變模溫注塑模瞬態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬與工藝優(yōu)化

張惠敏，唐躍（青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東青島，266061）

變模溫注塑模瞬態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬與工藝優(yōu)化

張惠敏，唐躍（青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東青島，266061）

應(yīng)用Autodesk三維有限元瞬態(tài)傳熱分析方法對(duì)變模溫模具傳熱過(guò)程和模具與熔體之間的耦合傳熱進(jìn)行了瞬態(tài)求解和數(shù)值模擬，獲得了模具溫度場(chǎng)的變化過(guò)程及分布規(guī)律。應(yīng)用三維瞬態(tài)注塑模擬，結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)變模溫成型工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。 數(shù)值模擬后獲得的最優(yōu)結(jié)果：熱水溫度150℃，熔體溫度250℃，冷卻時(shí)間4s，注射時(shí)間0.3s，保壓時(shí)間2s，保壓壓力為注射壓力的110%。最后對(duì)最佳工藝參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證，獲得的結(jié)果是最大翹曲變形量為0.180 mm。

變模溫注塑； 瞬態(tài)溫度場(chǎng)； 數(shù)值模擬； 翹曲變形

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生活水品的提高，人們對(duì)塑料制品的結(jié)構(gòu)尺寸，外觀和產(chǎn)品性能的要求越來(lái)越高。目前普遍采用噴涂、電鍍等方法進(jìn)行復(fù)雜昂貴的后續(xù)加工以得到高光澤的制品表面。這種方法易造成環(huán)境污染，在歐美的一些國(guó)家禁止使用噴涂等污染空氣的工藝，因此變模溫注塑技術(shù)被提出。變模溫成型技術(shù)是一種快速加熱并快速冷卻的注塑技術(shù)，其原理是在注射之前，快速加熱模具型腔到塑料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，以抑制熔體的過(guò)早冷凝，降低熔體的流動(dòng)阻力，提高塑料熔體的充模流動(dòng)能力，然后進(jìn)行注射，在注射與保壓階段，模具溫度始終保持在較高的水平之上；在保壓階段后期將模具快速冷卻到頂出溫度以下，以縮短塑件成型周期，提高注塑生產(chǎn)效率[1-2]。由于充填時(shí)模具溫度很高，有助于提高熔體的流動(dòng)性，因此可消除塑件表面的熔接線、浮纖等問(wèn)題。變模溫注塑成型技術(shù)不僅可明顯改善塑件表面質(zhì)量，而且去除了噴涂、電鍍等污染嚴(yán)重的二次加工，是極具前景的綠色注塑技術(shù)[3-4]。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)變模溫注塑成型技術(shù)進(jìn)行了大量的研究,如J eng等[5]利用ANSYS進(jìn)行了變模溫?cái)?shù)值模擬研究，并對(duì)電視機(jī)外殼進(jìn)行了注塑試驗(yàn)。W ang 等[6]利用ANSYS建立了傳熱分析模型，模擬了充填、保壓、和冷卻過(guò)程溫度熱響應(yīng)，為優(yōu)化變模溫注塑工藝參數(shù)提供了理論依據(jù)。但是這些方法僅分析了模具加熱、冷卻對(duì)型腔表面溫度分布的影響，沒(méi)有充分考慮模具與熔體傳熱的耦合。本文應(yīng)用Autodesk公司最近新研發(fā)的三維有限元瞬態(tài)傳熱分析方法對(duì)變模溫模具傳熱過(guò)程和模具與熔體之間的耦合傳熱進(jìn)行了瞬態(tài)求解和數(shù)值模擬，獲得了模具溫度場(chǎng)的變化過(guò)程及分布規(guī)律，并以此為依據(jù)進(jìn)行了變模溫成型工藝參數(shù)優(yōu)化.

2 三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1 瞬態(tài)傳熱求解模型

傳統(tǒng)注塑成型工藝在整個(gè)成型周期中，冷卻介質(zhì)溫度為常數(shù)，模溫在小范圍內(nèi)周期性變化，模溫變化情況如圖波浪線所示。通常忽略模溫這種瞬態(tài)變化，取模溫平均值（圖1曲線）進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，即將模具傳熱近似為穩(wěn)態(tài)傳熱，其溫度場(chǎng)控制方程為：

圖1 穩(wěn)態(tài)傳熱的模具溫度

變模溫注塑成型工藝在整個(gè)成型周期中，充填時(shí)模具通入高溫介質(zhì)進(jìn)行加熱，冷卻時(shí)模具通入低溫介質(zhì)進(jìn)行冷卻，模溫在很大范圍內(nèi)周期性變化。如仍忽略瞬態(tài)變化的模具溫度對(duì)熔體溫度的影響，將穩(wěn)態(tài)傳熱分析應(yīng)用到變模溫傳熱分析中，其分析結(jié)果將導(dǎo)致熔體溫度場(chǎng)失真。因此變模溫模具必須應(yīng)用瞬態(tài)傳熱分析進(jìn)行模具溫度場(chǎng)求解，其溫度場(chǎng)控制方程為：

