舞臺(tái)燈透鏡模流分析及參數(shù)優(yōu)化

史智，高善旺，杜遙雪，徐百平

（1.五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部，廣東 江門 529020；2.江門市蓬江區(qū)碩泰電器有限公司，廣東 江門 529075）

傳統(tǒng)的注塑成型工藝通常采用低溫冷卻液來(lái)維持較低的模面溫度，繼而提高成型效率，縮短成型周期[1].而單純提高模具溫度，雖然可以改善產(chǎn)品的上述外觀質(zhì)量問題，但又易使產(chǎn)品出現(xiàn)翹曲、下陷、尺寸不良等缺陷，并延長(zhǎng)了成型周期，增加了生產(chǎn)成本.如何改善上述缺陷是研究的熱點(diǎn)之一.高光注塑成型（Rapid Heat Cycle Molding，RHCM）是一種急熱急冷成型技術(shù)[2]，運(yùn)用這種技術(shù)生產(chǎn)的制件具備高質(zhì)量和低污染的優(yōu)點(diǎn)，使其具有極大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景[3].本文將對(duì)高光注塑成型和傳統(tǒng)注塑成型進(jìn)行模擬分析，對(duì)比二者的速度/壓力切換時(shí)的壓力、體積收縮率.以期為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù).

1 物理模型及網(wǎng)格劃分

本文首先利用三維軟件CAD軟件來(lái)進(jìn)行舞臺(tái)燈定焦透鏡高光注塑模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用模流分析軟件Moldflow對(duì)舞臺(tái)燈定焦透鏡成型過程進(jìn)行仿真與分析，優(yōu)化注射成型工藝參數(shù).本文研究對(duì)象為舞臺(tái)燈透鏡，其三維模型的主要尺寸：頂圓直徑80 mm，底圓直徑30 mm，高60 mm.在導(dǎo)入模型后，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖1所示，由于本設(shè)計(jì)中舞臺(tái)燈透鏡壁厚不均勻，尺寸不大，且屬于精密制品，故網(wǎng)格類型選擇3D網(wǎng)格.在劃分和修復(fù)之后，舞臺(tái)燈透鏡模型網(wǎng)格數(shù)量為41 616個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為7 579，最大縱橫比為29.88，平均為5.57，最小為1.12.

圖1 舞臺(tái)燈透鏡模型及網(wǎng)格劃分

2 高光注塑與普通注塑成型對(duì)比分析

本文通過模流軟件Moldflow模擬高光注塑與普通注塑成型結(jié)果，以對(duì)比來(lái)體現(xiàn)兩種工藝之間的差異.材料選擇Mitsubishi Engineering-Plastics Corporation牌號(hào)Novarex 7022A的PC.具體工藝參數(shù)設(shè)置見表1所示.

表1 高光注塑與普通注塑成型工藝參數(shù)

2.1 速度/壓力切換時(shí)的壓力

速度/壓力切換時(shí)的壓力是指注塑機(jī)由充填階段轉(zhuǎn)為保壓階段時(shí)的壓力，是充填熔體時(shí)注塑機(jī)的最大壓力值.充填切換壓力值越大不僅對(duì)注塑機(jī)提出了更高的要求，而且還會(huì)導(dǎo)致塑件穩(wěn)定性的削弱.由圖2可知，同等條件下，高光注塑成型的速度/壓力切換時(shí)的壓力為13.62 MPa，而普通注塑成型的為14.57 MPa.模腔在通入塑料熔體前有進(jìn)行加熱，這能降低熔體的粘度，使其流動(dòng)更加順暢，復(fù)雜特征處的型腔也能充滿.可見，高光注塑優(yōu)化了普通注塑常見的充填壓力過高和充填不滿這類問題.

圖2 速度/壓力切換時(shí)的壓力

2.2 體積收縮率

體積收縮率會(huì)對(duì)翹曲變形產(chǎn)生較大影響，制件中體積收縮率不均衡，當(dāng)其差值越大時(shí)，翹曲變形量也越大.由圖3可知，在條件相同情況下，高光注塑成型的體積收縮率差值低于普通注塑成型的體積收縮率，且分流道到澆口位置上普通注塑成型制件存在收縮率突變的現(xiàn)象，而高光注塑成型制件在這個(gè)位置差值較小，故高光注塑生產(chǎn)的制件的體積收縮率更合適.

