基于Mold Flow的晾衣架圓盤注塑方案分析及優(yōu)化

肖 康，藺紹江

(湖北理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 黃石 435003)

基于Mold Flow的晾衣架圓盤注塑方案分析及優(yōu)化

肖 康，藺紹江*

(湖北理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 黃石 435003)

為解決傳統(tǒng)注塑模具設(shè)計(jì)周期較長、設(shè)計(jì)過程較復(fù)雜、設(shè)計(jì)成本較高且設(shè)計(jì)質(zhì)量較難保證的問題，在晾衣架圓盤注塑模具的設(shè)計(jì)過程中，通過采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件PRO/E與有限元分析軟件Mold Flow相結(jié)合的方法，快速確定了模具型腔結(jié)構(gòu)(1模1腔)、流道系統(tǒng)和注塑過程的參數(shù)。相對于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用PRO/E與Mold Flow相結(jié)合的方法能夠快速地確定出相對合理的工藝過程參數(shù)，可以大大縮短試模的時(shí)間和周期。

注塑模具；Mold Flow；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

注射模CAE主要通過計(jì)算機(jī)軟件對模具注射過程進(jìn)行模擬分析，它能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)者提供較為完善的數(shù)據(jù)資料，工作人員能夠通過該數(shù)據(jù)判斷出所制定的工藝流程是否合理，找出不足之處，對其注射方案進(jìn)行優(yōu)化[1-2]。另外，通過對注射模具CAE軟件與機(jī)構(gòu)分析CAE軟件的綜合應(yīng)用，對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，可以幫助用戶對模具充型過程進(jìn)行分析，對模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化[3]。注射模CAE的應(yīng)用，對我國模具行業(yè)的發(fā)展有著不可估量的作用，它大大縮短了模具設(shè)計(jì)周期，為模具設(shè)計(jì)的成功提供了有力的保證[4]。在CAE領(lǐng)域中Mold Flow軟件一直都扮演著領(lǐng)軍者的角色，Mold Flow軟硬件技術(shù)對提高制品質(zhì)量、試模成功率及降低成本等都有著重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義[5]。

本文結(jié)合已有的晾衣架圓盤模型，創(chuàng)建晾衣架圓盤模具設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行模流分析，根據(jù)各個(gè)方案的模流分析結(jié)果選擇最優(yōu)的模具設(shè)計(jì)方案。

1 創(chuàng)建晾衣架圓盤的三維模型

應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件PRO/E創(chuàng)建晾衣架圓盤三維模型如圖1所示。為了避免三維模型創(chuàng)建過程以及導(dǎo)入過程中產(chǎn)生丟失面、面的間隙過大等缺陷，應(yīng)將設(shè)計(jì)的晾衣架圓盤模型以IGS或STL的格式導(dǎo)入到Mold Flow 軟件中。為使晾衣架圓盤模型的模擬更接近現(xiàn)實(shí)，在進(jìn)行模流分析之前使用Mold Flow輔助修復(fù)軟件Mold Flow CAD Doctor對其進(jìn)行修復(fù)，獲得三維模型。

圖1 晾衣架圓盤三維模型

2 晾衣架圓盤模具的模流分析

仿真主要采用Mold Flow的MPI模塊進(jìn)行[6]，開展了如下工作：

1)創(chuàng)建新的項(xiàng)目并且導(dǎo)入所建的三維模型。

2)將所建的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及修改。

3)設(shè)置合理的分析類型及分析順序，主要包括澆口位置的分析和填充、保壓、翹變分析。

4)選擇注塑產(chǎn)品的材料。

5)創(chuàng)建三維模型所需的澆注系統(tǒng)并且完成澆注系統(tǒng)的網(wǎng)格劃分，同時(shí)設(shè)計(jì)進(jìn)澆位置。

