基于MOLDFLOW的組合模流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

趙會(huì)娟，劉　波，李秀副，任艷霞，唐光胤

(濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院　機(jī)電工程系，河南　濟(jì)源　459000)

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基于MOLDFLOW的組合模流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

趙會(huì)娟，劉波，李秀副，任艷霞，唐光胤

(濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，河南濟(jì)源459000)

摘要：為兩個(gè)形狀近似的塑件創(chuàng)建了Moldflow雙層面分析模型，通過(guò)澆口位置分析選定澆口位置，根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生產(chǎn)要求設(shè)計(jì)了型腔布局和三種流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)成型窗口分析確定成型工藝參數(shù)，通過(guò)流動(dòng)+翹曲分析比較三種方案成型塑件質(zhì)量的優(yōu)劣并確定出最優(yōu)方案。該方法提高了塑件質(zhì)量，縮短了試模時(shí)間，節(jié)省了試模成本。

關(guān)鍵詞：Moldflow;組合模;流道系統(tǒng)

Moldflow是塑料成型CAE分析軟件的典型代表之一，可以模擬塑料熔體在注塑成型過(guò)程中的流動(dòng)、 保壓和冷卻過(guò)程，而且能夠定量地計(jì)算出成型工藝參數(shù)、澆口位置及尺寸、流道尺寸等對(duì)因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響[1]，預(yù)測(cè)出熔體填充、保壓、冷卻過(guò)程中塑件各處的壓力、溫度、應(yīng)力分布、纖維取向、收縮率和翹曲變形等情況， 以便設(shè)計(jì)者盡早發(fā)現(xiàn)問題， 及時(shí)修改塑件或模具設(shè)計(jì)， 以免試模后再返修模具[2]，這不僅能降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更縮短模具開發(fā)周期，增加企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。CAE分析已成為產(chǎn)品開發(fā)和模具設(shè)計(jì)的非常重要的輔助手段。下面以一對(duì)形狀近似的塑件為例，介紹利用Moldflow軟件優(yōu)化注射成型工藝參數(shù)和確定流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的過(guò)程。

一、問題的提出

兩個(gè)塑件的3D圖如圖1所示。塑件(a)外形尺寸15.2mm×37.9mm×14.3mm，體積0.56cm3，塑件(b)外形尺寸10.3mm×38.3mm×14mm，體積0.49cm3，兩塑件各處壁厚如圖2所示，最小壁厚0.6mm，最大壁厚1.5mm，塑件外表面要求無(wú)明顯缺陷，前端有配合要求處翹曲變形量不超過(guò)0.10mm，批量生產(chǎn)。成型用的材料為GEPlastics(USA)公司生產(chǎn)的牌號(hào)為CycolacAR的ABS樹脂，其綜合性能較好,沖擊強(qiáng)度較高,化學(xué)穩(wěn)定性,電性能良好，且可表面鍍鉻或噴漆處理。

圖1　塑件3D圖

二者形狀和尺寸相近，配套使用，故考慮將它們放在一副模具中成型。推薦的工藝參數(shù)：模具溫度40～80℃，熔體溫度220～260℃，絕對(duì)最大熔體溫度280℃，頂出溫度108℃，最大剪切應(yīng)力0.3MPa，最大剪切速率50 000/s。

二、分析模型的建立

用UG創(chuàng)建兩塑件的3D模型，另存為igs格式。由于塑件邊緣存在0.2mm的小圓角，這些小圓角結(jié)構(gòu)特征對(duì)分析精度影響不大，但會(huì)使后續(xù)的網(wǎng)格模型有很高的縱橫比，將會(huì)在計(jì)算時(shí)花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，甚至可能會(huì)無(wú)法收斂的問題[3]，所以將塑件的igs模型文件導(dǎo)入CADDoctor中檢查并修復(fù)模型缺陷后應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，去除小圓角之后再次檢查模型無(wú)缺陷后導(dǎo)出為udm格式文件。

圖2　塑件壁厚

將上述udm文件輸入到Moldflow中并劃分Fushion網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長(zhǎng)為1.5mm，對(duì)縱橫比超過(guò)6的網(wǎng)格進(jìn)行修復(fù)后得到的網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示，無(wú)其他缺陷，匹配率93%，達(dá)到分析要求。

