基于CAE的厚壁零件注塑成型工藝優(yōu)化設(shè)計及仿真分析

楊建強(qiáng)，劉 岱

(北京通用電氣華倫醫(yī)療設(shè)備有限公司，北京 100176)

目前，塑料產(chǎn)品在各個行業(yè)得到了迅速的普及和應(yīng)用。注塑成型作為塑料成型的一種重要方法，具有成型周期短、成型各種塑料的適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)效率高等一系列優(yōu)點，被廣泛用于塑料件制件的生產(chǎn)中。注塑成型工藝推薦的產(chǎn)品設(shè)計要求中，零件壁厚一般為1.5～4.0 mm，過薄、過厚或者壁厚非均勻過渡，都會增加成型的難度，易使熔融塑料液流動受阻、材料固化不同步及出現(xiàn)氣泡、縮痕等外觀缺陷[1]。然而實際工程應(yīng)用中，由于美觀設(shè)計、功能需求等多因素要求，不得不設(shè)計厚壁注塑零件，需要更多地調(diào)整料溫、模溫、壓力、時間、注塑速度等參數(shù)，以控制產(chǎn)品的質(zhì)量[2]。甚至在一些場合下，基于模具的開發(fā)和修正成本、周期、風(fēng)險、產(chǎn)品研發(fā)、上市周期等因素，不得不有限接受產(chǎn)品的缺陷而避免模具報廢[3]，因此一種合理的厚壁零件產(chǎn)品開發(fā)模式對于產(chǎn)品開發(fā)成功和質(zhì)量穩(wěn)定至關(guān)重要。

當(dāng)前注塑產(chǎn)品的開發(fā)模式，首先是在產(chǎn)品開發(fā)初期充分基于產(chǎn)品功能及加工工藝進(jìn)行工藝優(yōu)化，然后利用CAE軟件的模流分析功能[4]，對關(guān)聯(lián)的工藝參數(shù)進(jìn)行合理的匹配，通過分析獲得最佳的組合參數(shù)[5]。很多情況下，多因子、多水平正交匹配理念也被引入到模流分析中[6]，并在后續(xù)的實際模具試模時依據(jù)實際情況對工藝參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，來優(yōu)化工藝參數(shù)，以提高開模的成功率，回避產(chǎn)品缺陷，降低生產(chǎn)成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。

本文以基于工藝考慮的設(shè)計優(yōu)化為前提，多因子與多水平正交參數(shù)注塑模流成型仿真分析相結(jié)合，對一個非均勻厚壁且有金屬嵌件的注塑零件進(jìn)行了設(shè)計改進(jìn)，以提高產(chǎn)品開發(fā)的效率。

1 注塑旋鈕零件

圖1為某醫(yī)療產(chǎn)品中使用的配件，是一個以金屬鑰匙為嵌件、整體注塑成型的塑料旋鈕零件，其主體為φ28 mm× 10.7 mm的圓柱體與長25.5 mm ×寬9.5 mm×高9 mm 長方體的組合，局部有半徑為R1的圓角過渡。該零件總體壁厚大于4 mm，存在尺寸的急劇變化，最大尺寸變化率約66%(9.5 mm/28 mm)，且無過渡，屬于相對典型的厚壁注塑零件，且嵌件的存在對注塑成型有一定的影響。

圖1 外觀設(shè)計模型

該產(chǎn)品主要用于插入到對應(yīng)的鎖孔，通過旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)設(shè)備的開和關(guān)操作，較厚的壁可以滿足強(qiáng)度要求。注塑零件的外觀可視面不能出現(xiàn)凹陷，經(jīng)常操作的部位要求為原色注塑以保證其耐磨性，不能用噴漆來遮蓋注塑缺陷。要求注塑部分整體收縮均勻，保證金屬鑰匙嵌件在注塑及冷卻固化過程中的位置、狀態(tài)穩(wěn)定?；诮?jīng)驗，金屬嵌件易導(dǎo)致制件翹曲、收縮、開裂和存在熔接痕等問題，該零件是獨立部件，只有嵌件外伸出的部位和對應(yīng)的零件有配合，而φ28 mm超厚圓柱體的存在有效地降低了零件翹曲、開裂的風(fēng)險，故只需關(guān)注其外觀上的熔接痕和整體的收縮是否均勻。本文以下的優(yōu)化分析基于簡化后的模型，如圖2所示，去掉零件中的金屬嵌件，但保留了金屬嵌件在塑料內(nèi)部所占的空間。

