基于Moldflow的UNCRIMS材料收縮率優(yōu)化分析

譚安平，駱 靜

(成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,四川 樂山 614000)

0 前言

塑料收縮率是指塑料制件在成型溫度下尺寸與從模具中取出冷卻至室溫后尺寸之差的百分比。它反映的是塑料制件從模具中取出冷卻后尺寸縮減的程度。影響塑料收縮率的因素有：塑料品種、成型條件、模具結(jié)構(gòu)等。不同高分子材料的收縮率各不相同。塑料的收縮率還與塑件的形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、是否有嵌件等有很大的關(guān)系[1]。因此，塑料收縮率是一個(gè)范圍，而不是定值。

塑料模設(shè)計(jì)中，模具設(shè)計(jì)人員會(huì)在設(shè)計(jì)初期設(shè)定一個(gè)固定的收縮率來得到型腔的尺寸，型腔尺寸=塑件尺寸×(1+塑料收縮率)。模具按照設(shè)定的收縮率設(shè)計(jì)制作完成后，在試模時(shí)可以調(diào)整保壓曲線來改變塑料的收縮率進(jìn)而調(diào)整制件的尺寸和品質(zhì)來滿足客戶的需求[2]。但是，調(diào)整保壓不一定能解決所有的問題，因此，塑料收縮率的設(shè)定是一個(gè)非常重要的因素。對于大型制件，塑料收縮率的取值正確與否決定了模具設(shè)計(jì)的成敗。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法大多是依賴材料供應(yīng)商提供的收縮率范圍并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)來確定收縮率，然而收縮率受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和成型工藝條件的影響較大，僅憑經(jīng)驗(yàn)確定收縮率會(huì)帶來較大的偏差，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致模具報(bào)廢[3]。

1 CRIMS和UNCRIMS材料

Moldflow材料庫的材料按照是否做過收縮實(shí)驗(yàn)，可以分為修正的模具殘余應(yīng)力(CRIMS)材料和UNCRIMS材料。對于CRIMS材料，塑料廠家會(huì)做實(shí)際的實(shí)驗(yàn)，設(shè)置不同的工藝參數(shù)，如料溫、模溫、注射壓力、保壓壓力、冷卻及保壓時(shí)間等，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來確定水平線性收縮率、豎直線性收縮率、推薦的材料收縮率等數(shù)據(jù)。UNCRIMS材料沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，Moldflow軟件里收縮數(shù)據(jù)欄為空。

CRIMS材料可以使用Moldflow軟件里的收縮模塊來進(jìn)行模擬分析，而UNCRIMS材料只能使用翹曲模塊，無法使用收縮模塊。如果UNCRIMS材料設(shè)定填充+保壓+收縮的分析序列，Moldflow軟件分析完填充和保壓后，會(huì)提示未找到材料收縮數(shù)據(jù)，收縮分析無法繼續(xù)。

采用UNCRIMS材料的某19寸顯示器前框塑件在模具設(shè)計(jì)之前未進(jìn)行CAE模擬驗(yàn)證，依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)采用塑料收縮率為0.5 %，試模時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品有表面缺陷，凹陷及縮水嚴(yán)重。調(diào)整注塑機(jī)參數(shù)，使用較大的保壓壓力進(jìn)行保壓解決了縮水問題，但產(chǎn)品尺寸偏大，裝配困難，最終模具報(bào)廢，導(dǎo)致時(shí)間和經(jīng)濟(jì)損失。為了保證二次開模一次性成功，需要用Moldflow軟件擬定方案、分析和解決問題，對UNCRIMS材料進(jìn)行收縮率驗(yàn)證計(jì)算。

2 Moldflow軟件前處理

2.1 產(chǎn)品三維(3D)模型及網(wǎng)格劃分

顯示器廠家提供的產(chǎn)品3D模型如圖1所示，尺寸為474.33 mm×319.83 mm×17 mm，體積為146.03 cm3，平均壁厚為3.1 mm。為了分析第一次開模失敗的原因，將塑料收縮率設(shè)定為第一次開模的收縮率0.5 %。在UG軟件里將制件尺寸放大0.5 %，尺寸為476.70 mm×321.43 mm×17.09 mm。放大收縮率后的塑件尺寸即為型腔尺寸，放大收縮率后的塑件作為Moldflow分析模型。將放大0.5 %后的產(chǎn)品igs文檔導(dǎo)入到CAD doctor軟件里進(jìn)行3D數(shù)據(jù)修復(fù)，修復(fù)完成后再導(dǎo)入到Moldflow軟件里進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用雙層面網(wǎng)格，劃分后三角形數(shù)量為32 500個(gè)，網(wǎng)格匹配率為92.3 %，符合模流分析要求。

