基于CAE的STY3840型薄壁塑件注塑優(yōu)化分析

劉咸超 宋 寧 官小云 郭 容 胡 洋

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，宜賓 644000）

1 STY3840型薄壁塑件的分析基礎(chǔ)

塑料是石化工業(yè)的衍生物，和其他材料相比具有質(zhì)輕、廉價(jià)、可回收、耐酸、耐堿、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被大量運(yùn)用在汽車(chē)、飛機(jī)、手機(jī)、家電等方面。隨著市場(chǎng)需求的不斷增加，尤其是在“以塑代鋼”發(fā)展形勢(shì)下，塑料模具的年產(chǎn)量也在逐漸增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年全年全球塑料市場(chǎng)總值約為1.09萬(wàn)億美元，年產(chǎn)量約為38 600萬(wàn)噸，和50年前相比產(chǎn)量增長(zhǎng)了230多倍。隨著塑料的大量廣泛應(yīng)用，人們對(duì)塑料的成型提出了更高的工藝要求。

大多數(shù)塑料的成型，均采用注塑成型。在注塑成型過(guò)程中模具溫度、注射溫度、注射壓力、冷卻時(shí)間等工藝參數(shù)，對(duì)成型零件質(zhì)量影響較大。而注塑模具工藝參數(shù)制定是一項(xiàng)比較繁瑣的事情，目前還沒(méi)有完整的公式進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，大多需要設(shè)計(jì)者先進(jìn)行估算，然后通過(guò)后期對(duì)模具進(jìn)行試模來(lái)修整，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且效率不高，有時(shí)還需重新進(jìn)行模具設(shè)計(jì)或工藝設(shè)計(jì)。若結(jié)合CAE模擬軟件進(jìn)行工藝參數(shù)篩選，則模具設(shè)計(jì)效率會(huì)大大提高，大量實(shí)驗(yàn)證明這是一種行之有效的手段。

對(duì)于STY3840型薄壁塑件，由于是平板類(lèi)薄壁塑件，因此,最突出的質(zhì)量問(wèn)題是成型后的翹曲問(wèn)題，表現(xiàn)為成型后的塑件形狀發(fā)生了改變。關(guān)于翹曲的成因，通常來(lái)說(shuō)內(nèi)因是塑料分子取向不同，造成不同塑件不同方向上的收縮不均勻，形成翹曲。外因是塑件成型后被取出，由于內(nèi)外冷卻不均勻，形成內(nèi)應(yīng)力，以及熱脹冷縮等作用，使塑料制品在脫模后產(chǎn)生翹曲。此外，對(duì)于這種平板類(lèi)零件，若頂出力不均勻，脫模斜度設(shè)置不合理造成粘模使頂出困難等，也會(huì)加重翹曲的形成。

2 STY3840型薄壁塑件產(chǎn)生翹曲的主要原因

2.1 塑料原料選擇不當(dāng)

塑料原料性能對(duì)翹曲的影響很大，例如，HDPE、PTFE、PP等塑料原料在成型時(shí)由于屬于結(jié)晶型聚合物，在冷卻時(shí)容易產(chǎn)生不同方向上的收縮，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力不均勻產(chǎn)生翹曲。因此，對(duì)于薄壁塑件而言，原材料的選擇須選擇收縮率各向異性小、綜合性能良好的ABS、PC等塑料。

2.2 模具結(jié)構(gòu)上的缺陷

大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，如果采用小澆口，則很難在塑料制品成型階段完成時(shí)完全充滿型腔，由此容易產(chǎn)生翹曲。當(dāng)然，澆口尺寸也不應(yīng)過(guò)大，以避免塑料流體產(chǎn)生流動(dòng)缺陷。如果澆口開(kāi)設(shè)在較薄的表面上，也容易在塑件內(nèi)部形成較大的內(nèi)應(yīng)力，從而產(chǎn)生翹曲。因此，應(yīng)將澆口開(kāi)設(shè)在厚的表面處，使塑料溶體完全充滿型腔。

