多腔模設(shè)計(jì)中非平衡澆注系統(tǒng)優(yōu)化與充填分析

尹小定,趙會(huì)娟,王登化

(1.江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，江西 南昌 030013；2.濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 濟(jì)源 459000)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我們的工作和學(xué)習(xí)需要更多有效的文具用品，其中，筆筒套就是文具用品中一個(gè)小配件.如何更快更好生產(chǎn)出符合市場(chǎng)需求的配套制品在競(jìng)爭(zhēng)激烈的文具市場(chǎng)中顯得尤為重要，大多數(shù)文具塑料產(chǎn)品多采用一模多腔注射成型，該類(lèi)型模具設(shè)計(jì)時(shí)多為非平衡型腔布局，采用非平衡澆注系統(tǒng)充填型腔，也意味著各型腔充填存在差異，這在很大程度上會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量[1-2].導(dǎo)致非平衡澆注系統(tǒng)充填平衡的因素很多，包括流道尺寸、填充速率、材料等[3-4].為了非平衡澆注系統(tǒng)趨向平衡，許多學(xué)者[5-6]采用了人工干預(yù)的方法，利用Moldflow軟件通過(guò)MPI流動(dòng)模擬分析[7]獲得各澆口尺寸來(lái)達(dá)到平衡澆注的目的.但是實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)澆口的加工修配受到型腔數(shù)目及澆口形式的限制.本次研究是在常規(guī)非平衡澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)分流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用Moldflow軟件對(duì)優(yōu)化前后的非平衡澆注系統(tǒng)充填進(jìn)行CAE分析與比較.這種針對(duì)多型腔設(shè)計(jì)中非平衡澆注系統(tǒng)的優(yōu)化方法，在一定程度上為此類(lèi)型多腔模在實(shí)際生產(chǎn)加工達(dá)到近似平衡提供了一定的參考依據(jù).

1 塑件結(jié)構(gòu)

如圖1所示，筆筒套塑件產(chǎn)品尺寸為Φ11.20 mm×39.6 mm，塑件的兩個(gè)端孔的尺寸公差要求為0.05 mm，其他尺寸按MT2精度進(jìn)行加工.該塑件為筒形件，上、下各有兩通孔.在對(duì)該塑件進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮塑件質(zhì)量的要求同時(shí)還要滿足快速脫模、高效生產(chǎn)[8]的需求.

圖1 筆筒套塑件尺寸

2 澆注系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)

將該塑料件轉(zhuǎn)化為STL格式后導(dǎo)入Moldflow中，進(jìn)行雙面層網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格為39 734個(gè)單元，修正塑件網(wǎng)格使匹配率達(dá)到85%，然后進(jìn)行了澆口匹配性分析，如圖2(a)所示.結(jié)果可知該塑件不可從塑件端部進(jìn)膠，塑件澆口匹配性最好處對(duì)滿足塑件外觀及脫模極為不利，因此該塑件澆口建議采用潛伏式形式，并且需要避開(kāi)塑件上、下各兩個(gè)通孔，以及澆口匹配性最差部位，設(shè)計(jì)塑件的澆口如圖2(b)所示.結(jié)合模具型腔布局及加工需求，先對(duì)該1模48腔零件的澆注系統(tǒng)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，如圖2(c)所示.

(c) 塑件在模具中的位置圖2 澆注系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)

3 澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與充填分析

3.1 澆注系統(tǒng)分流道優(yōu)化設(shè)計(jì)與BGV值計(jì)算

3.1.1 澆注系統(tǒng)分流道優(yōu)化設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的尺寸，將圖2(c)一級(jí)分流道A直徑設(shè)計(jì)為Ф7 mm；二級(jí)分流道B直徑設(shè)計(jì)為Ф5 mm，如圖3(a)所示.非平衡布置澆注系統(tǒng)進(jìn)行人工平衡，也就是在成形工藝參數(shù)一定的情況下，通過(guò)調(diào)整流道和澆口尺寸使熔體同時(shí)充滿型腔，達(dá)到充填平衡[9].在實(shí)際生產(chǎn)中，為了解決充填不平衡現(xiàn)象，通過(guò)改變澆口尺寸，得到近似平衡的填充[10],但是1模48腔的澆口數(shù)量多，每個(gè)澆口都按要求尺寸進(jìn)行加工，困難大，鉗工難以實(shí)施；并且通過(guò)上述分析該塑件采用的是潛伏式澆口，需要對(duì)型芯端部進(jìn)行放電加工，鉗工更難進(jìn)行后續(xù)澆口部分的修配.由于是相同的制件,澆口設(shè)置相同，只要流道平衡，在理論上是可以達(dá)到平衡進(jìn)料的[11].在此將澆口作為塑件組成部分，然后只需對(duì)流入澆口前的二級(jí)分流道進(jìn)行調(diào)整來(lái)達(dá)到近似的充填平衡，后續(xù)理論計(jì)算BGV也以此假設(shè)進(jìn)行.但是如果對(duì)每個(gè)流入澆口前的二級(jí)分流道進(jìn)行長(zhǎng)度和截面尺寸調(diào)整，帶來(lái)的后續(xù)模具加工和修配使得模具生產(chǎn)也非常困難，為保持塑件在模具中的位置，在不改變二級(jí)分流道長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上只對(duì)其截面尺寸進(jìn)行調(diào)整.因此澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)考慮保持主流道、一級(jí)分流道及澆口等尺寸不變的情況下將相應(yīng)的二級(jí)分流道對(duì)稱(chēng)劃分為左右各12組，每組是上下對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)二級(jí)分流道；12組又分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三段，每段4組，分別對(duì)三段二級(jí)分流道直徑d進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3(b)所示.這種同段內(nèi)二級(jí)分流道截面尺寸相同的設(shè)計(jì)在很大程度上可便于模具加工，同時(shí)減少了鉗工加工的工作難度.

