薄壁注塑模具設(shè)計中有限元分析軟件的應(yīng)用

王君

摘要：薄壁注塑成型技術(shù)是在普通注塑成型技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，隨著塑料制品的薄壁化，用戶對塑料制品的質(zhì)量、成本以及性能有了更高的要求。在薄壁注塑成型時，需要極高的注塑壓力和熔體溫度，如果內(nèi)部溫度場分布不均，會造成結(jié)構(gòu)的收縮或膨脹。如果注塑模具的內(nèi)部部件與外部溫度場的溫度差不均勻，會導(dǎo)致模具的變形。因此，分析薄壁注塑模具在設(shè)計過程中有限元分析軟件所起到的作用，有助于提高注塑工藝。

Abstract： Thin-wall injection molding technology is developed on the basis of ordinary injection molding technology. With the thin-wall of plastic products， users have higher requirements on the quality， cost and performance of plastic products. In thin-wall injection molding， extremely high injection pressure and melt temperature are required. If the internal temperature field is not evenly distributed， the structure will shrink or expand. If the temperature difference between the internal parts of the injection mold and the external temperature field is not uniform， it will lead to mold deformation. Therefore， it is helpful to improve the injection molding process to analyze the role of finite element analysis software in the design process of thin-wall injection mold.

關(guān)鍵詞：薄壁注塑;模具;ANSYS;熱力耦合

Key words： thin-wall injection molding;the mold;ANSYS;thermal coupling

中圖分類號：TP3;TQ3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）23-0223-02

0? 引言

模具的冷卻系統(tǒng)和澆注系統(tǒng)影響著塑件的成型質(zhì)量，模具中的冷卻系統(tǒng)影響著產(chǎn)品的成型時間和翹曲變形。模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計的標準就是根據(jù)冷卻的時間周期進行評判，冷卻時間越短，則成型周期越短。塑件在注塑成型過程中，如果冷卻不均勻，會引起塑件發(fā)生變形。因此，對整個模具澆筑系統(tǒng)中的澆口位置進行設(shè)計，保證冷卻系統(tǒng)布置的合理性，是讓薄壁塑件不發(fā)生變形的關(guān)鍵因素。只有保證模具的型芯與型腔的溫度均勻，才不會因過大壓力而造成薄膜塑件發(fā)生變形。

1? 薄壁注塑模具設(shè)計中的影響因素

1.1 成型工藝參數(shù)對模具變形的影響

成型工藝參數(shù)是影響薄壁塑件發(fā)生變形的主要因素，在注塑成型過程中，聚合物熔體的冷卻時間與模具的溫度有極大關(guān)聯(lián)，模具的溫度越高，則熔體的冷卻速度越低，從而導(dǎo)致塑件收縮加大。系統(tǒng)的冷卻時間增加會降低生產(chǎn)效率，在薄壁注塑成型過程中，如果塑件的壁厚偏小，當溫度偏低時，塑料的熔體在充填的過程中就會形成凝結(jié)層，當凝結(jié)層的厚度增加，會妨礙熔體的流動，從而發(fā)生質(zhì)量問題。熔體溫度的高度對于塑料的充填過程十分重要，溫度過低進行充填會導(dǎo)致流動性變差，增加阻力，產(chǎn)生的溫差也會讓塑件的應(yīng)力發(fā)生變化，從而造成塑件的翹曲變形。熔體溫度高的情況下會增加熔體流動性，讓整個成型過程填充的非常順利，因此，選擇合理的熔體溫度，可以讓薄壁注塑成型的過程更好，減小塑件變形的幾率。

