基于Moldflow的變壓器上蓋注塑制品翹曲分析及優(yōu)化設(shè)計

王 坤，楊 波

(廣東環(huán)境保護工程職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 528216)

0 引 言

在模具行業(yè)中，設(shè)計出來的模具往往需要多次試模和修模才能達(dá)到理想的要求，導(dǎo)致模具生產(chǎn)周期長、效率低，制造成本高。而Moldflow軟件可以快速模擬整個注塑成型的過程，根據(jù)流動冷卻翹曲等分析結(jié)果及時發(fā)現(xiàn)模具設(shè)計的缺陷，提高產(chǎn)品設(shè)計的效率，證明了注塑CAE技術(shù)在塑料產(chǎn)品開發(fā)和模具設(shè)計行業(yè)中占據(jù)著不可或缺的地位[1]。

本文是在某企業(yè)初步模具設(shè)計的基礎(chǔ)上，研究變壓器上蓋澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)設(shè)計的合理性，以及產(chǎn)品變形是否符合要求。利用Moldflow軟件，根據(jù)填充冷卻翹曲的初步分析結(jié)果，優(yōu)化澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和保壓曲線，最終使產(chǎn)品的翹曲量符合要求，縮短了模具制造周期，提高了模具質(zhì)量。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)材料分析

變壓器上蓋外觀要求高，不允許有較大的熔接痕跡。產(chǎn)品尺寸要求：外形總體變形量要求不超過±0.3 mm。如圖1所示，產(chǎn)品尺寸為118 mm×105 mm×80 mm，材料為ABS-XR-474。模具初步設(shè)計為兩個澆口，且在產(chǎn)品的外表面，所以設(shè)為點澆口，然后應(yīng)用Moldflow軟件進行模流分析，驗證模具方案的可行性，以及檢查產(chǎn)品的翹曲量是否達(dá)到要求。

圖1 變壓器上蓋外觀圖

2 3D模型前期處理

為了提高后續(xù)劃分網(wǎng)格的匹配率，需要把一些對分析影響不大的圓角、倒角，及孔或柱位去除[2]。一般半徑R<1 mm的圓角需要去除，如圖2所示，因為本產(chǎn)品模型相對比較簡單，直接在NX10.0中利用刪除面的操作來完成。

圖2 原始產(chǎn)品的小圓角

3 網(wǎng)格劃分

利用Moldflow軟件進行網(wǎng)格劃分，采用雙層面網(wǎng)格，一般根據(jù)產(chǎn)品的尺寸來確定全局網(wǎng)格邊長，產(chǎn)品尺寸小于100 mm，網(wǎng)格邊長取3 mm；在100～200 mm之間，網(wǎng)格邊長取4 mm；大于200 mm，網(wǎng)格邊長取5 mm，產(chǎn)品尺寸為118 mm×105 mm×80 mm，取4 mm。一般要求最大縱橫比不能大于6，平均縱橫比不能大于3。如圖3所示，產(chǎn)品的最大縱橫比為4.71，平均值為1.65，符合要求。如果要對產(chǎn)品進行翹曲分析，網(wǎng)格匹配百分比一般要求大于90%(允許±2%的偏差)，圖3中為92.7%，可以進行分析。

圖3 網(wǎng)格模型

4 創(chuàng)建澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)

澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的管線可以在Moldfolw中創(chuàng)建，也可以在NX10.0中創(chuàng)建igs文件，之后導(dǎo)入Moldflow軟件。因為本產(chǎn)品已經(jīng)在三維設(shè)計軟件中做了初步模具設(shè)計，所以直接在NX10.0創(chuàng)建igs文件，在Moldflow軟件中根據(jù)模具設(shè)計中澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的尺寸，賦予線條一定的屬性。

因為塑件的長高比較大，采用兩個澆口進膠，冷澆口尺寸為1.5 mm×1.2 mm。在注塑成型過程中，冷卻對制品的質(zhì)量影響非常大，冷卻水路的布局、冷卻入水口的溫度直接影響制品的表面質(zhì)量，如果不合理將導(dǎo)致產(chǎn)品收縮不均，產(chǎn)生翹曲過大問題。模具設(shè)計設(shè)定冷卻水管直徑8 mm，因為產(chǎn)品比較深，設(shè)計6條冷卻水路，前模采用2條走外圍的水路進行冷卻，保證產(chǎn)品外表面高度方向冷卻均勻，后模產(chǎn)品的內(nèi)腔采用2條隔水板水路冷卻，保證內(nèi)表面冷卻到位，冷卻系統(tǒng)盡量沿著塑件的形狀對稱布置，保證各處溫度均勻，如圖4所示。

圖4 澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)

定動模具溫度差一般不超過10 ℃，否則會使產(chǎn)品內(nèi)外表面變形不均勻[3]。開始按照默認(rèn)設(shè)置，前后模入水口溫度為25 ℃。按照默認(rèn)工藝設(shè)置一次分析完成之后，依據(jù)前后模溫度進行調(diào)整，使其達(dá)到要求。