6)完成注塑過程中一些工藝參數(shù)的設(shè)置，以便使分析能順利的完成。

2.1模型的導(dǎo)入以及網(wǎng)格的劃分

在進(jìn)行有限元分析之前需要對產(chǎn)品劃分網(wǎng)格，有限元準(zhǔn)確的分析結(jié)果依賴于準(zhǔn)確的網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格匹配率越高，其分析的結(jié)果越接近現(xiàn)實(shí)，當(dāng)然劃分網(wǎng)格時(shí)也要考慮計(jì)算機(jī)配置，不合理的網(wǎng)格劃分可能會(huì)耗費(fèi)很多不必要的時(shí)間。對于該塑件的網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)模型，所得到的網(wǎng)格信息一定要滿足下面的準(zhǔn)則：

1)自由邊和非交疊邊個(gè)數(shù)應(yīng)該為0。

2)未定向的單元應(yīng)該為0。

3)交叉單元個(gè)數(shù)應(yīng)該為0。

4)完全重疊單元個(gè)數(shù)應(yīng)該為0。

5)縱橫比數(shù)值應(yīng)該根據(jù)相關(guān)的一些狀況而定，不同塑料件最大值應(yīng)控制的范圍不同，該塑件最好控制在6以下。

6)網(wǎng)格匹配率應(yīng)大于85%。

首先采用系統(tǒng)默認(rèn)的數(shù)據(jù)，選用三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格匹配率不滿足要求；然后根據(jù)本產(chǎn)品的厚度，劃分網(wǎng)格為3 mm，網(wǎng)格匹配率還是不滿足要求，進(jìn)一步劃分為1 mm，網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)的結(jié)果很好，匹配率為88%，進(jìn)一步劃分發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格匹配率沒有發(fā)生很大的變化。因此考慮到后期計(jì)算速度以及計(jì)算機(jī)的配置最終采用1 mm進(jìn)行劃分，劃分完成后需結(jié)合實(shí)際情況對網(wǎng)格的最大縱橫比進(jìn)行局部修改。對本模型最大縱橫比大于6的網(wǎng)格進(jìn)行修改，修改后的網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 晾衣架圓盤網(wǎng)格模型

2.2注塑工藝條件和過程參數(shù)的設(shè)置

邊界條件：模具前后模目標(biāo)的模溫均為70 ℃；模具材料均為P20鋼；模具加工粗糙度 (流道、水路型腔表面)為 0.05 mm；冷卻液為水，水溫為25 ℃，恒定；冷卻液在冷卻水路中的雷絡(luò)系數(shù)恒定為6 000。

注塑機(jī)選擇： 選用XS-ZY-125臥式注塑機(jī),最大鎖模力為900 kN，最大注射壓力為150 MPa。

2.3方案的設(shè)置及分析比較

在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)該確定型腔布局。該塑件屬于中小型注塑件，可以采用1模多腔的布局，但考慮到對產(chǎn)品的外觀要求及產(chǎn)品的成形難易程度等，在設(shè)計(jì)型腔數(shù)量時(shí)可以先用Mold Flow軟件進(jìn)行簡單的塑件成型流動(dòng)分析。下面分別對以下方案進(jìn)行填充分析以確定最佳型腔布局。

方案1：1模1腔，如圖3(a)所示。

方案2：1模2腔，如圖3(b)所示。

方案3：1模4腔，如圖3(c)所示。

定義變量、模糊化、模糊推理、知識庫等幾部分構(gòu)成模糊控制器的主要組成部分。工作原理如下：系統(tǒng)先獲取控制變量，修正模糊控制器，行為過程采取將模糊系統(tǒng)作為控制對象，將模糊控制系統(tǒng)產(chǎn)生的信號反饋并作用于被控對象，至此，控制系統(tǒng)一個(gè)步驟得到完成，被控對象得到控制。模糊化則是將系統(tǒng)控制過程中的模糊量轉(zhuǎn)化為精確量，模擬人的模糊推理能力，對數(shù)據(jù)進(jìn)行識別。專家的經(jīng)驗(yàn)以及相應(yīng)控制語言變量的隸屬度函數(shù)構(gòu)成了知識庫，控制原理圖如圖2[13]所示。

