基于Moldflow的雙色I(xiàn)MD塑件模具設(shè)計(jì)與仿真

李保，王正才，黃銘濤，胡銘杰，俞建成

(1.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江寧波 315800； 2.寧波高發(fā)汽車控制系統(tǒng)股份有限公司，浙江寧波 315100；3.寧波鎮(zhèn)海質(zhì)譜技術(shù)研究院，浙江寧波 315200)

膜內(nèi)裝飾(IMD )技術(shù)是能同時(shí)實(shí)現(xiàn)部件注塑和表面裝飾的新型裝飾技術(shù)，集功能性與美觀性為一體，也是目前汽車內(nèi)飾生產(chǎn)工藝中成本最低、效率最高的技術(shù)[1]。雙色注塑成型指將兩種不同材質(zhì)或不同顏色的材料分別塑化，然后按順序或同時(shí)注入模腔而得到兩種不同材質(zhì)或不同顏色的塑料成型制品的注塑成型工藝，它屬于兩次注塑成型工藝的一種[2]。Moldflow是一款用于模具成型設(shè)計(jì)的軟件，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)過程中存在的問題，常用于加工工藝參數(shù)的前處理，以達(dá)到降低研發(fā)周期和生產(chǎn)成本的目的[3-6]。雙色I(xiàn)MD技術(shù)同時(shí)具有IMD和雙色注塑成型的優(yōu)點(diǎn)，集精致外觀和復(fù)雜結(jié)構(gòu)于一體，逐漸受到汽車零部件廠家的青睞。但是，由于膜片位于一次成型和二次成型的中間部位，兩次成型時(shí)熔體會(huì)損傷到膜片，模具設(shè)計(jì)和注塑工藝要求高，僅依賴經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)后，產(chǎn)品容易出現(xiàn)較多缺陷，如澆頭側(cè)跑膠嚴(yán)重、裝飾件3D紋理不清晰，紋理發(fā)生嚴(yán)重變形等[7-8]。筆者針對(duì)該問題通過Moldflow對(duì)塑件進(jìn)行預(yù)處理，能夠有效地模擬兩次成型的注塑過程，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和注塑參數(shù)。從模具結(jié)構(gòu)的進(jìn)膠口尺寸入手，經(jīng)過多次模擬對(duì)比進(jìn)膠口尺寸更改前后的充填動(dòng)畫和填充壓力分布情況，最終完成終版模具結(jié)構(gòu)的模擬仿真，依據(jù)對(duì)應(yīng)參數(shù)完成模具加工，并成功注塑完成符合要求的產(chǎn)品。

1 塑件結(jié)構(gòu)與工藝

1.1 塑件結(jié)構(gòu)分析

筆者研究的標(biāo)牌是一種要求較為嚴(yán)苛的塑件，該零件要求具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高透光度及清晰的指示作用，需要滿足基本性能試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)、耐刮擦試驗(yàn)、外觀試驗(yàn)和燈光試驗(yàn)。環(huán)境試驗(yàn)中，耐熱性試驗(yàn)和耐光老化試驗(yàn)要求較高，耐熱性試驗(yàn)要求產(chǎn)品在100 ℃的環(huán)境下，持續(xù)144 h后，產(chǎn)品外觀良好，無發(fā)白或開裂現(xiàn)象。耐光老化試驗(yàn)按GB/T 32088-2015進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)和評(píng)價(jià)。塑件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，標(biāo)牌尺寸為61.68 mm×32.05 mm×16.26 mm，密度為 1.19 g/cm3，質(zhì)量為 6.38 g，體積為 5.36 cm3，表面積為10 911.56 mm2，收縮率為0.5%。標(biāo)牌背面具有卡扣等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，正面具有良好的透光性，在骨架里燈珠的照射下，能清晰均勻地指示出R，N，D字符，形成對(duì)駕駛員操作電子換擋器后的有效反饋。結(jié)合產(chǎn)品指示燈立體感強(qiáng)的要求，塑件采用雙色模完成，中間部分采用帶油墨的印刷膜片，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解圖如圖2所示。

