動性以及產(chǎn)品的物性等，高速注塑還需考慮由于摩擦而產(chǎn)生的剪切熱；此外，通常保壓壓力越大，產(chǎn)品的體積收縮率越小，但需要考慮到機臺需要有較大的夾模力，還應避免產(chǎn)生高殘留應力。

表1 注塑成型工藝參數(shù)

表2 對照組翹曲變形分析結果（最大位移）

表3 不同料溫的翹曲變形分析結果（最大位移）

表4 不同注塑壓力模式的翹曲變形分析結果（最大位移）

表5 不同保壓壓力模式的翹曲變形分析結果（最大位移）

參考：

［1］王利霞，余曉容，申長雨.CAE技術在注塑成型中的應用［J］.化工進展，2004，23（3）：260

［2］孫普，李永泉，李峰.注塑成型工藝參數(shù)對汽車保險杠翹曲變形的影響研究［J］.塑料工業(yè)，2011，39（5）：49

［3］曹雄剛.基于模具CAE技術的塑料齒輪注射成型工藝參數(shù)的優(yōu)化研究［D］.甘肅：蘭州理工大學，2007：38-52

［4］朱宏峰.隨形冷卻對注塑成型制品翹曲變形影響研究［D］.江西：南昌大學，2014：11