基于Moldflow的玻纖增強(qiáng)聚醚醚酮支撐架模流分析

丁浩亮， 王樹浩， 嚴(yán) 波， 彭偉斌

(1. 航天材料及工藝研究所， 北京 100076； 2. 火箭軍駐211廠軍代室， 北京 100076；3. 上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200030；4. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所， 北京 100076)

0 前言

支撐架作為某航天器燃料貯箱表面搭載傳感器元器件的重要支撐零件，需滿足低溫絕熱、高強(qiáng)抗振等應(yīng)用需求。玻纖增強(qiáng)聚醚醚酮(GF/PEEK)材料因其具有的質(zhì)輕、強(qiáng)度高和絕熱耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)注塑加工成型的該支撐架已在航天領(lǐng)域得以推廣應(yīng)用。

注射模具是成型該支撐架的重要的工藝裝備。傳統(tǒng)的模具的設(shè)計(jì)方法主要是設(shè)計(jì)者基于有限的經(jīng)驗(yàn)和相對(duì)簡(jiǎn)單的計(jì)算公式進(jìn)行制品模具設(shè)計(jì)及其工藝的開發(fā)[1]。但是GF/PEEK材料熔體流動(dòng)困難，支撐架注射模具結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加之制品注射溫度高(約380 ℃)，冷卻收縮變形較大，因而僅憑經(jīng)驗(yàn)和嘗試很難把控制品質(zhì)量，并且需反復(fù)試模、修模和調(diào)試注塑工藝參數(shù)，研制效率很低。目前，塑料注塑成型常常采用模流分析軟件進(jìn)行模具設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化，既可縮短研制周期，也能提升制品質(zhì)量[2-7]。

本文利用Moldflow分析軟件對(duì)支撐架注射模具設(shè)計(jì)的充模、冷卻、收縮及翹曲變形等進(jìn)行分析，結(jié)合分析結(jié)果，提出了成型的注塑工藝參數(shù)，為最終制品的成型提供了重要依據(jù)。支撐架已成功應(yīng)用于某航天器燃料貯箱中并通過了飛行考核驗(yàn)證，獲得了良好的應(yīng)用效果。

1 支撐架結(jié)構(gòu)特征分析

采用CATIA三維制圖軟件設(shè)計(jì)的支撐架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 支撐架結(jié)構(gòu)

支撐架結(jié)構(gòu)壁厚為3 mm，3個(gè)半圓部位的頂端需鑲嵌4個(gè)規(guī)格為M8的金屬螺紋嵌件。該半圓部位的底部為保證整體結(jié)構(gòu)的壁厚均勻，進(jìn)行了局部減薄處理。通孔所在后壁板設(shè)計(jì)了4個(gè)三角形肋筋進(jìn)而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)。支撐架選用GF/PEEK材料成型，注塑后該制品不允許出現(xiàn)缺料、收縮坑及變形等缺陷，通孔及螺紋孔的間距尺寸為安裝配合尺寸。

2 網(wǎng)格劃分與材料加工特性

將支撐架的三維模型導(dǎo)入Moldflow分析軟件中進(jìn)行分析。劃分網(wǎng)格是進(jìn)行準(zhǔn)確分析的前提，劃分的四面體網(wǎng)格共722 370個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)共136 156個(gè)，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 支撐架的網(wǎng)格劃分

玻纖增強(qiáng)聚醚醚酮(GF/PEEK)尚無真實(shí)的材料模型可供調(diào)用，本文選用Moldflow分析軟件中自帶的PEEK材料模型(Thermocomp LF-1002 EM，SABIC Innovative Plastics US, LLC)。該材料推薦使用的加工特性參數(shù)見表1，材料的黏度-剪切速率變化曲線和材料的PVT(壓力-體積-溫度)關(guān)系曲線如圖3所示。

表1 材料推薦使用的加工特性參數(shù)

(a) 黏度-剪切速率曲線

(b) PVT關(guān)系曲線

參考材料加工特性，模流分析時(shí)設(shè)置熔體溫度為380 ℃，模具溫度為170 ℃，注塑成型周期為80 s。

3 支撐架模流分析結(jié)果

本文對(duì)支撐架的填充時(shí)間、流動(dòng)前沿溫度、V/P轉(zhuǎn)換壓力、注塑位置處壓力、體積收縮率、翹曲變形及冷卻效率進(jìn)行了模流分析，分析結(jié)果如圖4～圖11所示。

3.1 填充時(shí)間分析

填充過程用于模擬注塑的全過程，預(yù)測(cè)塑料熔體在模具型腔中的填充流動(dòng)行為。其中，填充時(shí)間是壓力、溫度、速度、澆口、排氣、材料性質(zhì)等多種因素結(jié)合后得到的輸出結(jié)果，最佳的填充時(shí)間是注塑熔體尚未凝固而允許最長(zhǎng)的充滿型腔的時(shí)間。由圖4可知，支撐架的填充時(shí)間為1.032 s，這表明材料可實(shí)現(xiàn)在模具型腔中的流動(dòng)，并且填充行較為合理。