圖1 標(biāo)牌結(jié)構(gòu)圖

圖2 標(biāo)牌結(jié)構(gòu)分解圖

1.2 塑件工藝分析

標(biāo)牌整體需滿足耐熱性試驗(yàn)，一色底部的卡扣需滿足強(qiáng)度要求，一色、中間膜片和二色應(yīng)具有強(qiáng)結(jié)合力，因此，一色、中間膜片、二色均采用聚碳酸酯(PC)材質(zhì)。PC材質(zhì)具有優(yōu)異的力學(xué)性能、透明性能和較高的耐熱性能等，被廣泛應(yīng)用于電子電氣、光盤、建材以及汽車等領(lǐng)域[9]，但PC的耐磨和耐光性能不能滿足使用要求，傳統(tǒng)PC面罩一般采用外噴UV漆工藝[10]。由于整件需滿足耐刮擦試驗(yàn)，因此，整件注塑完成后需進(jìn)行UV噴涂以實(shí)現(xiàn)較好的耐磨性能。

該標(biāo)牌采用Makrolon生產(chǎn)的PC 2405，注塑加工主要的參數(shù)：料筒溫度為268 ℃，注塑壓力12 MPa，保壓時(shí)間6 s，螺桿轉(zhuǎn)速20 r/min。

1.3 模型建立

首先把產(chǎn)品三維分成三部分，包括底部骨架、膜片、頂部透光罩。仿真模型為底部骨架模型和頂部透光罩，把兩個(gè)模型分別另存為“*.stp”格式，然后導(dǎo)入到CAD doctor軟件中進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，最后把“*.igs”格式文件導(dǎo)入到Autodesk Moldflow Synergy 2017進(jìn)行模流仿真。

2 Moldflow模擬分析

2.1 網(wǎng)格分析

一般用Moldflow進(jìn)行CAE分析時(shí)，雙層面網(wǎng)格數(shù)量最好不要超過3.5×105。尤其是表面是曲面的大型塑料件[11]。對(duì)于底部骨架模型，分析采用雙層面網(wǎng)格，網(wǎng)格各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求，產(chǎn)品網(wǎng)格如圖3所示，底部骨架網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。從網(wǎng)格劃分結(jié)果可以得到，最大縱橫比為91.84，最小縱橫比為1.11，平均縱橫比為6.10，無自由邊、多重邊，無匹配不正確單元，無相關(guān)單元、無重疊單元，整體網(wǎng)絡(luò)劃分質(zhì)量好，模型可用于模流分析。

圖3 底部骨架網(wǎng)格

表1 底部骨架網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表

對(duì)于頂部透光罩模型，分析仍采用雙層面網(wǎng)格，網(wǎng)格各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求，產(chǎn)品網(wǎng)格如圖4所示，頂部透光罩網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2。從網(wǎng)格劃分結(jié)果可以得到，最大縱橫比為87.71，最小縱橫比為1.11，平均縱橫比為4.92，無自由邊、多重邊，無匹配不正確單元，無相關(guān)單元、無重疊單元，整體網(wǎng)絡(luò)劃分質(zhì)量好，模型可用于模流分析。

圖4 頂部透光罩網(wǎng)格

表2 頂部透光罩網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模具的澆注系統(tǒng)是模具設(shè)計(jì)的重要組成部分，澆注系統(tǒng)決定了成型過程熔體的流動(dòng)，對(duì)成品的成型周期、產(chǎn)品的外觀質(zhì)量及產(chǎn)品的力學(xué)性能均有影響[12-13]。為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，冷澆口類型為潛進(jìn)膠，冷澆口尺寸為6 mm×1.5 mm，冷流道尺寸6 mm，底部骨架和頂部透光罩的膠口位置圖，如圖5所示。進(jìn)膠口位置對(duì)于模具而言至關(guān)重要，澆口的位置關(guān)系到模具內(nèi)熔融塑料的流動(dòng)情況，并影響塑件成品的質(zhì)量[14-15]。即便對(duì)于非IMD的普通注塑件而言，不同的進(jìn)膠口，塑料件冷卻形態(tài)差異較大，從而使塑件的強(qiáng)度和韌性差異明顯。對(duì)于IMD而言，不僅要考慮強(qiáng)度和韌性，還要考慮高溫熔體對(duì)膜片的影響。一般，進(jìn)膠口要盡量遠(yuǎn)離膜片上的顏色差異較大圖文區(qū)域，其次盡量采用點(diǎn)進(jìn)膠、潛伏進(jìn)膠、牛角進(jìn)膠。二次注射成型主要考慮澆口對(duì)外觀的影響，最好采用潛伏澆口，采用點(diǎn)澆口會(huì)影響外觀[16]。若采用普通進(jìn)膠，一定要設(shè)置熔體的緩沖區(qū)域，防止熔體側(cè)面直沖膜片，從而使膜片油墨沖散。

圖5 膠口位置圖

2.3 模流分析數(shù)據(jù)

