基于CAE模擬的注塑成型澆口設(shè)計(jì)優(yōu)化與應(yīng)用

米利波，張曉波

（1. 重慶文理學(xué)院，重慶市 402160；2. 太原理工大學(xué)，山西省太原市 030024）

大部分熱塑性高分子材料均具有優(yōu)異的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性、抗腐蝕性、抗老化性能等，而且具有優(yōu)異的加工性能，可通過(guò)多種加工手段制備外觀、結(jié)構(gòu)和性能各異的塑料制件［1-3］。通常，具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和外形的塑料制件都是通過(guò)注塑加工成型生產(chǎn)的，塑料熔融后注塑到模具中后冷卻成型。由于材料本身的冷卻收縮特性，最終的塑料制件會(huì)出現(xiàn)收縮變形等缺陷。尤其是對(duì)于薄壁塑料制品，收縮變形會(huì)導(dǎo)致制品出現(xiàn)縮孔或翹曲變形等缺陷，使其精度和表觀質(zhì)量受到影響［4-6］。

為了盡量避免成型缺陷的產(chǎn)生，通常需要對(duì)零件結(jié)構(gòu)、注塑工藝、材料性能以及模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化［7-9］。李海梅等［10］在對(duì)塑料制品翹曲變形進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，若生產(chǎn)母料和制件結(jié)構(gòu)已確定，對(duì)模具的澆口數(shù)目、分布進(jìn)行優(yōu)化，能夠有效降低制品最終的翹曲變形量。而對(duì)于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的薄壁塑料制件來(lái)說(shuō)，模具結(jié)構(gòu)、澆口設(shè)計(jì)與優(yōu)化仍是具有挑戰(zhàn)性的研究工作之一。本工作以聚丙烯材質(zhì)的遙控器外殼為例，基于正交試驗(yàn)法，利用Moldfolw軟件對(duì)模具澆口尺寸和位置進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，研究了這些參數(shù)對(duì)最終產(chǎn)品收縮程度的影響，對(duì)薄壁塑料制件模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化的相關(guān)研究工作具有一定參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1 仿真過(guò)程的建立

1.1 聚丙烯材質(zhì)遙控器外殼的形狀與尺寸

仿真過(guò)程中的聚丙烯材質(zhì)遙控器外殼的形狀和尺寸如圖1所示，其長(zhǎng)為200 mm，寬為100 mm，壁厚為1 mm。注塑過(guò)程中澆口選擇為側(cè)澆口，澆口1位于短邊中心位置，澆口2位于長(zhǎng)邊中心位置。澆口的橫截面為梯形，其上下底邊分別為5，6 mm，所模擬的梯形截面高度分別為4，5，6，7 mm。

圖1 聚丙烯材質(zhì)遙控器外殼的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of remote control shell made from polypropylene

1.2 注塑工藝分析

仿真過(guò)程中選用等規(guī)聚丙烯作為實(shí)驗(yàn)材料，其熔點(diǎn)為165 ℃，熔體流動(dòng)速率為3.0 g/10 min。在模擬仿真過(guò)程中，除了澆口的位置和澆口截面形狀外，其他加工工藝參數(shù)均不發(fā)生變化。模擬過(guò)程中所采用的聚丙烯加工成型工藝參數(shù)根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定，料筒溫度為260 ℃，注射壓力為50 MPa，保壓壓力為50 MPa，保壓時(shí)間為10 s，模具溫度為50 ℃，冷卻時(shí)間為15 s。

1.3 仿真方法的確定

利用Moldflow軟件中填充和翹曲分析功能建立仿真平臺(tái)，對(duì)聚丙烯材質(zhì)遙控器外殼成型后的冷卻收縮過(guò)程進(jìn)行模擬。保證聚丙烯材質(zhì)遙控器外殼的注塑工藝參數(shù)為1.2中預(yù)設(shè)參數(shù)，將澆口位置和澆口梯形截面高度設(shè)為翹曲變形量的影響因子。其中，澆口位置影響因子劃分為3個(gè)梯度水平，分別為澆口1，澆口2以及澆口1和澆口2組合；澆口梯形截面高度列為4個(gè)梯度，分別為4，5，6，7 mm。正交試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表1。利用正交試驗(yàn)進(jìn)行模擬仿真，共進(jìn)行12次模擬實(shí)驗(yàn)，成型后的制件評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為最大翹曲變形量。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 仿真模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用Moldflow軟件中的填充和翹曲分析功能建立仿真平臺(tái)，對(duì)聚丙烯材質(zhì)遙控器外殼注塑件的翹曲變形量進(jìn)行模擬仿真，從表2可以看出：當(dāng)澆口位置和截面尺寸組合為A3B4時(shí)，即澆口為1處和2處各設(shè)置1個(gè)澆口，澆口截面為梯形，上下邊長(zhǎng)分別為5，6 mm，高度為7 mm時(shí)，所制遙控器外殼的翹曲變形量最低。x軸方向翹曲變形量為0.905 mm，y軸方向翹曲變形量為0.409 mm，z軸方向翹曲變形量為0.212 mm，總翹曲變形量為0.932 mm。

表2 仿真模擬結(jié)果 Tab.2 Simulation results mm

不同的平行影響因子對(duì)制件表觀質(zhì)量、性能以及缺陷類(lèi)型、數(shù)量和分布具有不同的影響，為了提高仿真模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)作用，對(duì)每個(gè)平行因子進(jìn)行了單獨(dú)分析。

