管道連接筒注射成型數(shù)值模擬與模具設(shè)計優(yōu)化

張帥，金久芝，陳振，黃勇，李鑫

(1.沈陽理工大學(xué)藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，沈陽 110159； 2.遼寧省建筑設(shè)計研究院，沈陽 110159)

管道連接筒注射成型數(shù)值模擬與模具設(shè)計優(yōu)化

張帥1，金久芝2，陳振1，黃勇1，李鑫1

(1.沈陽理工大學(xué)藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，沈陽 110159； 2.遼寧省建筑設(shè)計研究院，沈陽 110159)

根據(jù)管道連接筒的產(chǎn)品要求和結(jié)構(gòu)特征，運用Moldflow和UG等軟件設(shè)計了注塑模具澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，進(jìn)行了注射成型數(shù)值模擬。選擇熔體溫度、模具溫度、保壓壓力、保壓時間和注射時間5因素設(shè)計了DOE正交試驗，得到優(yōu)化的注塑工藝參數(shù)及保壓曲線。設(shè)計并制造出連接筒注塑模具，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，驗證了模擬結(jié)果的正確性。

數(shù)值模擬；管道連接筒；正交試驗；工藝優(yōu)化

連接筒在管道設(shè)備中起著連接作用，要求產(chǎn)品強(qiáng)度較高、密封性好、無注塑缺陷。注射成型過程中工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)容易導(dǎo)致體積收縮率不均和翹曲變形較大；殘余應(yīng)力較大會導(dǎo)致產(chǎn)品應(yīng)力波動，尤其在產(chǎn)品壁厚不均連接處和扭曲拐角處；加強(qiáng)筋作用部位連接處內(nèi)應(yīng)力易集中，縮痕指數(shù)變化起伏較高，易產(chǎn)生裂紋。注射成型的非線性、多變量特性和壓力波動下塑料行為的不可預(yù)測性，使得工藝的設(shè)置及實際生產(chǎn)中合理工藝的保持十分困難[1]。筆者通過運用Moldflow數(shù)值模擬軟件，設(shè)計并改進(jìn)了連接筒的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，對塑件溫度分布、收縮率、剪切應(yīng)力等指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化，減少了縮痕、翹曲等注塑缺陷，提高了產(chǎn)品的成品率。

1　建模及成型工藝分析

1．1三維模型及網(wǎng)格劃分

利用UG軟件建立連接筒的三維模型。塑件外觀尺寸為134 mm×147 mm×150 mm，壁厚不均，最薄處為1.25 mm，最厚處為4.39 mm，質(zhì)量為222.5 g。材料為丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)，可以保證塑件的耐摩擦性和較好的低溫韌性[2]。塑件的筒狀表面由凹凸曲面連接組合而成，內(nèi)部鏤空，中部有加強(qiáng)筋，底部有螺紋，筒身一側(cè)有四方凹槽，凹槽內(nèi)部垂直方向有側(cè)抽特征。其三維造型如圖1所示。

圖1　連接筒3D模型

將三維模型轉(zhuǎn)化為igs格式，導(dǎo)入CAD Doctor進(jìn)行檢測，消除缺陷后導(dǎo)入Moldflow劃分網(wǎng)格，并進(jìn)行網(wǎng)格診斷和修復(fù)。得到模型自由邊、多重邊、配向不正確單元和相交單元均為0，網(wǎng)格單元數(shù)是70 238個，網(wǎng)格匹配百分比為92.36%，高于要求的85%，滿足模擬分析時的網(wǎng)格要求。

1．2注塑模具澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)設(shè)計

通過Moldflow分析確定澆口位置，結(jié)合實際生產(chǎn)需求，進(jìn)行多次試驗?zāi)M檢查注塑過程中的填充缺陷?？刂迫垠w的流動，防止零件主要受力部位發(fā)生熔體交匯而產(chǎn)生熔接痕。ABS材料黏度中等，注塑過程中，為防止剪切速率過大超出塑料最大承受剪切而導(dǎo)致降解[4]，選擇進(jìn)料速度快、壓力傳遞效率高的主流道型澆注系統(tǒng)，如圖2所示，同時控制工藝參數(shù)，降低注塑壓力，提高熔體溫度和模具表面溫度。避免在塑件表面留有澆點痕跡，將澆口設(shè)置在塑件內(nèi)壁。良好的冷卻水道設(shè)計可以均勻冷卻制件，降低內(nèi)部殘余應(yīng)力，冷卻系統(tǒng)如圖3示。根據(jù)流道經(jīng)驗公式和材料要求，設(shè)計主流道的直徑為大端6 mm，小端3 mm，長度為60 mm。分流道為直徑4 mm圓柱。澆口設(shè)置為矩形，寬度1.2 mm，高度0.8 mm。冷卻系統(tǒng)采用串聯(lián)式冷卻水道，水道在一個回路內(nèi)沒有分支，冷卻液可以在整個水道長度內(nèi)保持湍流，并以湍流方式完成冷熱交換。冷卻水道采用10 mm直徑管道，水為冷卻介質(zhì)，恒溫25℃。