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃；ρ為密度，kg/ m3；c為比熱容，J/kg·℃；t為時(shí)間，s；T為溫度，℃。

2.2 溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

本文以帶嵌件手機(jī)外殼為研究對(duì)象。手機(jī)外殼外形尺寸為110m m×80m m×6m m，平均壁厚為1m m，材料為PC/ABS。模具設(shè)計(jì)為一模兩腔，主流道為熱流道，分流道為冷流道，澆口為潛伏式澆口，加熱水和冷卻水為同一通路，水管直徑為8m m。有限元模型如圖2所示。

模具尺寸為320m m×220m m×160m m。模具模型與塑件模型一樣,均劃分為四面體3D有限元網(wǎng)格，如圖3所示.模具材料為P20，塑件材料為 PCABS，各材料熱性能參數(shù)如表1所示。

圖2 塑件有限元模型

圖3 模具有限元模型

表1 材料熱性能參數(shù)

為了進(jìn)行模具與熔體傳熱分析的耦合，新研發(fā)的瞬態(tài)傳熱分析方法將上一周期加熱階段結(jié)束后的模具溫度場(chǎng)作為冷卻階段的初始溫度場(chǎng)，熔體溫度作為冷卻階段塑件的初始溫度場(chǎng)進(jìn)行冷卻分析，如此循環(huán)，直到每個(gè)周期加熱和冷卻溫度趨于一致，當(dāng)相鄰兩周期溫度變化溫差≤5℃時(shí)為達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)。本次數(shù)值計(jì)算設(shè)定加熱階段通入模具的高溫過(guò)熱水為150℃，冷卻階段通入模具的低溫冷卻水為20℃。在計(jì)算機(jī)上計(jì)算6個(gè)周期后達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，如圖4所示。穩(wěn)定后的最高溫度為145℃，此時(shí)為加熱階段，最低溫度為25℃，這時(shí)為冷卻階段。最高溫度與最低溫度之差達(dá)到125℃，而傳統(tǒng)注塑成型模具溫度變化范圍還不到10℃[7]。

穩(wěn)定工作狀態(tài)下模具溫度場(chǎng)如圖5，圖6所示，圖5為模具在加熱階段模具的溫度分布云圖，由圖可見(jiàn)管道內(nèi)通入高溫過(guò)熱水，此時(shí)正進(jìn)行熔體注射，圖6為模具在冷卻階段模具的溫度分布云圖，由圖可見(jiàn)管道中通入低溫冷卻水，此時(shí)正進(jìn)行制品脫模操作。由圖得知：無(wú)論加熱階段還是冷卻階段，型腔溫度分布都很均勻。

圖4 瞬態(tài)變化的模具溫度

圖5 加熱階段模具溫度分布

圖6 冷卻階段模具溫度分布

3 成型工藝參數(shù)優(yōu)化

由模具的瞬態(tài)溫度場(chǎng)求解獲得了模具溫度場(chǎng)的變化過(guò)程及分布規(guī)律，及模具與熔體之間的耦合傳熱求解獲得了準(zhǔn)確的熔體溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)等數(shù)值模擬結(jié)果。本文變模溫成型工藝參數(shù)的優(yōu)化正是以此為依據(jù).

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

翹曲變形是衡量產(chǎn)品質(zhì)量最重要指標(biāo)之一。因此本次試驗(yàn)選擇翹曲變形作為質(zhì)量指標(biāo)。選擇對(duì)注塑成型影響較大的6個(gè)因數(shù)作為試驗(yàn)因素，分別是過(guò)熱水溫度、熔體溫度、快速冷卻的冷卻時(shí)間、注射時(shí)間、保壓時(shí)間、保壓壓力，依次用A、B、C、D、E、F表示這6個(gè)影響因素。每個(gè)因素設(shè)計(jì)3個(gè)水平，各因素水平值成等差數(shù)列，如表2所示。本次試驗(yàn)冷卻水輸入溫度為20℃。

表2 因素水平表

選擇7因素3水平L18（37）正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)表和相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)方案與模擬結(jié)果

3 1 3 3 3 3 3 0.336 4 2 1 1 2 2 3 0.335 5 2 2 2 3 3 1 0.263 6 2 3 3 1 1 2 0.223 7 3 1 2 1 3 2 0.260 8 3 2 3 2 1 3 0.342 9 3 3 1 3 2 1 0.265 10 1 1 3 3 2 2 0.230 11 1 2 1 1 3 3 0.316 12 1 3 2 2 1 1 0.267 13 2 1 2 3 1 3 0.309 14 2 2 3 1 2 1 0.263 15 2 3 1 2 3 2 0.217 16 3 1 3 2 3 1 0.263 17 3 2 1 3 1 2 0.224 18 3 3 2 1 2 3 0.325