1.2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計對翹曲變形的影響

模具注塑的過程中，冷卻系統(tǒng)和澆注系統(tǒng)關(guān)系到塑件的成型質(zhì)量，模具的冷卻系統(tǒng)影響到塑件是否翹曲變形，在使用過程中可以將模具的冷卻系統(tǒng)當成是一個熱交換器，當熔體溫度產(chǎn)生熱量，通過熱傳導(dǎo)將冷卻液帶走。模具冷卻系統(tǒng)的質(zhì)量由冷卻時間長短決定，冷卻時間越短，成型時間越短，模具的型芯和型腔表面的溫度分布就越均勻。薄壁塑件發(fā)生變形的另外一個重要因素是模具澆筑系統(tǒng)中的澆口位置設(shè)置以及冷卻系統(tǒng)設(shè)置是否合理，這些都是影響熔體充填狀態(tài)的重要因素，容易導(dǎo)致塑件發(fā)生不同程度的變形。薄壁塑件的流長比較大的情況下，流動的距離就會越遠，流動過程中所引起的內(nèi)應(yīng)力也就越大，因此發(fā)生變形的幾率就越大;當熔體的流動距離短時，整個型腔過程的時間就會變短，凍結(jié)層厚度減薄，內(nèi)應(yīng)力減小，因此發(fā)生變形的幾率也會降低。另外，冷卻系統(tǒng)設(shè)置不合理也會造成型芯與型腔的溫度差變大，從而導(dǎo)致塑件冷卻不均勻而發(fā)生變形，影響塑件發(fā)生變形的因素很多，一定要保證模具的型芯和型腔的表面溫度分布均勻。

2? 薄壁注塑成型工藝研究

2.1 塑件CAE分析有限元建模

以某汽車安全氣囊蓋為研究對象，該塑件是外殼裝配件，因此對裝配的精度要求較高。塑件整體卷翹變形尺寸在1mm的范圍內(nèi)對裝配的影響最小，且外觀裝配更加美觀，如果長度與厚度的比值大于流長比，則薄壁塑件是比較合理規(guī)范的。對薄膜塑件進行三維模型處理，并采用IGES格式導(dǎo)入到入Moldflow軟件中，隨后對雙面網(wǎng)格進行劃分，建立有限元模型。

在進行塑料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計時，根據(jù)工藝性的要求，需要對產(chǎn)品進行倒圓角處理。圓角處理雖然具有一定效果，但是在有限元網(wǎng)格劃分時，進行圓角處理會影響到網(wǎng)格的劃分質(zhì)量，降低網(wǎng)格的匹配率，當網(wǎng)格匹配率低于50%時會導(dǎo)致分析失敗，網(wǎng)格匹配率要達到90%以上才能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

根據(jù)塑件的結(jié)構(gòu)和外觀，對薄壁模具采用潛伏式澆口，可以減少澆口對外觀所造成的影響，采用Moldflow進行注塑模擬仿真分析，得到最佳的澆筑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。

在注塑成型過程中，塑料熔體的流動性對薄壁塑件充填是否順利十分重要，因此選擇流動性好的塑料進行充填，可以保證塑件的質(zhì)量。ABS塑件具有較強的抗沖擊性，而且尺寸穩(wěn)定性好，基本性能參數(shù)如表1所示。

2.2 實驗方案設(shè)計

采用Moldflow軟件對模薄膜注塑進行模擬，可以看到注塑成型的變形過程。在成型過程中，通過對產(chǎn)生的因素進行分析和優(yōu)化，可以得到成型工藝參數(shù)，參考工藝參數(shù)，可以降低塑件變形的概率。本實驗中，通過對塑件的翹曲變形量進行分析后，得到熔體溫度與模具溫度，并根據(jù)參數(shù)的范圍選擇平均水平，并進行正交實驗，正交實驗參數(shù)如表2所示，根據(jù)表中數(shù)據(jù)在Moldflow軟件中進行模擬實驗，并記錄模擬結(jié)果。