圖3　網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)結(jié)果

三、澆口位置分析

在注塑模設(shè)計(jì)中，澆口位置的是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)變量。澆口位置不當(dāng)將會(huì)導(dǎo)致缺料、過(guò)保壓、熔接痕和翹曲變形量過(guò)大等一系列缺陷[4]，因此澆口位置在一定程度上決定了塑件的強(qiáng)度和其它性能。

圖4　最佳澆口位置分析結(jié)果

由于這兩個(gè)塑件外形不規(guī)則，僅依靠經(jīng)驗(yàn)選擇澆口位置很難保證塑件質(zhì)量，Moldflow的澆口位置分析模塊可根據(jù)塑件的材料和形狀尺寸計(jì)算出各位置作為澆口的優(yōu)劣程度，并在分析日志中提供作為最佳澆口位置的節(jié)點(diǎn)值。對(duì)本案例中塑件進(jìn)行最佳澆口位置分析結(jié)果如圖4所示，圖中深藍(lán)色區(qū)域比較適宜作為澆口。

四、型腔布局和流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的確定

1.型腔布局

由于產(chǎn)品尺寸不大，考慮到批量生產(chǎn)要求，決定在模具中采用一模八腔布局，通過(guò)Moldflow的建模/平移復(fù)制得到。由于兩種形狀不同的塑件組合在同一模具中時(shí)，為避免熔體在各型腔內(nèi)充填時(shí)間和壓力不同而在塑件內(nèi)部形成較大的殘余應(yīng)力，提高流動(dòng)平衡性，將體積較大的塑件(a)靠近主流道，塑件(b)放在遠(yuǎn)離主流道的四個(gè)角上。

2.流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)塑件的結(jié)構(gòu)特征和分模的需要，澆口可設(shè)在塑件的頂面或側(cè)面。流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案有三種：

方案一：將澆口設(shè)在頂面如圖4所示最佳澆口位置系數(shù)0.961 9和0.925 7位置處，形式為點(diǎn)澆口，則模具結(jié)構(gòu)應(yīng)為雙分型面三板模。該方案的流道系統(tǒng)利用Moldflow的建模/流道系統(tǒng)向?qū)?chuàng)建，主流道入口直徑4mm，錐度2°，長(zhǎng)60mm，一次和二次分流道直徑4mm，豎流道底部直徑3mm，錐度1°，點(diǎn)澆口始端直徑0.8mm，末端直徑1.5mm，長(zhǎng)2mm。

方案二：將澆口設(shè)在圖4所示最佳澆口位置系數(shù)為0.526 5和0.506 3位置處，形式為側(cè)澆口，采用非平衡式流道系統(tǒng)，則模具結(jié)構(gòu)為單分型面兩板模，流道系統(tǒng)凝料要在開模取出塑件后人工去除。該方案的流道系統(tǒng)由手動(dòng)創(chuàng)建，主流道入口直徑4mm，錐度2°，長(zhǎng)60mm，一次分流道直徑4mm，二次分流道直徑3mm，矩形澆口寬度1.5mm，高度0.8mm，長(zhǎng)2mm。

方案三：由方案二通過(guò)流道平衡分析獲得，是在非平衡式基礎(chǔ)上調(diào)整局部流道尺寸形成的平衡式流道系統(tǒng)。該方案相對(duì)于方案二的主流道和澆口尺寸不變，一次分流道直徑由4mm減小為3.76mm，二次分流道直徑由3mm分別減小為2.88mm(通向成型塑件(a)的四個(gè)型腔)和2.76mm(通向成型塑件(b)的四個(gè)型腔)。

將三種方案的分析序列設(shè)定為流動(dòng)+翹曲，工藝設(shè)置(用戶)窗口中模具溫度、熔體溫度和充填控制按注射時(shí)間分別輸入44.5℃、257.9℃和0.31s(由成型窗口分析得到的推薦值)，其余參數(shù)按系統(tǒng)默認(rèn)值。

3.CAE分析結(jié)果比較

(1)充填時(shí)間分析。結(jié)果如圖5所示，三種方案充填過(guò)程用時(shí)分別為0.3482s、0.3497s和0.3420s，每個(gè)方案中八個(gè)型腔都充填完整的且比較均衡，無(wú)欠注現(xiàn)象。

