基于Moldflow的塑料樣條注塑工藝參數(shù)優(yōu)化

齊婧妍,張黎君

(河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450042)

0 引 言

注塑成型是目前最常用的塑料制品加工方法之一[1]。由于塑料制品的應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)的手工模具設(shè)計(jì)制造的缺陷日益明顯。CAE技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生[2]，其中，Moldflow[3]的應(yīng)用正逐步取代傳統(tǒng)依賴經(jīng)驗(yàn)和試錯(cuò)的模具設(shè)計(jì)，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

本文結(jié)合已有的實(shí)驗(yàn)室樣條模型，創(chuàng)建了實(shí)驗(yàn)室樣條設(shè)計(jì)方案并利用Moldflow軟件進(jìn)行模流分析，展開了注塑模具的相關(guān)研究。

1 Moldflow模擬成型方案設(shè)計(jì)

1.1 制品建立

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，用Pro/E軟件建立制品三維模型如圖1所示，其尺寸參數(shù)為：長(zhǎng)150 mm，外邊寬20 mm，中邊寬10 mm，厚5 mm。

圖1 樣條模型示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分

將塑件CAD模型導(dǎo)出為.STL格式，然后導(dǎo)入Moldflow中，最后對(duì)模型進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖2所示。網(wǎng)格劃分完成后進(jìn)行下一步工作網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)。網(wǎng)格劃分的最終結(jié)果：最大縱橫比2.36，最小縱橫比1.16，平均縱橫比1.43，匹配率99.6%，無孤立節(jié)點(diǎn)、自由邊界、相交錯(cuò)誤、零厚度單元等問題。結(jié)果表明，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量足以滿足填充翹曲等分析的要求。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.3 設(shè)置澆口

根據(jù)現(xiàn)有模具的成型條件，澆口位置和型腔排布應(yīng)與實(shí)際生產(chǎn)一致，即一腔兩模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際樣條成型條件做出的Moldflow模型如圖3所示。其中，樣條圓錐所指位置為澆口位置，除樣條外還有兩條模具自帶的矩形狀小樣條，主要分析填充是否有缺陷。

圖3 澆口位置設(shè)置

1.4 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為滿足實(shí)際需要建立澆注系統(tǒng)，流道模型如圖4所示。澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)模具的流動(dòng)性影響很大，必須保證其有很好的連通性，手動(dòng)建立的流道系統(tǒng)如圖5所示，該流道系統(tǒng)采用梯形截面設(shè)計(jì)，上底為3 mm，下底為5 mm，高3 mm。

圖4 流道系統(tǒng)模型

1.5 冷卻系統(tǒng)的設(shè)置

常見的冷卻水道形狀有“工”字型、“口”字型、“S”型等幾種[4]，冷卻水道的形狀需要根據(jù)塑件的結(jié)構(gòu)和加工工藝的難易程度來確定。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況設(shè)置的冷卻回路如圖6所示。

圖5 流道系統(tǒng)的建立

圖6 冷卻回路示意圖

1.6 模具整體造型

根據(jù)實(shí)際模具情況，經(jīng)過以上樣條建模、型腔排布、澆口選擇、流道系統(tǒng)設(shè)置以及冷卻回路的設(shè)置，做出整體模具造型如圖7所示。

圖7 模具造型

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 成型工藝的選擇

2.1.1 材料的選擇

根據(jù)成型需要，選擇的兩種材料分別為Formosa Plastic： 8050、 Taiwan PP Globalene 6331，如圖8所示。主要因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)中，兩者推薦工藝有些許相似，在溫度控制上能很快達(dá)到要求，且兩種材料相對(duì)容易買到；兩種材料都是高結(jié)晶材料，也是易結(jié)晶材料。由于結(jié)晶度高(HDPE:80%～95%，PP:>70%)，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，除了做翹曲分析外，還可以做結(jié)晶性分析。

圖8 成型材料

2.1.2 成型工藝條件

成型過程中，一般用料筒溫度、噴嘴溫度、模具溫度、注射壓力、保壓壓力、螺桿轉(zhuǎn)速、注射速度、鎖模力，以及熔料溫度進(jìn)行成型控制。在Moldflow中將翹曲量作為質(zhì)量指標(biāo)，測(cè)試注射工藝參數(shù)對(duì)翹曲量的影響，以此評(píng)價(jià)分析方案的準(zhǔn)確性，設(shè)置參數(shù)包含了熔體溫度、保壓時(shí)間、模具溫度、注射時(shí)間、冷卻時(shí)間。

2.1.3 注塑機(jī)的選擇

考慮到實(shí)驗(yàn)制品的布置設(shè)計(jì)，并綜合考慮理論注塑容量和鎖模力，擬采用TW1580 AIII-J3注塑機(jī)，最大鎖模力為1 500 kN，最大注射壓力為137 MPa。以期各項(xiàng)性能均可達(dá)到樣品注塑充模的需要。

2.1.4 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與記錄

以PP為例，根據(jù)推薦工藝參數(shù)與實(shí)際生產(chǎn)中可設(shè)置參數(shù)的選擇，做出正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與記錄，如表1和表2所示。

