基于Moldflow軟件的雙色注塑成型工藝優(yōu)化

苗 盈，陸忠華?，李 薇，金華軍

（1. 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械技術(shù)學(xué)院，江蘇省無錫市 214121；2. 江蘇省難加工零部件工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇省無錫市 214121）

雙色注塑技術(shù)作為一種先進(jìn)的注塑成型工藝得到了越來越廣泛的應(yīng)用。雙色注塑是指將兩種不同的塑料材料在同一臺(tái)注塑機(jī)上進(jìn)行注塑，由兩個(gè)不同的注射單元經(jīng)過兩組澆注系統(tǒng)進(jìn)入型腔內(nèi)，分兩次成型，最終一次性將雙色塑件頂出［1-3］。雙色注塑模具一般由兩套模具組成，一般情況下兩者的定模（前模）型腔相同，而動(dòng)模（后模）型腔不同。注塑生產(chǎn)時(shí)兩套模具同時(shí)工作，第一次注塑（簡(jiǎn)稱第一射）完成后，動(dòng)模部分旋轉(zhuǎn)180°后與第二型腔的定模構(gòu)成一套完整的模具進(jìn)行第二次注塑（簡(jiǎn)稱第二射）［4-6］。雙色注塑成型需注意：1）兩次注塑成型的充填時(shí)間應(yīng)盡可能接近［7］；2）選擇的兩種注塑材料相互之間要有較強(qiáng)的黏合強(qiáng)度，從而避免兩種材料結(jié)合處出現(xiàn)開裂、脫落等缺陷［8］；3）兩次注塑成型的體積收縮率應(yīng)盡可能接近，從而避免影響兩個(gè)模型的熔接性［9］。本工作以某雙色塑料扣注塑模具為例，運(yùn)用Moldflow軟件的熱塑性塑料重疊注塑模塊進(jìn)行注塑工藝分析及優(yōu)化，為提高雙色塑件的產(chǎn)品質(zhì)量提供依據(jù)。

1 塑件分析

某雙色塑料扣（幾何模型見圖1）由外層殼體和內(nèi)層結(jié)構(gòu)兩部分組成。外層殼體的最大外形尺寸為73 mm×20 mm×4 mm，最大壁厚為3.00 mm，最小壁厚為0.16 mm，大部分壁厚為1.50 mm，體積約為2.6 cm3。內(nèi)層結(jié)構(gòu)的最大外形尺寸為70 mm×17 mm×12 mm，最大壁厚為2.30 mm，最小壁厚為1.00 mm，大部分壁厚為1.50 mm，體積約為2.1 cm3。

圖1 雙色塑料扣幾何模型Fig.1 Geometric models of bi-color plastic buckle

使用3D網(wǎng)格類型對(duì)塑料扣幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格邊長(zhǎng)設(shè)定為1 mm。網(wǎng)格劃分并修復(fù)后，四面體個(gè)數(shù)為617 535個(gè)，縱橫比最大為40.57、最小為1.15、平均為5.62，模型邊界上不存在任何折疊，也不存在任何倒置四面體單元。網(wǎng)格質(zhì)量較好，滿足后續(xù)模流分析的要求。

根據(jù)塑料扣的用途、性能、結(jié)構(gòu)以及塑料之間的黏合強(qiáng)度，外層殼體的材料選用透明聚碳酸酯（PC），內(nèi)層結(jié)構(gòu)的材料選用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS），PC與ABS具有較好的黏合強(qiáng)度［10］。一次雙色注塑共完成2件產(chǎn)品，第一射、第二射都采用一模兩腔的型腔布局方式。通常情況下，雙色注塑成型第一射注射內(nèi)層底料，第二射注射外層包覆料。然而該塑料扣內(nèi)層底料ABS的推薦熔體溫度為200.0～280.0 ℃，外層包覆料PC的推薦熔體溫度為280.0～320.0 ℃，如果采用常規(guī)注塑成型，即先注射ABS后注射PC，會(huì)使產(chǎn)品外觀產(chǎn)生料花和流痕等缺陷，嚴(yán)重影響塑件品質(zhì)。因此，塑料扣的雙色成型采用反向模具進(jìn)行逆向注射［11］，即第一射注射外層包覆料即透明PC，第二射注射內(nèi)層底料即ABS，從而避免產(chǎn)生料花和流痕。

2 雙色注塑初步分析

首先，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)一個(gè)初始方案并對(duì)其進(jìn)行分析，檢查雙色塑料扣的充填時(shí)間、體積收縮率、翹曲變形量等成型工藝參數(shù)是否合理，對(duì)成型工藝方案進(jìn)行可行性評(píng)估，為后續(xù)的工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