根據(jù)澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在Moldflow中分析影響底部骨架和頂部透光罩成型外觀質(zhì)量和尺寸的條件。對(duì)于底部骨架而言，產(chǎn)品體積、冷澆口和冷流道體積為3.782 cm3，熔體溫度為300 ℃，模具溫度為100 ℃，填充控制為0.8 s，填充/保壓轉(zhuǎn)換控制及轉(zhuǎn)換時(shí)填充百分比為97%，保壓壓力為55.83 MPa，產(chǎn)品投影面積為12.366 cm2。底部骨架模流分析數(shù)據(jù)如圖6所示。

由圖6a可知，速度壓力轉(zhuǎn)換時(shí)，所需的最大填充壓力為55.83 MPa，壓力小于注塑機(jī)最大注射壓力的70%，壓力合理。熔體流動(dòng)前沿溫度的最高溫度為307.3 ℃，最低溫度為282.4 ℃，產(chǎn)品主要外觀面溫度差為4 ℃，小于20 ℃，最低溫度發(fā)生筋位區(qū)域，因此，流動(dòng)前沿溫度不會(huì)導(dǎo)致外觀表面質(zhì)量問題，如圖6b所示。根據(jù)圖6c可知，剪切速率最高達(dá)8 640.0 1/s，最大剪切速率發(fā)生在澆口區(qū)域。由圖6d可知，彩色線為產(chǎn)品熔接線。由圖6e可知，型件的縮痕尺寸為0.02 mm，滿足要求。由圖6f可知，產(chǎn)品在0.755 5 s內(nèi)完成填充，填充良好，無短射。

圖6 底部骨架模流分析數(shù)據(jù)

對(duì)于頂部透光罩而言，產(chǎn)品體積、冷澆口和冷流道體積為5.990 cm3，熔體溫度為300 ℃，模具溫度為100 ℃，填充控制為1.36 s，填充/保壓轉(zhuǎn)換控制及轉(zhuǎn)換時(shí)填充百分比為97%，保壓壓力為40.01 MPa，產(chǎn)品投影面積為22.401 cm2。頂部透光罩模流分析數(shù)據(jù)如圖7所示。由圖7a可知，速度壓力轉(zhuǎn)換時(shí)，所需的最大填充壓力為40.01 MPa。熔體流動(dòng)前沿最高溫度為305.1 ℃，最低溫度為278.1 ℃，產(chǎn)品主要外觀面溫度差為4 ℃，小于20 ℃，最低溫度發(fā)生筋位區(qū)域，因此，流前溫度不會(huì)導(dǎo)致外觀表面質(zhì)量問題，如圖7b所示。根據(jù)圖7c可知，最大剪切速率發(fā)生在澆口區(qū)域，為421 191/s。由圖7 d可知，彩色線為產(chǎn)品熔接線，此產(chǎn)品外觀表面無熔接線產(chǎn)生。根據(jù)圖7e所示，縮痕峰值為0.029 9 mm，此產(chǎn)品外觀表面無可見縮影產(chǎn)生。由圖7f可知，產(chǎn)品在1.361 s內(nèi)完成填充，填充良好，無短射。

圖7 頂部透光罩模流分析數(shù)據(jù)

通過以上模擬仿真可知，經(jīng)過多次優(yōu)化后的進(jìn)膠口尺寸、位置符合要求，模擬成型后的尺寸準(zhǔn)確，且外觀質(zhì)量滿足要求。

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過以上基于Moldflow的模擬分析，完成了產(chǎn)品的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包含底部骨架模具和頂部透光罩模具。

以下從分型面設(shè)計(jì)、頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面介紹模具的設(shè)計(jì)過程及工作原理。

3.1 分型面設(shè)計(jì)

圖8為塑件的模具分型面位置及模具結(jié)構(gòu)，如圖8a所示，底部骨架的凸模部分和頂部透光罩凸模部分相同，底部骨架和頂部透光罩凹模部分不同，如圖8b所示，為底部骨架凹模結(jié)構(gòu)。如圖8c所示，為頂部透光罩凹模結(jié)構(gòu)。通過圖示可以看出，雙色I(xiàn)MD件模具結(jié)構(gòu)與普通雙色件分型結(jié)構(gòu)近似，但是在設(shè)計(jì)過程中要考慮到IMD膜片的厚度，防止因膜片問題導(dǎo)致二色頂部透光罩結(jié)合力不足。

圖8 分型面位置及模具結(jié)構(gòu)