表1 水平因子取值

表2 正交實(shí)驗(yàn)表

從表2可以看出，5個(gè)成型工藝參數(shù)對(duì)翹曲量指標(biāo)影響程度從大到小依次為：C>A>D>E>B，即填充時(shí)間對(duì)翹曲量指標(biāo)影響最大，熔體溫度和保壓時(shí)間影響次之，冷卻時(shí)間和模具溫度影響最小。工藝參數(shù)的最佳水平組合：A4-B2-C3-D1-E4，即熔體溫度250 ℃，模具溫度50 ℃，填充時(shí)間0.9 s，保壓時(shí)間56.7 s，冷卻時(shí)間76 s。

圖9所示為用游標(biāo)卡尺測(cè)量軟件推薦工藝注塑得到的樣條尺寸，結(jié)果為149.28 mm，該樣條x方向的翹曲量為0.72 mm。表2中的翹曲數(shù)值也是按照這種方法測(cè)出來的，雖然會(huì)有一些誤差的存在，但總體趨勢(shì)表明：按照軟件推薦的注塑工藝注塑出來的產(chǎn)品翹曲量最小。

圖9 推薦工藝生產(chǎn)的樣條尺寸

3 軟件模擬分析

由正交實(shí)驗(yàn)表(表2)各組實(shí)驗(yàn)的設(shè)定，分析其在Moldflow軟件中翹曲量的大小，并與實(shí)際生產(chǎn)所得結(jié)果進(jìn)行比較，可驗(yàn)證軟件的精準(zhǔn)性。

3.1 填充模擬

以Taiwan PP Globalene 6331材料為例進(jìn)行軟件注塑模擬，填充結(jié)果如圖10所示。灰色部分表示流道系統(tǒng)，黑色部分表示填充狀態(tài)，分析顯示4個(gè)填充區(qū)域能夠完全填充滿，制品無缺料、表面凹凸不平等缺陷。

圖10 填充區(qū)域

3.2 翹曲分析

翹曲主要是由冷卻不均勻、收縮不均和取向效應(yīng)等內(nèi)部殘余應(yīng)力不均勻?qū)е碌腫5-6]。

3.1.1 整體翹曲情況

為了方便比較軟件模擬與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果的差異，從而驗(yàn)證軟件的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，模擬應(yīng)與實(shí)際測(cè)量的翹曲方向保持一致，即與取樣條(如圖11)x方向上的翹曲做分析比較。

圖11 x方向上的變形

圖11采用的工藝參數(shù)為Moldflow推薦的參數(shù)，填充、保壓、冷卻都是軟件隨機(jī)生成。從圖11可知，x方向的最大翹曲量為0.713 1 mm，與正交實(shí)驗(yàn)中所得結(jié)果0.72 mm相比，在允許誤差范圍之內(nèi)。

3.2.2 翹曲原因分析

在進(jìn)行翹曲分析之前，首先在【工藝設(shè)置向?qū)А繖谀肯隆韭N曲分析】中選取了【分離翹曲原因】一項(xiàng)，因?yàn)槁N曲原因比較多，除了開模時(shí)頂桿頂出的外應(yīng)力之外，其內(nèi)部翹曲原因主要有冷卻不均、收縮不均、取向效應(yīng)3種，如圖12～14所示。

圖12 冷卻不均造成的翹曲

圖13 收縮不均造成的翹曲

圖14 取向效應(yīng)造成的翹曲

圖11展示的是在x方向的總體翹曲量，最大值為0.713 1 mm。圖12中的翹曲是由冷卻不均引起的，圖中顯示冷卻不均造成的翹曲量為0 mm。圖13表示的是由收縮不均造成的翹曲，最大翹曲量為0.713 1 mm。圖14表示的是由取向效應(yīng)造成的翹曲，顯示取向效應(yīng)造成的翹曲也是0 mm。由圖11～14可知：收縮不均是翹曲的主要原因。

3.3 軟件精準(zhǔn)性分析

在實(shí)際測(cè)量和模擬分析樣條的過程中可以發(fā)現(xiàn)，雖然測(cè)量的和模擬的結(jié)果會(huì)有一點(diǎn)誤差(誤差也許是實(shí)際生產(chǎn)中操作不當(dāng)造成的)，但總體趨勢(shì)還是相同的。實(shí)際翹曲與模擬的翹曲基本一致，使用軟件推薦的注塑工藝在實(shí)際生產(chǎn)中能夠達(dá)到優(yōu)化的結(jié)果，這就為塑料行業(yè)的生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)指導(dǎo)，提前預(yù)測(cè)生產(chǎn)中會(huì)出現(xiàn)的制品缺陷，能及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)以達(dá)到理想生產(chǎn)狀態(tài)。

4 結(jié) 論

本文采用Moldflow軟件模擬實(shí)驗(yàn)樣條的注塑成型過程，分析填充情況和翹曲量大小，并與實(shí)際生產(chǎn)出的樣條作對(duì)比找出翹曲原因，驗(yàn)證Moldflow軟件的準(zhǔn)確性。結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)改善工藝參數(shù),其對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中工藝條件的控制、模具的改良都有一定的指導(dǎo)作用。使用正交實(shí)驗(yàn)方法優(yōu)化成型參數(shù)，工藝參數(shù)的最佳水平組合為：A4-B2-C3-D1-E4，即熔體溫度250℃，模具溫度50℃，填充時(shí)間0.9 s，保壓時(shí)間56.7 s，冷卻時(shí)間76 s。在模具設(shè)計(jì)中，合理地使用CAE/Moldflow技術(shù)可節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間和成本，提高準(zhǔn)確率。