圖2 零件優(yōu)化

2 基于工藝的設(shè)計可行性優(yōu)化

ID造型之初預(yù)測零件可能會有多種缺陷存在，而前期未對快速成型樣件整體拔模進(jìn)行約束定義，為成型工藝的優(yōu)化預(yù)留了可操作的空間，尤其是對熔接痕位置和整體收縮分布影響明顯的與外觀密切關(guān)聯(lián)的分型面、澆口位置、頂桿頂出的選擇上。

2.1 注塑件厚度優(yōu)化

進(jìn)一步地分析注塑零件模型，可以將其看成為φ28 mm×10.7 mm的圓形基體，加上Z方向上9 mm凸起組成的組合體，在Z方向上有19.7 mm的超大厚度，因此在保證外觀形狀不變的前提下，對19.7 mm厚度對應(yīng)的底面適當(dāng)去除約20%厚度的塑料，進(jìn)行優(yōu)化減薄。為避免因壁厚減薄帶來的模型上也即模具上出現(xiàn)尖邊尖角，對其進(jìn)行了網(wǎng)格劃分去除尖邊尖角。應(yīng)用Pro/E的CAE模流分析軟件對優(yōu)化后零件的注塑可行性進(jìn)行評估，結(jié)果如圖3。

圖3 厚度優(yōu)化和注塑可行性分析確認(rèn)

2.2 分型面位置的選擇

分型面應(yīng)在利于產(chǎn)品的脫模前提下，選在注塑件外形輪廓最大處，輪廓最大處也同時多為特征的交界處，可以弱化分型線對外觀的影響。根據(jù)本文注塑零件的外觀要求，對其三維模型進(jìn)行分析，排除垂直于XZ或者YZ平面向的左右分型方式，采用垂直于XY平面上、下分型的方式，上下分型方案如圖4所示。如圖4(a)所示方案a，分型線處于上圓角和圓柱面的交界處(十字線水平位置)，會導(dǎo)致基準(zhǔn)面上下不同方向的拔模角度尺寸差不多一樣大，外觀協(xié)調(diào)性受到影響；如圖4(b)所示的方案b，分型線所處的位置為下圓角和圓柱面的交界處(十字線水平位置)，這樣上部所有特征都會保持同一個拔模方向，將大多數(shù)外觀主體特征(圖5中十字線水平位置下的特征)放置到同一個型腔里，大曲面特征位于另外一半型腔里(圖5中十字線水平位置上的特征)，也利于零件脫模，分型面接近于底部，對外觀的影響也降到了最低。綜合來看，方案b更有優(yōu)勢。

圖4 分型面方案比較

圖5 分型面的選取

2.3 澆口位置的優(yōu)化選擇

澆口是注塑系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它的位置、形狀以及尺寸對注塑件的性能和質(zhì)量影響很大，澆口位置發(fā)生變化，也將導(dǎo)致分型面進(jìn)行必要的調(diào)整。依據(jù)工藝的不同，本文注塑零件的澆口位置通常有3種，如圖6所示。

圖6 預(yù)期澆口位置方案

由圖6可以看出，澆口在頂部的方案a和澆口在側(cè)面的方案b容易形成澆口殘留，影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，不可選用，而方案c其澆口在底部，將成為優(yōu)先選擇的方案。方案c的澆口恰好位于嵌件側(cè)面面積較大的一側(cè)，加壓注塑過程中存在嵌件被沖走或因壓力較大而變形的風(fēng)險，如圖7所示，故需對方案c進(jìn)行優(yōu)化。對澆口的位置進(jìn)行調(diào)整，如圖8所示，澆口仍位于非外觀面的底面，進(jìn)膠口位于嵌件側(cè)面面積較小的一側(cè)，塑料熔融液由嵌件兩側(cè)和頂部通過，阻力降低為方案c的約1/7，且遠(yuǎn)離嵌件，增加了澆口的空間，降低了對嵌件的沖擊。由于嵌件的存在，熔接痕不可避免，圖8所示的方案中熔接痕位于澆口的正對面位置，即產(chǎn)品應(yīng)用的后面位置和頂面位置，后側(cè)面在實際使用中位于背對客戶的位置，可以接受為弱化了的缺陷，而頂面的熔接痕處于明顯可見位置，依據(jù)實際的注塑產(chǎn)品，可以考慮通過增加一條絲印色遮擋或者局部增加一條凸起來弱化。