3.2 翹曲變形極差分析

根據(jù)表3數(shù)據(jù)計(jì)算同一水平和同一因數(shù)總翹曲變形的均值，再進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果極差分析，以求得各工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形的影響程度。極差分析結(jié)果如表4所示。由極差分析表可知，各因素對(duì)翹曲變形的影響程度為：保壓壓力＞熔體溫度＞冷卻時(shí)間＞保壓時(shí)間＞注射時(shí)間＞熱水溫度。由此得出結(jié)論：保壓壓力對(duì)翹曲變形的影響最大，增大保壓壓力有助于減小翹曲變形。

表4 翹曲變形極差分析表

表中：K1--水平1的翹曲變形均值，K2--水平2的翹曲變形均值，K3--水平3的翹曲變形均值，R均值極差。

3.3 最佳結(jié)果驗(yàn)證

由表4得出：最佳工藝參數(shù)為A1B1C1D1E1F2，即熱水溫度為150℃，熔體溫度為250℃，冷卻時(shí)間4s，注射時(shí)間0.3s，保壓時(shí)間2s，保壓壓力為注射壓力的110%。為了驗(yàn)證所得最佳工藝參數(shù)的合理性，需要對(duì)這組最佳工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。數(shù)值模擬后得到的最大總翹曲變形量為0.180m m，產(chǎn)品的大部分翹曲變形量在0.100m m左右，滿足使用要求，如圖7所示。

圖7 總翹曲變形

4 結(jié)論

（1）應(yīng)用Autodesk公司新研發(fā)的三維有限元瞬態(tài)傳熱分析方法對(duì)變模溫模具傳熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了模具溫度場(chǎng)的瞬態(tài)變化規(guī)律和均勻的溫度場(chǎng)，為變模溫注塑成型工藝參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù)。

（2）對(duì)變模溫模具與熔體之間的耦合傳熱進(jìn)行了求解，獲得了準(zhǔn)確的熔體溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)等數(shù)值模擬結(jié)果。在計(jì)算機(jī)上計(jì)算6個(gè)周期后達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，穩(wěn)定后的最高溫度為145℃，最低溫度為25℃，最高與最低溫度之差達(dá)125℃。

（3）結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，應(yīng)用三維瞬態(tài)注塑模擬對(duì)變模溫成型工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。獲得最佳工藝參數(shù)組合為A1B1C1D1E1F2，熱水溫度為150℃，熔體溫度為250℃，冷卻時(shí)間4s，注射時(shí)間0.3s，保壓時(shí)間2s，保壓壓力為注射壓力的110%。最后對(duì)最佳工藝參數(shù)組合進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證，結(jié)果是：最大總翹曲變形量為0.180m m，產(chǎn)品的大部分翹曲變形量在0.100 m m左右，完全滿足使用要求。

[1]胡文文, 辛 勇.車載藍(lán)牙外殼高光無(wú)痕注射 CAE 分析及參數(shù)優(yōu)化[J].中國(guó)塑料，2010，24（4）：61-64.

[2]張正彬，陳 晨, 陳從升.高光成型制品體積收縮率的數(shù)值模擬優(yōu)化與結(jié)果預(yù)測(cè)[J].塑料工業(yè)，2011，39（5）：117-119.

[3]王桂龍，趙國(guó)群，李輝平，管延錦.變模溫注塑的技術(shù)的研究與應(yīng)用分析[J].現(xiàn)代化工，2009，29(2): 24－27.

[4]趙國(guó)群，王桂龍，李輝平, 管延錦.快速熱循環(huán)注塑技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2009，16(1): 190－195.

[5]Jeng M C, Chen S C, M inh P S，et al.Rapid M old Tem perature Control in Injection M olding by Using Steam Heating[J].International Com m unications in Heat and M ass Transfer, 2010, 37(9)：1295-1304.

[6]W ang Guilong,Zhao Guoqun,Li Huiping.Analysis of Therm al Cycling Efficiency and Optim al Design of Heating/Cooling System s for Rapid Heat Cycle Injection M olding Process [J].M aterials and Design, 2010, 31(7):382-395.

[7]李 贊，張 云，周華民，黃志高.RHCM 模具的三維瞬態(tài)傳熱建模與分析[J].模具工業(yè), 2013,39(3): 7-11.

T ransient temperature field numerical simulation of variotherm injection mold and molding process optimization

ZHANG Hui-min，TANG Yue （Guizhou Province Electronic Information Technician College, Tuyun Guizhou, 558000）

Variotherm mold heat transfer process and the coupled heat transfer between mold and melt were solved and simulated by the 3D finite element mold transient heat transfer analysis method of Autodesk company，so that the change process and distribution of the mold temperature field were obtained.Variotherm mold molding process parameters were optimized by three dimensional transient injection molding simulation combined with orthogonal experiment design.Optimum results by numerical simulation were that hot water temperature is 150℃, the melt temperature is 250℃, the cooling time is 4 s, injection time is 0.3 s , holding time is 2s, the holding pressure is for 110% of the injection pressure.Finally, the optimum technological parameters was verified that the biggest warping deformation was 0.180mm by numerical simulation.

3D model；STL export； format conversion； 3D printing