圖2　澆注系統(tǒng)

圖3　冷卻系統(tǒng)

2　工藝參數(shù)對注射成型的影響

2．1初步工藝參數(shù)設(shè)定

成型工藝參數(shù)初期設(shè)計，設(shè)定成型時間為20 s，注射時間為1.2 s，保壓時間為8 s，保壓壓力為注塑壓力的80%即39.5 MPa，塑件推出過程5 s。其它采用軟件推薦的工藝參數(shù)。

2．2初期模擬分析結(jié)果

經(jīng)過試模擬一段時間得出結(jié)果，其主要反映注塑過程中的相關(guān)動態(tài)過程[5]，由于分析的結(jié)果眾多，在此選取流動前沿溫度、縮痕指數(shù)、體積收縮率和翹曲變形等主要結(jié)果，如圖4所示。

圖4　初期模擬結(jié)果

圖4顯示，熔體流動合理，澆注系統(tǒng)設(shè)計基本合理，沒有流動受阻現(xiàn)象。流動前沿溫度總體比較均勻，最高溫度為261.9℃，最低溫度為259.9℃，溫差較小，溫度分布非常均衡?？s痕指數(shù)是指塑件產(chǎn)生縮痕、縮孔的可能性大小，其最高為4.692%，最低為負(fù)值，分布不均勻。縮痕指數(shù)在筋位和圓筒交接處呈正負(fù)值突變，塑件變形呈凹凸起伏，易導(dǎo)致產(chǎn)品應(yīng)力集中超出材料屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致開裂。體積收縮率較高，且較高部分主要分布于填充末端，需優(yōu)化保壓曲線改善控制。體積收縮率較高且不均勻，導(dǎo)致塑件內(nèi)應(yīng)力較高且集中，引起翹曲變形較大，主要分布在流動末端，翹曲為0.829 2 mm。冷卻系統(tǒng)設(shè)計合理，由冷卻不均造成的翹曲為0.013 5 mm，可以忽略不計。

需要提高熔體體溫度，降低流動前沿經(jīng)過圓角交界處的剪切應(yīng)力，減小縮痕指數(shù)；提高注塑時間，減小注塑壓力，減少殘余應(yīng)力；優(yōu)化保壓曲線，適當(dāng)增加保壓時間和保壓壓力，減小并均勻化塑件體積收縮率，控制制件內(nèi)應(yīng)力分布均勻，降低翹曲。

3　正交試驗設(shè)計

注塑過程中各工藝參數(shù)具有關(guān)聯(lián)性，注塑壓力提高會導(dǎo)致注塑時間減少，熔體溫度升高會導(dǎo)致注塑壓力減少，冷卻時間增長，也會使注塑時間減少等。因此考察模具溫度(M)、熔體溫度(R)、注射時間(Z)、保壓時間(B)，保壓壓力(N) 5個對產(chǎn)品成型質(zhì)量影響較大且相互無關(guān)的工藝參數(shù)來設(shè)計正交試驗[1]。根據(jù)材料特性，為每個變量設(shè)定了3組水平，見表1。

表1　正交因素水平表

利用這5個工藝參數(shù)建立5因素3水平的正交試驗方案L9(35)[6]，結(jié)果見表2。

表2　正交試驗方案與結(jié)果

從表2可以看出，體積收縮率、翹曲變形和縮痕指數(shù)隨著工藝改變而變化的趨勢相似，其中翹曲變形和縮痕指數(shù)受各種因素影響變化差異較大。

通過表2數(shù)據(jù)設(shè)計DOE實驗，得到各因素對指標(biāo)的影響大小，如表3所示。

由表3可看出，三個指標(biāo)中，體積收縮率受因素變化差異較大，不均勻的體積收縮率導(dǎo)致翹曲變形和塑件縮痕變化。根據(jù)實際經(jīng)驗，各指標(biāo)的影響重要性不一樣，為更好地體現(xiàn)出各指標(biāo)對塑件的質(zhì)量影響度，將體積收縮率、縮痕指數(shù)和翹曲變形的權(quán)重分別取0.7，0.1和0.2，每個實驗的計算方法為：綜合分?jǐn)?shù)＝體積收縮率×0.7+縮痕指數(shù)×0.1+翹曲×0.2，其分?jǐn)?shù)越低代表塑件質(zhì)量越好[8]。綜合分?jǐn)?shù)分析結(jié)果如表4所示。