塑料扣雙色模具的澆注系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)見圖2，第一射、第二射的澆注系統(tǒng)尺寸基本相同。主流道長(zhǎng)度20 mm，上端直徑4 mm，下端直徑6 mm；分流道為圓形截面，一級(jí)分流道直徑5 mm，二級(jí)分流道上端直徑5 mm，下端直徑3 mm；點(diǎn)澆口直徑2 mm。

圖2 澆注系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)Fig.2 Initial design of gating system

澆注系統(tǒng)創(chuàng)建后，進(jìn)行“填充+保壓+重疊注塑充填+重疊注塑保壓+翹曲”分析。設(shè)定第一射注射PC時(shí)的熔體溫度為280.0 ℃，第二射注射ABS時(shí)的熔體溫度為250.0 ℃，模溫均為80.0 ℃，其他工藝參數(shù)為默認(rèn)值。

2.1 流動(dòng)前沿溫度

從圖3可以看出：第一射的流動(dòng)前沿溫度為155.4～287.7 ℃，溫差為132.3 ℃；第二射的流動(dòng)前沿溫度為248.4～252.8 ℃，溫差為4.4 ℃。流動(dòng)前沿溫差越小，產(chǎn)品質(zhì)量越好。溫差在10.0 ℃以內(nèi)時(shí)，基本能夠滿足產(chǎn)品的成型要求，不會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量缺陷等問題［12-13］。根據(jù)分析結(jié)果可知，第二射的溫差符合要求，但第一射的溫差太大，局部溫度過低可能會(huì)出現(xiàn)遲滯或其他問題。流動(dòng)前沿溫度可以通過增加制品壁厚、更改澆口位置、增加澆口數(shù)量等方式進(jìn)行改善。

圖3 流動(dòng)前沿溫度分析結(jié)果Fig.3 Analysis results of temperature at flow front

2.2 充填時(shí)間

從圖4可以看出：第一射的充填時(shí)間為1.808 s，第二射的充填時(shí)間為1.298 s，時(shí)間差為0.510 s。為了使第一射和第二射的充填時(shí)間盡可能接近，可以采用調(diào)整澆注系統(tǒng)尺寸或增設(shè)澆口數(shù)量等方式。

圖4 充填時(shí)間分析結(jié)果Fig.4 Analysis results of filling time

2.3 體積收縮率

從圖5可以看出：第一射的平均體積收縮率為1.142%～7.359%；第二射的平均體積收縮率為1.613%～7.743%。第一射與第二射的平均體積收縮率相差較大，會(huì)影響兩者的熔接性，可以通過改變澆口位置、增加澆口數(shù)量、增大澆注系統(tǒng)尺寸、調(diào)整保壓曲線、延長(zhǎng)保壓時(shí)間、增大保壓壓力等方式來改善。

圖5 平均體積收縮率分析結(jié)果Fig.5 Analysis results of average volumetric shrinkage

2.4 翹曲分析

從圖6可以看出：塑料扣兩端向上翹起，翹曲變形量最大的部位為兩端的兩個(gè)卡扣處；塑料扣成型后的總翹曲變形量為0.558 3 mm。產(chǎn)品成型后如果產(chǎn)生較大的變形，將會(huì)使裝配間隙不均勻，裝配接觸面變小，影響裝配的牢固性和可靠性［14］。

圖6 翹曲分析結(jié)果Fig.6 Warp analysis results

3 雙色注塑優(yōu)化分析

根據(jù)初步分析結(jié)果可知，塑料扣雙色注塑成型需要改進(jìn)的主要問題有：1）第一射流動(dòng)前沿溫度溫差過大（132.3 ℃）；2）第一射與第二射的充填時(shí)間相差較大（0.510 s）；3）第一射與第二射的平均體積收縮率最大值均超過了7.000%，并且兩者貼合處的平均體積收縮率相差較大；4）總翹曲變形量較大（0.558 3 mm）。針對(duì)以上問題對(duì)塑料扣雙色注塑成型工藝進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 流動(dòng)前沿溫度的優(yōu)化

通過觀察發(fā)現(xiàn)，第一射的流動(dòng)前沿溫度最低點(diǎn)位于外層殼體的最薄壁厚（0.16 mm）處。在不影響產(chǎn)品功能和使用的前提下，將外層殼體的凸出部分移動(dòng)了9 mm，見圖7。修改后，外層殼體的最小壁厚為1.50 mm。為了不影響外層殼體和內(nèi)層結(jié)構(gòu)的裝配，內(nèi)層結(jié)構(gòu)的幾何模型也做了相應(yīng)修改。