2.2 澆口位置和數(shù)目的影響

從圖2可以看出：無(wú)論澆口截面尺寸如何變化，澆口位置分布和數(shù)量組合對(duì)聚丙烯材質(zhì)遙控器外殼總翹曲變形量的影響趨勢(shì)大致相同。以澆口梯形橫截面上下邊長(zhǎng)和高度分別為5，6，7 mm為例，即B4組合。當(dāng)澆口位置分布和數(shù)量組合為A2時(shí)，即澆口位于澆口2處，相應(yīng)模擬結(jié)果顯示遙控器外殼的總翹曲變形量最大，為0.960 mm；對(duì)于其他澆口橫截面尺寸組合來(lái)說(shuō)，仿真模擬實(shí)驗(yàn)也顯示出類(lèi)似結(jié)果；當(dāng)澆口位置分布和數(shù)量組合為A2，澆口尺寸組合分別為B1，B2和B3時(shí)，模擬所得聚丙烯材質(zhì)遙控器外殼的翹曲變形量分別為0.977，0.974，0.969 mm。相對(duì)于其他澆口位置分布和數(shù)量組合來(lái)說(shuō)，模擬結(jié)果顯示A3組合下聚丙烯材質(zhì)遙控器外殼的總翹曲變形量最低，當(dāng)澆口橫截面尺寸組合為B1，B2，B3和B4時(shí)，相應(yīng)的翹曲變形量分別為0.937，0.936，0.934，0.932 mm。

圖2 澆口數(shù)目及位置對(duì)制件翹曲變形量的影響Fig.2 Warpage deformation of parts as a function of gate numbers and location

造成翹曲變形量變化的主要原因是型腔內(nèi)聚丙烯流體的壓力分布，從圖3看出：沿著從澆口處開(kāi)始，對(duì)處于聚丙烯遙控器外殼表面上10個(gè)等距測(cè)量點(diǎn)處的壓力進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果表明，盡管澆口位置分布和數(shù)量組合不同，但澆口位置分布和數(shù)量組合為A3時(shí)，型腔內(nèi)聚丙烯流體的壓力均隨著流動(dòng)方向出現(xiàn)不同程度的降低。相比之下，當(dāng)在澆口1和澆口2處分別設(shè)置1個(gè)澆口時(shí)，即澆口位置分布和數(shù)量組合為A3時(shí)，型腔內(nèi)聚丙烯流體的壓力最大，且壓力下降程度最為緩慢。A1次之，A2組合下型腔內(nèi)聚丙烯流體壓力最低，壓力下降最快。注塑加工成型過(guò)程中，型腔內(nèi)的壓力有助于熔體的流動(dòng)以及冷卻過(guò)程中熔體的補(bǔ)充，較高的壓力條件下熔體能夠充分流動(dòng)到模具各位置，保證制件的均一性；而且保壓過(guò)程中，較高的壓力有利于制件在冷卻收縮時(shí)尺寸精度的保持，防止翹曲變形的發(fā)生。對(duì)應(yīng)翹曲變形量的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壓力分布的模擬結(jié)果與其具有較好的對(duì)應(yīng)性，也在一定程度上證明了以上結(jié)論。

圖3 型腔內(nèi)聚丙烯流體壓力分布Fig.3 Pressure distribution of polypropylene fluid in cavity

2.3 澆口截面尺寸的影響

從圖4可以看出：對(duì)于不同的澆口位置分布和數(shù)量組合來(lái)說(shuō)，澆口截面尺寸的改變對(duì)聚丙烯材質(zhì)遙控器外殼總翹曲變形量的影響趨勢(shì)大致相同。以澆口位置分布和數(shù)量組合A3為例，當(dāng)澆口橫截面高度由4 mm逐漸增加到7 mm時(shí)，相應(yīng)模擬結(jié)果顯示，遙控器外殼的總翹曲變形量逐漸降低，當(dāng)澆口梯形橫截面高度為7 mm時(shí)，總翹曲變形量為0.932 mm。對(duì)于澆口位置分布和數(shù)量組合A1和A2來(lái)說(shuō)，仿真模擬實(shí)驗(yàn)也顯示出類(lèi)似的結(jié)果。當(dāng)澆口梯形橫截面高度為4 mm時(shí)，相應(yīng)制件的翹曲變形量最大；當(dāng)高度為7 mm時(shí)，總翹曲變形量最小。這主要是由于，當(dāng)澆口梯形橫截面的上下邊長(zhǎng)保持不變時(shí)，其高度越大，相應(yīng)的澆口尺寸越大，從而使聚丙烯熔體由澆口注射進(jìn)入模具中時(shí)，聚丙烯熔體壓力損失較小。也就是說(shuō)，較大的澆口有利于型腔內(nèi)熔體壓力的保持，從而使熔體的流動(dòng)和補(bǔ)充得以保障，相應(yīng)的聚丙烯材質(zhì)遙控器外殼的尺寸精度、均一性和表觀質(zhì)量較高，翹曲變形、縮孔等缺陷較少。

圖4 澆口橫截面尺寸對(duì)制件翹曲變形量的影響Fig.4 Gate cross section size as a function of warpage deformation of workpiece cover

3 結(jié)論

a）對(duì)聚丙烯材質(zhì)的遙控器外殼的注塑加工過(guò)程進(jìn)行了模擬，分析了澆口位置、數(shù)量和澆口橫截面尺寸對(duì)制件翹曲變形量的影響。

b）在模具長(zhǎng)短邊的中心位置各設(shè)置1個(gè)橫截面為梯形的澆口，梯形上下邊長(zhǎng)和高度分別為5，6，7 mm時(shí)，相應(yīng)制件的翹曲變形量最小，x軸，y軸，z軸和總翹曲變形量分別為0.905，0.409，0.212，0.932 mm。

c）在長(zhǎng)短邊中點(diǎn)各設(shè)置1個(gè)澆口時(shí)，型腔內(nèi)聚丙烯熔體的壓力最大且損失最??；而較大的澆口截面尺寸也有利于降低聚丙烯熔體注射時(shí)的壓力損失。