表4　直觀分析表

綜合表2與表4可看出，最好的工藝組合如下：保壓時間為13 s、保壓壓力為注塑壓力的85%、模具溫度為65℃、熔體溫度為255℃、注射時間為1.5 s。

由于熔融狀態(tài)聚合物的黏彈性，模腔內(nèi)壓力無法快速做出回應(yīng)，可能會導(dǎo)致熔體回流，設(shè)計保壓曲線為先恒壓后線性遞減，這樣壓力分布較均勻，可有效減小收縮率過大導(dǎo)致的翹曲變形和防止過保壓[9]。由圖4c可知體積收縮率較高且不均勻，較高部分主要分布于圓殼的填充末端，需優(yōu)化保壓曲線改善控制。設(shè)置總保壓時間為13 s，增加恒定壓力作用時間為8.5 s，減小線性減壓作用時間為4.5 s，且將保壓壓力增加為注塑壓力的85%，如圖5所示。

4　優(yōu)化工藝參數(shù)后模擬結(jié)果

圖5　保壓曲線

圖6　參數(shù)優(yōu)化后的模擬結(jié)果

將優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖6所示。缺陷形成概率；塑件體積收縮率降低為9.175%，且分布較為均勻，如圖6d所示；翹曲變形由優(yōu)化前的0.829 2 mm降低為0.338 9 mm如圖6e所示，有效改變了翹曲太大導(dǎo)致無法自然裝配的問題[10]。塑件成型質(zhì)量較好，模擬結(jié)果顯示塑件各項指標(biāo)均達(dá)到了質(zhì)量要求。

5　模具設(shè)計及生產(chǎn)驗證

連接筒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部帶有螺紋，采用瓣合模的結(jié)構(gòu)，通過斜導(dǎo)柱抽芯機(jī)構(gòu)，帶動滑塊，方便開模取件。采用手動模外脫螺紋型芯的方法，減小模具復(fù)雜程度。根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)特點和實際生產(chǎn)需求，設(shè)計為一模一腔。模具結(jié)構(gòu)如圖7所示。

按照模擬優(yōu)化的注塑工藝參數(shù)進(jìn)行注塑生產(chǎn)驗證，生產(chǎn)出的連接筒產(chǎn)品如圖8所示。產(chǎn)品外壁光滑，無明顯熔接痕，質(zhì)量合格。

6　結(jié)論

(1)通過正交試驗確定出的優(yōu)化工藝參數(shù)為：熔體溫度255℃；模具溫度65℃；注射時間1.5 s；恒定保壓壓力作用時間為8.5 s，線性減壓作用時間為4.5 s；保壓壓力為注塑壓力的85%。

(2)根據(jù)優(yōu)化方案設(shè)計制造出合格的連接筒注塑模具。用優(yōu)化的注塑工藝參數(shù)及生產(chǎn)出的模具進(jìn)行了生產(chǎn)驗證，得到合格的連接筒產(chǎn)品，證明數(shù)值模擬結(jié)果可以應(yīng)用于生產(chǎn)實際中。

冷卻回路以水為冷卻介質(zhì)，恒溫為25℃，回路雷諾數(shù)選擇默認(rèn)的10 000，由產(chǎn)品冷卻回路的情況可知，冷卻介質(zhì)的溫度差為1.85℃，如圖6a所示，滿足實際生產(chǎn)溫度小于3℃的要求，冷卻不均造成的翹曲為0.013 5 mm，，可以忽略不計；縮痕指數(shù)由工藝優(yōu)化前的最高4.692%降低為0.92%，易產(chǎn)生裂紋的B位置和易產(chǎn)生縮孔的A位置，縮痕指數(shù)分布較為均勻，如圖6b、圖6c所示，可有效降低

圖7　連接筒模具結(jié)構(gòu)圖

圖8　生產(chǎn)出的連接筒產(chǎn)品

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Injection Molding Numerical Simulation and Mold Design Optimizing of Pipe Connecting Tube

Zhang Shuai1， Jin Jiuzhi2， Chen Zhen1， Huang Yong1， Li Xin1
(1. Art Design College， Shenyang Ligong University， Shenyang 110159， China；2. Liaoning Provincial Buliding Design & Research Institute， Shenyang 110159， China)

According to the requirements of the pipe connecting tube products and structure characteristic，Moldflow and UG software were used to design the gating system and cooling system of injection molding and the injection molding simulation was conducted. The melt temperature，mold temperature，holding pressure，holding time and injection time five factors were chosen to design the DOE orthogonal experiment for optimizing the injection molding process parameters and pressure curve. Injection mold for the connecting tube was designed and manufactured，and the qualified products are obtained，which verified the correctness of the simulation results.

numerical simulation；pipe connecting tube；orthogonal experiment；process optimization

TB324

A

1001-3539(2016)11-0071-05

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.11.016

聯(lián)系人：張帥，講師，主要從事工業(yè)設(shè)計等研究

2016-08-15