圖4 支撐架填充時(shí)間

3.2 流動(dòng)前沿溫度分析

流動(dòng)前沿溫度是塑料熔體填充到某位置時(shí)的熔體溫度。熔體在流動(dòng)過程中，由于熱量的散失，熔體溫度一般會(huì)隨著填充過程降低。如圖5所示，流動(dòng)前沿溫度應(yīng)在推薦的成型溫度范圍內(nèi)(360 ～ 400 ℃)，不應(yīng)超過420 ℃，否則熔體會(huì)過熱、降解。而當(dāng)流動(dòng)前沿溫度低于360 ℃時(shí)，熔體流動(dòng)性變差甚至固化，流動(dòng)前沿的熔體融合差，產(chǎn)生熔接線，降低局部物理力學(xué)性能。

圖5 支撐架流動(dòng)前沿溫度

3.3 V/P轉(zhuǎn)換壓力分析

V/P轉(zhuǎn)換壓力是觀察注塑制品壓力分布是否平衡的有效工具，它是指注塑填充過程中當(dāng)型腔快要充滿時(shí)，螺桿的運(yùn)動(dòng)從流動(dòng)速率控制轉(zhuǎn)換到壓力控制，這個(gè)轉(zhuǎn)化點(diǎn)稱為保壓切換控制點(diǎn)，即V/P轉(zhuǎn)換點(diǎn)。如圖6所示，支撐架的填充量為98.7%，在0.96 s時(shí)支撐架填充值98.7%時(shí)切換，V/P壓力為90.83 MPa。

3.4 注塑位置處壓力分析

注塑位置處的壓力隨時(shí)間的變化情況，可為注塑機(jī)的選擇提供參考，做出XY圖對(duì)支撐架的分析尤為重要。由圖7可知，開始注塑時(shí)的壓力是持續(xù)增加的，最大的壓力為91.20 MPa，注塑后期壓力保持不變，說明制品已達(dá)到很好的平衡充模。

圖6 支撐架V/P轉(zhuǎn)換壓力

圖7 支撐架注射壓力隨時(shí)間的變化

3.5 體積收縮率分析

塑料熔體自熔融充滿型腔至冷卻凝固，制品會(huì)出現(xiàn)體積收縮的現(xiàn)象，這需要分析體積收縮率的大小。由圖8可知，制品頂出時(shí)支撐架體積收縮較大的部位出現(xiàn)在螺紋嵌件置入孔和后壁板芯部。

圖8 支撐架體積收縮率

制品收縮較大，其主要原因在于結(jié)構(gòu)壁厚不均勻。另外，模流分析所采用的PEEK材料模型為純PEEK樹脂，并未填充玻璃纖維；實(shí)際上支撐架所采用的GF/PEEK因其含有一定的玻璃纖維而對(duì)體積收縮產(chǎn)生有效的抑制，所以實(shí)際中的體積收縮不會(huì)如模流分析結(jié)果那樣明顯。可采取的措施是調(diào)整壁厚結(jié)構(gòu)、優(yōu)化保壓過程，有效削弱收縮產(chǎn)生的不利影響。

3.6 翹曲變形分析

翹曲變形是一種常見的缺陷，它是塑料制品的形狀偏離模具型腔的形狀所規(guī)定的范圍。翹曲變形程度是評(píng)價(jià)制品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。翹曲變形分析可模擬注塑成型過程，并對(duì)成型結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。由圖9所示，支撐架的翹曲變形最大尺寸為2.132 mm，其中制品半圓形部位變形較為顯著。其原因是半圓形部位為非穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并且存在較大的收縮內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致制品出現(xiàn)不均勻收縮。

圖9 支撐架翹曲變形

3.7 冷卻效率分析

冷卻分析是用來模擬塑料熔體在模具內(nèi)的熱量傳遞情況，從而判斷制品冷卻效果，縮短制品成型周期，提高生產(chǎn)效率及制品質(zhì)量。由圖10、圖11可知，冷卻液溫度分布較為均勻，制品的冷卻可實(shí)現(xiàn)同步，可有效提升制品質(zhì)量。