圖3 型腔布局

經(jīng)過分析后的結(jié)果如圖4所示。由圖4可以得到以上3種方案都會(huì)出現(xiàn)填充壓力為零的區(qū)域，即填充不滿的地方。所以最終決定采用1模1腔的布局，并且修改流道系統(tǒng)。

圖4 速度/壓力切換時(shí)的壓力

2.4流道系統(tǒng)的創(chuàng)建

在進(jìn)行流道系統(tǒng)的創(chuàng)建時(shí)，需要先進(jìn)行最佳澆口位置的分析。因?yàn)闈部诘奈恢眉俺叽缬绊懼麄€(gè)流道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并且其選取是否合理不但影響塑料熔體在模具型腔內(nèi)的流動(dòng)，還與塑件成形后是否翹曲變形有關(guān)。最佳澆口位置如圖5所示。

圖5 澆口位置分析結(jié)果

由圖5可以得到最佳的澆口位置在塑料件的中心位置，但是由于塑料件的中間位置有孔，所以本方案采用多點(diǎn)進(jìn)膠。對多種方案進(jìn)行分析，最后得到的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 澆注系統(tǒng)

2.5分析過程

在注塑分析時(shí)，需要了解注塑過程的模具型芯,型腔的溫度、壓力變化，塑料熔體的溫度、壓力變化，以及一些可能影響制品質(zhì)量的因素[7]。通過觀察分析所輸出的一些信息，能夠了解和監(jiān)控分析的整個(gè)進(jìn)程。這些信息可以為后續(xù)的修模提供可靠的參考。模型細(xì)節(jié)參數(shù)見表1，填充過程參數(shù)見表2。

表1 模型細(xì)節(jié)參數(shù)

從表1中可以看到產(chǎn)品的網(wǎng)格模型是采用雙層面劃分的，其網(wǎng)格匹配率為88%(大于85%，滿足要求)。除此之外還可以看出網(wǎng)格相互匹配率為81.5%，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為39 967，單元總數(shù)為79 795，三角形單元的平均縱橫比為1.428 3。

從表2中可看到充填過程中某一個(gè)時(shí)刻填充的程度，以及此時(shí)的壓力、鎖模力和流動(dòng)速率。例如：在1.244 s時(shí)充填已經(jīng)完成了65.76%，此時(shí)的壓力為16.63 MPa，鎖模力為1.43 t，流動(dòng)速率為21.66 cm3/s。除此之外還可以看出充填過程中壓力和鎖模力隨著時(shí)間的增加而逐漸增加，而流動(dòng)速率基本上不變。

表2 填充過程參數(shù)

注：V為速度控制

2.6模流分析結(jié)果

1)流動(dòng)分析結(jié)果采用充模時(shí)間、壓力和溫度等參數(shù)來表達(dá)。熔體流動(dòng)前沿的擴(kuò)展情況通過充模時(shí)間顯示，熔體流動(dòng)前沿的速度由沖云紋線的間距表示。當(dāng)所分析的制件平衡充模時(shí)，其遠(yuǎn)端各部分在同一時(shí)刻完成填充[8]。填充時(shí)間可以播放動(dòng)畫，在結(jié)果動(dòng)畫中可以看到從進(jìn)料開始一直到充模完成整個(gè)注塑過程中任意時(shí)刻物料的位置。填充時(shí)間如圖7所示，圖7為熔體最后完全填滿型腔時(shí)的結(jié)果顯示，整個(gè)填充所需要的時(shí)間為1.911 s。

圖7 填充時(shí)間

2)注射位置處壓力：XY圖,如圖8所示。圖8為所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在進(jìn)料口位置的壓力在經(jīng)過注塑、保壓、冷卻時(shí)的變化。