(a) 初步設(shè)計(jì)

(b)優(yōu)化設(shè)計(jì)圖3 二級(jí)分流道分段分組

3.1.2BGV值計(jì)算

澆注系統(tǒng)平衡常采用BGV值來(lái)進(jìn)行判斷，通過(guò)調(diào)整各個(gè)澆口的截面幾何尺寸使各個(gè)澆口BGV值相等，達(dá)到澆注系統(tǒng)充填平衡的方法[12].但因采用的澆口較特殊，只能通過(guò)調(diào)整二級(jí)分流道的截面幾何尺寸計(jì)算BGV值.

(1)

式中：Ag為二級(jí)分流道截面積，單位為mm2；Lg為二級(jí)分流道長(zhǎng)度，單位為mm；Lr為從主中心至二級(jí)分流道的長(zhǎng)度，單位為mm.

式中Lg取值為4 mm，Ag取值由計(jì)算二級(jí)分流道直徑B確定，即BGV1為初步設(shè)計(jì)，二級(jí)分流道直徑B統(tǒng)一設(shè)計(jì)為φ5.0 mm；BGV2、BGV3、BGV4則是優(yōu)化設(shè)計(jì)：BGV2(Ⅰ為Φ4.0 mm、Ⅱ?yàn)棣?.5 mm、Ⅲ為φ5.0 mm)、BGV3(Ⅰ為φ3.5 mm、Ⅱ?yàn)棣?.0 mm、Ⅲ為φ5.0 mm)、BGV4(Ⅰ為φ3.0 mm、Ⅱ?yàn)棣?.0 mm、Ⅲ為φ5.0 mm)，將相應(yīng)數(shù)值代入式(1)后獲得如表1所示結(jié)果.

表1 BGV計(jì)算結(jié)果

為了更好地進(jìn)行分析比較，將表1中數(shù)據(jù)繪制如圖4所示.

流道長(zhǎng)度Lr/mm圖4 BGV值計(jì)算結(jié)果

BGV1值形成的曲線，Lr值越大，BGV值越小，BGV值差異增大，也意味充填越不平衡；BGV2是在保留第Ⅲ段二級(jí)分流道直徑B不變的情況下改變Ⅰ、Ⅱ段尺寸，對(duì)BGV值大小差異性有一定程度的降低；BGV3在BGV2的基礎(chǔ)上，對(duì)Ⅰ、Ⅱ段二級(jí)分流道B直徑尺寸上進(jìn)行少許調(diào)整，從曲線來(lái)看，BGV值呈現(xiàn)一種上下波動(dòng)的改變；于是BGV4就保留先前BGV3中的Ⅱ、Ⅲ段二級(jí)分流道尺寸設(shè)計(jì)，對(duì)Ⅰ段二級(jí)分流道B直徑再進(jìn)行尺寸調(diào)整，BGV值上下波動(dòng)的變化更為明顯，但是Ⅰ段BGV值出現(xiàn)比較明顯的下降，從整體來(lái)看趨向平衡性不如BGV3.因此最終針對(duì)二級(jí)分流道直徑B分段分組優(yōu)化設(shè)計(jì)尺寸建議采用Ⅰ段為φ3.5 mm、Ⅱ段為φ4.0 mm、Ⅲ段為φ5.0 mm較為合適.

3.2 CAE充填分析

3.2.1 材料及工藝性能

筆筒套所用材料是一種熱塑性橡膠材料TPR.在Moldflow軟件中選取的是接近其性能的EL065進(jìn)行分析.工藝性能:實(shí)體密度0.947 3 9 g/cm3；熔融密度0.802 2 g/cm3，推薦模具溫度45 ℃；頂出溫度122 ℃，推薦熔融溫度210 ℃；極限熔體溫度260 ℃，推薦熔融溫度為200～220 ℃.