圖10 冷卻效率分析

4 支撐架注塑工藝參數(shù)優(yōu)化

由模流分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，支撐架的體積收縮和翹曲變形較為顯著，進(jìn)而影響制品的成型質(zhì)量。通過修改工藝參數(shù)(如注射時(shí)間、熔體溫度、V/P轉(zhuǎn)換條件、保壓壓力、保壓時(shí)間、冷卻溫度、冷卻時(shí)間、注塑周期)中的一個(gè)參數(shù)，如保壓壓力或者保壓時(shí)間，其他工藝參數(shù)不變，由圖7可知，可得翹曲隨保壓壓力或保壓時(shí)間的變化，設(shè)置的保壓壓力為73 MPa，僅為最大注射壓力91.20 MPa的80%。設(shè)置保壓壓力在73 MPa、90 MPa、120 MPa下，觀察翹曲變形隨保壓壓力的變化情況，如圖12所示。在保壓壓力為90 MPa下，設(shè)置保壓時(shí)間為15 s、20 s、25 s，翹曲變形隨保壓時(shí)間的變化情況如圖13所示。

圖11 冷卻回路溫度

圖12 翹曲變形隨保壓壓力的變化

圖13 翹曲變形隨保壓時(shí)間的變化

由圖12可知：隨著保壓壓力的升高，翹曲變形顯著降低；當(dāng)保壓壓力升高至90 MPa時(shí)，翹曲變形由2.132 mm降低至1.984 mm；再進(jìn)一步提升保壓壓力，翹曲變形下降減緩且對(duì)注塑機(jī)損傷較大。由圖13可知，隨著保壓時(shí)間的延長(zhǎng)，翹曲變形變化不明顯。通過模流分析結(jié)果與實(shí)際注塑結(jié)果的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)注塑工藝參數(shù)對(duì)實(shí)際注塑結(jié)果和模流分析結(jié)果的影響趨勢(shì)基本一致?？紤]到模流分析發(fā)現(xiàn)保壓壓力對(duì)翹曲有顯著影響，在實(shí)際的注塑工藝中重點(diǎn)調(diào)控保壓壓力，提出了支撐架的注塑工藝參數(shù)，見表2。在模流分析結(jié)果與實(shí)際注塑結(jié)果對(duì)比中，發(fā)現(xiàn)實(shí)際注塑時(shí)的最大注射壓力(97 MPa)與模流分析得到最大注射壓力(91.20 MPa)存在一定差異，同時(shí)實(shí)際注塑結(jié)果表明，保壓壓力提高到90 MPa以上，支撐架的翹曲沒有繼續(xù)明顯變小，并且較高的保壓壓力對(duì)注塑機(jī)不利，因此實(shí)際注塑工藝中選擇保壓壓力為90 MPa。

表2 支撐架注塑工藝參數(shù)

采用GF/PEEK材料及上述注塑工藝參數(shù)成型的支撐架實(shí)物如圖14所示，該支撐架已成功應(yīng)用于某航天器燃料貯箱中并通過了飛行考核驗(yàn)證，獲得了良好的應(yīng)用效果。

圖14 支撐架實(shí)物

5 結(jié)論

本文采用Moldflow分析軟件中對(duì)某航天器支撐架進(jìn)行了模流分析，重點(diǎn)對(duì)GF/PEEK材料熔體在注射模具模型腔內(nèi)的充模、冷卻、收縮及翹曲變形等進(jìn)行了模擬，基于分析結(jié)果提出了成型的注塑工藝參數(shù)，最終成型了支撐架制品，可得出以下結(jié)論。

(1) 填充時(shí)間表明熔體填充行為較為合理，流動(dòng)前沿溫度分布在合理范圍內(nèi)。

(2) 分析得出的V/P轉(zhuǎn)換壓力為90.83 MPa，最大注射壓力為91.20 MPa。

(3) 體積收縮較大的部位位于螺紋嵌件置入孔和后壁板芯部，其原因是壁厚不均勻；位于制品半圓形部位的翹曲變形較為顯著，其原因是半圓形部位為非穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，加之較大的收縮內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致制品出現(xiàn)不均勻收縮。

(4) 冷卻液溫度分布較為均勻，制品冷卻可實(shí)現(xiàn)同步。

(5) 分析采用的PEEK材料模型為純PEEK樹脂，并未填充玻璃纖維，而實(shí)際上支撐架所采用的GF/PEEK因其含有一定的玻璃纖維而對(duì)體積收縮產(chǎn)生有效的抑制，因而實(shí)際中的體積收縮不會(huì)如模流分析結(jié)果那樣明顯。采取調(diào)整壁厚結(jié)構(gòu)、優(yōu)化保壓過程的措施，有效削弱收縮產(chǎn)生的不利影響。

(6) 保壓壓力的提升可有效降低翹曲變形，而保壓時(shí)間改變對(duì)翹曲變形作用不明顯，因而選定保壓壓力為90 MPa，保壓時(shí)間為15 s。

(7) 采用優(yōu)化的工藝參數(shù)成型的支撐架，成功應(yīng)用于某航天器燃料貯箱中并通過了飛行考核。