2.3 頂出機(jī)構(gòu)設(shè)置不合理

對(duì)于STY3840型這類(lèi)平板類(lèi)薄壁塑件，如果采用頂桿頂出，則由于壁厚過(guò)薄，開(kāi)模時(shí)緊緊站在模具型腔中，造成脫模困難，也容易在脫模時(shí)造成塑件翹曲變形。改進(jìn)辦法是盡量采取多頂桿頂出，頂桿頂出位置盡量選擇在加強(qiáng)筋、凸臺(tái)等壁厚較厚部位，塑件應(yīng)設(shè)計(jì)較大的脫模斜度，模具上可適當(dāng)開(kāi)設(shè)排氣槽，成型時(shí)應(yīng)選用合適的脫模劑，保證制品各處脫模時(shí)受力均勻，順利從模具型腔中脫出。如果采用以上方式效果不明顯，可考慮在模具中增加一套氣動(dòng)頂出裝置。

2.4 成型工藝參數(shù)設(shè)置不合理

對(duì)于STY3840型這類(lèi)平板類(lèi)薄壁塑件，當(dāng)冷卻時(shí)間設(shè)置過(guò)短，容易造成塑件凝固不厚，塑件強(qiáng)度不足，脫模后可能會(huì)產(chǎn)生翹曲。當(dāng)料筒溫度、模具溫度、熔體溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致塑件在成型時(shí)外表面得到有效降溫而內(nèi)部溫度仍過(guò)高，內(nèi)外表面溫差較大進(jìn)而產(chǎn)生熱收縮，使塑件產(chǎn)生翹曲變形。保壓壓力設(shè)置過(guò)低，塑料在保壓階段補(bǔ)料不充分，塑件內(nèi)部形成較大的殘余應(yīng)力，使塑件容易在脫模后產(chǎn)生翹曲。

在所有影響翹曲的成型因素中，保壓壓力、料筒溫度、模具溫度、熔體溫度是主要因素，其余是次要因素，且需要重視的是各個(gè)因素之間的相互作用，例如：熔體溫度過(guò)高，勢(shì)必會(huì)造成模具溫度偏高，冷卻時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加。

3 STY3840型薄壁塑件CAE模擬優(yōu)化

對(duì)于STY3840型薄壁塑件，首先從模具結(jié)構(gòu)、塑料原料上進(jìn)行改進(jìn)，尤其是增加了6處加強(qiáng)筋和將澆口尺寸擴(kuò)大了8%，塑料原料也從初始的PP更換為ABS。為驗(yàn)證從模具結(jié)構(gòu)、塑料原料上進(jìn)行改進(jìn)是否可行，在CAE軟件中將改進(jìn)后的方案和初始方案進(jìn)行分析比對(duì)，結(jié)果顯示STY3840型薄壁塑件最大形變量為0.2987mm，和初始方案中的最大形變量為0.4102mm相比翹曲有了很明顯改善。但和STY3840型薄壁塑件設(shè)計(jì)方案中規(guī)定的精度要求相比還應(yīng)加以提升，因此，對(duì)改進(jìn)后的方案還需繼續(xù)利用CAE軟件進(jìn)行成型工藝參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)STY3840型薄壁塑件產(chǎn)生翹曲的主要原因，選取保壓壓力、料筒溫度、模具溫度、熔體溫度、冷卻時(shí)間等工藝參數(shù)進(jìn)行研究，采用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并將參數(shù)代入CAE軟件中，模擬分析出STY3840型薄壁塑件的最大形變量。

通過(guò)CAE軟件模擬分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)注塑壓力選擇為90MPa，保壓壓力在塑件充滿85%時(shí)v-p切換并采用階梯保壓，保壓初始?jí)毫樽⑺軌毫Φ?0%，中段保壓壓力為注塑壓力的60%，末端保壓壓力為注塑壓力的30%并至最后階段將為0；中段料筒溫度為220℃、模具溫度為70℃，熔體溫度為240℃，冷卻時(shí)間12s，得到STY3840型薄壁塑件最大形變量為0.1654mm，為所有實(shí)驗(yàn)中的形變量的最小值，由此得到STY3840型薄壁塑件成型工藝參數(shù)的最優(yōu)值。將此工藝參數(shù)應(yīng)用到STY3840型模具的試模中，翹曲得到明顯控制，得到了較好的試模結(jié)果。

CAE軟件經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，現(xiàn)在相關(guān)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，能充分模擬塑件在成型中的全過(guò)程模擬，分析精度也較高。隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、正交實(shí)驗(yàn)、多元回歸等技術(shù)手段的應(yīng)用，CAD/CAM/CAE分析應(yīng)用范圍將更廣泛。