(2)速度/壓力(V/P)切換時(shí)的壓力、保壓力、鎖模力、最大剪切應(yīng)力和最大剪切速率和頂出時(shí)間分析。結(jié)果見表1，從表中數(shù)據(jù)可以看出，方案一、二V/P切換時(shí)的充填體積百分比都在95%～99%內(nèi)，不會(huì)因?yàn)槌霈F(xiàn)螺桿不到位而形成的欠注或因壓力過(guò)大而形成的飛邊，而方案三則可能出現(xiàn)飛邊；三種方案的最大剪切應(yīng)力值都超出了0.3MPa，剪切應(yīng)力過(guò)大，產(chǎn)品易開裂；方案一最大剪切應(yīng)力值超出允許值最少；三方案中只有方案一的最大剪切速率值都小于允許最大值50 000；查看凍結(jié)層因子動(dòng)畫，若按型腔內(nèi)塑件完全凝固、流道系統(tǒng)凝料60%凝固時(shí)即可頂出計(jì)算，方案一所需時(shí)間最短。

圖5　充填時(shí)間分析結(jié)果

表1　三種方案的相關(guān)分析結(jié)果數(shù)值表

(3)熔接痕。熔接痕是兩股料流相遇熔接而產(chǎn)生的表面缺陷，研究發(fā)現(xiàn):在相同工藝條件下,熔接痕區(qū)域的強(qiáng)度只有原始材料的10-90%,不但影響塑件的外觀，而且可能嚴(yán)重影響塑件的正常使用[5]，所以應(yīng)盡量減少熔接痕的數(shù)量，避免在外觀表面和承受載荷較大處出現(xiàn)熔接痕。一般來(lái)說(shuō)，熔接痕對(duì)接角度<75°時(shí)，熔接痕較明顯。三種方案的熔接痕分布如圖6所示，可以看出，方案一比方案二和方案三在塑件上產(chǎn)生的熔接痕數(shù)量都少，尤其是前端外表面上沒有熔接痕，只有塑件尾部中間能看到，而且熔接痕的對(duì)接角度上限值更大，對(duì)外觀影響更小。從圖7所示的流動(dòng)前沿處的溫度圖可以看出，各處熔接痕形成時(shí)的溫度都在257.8℃以上，尾部前沿溫度達(dá)到260℃，所以此處的熔接痕對(duì)塑件強(qiáng)度影響不大。

(4)翹曲變形分析。注塑過(guò)程產(chǎn)生翹曲的主要原因是熔體在模具內(nèi)部流動(dòng)以及保壓時(shí)存在不均勻的應(yīng)力。變形量的大小取決于塑件的剛度和收縮不均衡的程度，翹曲變形量超過(guò)允許值則造成塑件報(bào)廢。引起收縮不均衡的可能原因有四個(gè)，一是模溫度不均勻，包括轉(zhuǎn)角效應(yīng)；二是塑件壁厚不均；三是壓力不均；四是取向效應(yīng)。 三方案中所有因素引起的翹曲變形量如圖8所示。方案二和方案三的前端翹曲變形量達(dá)到0.13mm，只有方案一的前端翹曲變形量在允許值0.1mm范圍內(nèi)，翹曲的主要原因是塑件壁厚不均和模具溫度不均造成的收縮不均，如圖9所示，尾端1.5mm處變形量最大，前端1.5mm處有十字肋板支撐，剛度較大，變形量較小。添加冷卻回路可減小由模具溫度不均引起的收縮變形量。

綜合以上的分析比較，確定采用流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案一。該方案成型塑件質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，流道系統(tǒng)凝料可在開模時(shí)與塑件自動(dòng)分離，不需人工去除，但模具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，材料利用率不如方案二和三。

圖6　流動(dòng)前沿處的溫度分析結(jié)果

圖7　所有因素引起的變形分析結(jié)果

五、結(jié)論

(1)創(chuàng)建了Moldflow分析模型，進(jìn)行了澆口位置分析，根據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選定兩種澆口位置；

(2)針對(duì)塑件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出平衡性較高的型腔布局，結(jié)合澆口位置和模具結(jié)構(gòu)類型設(shè)計(jì)了三種流道系統(tǒng)方案；

(3)通過(guò)Moldflow的成型窗口分析確定了模具溫度、熔體溫度和注射時(shí)間等成型參數(shù)，分別對(duì)三種流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了流動(dòng)+翹曲分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了比較，確定采用方案一。

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文章編號(hào)：2095-4654(2016)05-0010-04

* 收稿日期：2016-01-03

中圖分類號(hào)：TQ320.662 ;TP391.72

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A