3? 薄壁注塑模具變形分析

3.1 注塑模具有限元模型建立

以上述汽車安全氣囊蓋為例，將注塑模具作為分析對象，對薄壁注塑模具展開分析模具在成型時，對注塑壓力和熔體溫度要求較高，因此根據(jù)塑件的外形尺寸，利用PRO/E建立三維裝配設(shè)計，三維尺寸為4.5cm×3.5cm×3.52cm。在對注塑模具進行有限元分析之前，要對其進行有限元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格精度影響著有限元分析的結(jié)果。對注塑模具去除特征上的圓角后，導(dǎo)入模型進行ANSYS分析，得到簡化后的模具。簡化后的注塑模具其零件材料和材料基本屬性數(shù)據(jù)如表3所示。

3.2 薄壁注塑模具熱力耦合分析

在薄壁注塑成型的過程中，模具的溫度場會影響到熔體，溫度過高或者過低都會造成塑件出現(xiàn)質(zhì)量問題。通過對注塑模具溫度場進行分析后，可以得到模具的溫度場分布云圖，得到設(shè)計合理得冷卻系統(tǒng)，完成對溫度場的優(yōu)化，從而達成塑件冷卻的目的。由于注塑成型填充對模具溫度場的變化速度有一定要求，假設(shè)熔體的溫度正常，則需要展開對熱換熱系數(shù)的研究，同時還要考慮到模具的熱傳導(dǎo)在模具中的對流換熱反映，從而得到有限元分析的初始邊界條件參數(shù)，就如表4所示。

為了獲得模具溫度場的整體分布效果不受溫度的影響，需要對模具進行溫度場的模擬分析，當模具的自然冷卻時間為25s時，模腔的溫度為130℃，不符合要求;當自然冷卻時間為2min時，模腔溫度為88℃時，符合要求。模腔溫度分布不均，說明注塑模具容易受到空氣的自然對流散熱作用的影響，讓模具的溫度降低，隨著冷卻時間的延長，溫度下降。當模具沒有冷卻系統(tǒng)時，需要靠自然冷卻的方法降低溫度，容易影響注塑成型的效果。注塑模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計的合理性直接關(guān)系到模腔表面冷卻的效果，同時也關(guān)系到了塑件成型過程中的質(zhì)量。冷卻系統(tǒng)設(shè)計的合理性可以降低塑件因冷卻不均而發(fā)生的收縮變形，在自然條件下冷卻模腔表面的溫度場容易出現(xiàn)頂出不均的情況。薄壁注塑模具在注塑成型時需要較高的注塑壓力和速率，以保證模具的剛性。成型過程很復(fù)雜，需要注意高壓作用、鎖模力作用、高溫作用、應(yīng)力作用以及集中作用這幾項作用因素。因此在進行模具熱力耦合分析時，需要考慮到型腔壓力以及溫度載荷作用所受到的影響，以載荷作為初始邊界條件，對模具的整體強度與剛度進行實驗。通過使用模具熱力耦合分析對模具溫度進行分析后，將分析的結(jié)果傳遞給ANSYS進行分析，得到模具在溫度載荷的作用下對模具變形所產(chǎn)生的影響。

4? 結(jié)語

使用ANSYS模擬，對薄膜注塑模具的溫度場分布進行了分析，為冷卻系統(tǒng)方案的布置提供了根據(jù)，并在冷卻系統(tǒng)的作用下對模具進行了熱力耦合分析。在注塑成型過程中，分析了壓力對模具型腔所帶來的影響，通過熱力耦合分析，獲取模腔的變形原因，為實際生產(chǎn)模具提供了參考。

參考文獻：

[1]楊菁，蔣佳春，鄧力偉，等.薄壁塑件在注塑成型中質(zhì)量控制分析[J].科學(xué)與信息化，2019（5）：109.

[2]殷筱依.薄壁塑件注塑成型翹曲變形控制研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2017.

[3]丁永峰，韓濤，全亮.薄壁制品注塑工藝分析及模具設(shè)計[J]. 橡塑技術(shù)與裝備，2019，45（6）：26-30.

[4]李興莉，韓曦，申淑杰.基于計算機仿真的注塑成型工藝優(yōu)化研究[J].塑料科技，2020（2）：89-92.