圖3 體積收縮率

由以上對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，高光注塑成型相較于普通注塑成型所成出的制件有多方面的優(yōu)勢(shì).一方面是高光注塑有對(duì)模具進(jìn)行加熱，這能提升塑料熔體的流動(dòng)性，有利于產(chǎn)品的強(qiáng)度和質(zhì)量.另一方面，高光注塑成型出來(lái)的制件表面光潔度高，以至于不用像普通注塑成型的制件一樣需要后續(xù)的噴涂等表面處理，這一定程度上減少了環(huán)境污染.

3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

本文選取了影響舞臺(tái)燈透鏡翹曲變形的4個(gè)工藝參數(shù)，分別是冷卻時(shí)間、高溫蒸汽溫度、熔體溫度、“注射+保壓+冷卻”時(shí)間.取這4個(gè)工藝參數(shù)不同值，其余參數(shù)相同，建立3組分析方案，觀察分析結(jié)果，取最優(yōu)的方案為舞臺(tái)燈定焦透鏡高光注塑成型工藝生產(chǎn)參數(shù).表2為3組方案工藝參數(shù).

表2 方案工藝參數(shù)

4 結(jié)果分析

4.1 縮痕

由于塑件壁厚不均，這會(huì)使得塑料熔體凝結(jié)時(shí)間不同，最后容易導(dǎo)致成型后制件表面出現(xiàn)凹陷[5].本設(shè)計(jì)中舞臺(tái)燈定焦透鏡是一個(gè)壁厚不均的制品，且表面缺陷會(huì)對(duì)其光學(xué)性能產(chǎn)生較大影響，減少甚至消除其表面縮痕相當(dāng)重要.在下圖4縮痕估算圖中，分析結(jié)果顯示了透鏡的縮痕主要集中在其底部，其中3個(gè)方案a、b、c最大縮痕值分別為0.5040 mm、0.4691 mm、0.4135 mm，可見方案c的縮痕最小，生產(chǎn)出來(lái)的制件縮痕影響小，表面質(zhì)量更好.

圖4 縮痕估算圖

4.2 體積收縮率

由圖5可知，3組方案中體積收縮率最大的地方都是在分流道上，這個(gè)位置并不影響透鏡的成型質(zhì)量[6].從圖中的色彩可看出3組方案透鏡的整體收縮率是a＞b＞c的，方案c的整體收縮率在2.228%上下，同時(shí)在透鏡上方邊緣處方案a和b都有明顯的收縮不均，而方案c在3組方案中最為均勻.由上述分析 可知，方案c成型的塑件的收縮率在3個(gè)方案中是最佳的，成型效果最好.

圖5 體積收縮率

4.3 翹曲變形

翹曲變形是塑料件一種常見的缺陷，出現(xiàn)的原因是模具設(shè)計(jì)或成型工藝不合理而導(dǎo)致塑件受到應(yīng)力的作用，使塑件形狀發(fā)生了改變[7].故翹曲變形是塑料成型必須要考慮的一個(gè)影響因素.3組方案的翹曲變形量如圖6所示，由圖觀察到方案a的變形量為0.3069 mm，方案b的變形量為0.2966 mm，方案c的變形量最低，為0.2799 mm.在翹曲變形方面，方案c模擬成型效果也優(yōu)于其他兩個(gè)方案.

圖6 翹曲變形

5 結(jié)論

本文使用CAE軟件Moldflow對(duì)舞臺(tái)燈透鏡傳統(tǒng)注塑成型和高光注塑成型進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)高光注塑成型優(yōu)化了普通注塑成型常見的充填壓力過高和充填不滿這類問題.通過3組方案的分析結(jié)果對(duì)比，得出了其中最優(yōu)的參數(shù)設(shè)置：冷卻時(shí)間14 s，高溫蒸汽溫度140°C，塑料熔體溫度260°C，“注射+保壓+冷卻”時(shí)間18 s，方案c的縮痕最小，生產(chǎn)出來(lái)的制件縮痕影響小，表面質(zhì)量更好，既減少了環(huán)境污染，同時(shí)提高了工作效率和制件成型質(zhì)量.