圖1 產(chǎn)品的3D模型Fig.1 3D model of the part

2.2 澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)的建模

對于框型制件，經(jīng)典的流道設(shè)計(jì)為中間主流道加4個(gè)分流道。為了保證外表面的光滑，澆口不設(shè)置在影響外觀的表面，采用牛角式澆口。為了保證冷卻效率，不使用系統(tǒng)默認(rèn)冷卻系統(tǒng)而是自定義冷卻系統(tǒng)。凸模采用了隔板式冷卻結(jié)構(gòu)，建模后的澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 澆注及冷卻系統(tǒng)Fig.2 Gating and cooling systems

2.3 產(chǎn)品材料

顯示器廠家指定產(chǎn)品材料為中國臺(tái)灣奇美實(shí)業(yè)公司生產(chǎn)的丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯三元共聚物(ABS)，牌號(hào)為Polylac PA-757。此材料的推薦加工溫度為：模具表面溫度為45 ℃、熔體溫度為210 ℃。在Moldflow材料庫里查看Polylac PA-757的材料屬性，發(fā)現(xiàn)無收縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為UNCRIMS材料。

3 問題分析及Moldflow模擬解決方案

第一次開模失敗表現(xiàn)在2個(gè)方面：一是制件雖滿足尺寸要求，但表面有縮水缺陷，二是表面不縮水但尺寸偏大，這是典型的表面縮水與尺寸相矛盾的問題。此問題對于CRIMS材料來說相對容易解決，這種材料直接用Moldflow收縮模塊分析，可以得到比較直觀的解決方案。

對于UNCRIMS材料，Moldflow沒有收縮分析模塊，為了分析最佳收縮率的問題，需要利用翹曲變形分析模塊，判斷什么方向收縮什么方向翹曲變形，然后手動(dòng)測量收縮值并調(diào)整保壓參數(shù)，綜合對比分析來確定最佳收縮率。

3.1 確定模擬方案

考慮到保壓壓力和保壓時(shí)間對制件的收縮影響較大，這里先設(shè)置4種保壓方案來考察收縮率的取值范圍。4種保壓方案的保壓壓力和保壓時(shí)間參數(shù)設(shè)置見表1。基本工藝參數(shù)統(tǒng)一設(shè)置為：注射時(shí)間為2.5 s、注射/保壓切換為總體積的99 %、模具表面溫度為45 ℃、熔體溫度為210 ℃、冷卻時(shí)間為30 s。設(shè)定分析序列為填充+保壓+翹曲，模擬出的翹曲變形結(jié)果如圖3所示。

查看分析日志，方案1、方案2、方案3和方案4成型后塑件質(zhì)量(不含流道質(zhì)量)分別為：137.965、138.959、141.117 g和143.533 g。由表1和圖3可以看出，隨著保壓壓力的增加，翹曲變形量減小、制件質(zhì)量增加，這與實(shí)際試模情況一致。

對于框型零件，X和Y方向的變形實(shí)質(zhì)為制件的收縮，而Z方向的變形為制件的翹曲。由于實(shí)際試模過程中影響裝配的只有X和Y方向的收縮變形，因此Z方向的翹曲變形不做討論。X方向的收縮如圖4所示，隨著保壓壓力從0增加到75 MPa，X方向的收縮值范圍由-2.262～2.319 mm減小到-0.851～0.866 mm。因此，隨著保壓壓力的增加，尺寸收縮值減小，尺寸增大，塑件變重，收縮率變小。

表1 4種保壓方案的參數(shù)設(shè)置

3.2 X和Y方向上的線性收縮率計(jì)算

用收縮模塊分析CRIMS材料有具體的收縮值，而用翹曲變形模塊分析UNCRIMS只有變形范圍。為了準(zhǔn)確計(jì)算出產(chǎn)品在X方向上的尺寸偏差，進(jìn)而計(jì)算出X方向上的線性收縮率，只能通過手工測算。選外框長方形的4個(gè)角點(diǎn)[4]A、B、C和D，分別記錄節(jié)點(diǎn)編號(hào)及坐標(biāo)，如圖5所示。