5 成型窗口分析

成型窗口分析用來確定分析任務(wù)的最佳初步工藝設(shè)置，提供注射時間、模具溫度和熔體溫度的推薦值，以用作填充+保壓分析的初步輸入。根據(jù)材料屬性選擇模具表面溫度60 ℃，熔體溫度220 ℃，得到初步的注射時間為1.3 s。根據(jù)網(wǎng)格統(tǒng)計的體積83.64(圖3)除以成型窗口最高點的時間1.3 s(圖5)，得到充填速度為64 s-1再用流道體積5.4除以充填速度，得到流道充填時間的為0.1 s。成型窗口最高點的時間加上流道充填時間，得到總的充填時間為1.4 s。

圖5 質(zhì)量(成型窗口)

6 模流分析

6.1 填充分析優(yōu)化

填充分析主要模擬塑料熔體從開始進入型腔到充滿型腔的整個過程。最終獲得最優(yōu)的澆注系統(tǒng)設(shè)計。原始進澆口是1.2 mm，如圖6(a)所示，會產(chǎn)生較大的剪切速率，一般可以通過降低材料的流動速率和增大注射時間來改進，加大澆口邊長至1.3 mm，注射時間增加0.1 s至1.5 s，如圖6(b)所示，剪切塑料大大降低。一般只要不超過材料推薦值的4倍就是可行的，此材料最大的剪切速率為50 000 s-1，符合要求。

(a) 優(yōu)化前 (b) 優(yōu)化后

6.2 冷卻分析優(yōu)化

冷卻分析用于分析塑料注射模具中熱量流動的熱傳導(dǎo)模擬，用于確定使用塑料填充的型腔的溫度和整個模具中的溫度，以及冷卻時間，從而優(yōu)化模具冷卻系統(tǒng)。采用系統(tǒng)默認(rèn)的6條水路入水口的溫度為25 ℃，如圖7所示，前模模具溫度為40 ℃左右，與圖5中推薦的模具溫度62 ℃差距太大。如果模具溫度不穩(wěn)定，將導(dǎo)致制品零件收縮不均和尺寸不穩(wěn)定[4]。

(a) 前模溫度分布 (b) 后模溫度分布

前模冷卻入水口溫度改為65 ℃，后模冷卻入水口溫度不變?nèi)詾?5 ℃。圖8為優(yōu)化后模具前后模溫的比較，前后模溫差為6 ℃左右，小于10 ℃，滿足要求，實際生產(chǎn)前可以進行微調(diào)達(dá)到成型工藝最優(yōu)化。

(a) 前模溫度分布 (b) 后模溫度分布

6.3 翹曲分析優(yōu)化

零件在成型過程中的翹曲變形主要由冷卻不均、收縮不均、分子配向性效應(yīng)等原因?qū)е?。由變形分析結(jié)果(圖9)可知，翹曲變形是收縮不均產(chǎn)生的，主要是流動末端往里收縮產(chǎn)生翹曲，翹曲變形分為X、Y、Z3個方向，外形總體變形量要求不超過±0.3 mm，最大變形量為0.5 mm，這個變形會影響到零件的裝配，不符合要求。

(a) 總體翹曲分布 (b) 冷卻不均

由流動結(jié)果頂出時的體積收縮率分析(圖10)可知，澆口收縮小，流動末端收縮大，主要是因為注射過程中型腔內(nèi)壓力分布不均勻。如圖11(a)所示，流動末端在第8秒左右壓力就衰減到0(保壓時間為11.5 s)，與澆口位置產(chǎn)生很大的壓力差。最理想的是在流動過程中各個位置的壓力都保持一致，但是基本很難做到，只能盡量縮小壓力差，因此調(diào)整保壓曲線對于解決產(chǎn)品的翹曲至關(guān)重要。一般根據(jù)澆口處的凍結(jié)時間(圖12)來確定保壓時間，如果保壓時間不夠，內(nèi)部壓力大于外部壓力，會使?jié)部诜鈨銮暗沽?，產(chǎn)生收縮過大的問題。

圖10 頂出時的體積收縮率

(a) 優(yōu)化前 (b) 優(yōu)化后

圖12 澆口凍結(jié)時間曲線

保壓工藝調(diào)整：采用分段保壓，一般第一段保證流動末端的填充，最后一段保證澆口的填充，本產(chǎn)品主要是流動末端保壓不足，所以第一段加大壓力，澆口位置減小壓力，以保證整個腔體壓力均衡，變形均勻，降低翹曲變形，保壓工藝如圖13所示。如圖11(b)所示，優(yōu)化保壓曲線后，型腔內(nèi)的壓力差大大縮減。

圖13 分段保壓曲線

通過改進保壓曲線、產(chǎn)品總的變形量大大降低，分析得出產(chǎn)品總變形量為0.252 2 mm(圖14)，符合產(chǎn)品要求。

圖14 優(yōu)化后變形量

7 結(jié) 論

在模具初步設(shè)計確定冷卻系統(tǒng)和澆注系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用Moldflow軟件，對變壓器上蓋進行填充保壓加翹曲的分析，從理論上找到了產(chǎn)品翹曲變形的原因及優(yōu)化的可行性方案，使變形量由優(yōu)化前的0.504 6 mm降至0.252 2 mm。避免了單靠經(jīng)驗設(shè)計出現(xiàn)的失誤，減少了試模、修模的次數(shù)。設(shè)計初期盡早發(fā)現(xiàn)模具設(shè)計和成型工藝參數(shù)方面存在的問題，能有效地節(jié)省生產(chǎn)成本和減短生產(chǎn)周期，增強企業(yè)在模具行業(yè)的競爭力。