圖7 塑料扣幾何模型修改Fig.7 Modification for geometric models of bi-color plastic buckle

從圖8可以看出：對(duì)塑料扣的幾何模型進(jìn)行修改后，第一射的流動(dòng)前沿溫度為280.2～287.9 ℃，溫差由132.3 ℃縮小到7.7 ℃。這表明將外層殼體的局部壁厚由0.16 mm增大到1.50 mm后，改善了塑料熔體在第一射型腔內(nèi)的流動(dòng)情況，流動(dòng)前沿溫差被控制在合理范圍內(nèi)，避免了因局部區(qū)域流動(dòng)前沿溫度過低導(dǎo)致的遲滯或短射現(xiàn)象。

圖8 優(yōu)化后的第一射流動(dòng)前沿溫度Fig.8 Temperature at flow front after optimization

3.2 充填時(shí)間的優(yōu)化

為了使第一射與第二射的充填時(shí)間盡可能接近，設(shè)計(jì)了三個(gè)方案。方案一：更改第二射的澆注系統(tǒng)尺寸，將二級(jí)分流道的上、下端直徑分別改為4，2 mm，澆口直徑改為1.5 mm，其他尺寸保持不變。方案二：更改第二射的澆注系統(tǒng)尺寸，將二級(jí)分流道的上、下端直徑分別改為4，2 mm，澆口直徑更改為1.0 mm，其他尺寸保持不變。方案三：將第二射的澆口數(shù)量由2個(gè)更改為4個(gè)，尺寸保持不變，如圖9所示。

圖9 修改第二射的澆注系統(tǒng)Fig.9 Modification for gating system of the second shot

從表1可以看出：第一射與第二射的充填時(shí)間差由小到大依次為方案三、方案一、方案二。方案三的充填時(shí)間差僅0.099 s，與初始方案的0.510 s相比有明顯改善，因此，確定第二射的澆注系統(tǒng)為方案三。翹曲變形量由小到大依次為方案三、方案一、方案二，但三個(gè)方案的翹曲變形量與初始方案（0.558 3 mm）相比都有所增大，后續(xù)需要在方案三的基礎(chǔ)上進(jìn)行改善。

表1 三種方案的參數(shù)對(duì)比Tab.1 Parameters of three schemes

3.3 體積收縮率的優(yōu)化

體積收縮率的優(yōu)化主要有兩方面的措施，一是修改澆注系統(tǒng)，二是修改保壓方案。在充填時(shí)間的優(yōu)化中，澆注系統(tǒng)已經(jīng)確定為方案三，因此，通過修改保壓方案來優(yōu)化體積收縮率。在初始方案以及方案一至方案三中，第一射和第二射采用的都是Moldflow軟件默認(rèn)的保壓方案，即保壓時(shí)間為10 s，保壓壓力為填充壓力的80%。為了減小體積收縮率，需要增大保壓壓力并延長(zhǎng)保壓時(shí)間，因此第一射、第二射都采用衰減式保壓方案，保壓壓力都增大為50 MPa，保壓時(shí)間都延長(zhǎng)為31 s，其中，恒壓時(shí)間都為10 s。從圖10可以看出：修改保壓方案后，第一射的平均體積收縮率降低到0.992%～3.718%，第二射的平均體積收縮率降低到0.706%～5.300%，且第一射與第二射貼合面處的平均體積收縮率較為接近。

圖10 優(yōu)化后的平均體積收縮率分析結(jié)果Fig.10 Average volumetric shrinkage after optimization

3.4 翹曲變形量的優(yōu)化

翹曲變形主要是塑件收縮不均引起的［15-16］，從圖11可以看出：通過體積收縮率的優(yōu)化，翹曲變形量減小為0.273 3 mm，能夠滿足裝配要求。

圖11 優(yōu)化后的翹曲分析結(jié)果Fig.11 Warp analysis results after optimization

4 結(jié)論

a）流動(dòng)前沿溫度溫差過大的主要原因是雙色塑料扣產(chǎn)品局部壁厚過薄，通過增大局部壁厚，流動(dòng)前沿溫度的溫差由132.3 ℃降至7.7 ℃。

b）更改第二射的澆口數(shù)量，使第一射與第二射的充填時(shí)間差由0.510 s降至0.099 s。

c）采用衰減式保壓方案，平均體積收縮率由7.743%降至5.300%，翹曲變形量由0.558 3 mm降至0.273 3 mm。

d）利用Moldflow軟件對(duì)塑料扣雙色注塑成型進(jìn)行分析優(yōu)化，得到了合理的注塑成型工藝參數(shù)，提高了產(chǎn)品成型質(zhì)量。