圖5中A、B兩點(diǎn)變形前后距離之差就是此方向上的收縮值。收縮值與型腔尺寸之比為AB方向上的線性收縮率。CD方向上的線性收縮率亦用此方法求出。AB和CD方向上的線性收縮率平均值即為X方向上的線性收縮率。經(jīng)過手工測量和計(jì)算，得到4種保壓方案在X方向上的線性收縮率，見表2。

從表2可以看出，用第一次開模設(shè)定的0.5 %收縮率制作的型腔在4種保壓方案下注射成型，X方向上的線性收縮率差距非常大，分別為0.84 %、0.79 %、0.46 %和0.25 %。X方向上圖紙要求的尺寸為319.83 mm，介于方案3和方案4之間。

表2 4種保壓方案在X方向上的線性收縮率

Tab.2 Linear shrinkage of parts from four pressure holding schemes in X direction

4種保壓方案在Y方向上的線性收縮率，見表3。從表3可以看出，Y方向上的線性收縮率同樣差距非常大，4個(gè)方案分別為0.85 %、0.79 %、0.53 %和0.25 %。Y方向上圖紙所要求的尺寸為474.33 mm，也是介于方案3和方案4之間。

表3 4種保壓方案在Y方向上的線性收縮率

Tab.3 Linear shrinkage of parts from four pressure holding schemes in Y direction

3.4 方案3及方案4分析

方案3在X和Y方向上的線性收縮率分別是0.46 %和0.53 %，線性收縮率平均值為0.495 %，非常接近第一次開模的設(shè)定值0.5 %，同開模失敗方案相似。方案3的X方向上的成型尺寸范圍是319.25～319.74 mm，平均尺寸為319.495 mm，符合圖紙?jiān)赬方向上要求的尺寸(319.83±0.5) mm；方案3的Y方向上成型的尺寸范圍為474.15～474.19 mm，平均尺寸為474.17 mm，也符合圖紙?jiān)赮方向上要求的尺寸(474.33±0.5) mm。因此，方案3在X和Y方向上的制件尺寸均滿足圖紙要求。

方案3制件頂出時(shí)的體積收縮率模擬結(jié)果見圖6。對于各向同性收縮的材料，頂出時(shí)的體積收縮率約為線性收縮率的3倍。ABS的線性收縮率約為0.5 %，則頂出時(shí)的體積收縮率約為1.5 %，最大不超過3 %，超過3 %會(huì)發(fā)生縮水。由圖6可以看出，頂出的最大體積收縮率為4.4 %，超過了ABS出現(xiàn)表面縮水的最大允許頂出時(shí)的體積收縮率3 %，必然會(huì)發(fā)生縮水。

圖6 方案3制件頂出時(shí)的體積收縮率Fig.6 Volume shrinkage of parts from scheme 3 at ejection

為了解決縮水問題，實(shí)際試模時(shí)調(diào)試人員會(huì)增大保壓進(jìn)行調(diào)試[5]，這種情況與模擬方案4一致。方案4制件頂出時(shí)的體積收縮率見圖7。

由圖7可以看出，制件頂出時(shí)的體積收縮率都小于ABS出現(xiàn)表面縮水的最大允許頂出時(shí)的體積收縮率3 %，說明方案4無縮水。但是，方案4在Y方向上的成型尺寸為475.53 mm，尺寸比基本尺寸大了1 mm多，不在圖紙要求的尺寸公差范圍(474.33±0.5) mm內(nèi)。因此，過大的保壓雖然能夠解決縮水問題，但尺寸偏大。

以上分析闡釋了產(chǎn)品縮水與產(chǎn)品尺寸是如何矛盾的，并解釋了第一次開模失敗的原因。因此，如設(shè)置不恰當(dāng)?shù)氖湛s率開模，生產(chǎn)出的制件要么縮水，要么尺寸偏大。

圖7 方案4制件頂出時(shí)的體積收縮率Fig.7 Volume shrinkage of parts from scheme 4 at ejection

3.5 擬定正確方案并計(jì)算收縮率

總結(jié)方案3和方案4的失敗經(jīng)驗(yàn)，觀察圖紙尺寸介于方案3和方案4之間，可以得出，只需要在方案3和方案4之間設(shè)定合適的收縮率并調(diào)整保壓壓力，就可以使線性收縮率和收縮指數(shù)趨于平均分布。