3.2.2 充填CAE

根據(jù)上述分析結(jié)果對(duì)初步設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)進(jìn)行建模CAE分析.如圖5(a)所示為初步設(shè)計(jì)建模的充填分析云圖.充填用時(shí)1.704 s，型腔末端相近部位的充填時(shí)間從內(nèi)至外側(cè)分別為：0.958 7、1.065、1.176、1.323、1.404、1.439、1.500、1.570、1.606、1.613、1.647、1.690 s.從時(shí)間差異來(lái)看相鄰兩個(gè)型腔充填時(shí)間相差不是很大，但是最先充填與最后充填時(shí)間相差0.73 s，也就意味第1個(gè)型腔已經(jīng)充填完成時(shí)，最后1個(gè)型腔充填只完成了1/2.首先充滿塑料熔體的型腔會(huì)停止進(jìn)料，此時(shí)其他型腔還沒(méi)充滿所以型腔內(nèi)的注射壓力并不高；當(dāng)最后1個(gè)型腔充填快要結(jié)束時(shí)，注射壓力才會(huì)急劇上升[13].圖5(b)中的充填壓力分析顯示，注射時(shí)的最大壓力為103.7 MPa，然后進(jìn)入型腔保壓階段，保壓開(kāi)始時(shí)間為1.608 s.圖5(c)所示為優(yōu)化設(shè)計(jì)建模的充填分析云圖，充填時(shí)間用了1.825 s，塑件末端相近部位的充填時(shí)間從中間向外側(cè)分別為：1.244、1.337、1.439、1.524、1.549、1.572、1.632、1.668、1.698、1.713、1.781、1.784 s.最先充填與最后充填時(shí)間相差0.54 s.也就意味第1個(gè)型腔已經(jīng)充填完成時(shí)，最后1個(gè)型腔充填已完成了2/3.圖5(d)中的充填壓力分析顯示，注射時(shí)的最大壓力為84.4 MPa后進(jìn)入型腔保壓階段，保壓開(kāi)始時(shí)間為1.714 s.從充填時(shí)間和充填壓力比較可以看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅縮短了前后充填的時(shí)間差異，也能使充填壓力下降了近20 MPa，同時(shí)也使有效補(bǔ)縮時(shí)間有所延長(zhǎng)，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量[14].

(a)初步設(shè)計(jì)充填時(shí)間

(b) 初步設(shè)計(jì)充填壓力

(c)優(yōu)化設(shè)計(jì)充填時(shí)間

(d) 優(yōu)化設(shè)計(jì)充填壓力圖5 充填分析

4 模具設(shè)計(jì)與生產(chǎn)驗(yàn)證

根據(jù)澆注系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行整體模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如圖6所示.充填過(guò)程中塑料熔體通過(guò)澆注系統(tǒng)充填由上型腔板、下型腔板、型芯組成的密閉腔體；保壓、冷卻定型；開(kāi)模時(shí)通過(guò)斜導(dǎo)柱帶動(dòng)滑塊、型芯固定板以及型芯實(shí)現(xiàn)側(cè)向抽芯動(dòng)作.由于側(cè)抽機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，使得澆注系統(tǒng)凝料在開(kāi)模過(guò)程中脫離定模部分，同時(shí)塑件與澆注系統(tǒng)凝料也能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷開(kāi)，開(kāi)模結(jié)束時(shí)，澆注系統(tǒng)凝料和塑件在重力作用下脫離模具.

圖6 模具裝配圖

為了驗(yàn)證該模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性，在BT150V-Ⅱ注射機(jī)上對(duì)該模具進(jìn)行了試模生產(chǎn).模具調(diào)試生產(chǎn)獲得的澆注系統(tǒng)凝料如圖7(a)所示，塑料產(chǎn)品如圖7(b)所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該塑料產(chǎn)品完全能滿足塑件尺寸精度的加工要求也能達(dá)到自動(dòng)斷膠的高速生產(chǎn)目的.

(a) 澆注系統(tǒng)凝料

(b) 塑件圖7 模具生產(chǎn)試驗(yàn)

5 結(jié) 論

通過(guò)塑件結(jié)構(gòu)分析，對(duì)模具澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，為改善后續(xù)模具加工困難和滿足均衡充填要求，進(jìn)行了針對(duì)二級(jí)分流道的分段分組優(yōu)化設(shè)計(jì).

利用BGV值獲得較好優(yōu)化設(shè)計(jì)尺寸，對(duì)初步設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)分別建立分析模型，然后進(jìn)行CAE充填分析.分析結(jié)果認(rèn)為優(yōu)化設(shè)計(jì)模型縮短了先后充填型腔的時(shí)間差并且將充填壓力下降了20 MPa，保證了塑件產(chǎn)品質(zhì)量.

根據(jù)優(yōu)化澆注系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)整體模具結(jié)構(gòu)并進(jìn)行模具加工和生產(chǎn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)證明這種優(yōu)化設(shè)計(jì)既能減少模具鉗工工作量又能保證塑料產(chǎn)品的質(zhì)量要求,同時(shí)也能滿足該產(chǎn)品高效生產(chǎn)的目的.另外也證明這種對(duì)二級(jí)分流道分段分組的優(yōu)化設(shè)計(jì)為一模多腔非平衡布局的注射模具設(shè)計(jì)提供了一定的生產(chǎn)可行性參考.