圖8 注射位置處壓力：XY圖

3)氣穴的顯示結(jié)果如圖9所示。氣穴主要出現(xiàn)在內(nèi)部表面上，對產(chǎn)品外觀質(zhì)量影響較小[9]。

圖9 氣穴顯示

氣穴的形成與很多因素有關(guān)，從總體上分析，一方面是設(shè)計(jì)錯(cuò)誤造成，例如排氣不良的設(shè)計(jì)，會(huì)造成熔體中的一些揮發(fā)成分(如水分或熔料中的雜質(zhì))無法排出或被封閉在成型塑件中，成型后在塑件中形成氣泡；另一方面是由于熔體在冷卻固化過程中體積收縮而產(chǎn)生，特別是在一些制品厚壁或加強(qiáng)筋、凸臺(tái)等壁厚不均勻的地方，往往由于體積收縮不均勻產(chǎn)生氣泡[10-11]。

解決氣泡的方法：調(diào)整注塑工藝，例如，調(diào)整注塑和保壓時(shí)間、加強(qiáng)冷卻效果、控制進(jìn)料等。

4)翹變分析結(jié)果如圖10所示。

①整體的翹曲變形量如圖10(a)所示，最大變形值為0.508 7 mm。

②X軸方向的翹曲變形量如圖10(b)所示，最大變形值為0.505 9 mm。

③Y軸方向的翹曲變形量如圖10(c)所示，最大變形值為0.504 1 mm。

④Z軸方向的翹曲變形量如圖10(d)所示，最大變形值為0.291 7 mm。

注塑過程中，翹曲變形受很多因素的影響，如分子取向不均衡、冷卻不當(dāng)、模具澆注系統(tǒng)不合理、模具脫模及排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理、工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)?shù)?。針對這些問題都應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，如適當(dāng)提高注射壓力和注射速度、降低保壓壓力、延長注射及保壓時(shí)間、適當(dāng)減小或增大制品局部地方的壁厚、改善冷卻流道的分布、改變澆口位置及外形等[12]。但是在減小翹曲變形而采取措施的過程中應(yīng)該確保不會(huì)產(chǎn)生其他缺陷，如熔接痕等。根據(jù)此產(chǎn)品的翹邊分析結(jié)果可以得到整個(gè)產(chǎn)品的最大變形量只有0.508 7 mm，變形很小能夠滿足要求。

圖10 翹變分析結(jié)果

3 結(jié)束語

1)通過Mold Flow對晾衣架圓盤注塑過程進(jìn)行分析可知，最終所選擇的材料、澆注系統(tǒng)和模具布局基本上符合設(shè)計(jì)要求，但必須選擇合理的工藝條件和冷卻系統(tǒng)。優(yōu)化后的注射工藝參數(shù)，可以方便后續(xù)實(shí)際生產(chǎn)調(diào)機(jī)使用。

2)利用MPI系統(tǒng)的成型分析功能，相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)能較快速地確定出相對合理的工藝過程參數(shù)。這樣不但能確保開模的一次成功率，并且可以大大縮短試模調(diào)整的時(shí)間和周期。

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Analysis and Optimization of Clothes-horse Disc Injection Molding Based on Mold Flow

XiaoKang,LinShaojiang*

(School of Mechanical and Electonric Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

To solve the deficiencies of traditional mold design methods,such as long design cycle,complex design process,high cost and difficult guarantee of quality,the paper designed a model of the clothes-horse disc by combining the computer-aided design software PRO/E and the finite-element analysis software Mold Flow.Mold flow software was used to determine parameters of cavity structure(a cavity per mould),runner system and injection process.It can be seen from the results that compared with traditional design,the method of combining PRO/E with Mold Flow can rapidly determine the reasonable process parameters,and it can greatly shorten the time and cycle of mold adjustment.

injection mold;Mold Flow;optimization design

2017-05-20

湖北省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號D20164502)。

肖康,本科生。

*通訊作者：藺紹江，副教授，博士，研究方向：材料成型。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.05.004

TQ320.66

A

2095-4565(2017)05-0012-05

(責(zé)任編輯吳鴻霞)