分析方案4的保壓參數(shù)及模擬結(jié)果可知，該方案采用ABS常用的0.5 %收縮率得到型腔尺寸，保壓壓力設(shè)置為75 MPa，模擬結(jié)果顯示：成型后的線性收縮率為0.25 %，該方案無縮水，但是測算變形后節(jié)點(diǎn)距離發(fā)現(xiàn)成型尺寸偏大，這是由于采用了較大的收縮率設(shè)置(0.5 %)的緣故。為此嘗試設(shè)定略大的收縮率0.3 %，相應(yīng)略小的保壓壓力70 MPa進(jìn)行重新模擬，查看尺寸是否合乎要求及是否有縮水發(fā)生。

在UG軟件里將制件原始尺寸放大0.3 %，得到新的型腔尺寸，型腔尺寸由476.70 mm×321.43 mm×17.09 mm(0.5 %收縮率)減小到475.75 mm×320.79 mm×17.05 mm(0.3 %收縮率)。將放大0.3 %后的產(chǎn)品igs文檔重新導(dǎo)入到CAD doctor軟件里進(jìn)行3d數(shù)據(jù)修復(fù)，修復(fù)完成后導(dǎo)入到Moldflow軟件里重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分并重新進(jìn)行澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)的建模。

基本工藝參數(shù)同之前設(shè)置的相同，設(shè)置保壓壓力為70 MPa，得到方案5。方案5的保壓壓力和保壓時(shí)間設(shè)定參數(shù)見表4，模擬完成后重新測算X方向及Y方向的線性收縮率，結(jié)果見表5。

表4 方案5的參數(shù)設(shè)置

Tab.4 Parameter setting of schemes 5

表5 方案5在X、Y方向上的線性收縮率

Tab.5 Linear shrinkage of parts from schemes 5 in X and Y direction

由模擬及測算結(jié)果可以看出，將ABS設(shè)定0.3 %的線性收縮率制作的型腔，成型后在X和Y方向上的線性收縮率分別為0.293 %和0.292 %，與0.3 %的線性收縮率是相匹配的。另外，X和Y方向上的尺寸分別為319.85和474.36，尺寸滿足公差要求。

圖8 方案5制件頂出時(shí)的體積收縮率Fig.8 Volume shrinkage parts form of scheme 5 at ejection

方案5制件頂出時(shí)的體積收縮率見圖8，由模擬結(jié)果可以看出，方案5最大的頂出時(shí)的體積收縮率為2.727 %，頂出時(shí)的體積收縮率均小于ABS出現(xiàn)表面縮水的最大允許頂出時(shí)的體積收縮率3 %。因此，設(shè)定0.3 %的材料收縮率，采用方案5的保壓設(shè)置，既不會(huì)縮水也不會(huì)尺寸偏大，二次開模條件成熟。實(shí)際生產(chǎn)中，二次開模按照3 %縮水制作模具后，產(chǎn)品一次性合格，無需修模。

4 結(jié)論

(1)在模流分析Moldflow軟件里，對框型制件顯示器前框進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行了澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)的建模;

(2)UNCRIMS材料雖沒有收縮數(shù)據(jù)，無法使用收縮模塊分析，卻找到了測算線性收縮率的方法：記錄X、Y方向上的特殊節(jié)點(diǎn)，測量變形前后的距離并計(jì)算收縮率;

(3)隨著保壓壓力的增加，尺寸收縮值減小，尺寸增大，塑件變重，收縮率變小;收縮率受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和成型工藝條件的影響較大，僅憑經(jīng)驗(yàn)確定收縮率會(huì)帶來較大的偏差;

(4)方案3保壓壓力正常時(shí)，發(fā)生縮水；方案4加大保壓壓力，縮水消失,但制件尺寸偏大，分析出第一次開模失敗的原因，并找到了解決方案5：采用0.3 %的材料收縮率、保壓壓力為70 MPa、保壓時(shí)間為3 s、壓力衰減時(shí)間3 s；修改后的方案5的尺寸滿足公差要求，且表面不會(huì)縮水;

(5)為了避免開模失敗，開模前最好進(jìn)行CAE模擬，分析收縮率及尺寸是否滿足公差要求，大型制件尤其要特別注意；對于中小型制件，ABS設(shè)置為0.5 %的收縮率沒有問題。