圖7 嵌件大面積側(cè)受注塑壓力沖擊

圖8 澆口優(yōu)化位置

2.4 外觀表面頂桿頂出方式優(yōu)化選擇

以2.2節(jié)確定的分型面，需要在如圖9所示的長圓形凸起特征的上部設(shè)定必要的頂出機(jī)構(gòu)，這樣會在注塑件表面留下不可避免的頂出痕跡，常見的圓柱形頂出機(jī)構(gòu)留下的痕跡如圖9(a)所示?？紤]到足夠的頂出力及最大限度地弱化頂出痕跡，把圓柱形頂出機(jī)構(gòu)改為長方形塊頂出機(jī)構(gòu)，頂塊痕跡位于圓角的起始位置，如圖9(b)所示。

圖9 外觀面頂出優(yōu)化

3 基于正交優(yōu)化的注塑成型仿真分析

影響注塑件成型的工藝參數(shù)有模具溫度、熔料溫度、注塑壓力、保壓壓力、注射時間等，不同注塑材料又有各自合適的成型參數(shù)調(diào)整范圍，需綜合產(chǎn)品的具體結(jié)構(gòu)形式結(jié)合材料特性對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通常情況下，以注塑物料推薦的參數(shù)取值范圍的中間值設(shè)置模擬參數(shù)進(jìn)行模流分析，確認(rèn)預(yù)期合理性，然后在實際的模具加工完成后，根據(jù)試模的結(jié)果調(diào)整每一個參數(shù)，以獲得滿意的結(jié)果?？赡軙卸噍喸嚹５?，時間周期較長、效率較低，為解決這一問題，可以通過多因子多水平正交試驗的方法來對參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，提前進(jìn)行注塑模流仿真分析，預(yù)知參數(shù)權(quán)限和后期試模的優(yōu)化調(diào)整策略。

結(jié)合產(chǎn)品的實際使用情況，使用Pro/E中的模流分析CAE模塊，以注塑收縮為優(yōu)化目標(biāo)，以模具溫度、熔料溫度、注塑壓力、注射時間為因子，以注塑材料特性中的各因子推薦范圍的上、下極限和中間值為水平，設(shè)定四因素三水平的正交試驗，零件的材料為PC+ABS FR3010。四因素三水平正交參數(shù)見表1。圖10所示為試驗組合的模流分析過程展示，采用正交試驗表L9(34)共進(jìn)行9次模流仿真分析，表2為所有組合的分析結(jié)果統(tǒng)計。

表1 四因素三水平正交參數(shù)表

表2 注塑零件L9(34)正交試驗表

圖10 注塑模流仿真分析過程示例(1#模擬試驗)

由表2可知，RB>RD>RC>RA，說明熔料溫度B為關(guān)鍵影響因素，注塑時間次之，而注塑壓力和模具溫度對產(chǎn)品的成型影響不大，由此得出A2B1C2D3為較佳組合。預(yù)判最大收縮位置為圖11中的深色區(qū)域，收縮約10%左右，為整體對稱收縮。預(yù)判熔接痕位置為頂部和澆口對面的后側(cè)壁位置，如圖12箭頭指向處。

圖11 收縮位置

圖12 熔接痕

結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果，在Pro/E軟件兼容的4個因素之外，考慮供應(yīng)商常用的保壓壓力、保壓時間，根據(jù)工藝設(shè)定注塑參數(shù)見表3。

表3 注塑參數(shù)設(shè)定

本文主要介紹了非均勻厚壁注塑零件的成型思路，模具的實際設(shè)計和結(jié)構(gòu)實現(xiàn)限于篇幅未做詳述。實際產(chǎn)品如圖13所示，由圖可見，熔接痕及整體收縮區(qū)域分布符合注塑模流分析的結(jié)論，注塑件表面質(zhì)量滿足要求，裝配后功能滿足實際使用要求，前文提到的相對明顯可見的頂部熔接痕，實際并不明顯，故沒有實施前文提到的絲印色條遮蓋或者增加凸起特征來弱化。

圖13 注塑件實物

4 結(jié)束語

本文以一厚壁零件設(shè)計加工為例，基于工藝優(yōu)化對該注塑零件厚度進(jìn)行優(yōu)化，對分型面及澆口位置和頂出布局設(shè)計進(jìn)行調(diào)整，保證了零件注塑成型的可操作性。以四因素三水平正交試驗優(yōu)化策略完成CAE注塑成型模流仿真分析，確定了注塑零件的工藝參數(shù)，為模具設(shè)計和零件生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。本文中的工藝優(yōu)化思路和仿真分析模式也適用于均勻壁厚的殼體注塑零件的設(shè)計。