3.2 頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

底部骨架模具和頂部透光罩模具的頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完全相同，并且交替工作，如圖9所示，為頂出機(jī)構(gòu)的模具機(jī)構(gòu)，頂出機(jī)構(gòu)采用頂針頂出，考慮到受力均衡，一共采用七根頂針構(gòu)成，布置于產(chǎn)品的中部和兩側(cè)，其中四根受到空間限制的影響頂部采用扁頂針，上段部分設(shè)計(jì)軌道定位防止頂針旋轉(zhuǎn)。

圖9 頂出結(jié)構(gòu)

3.3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖10為頂出結(jié)構(gòu)。如圖10a所示，分別為動(dòng)模冷卻系統(tǒng)和定模冷卻系統(tǒng)，由于底部骨架模具和頂部透光罩模具動(dòng)模部分完全相同，因此其冷卻管道布置也一致，均布置在產(chǎn)品周邊，一側(cè)為進(jìn)水口，另一側(cè)為出水口。底部骨架模具和頂部透光罩模具的定模結(jié)構(gòu)近似，為便于加工，冷卻管道采用相同的方案，如圖10b所示。因產(chǎn)品頂部尺寸要求精度要求高、且頂部透光罩模具的動(dòng)模部分需滿足產(chǎn)品高質(zhì)量外觀要求，冷卻管道布置在整個(gè)產(chǎn)品周圍。

圖10 頂出結(jié)構(gòu)

3.4 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖11所示，為底部骨架模具的整體結(jié)構(gòu)圖，模具的主要零件有動(dòng)模座板1、動(dòng)模板7、定模板9、定模座板10、模芯17。頂部透光罩的模具結(jié)構(gòu)和底部骨架近似，動(dòng)模部分完全相同，唯一不同為定模的模芯部分。在注射生產(chǎn)時(shí)，兩副模具同時(shí)完成合模和分模，一次成型和二次成型的成型時(shí)間相同。一次成型完成后，動(dòng)模旋轉(zhuǎn)180°與第二型腔的定模構(gòu)成一套完整的模具完成第二次注射。

圖11 模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

塑件注塑成型的工作過程如下：

(1) 底部骨架動(dòng)模部分和頂部透光罩動(dòng)模部分均安裝到雙色注塑機(jī)的左側(cè)，底部骨架定模部分和頂部透光罩定模部分均安裝到雙色注塑機(jī)的右側(cè)，將烘烤好的底部骨架顆粒料即色模粒和PC的混料放入一色料筒內(nèi)，將烘烤好的頂部透光罩顆粒料即透明PC放入二色料筒內(nèi)。

(2) 等待模具溫度合適后，右半側(cè)注塑機(jī)帶動(dòng)底部骨架定模部分和頂部透光罩定模部分向左運(yùn)動(dòng)，合模后，塑料顆粒熔融后經(jīng)流道、膠口進(jìn)入到模腔中，并在型腔中充滿、保壓、冷卻成型。

(3) 底部骨架成型后，雙色模注塑機(jī)左側(cè)部分旋轉(zhuǎn)180°，底部骨架動(dòng)模部分和頂部透光罩動(dòng)模部分交換位置，如圖8所示，此時(shí)一色底部骨架已在頂部透光罩動(dòng)模位置，此時(shí)把IMD膜片放入頂部透光罩的動(dòng)模位置，再合模，二色頂部透光罩可注塑完成。

(4) 注塑完成后，底部骨架定模部分和頂部透光罩定模部分向右運(yùn)動(dòng)，分模完成。此時(shí)的塑件仍在模具中，然后，整個(gè)動(dòng)模的墊塊2和連接板3受力移動(dòng)，在左斜頂6和右斜頂20的作用下，塑件從模具中脫離處理，取出注塑完成的塑件，進(jìn)入下一個(gè)注塑周期。

4 結(jié)論

以IMD雙色塑件為例，利用Moldflow軟件對(duì)塑件進(jìn)行了模擬分析，由結(jié)果可知，膠口的位置和尺寸均符合要求，一次成型時(shí)，速度壓力轉(zhuǎn)換時(shí)所需的最大填充壓力為55.83 MPa，成型溫度282.4~307.3 ℃，型件的縮痕尺寸峰值為0.02 mm。二次成型時(shí)，速度壓力轉(zhuǎn)換時(shí)所需的最大填充壓力為40.01 MPa，成型溫度為278.1～305.1 ℃，型件的縮痕尺寸峰值為0.03 mm。根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，把帶有卡扣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)做在動(dòng)模處，利用斜頂把塑件從模具中分離，且定模處結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品表面粗糙度的要求。通過以上仿真與設(shè)計(jì)，解決了膠口位置、膠口尺寸及注塑工藝參數(shù)難以確定的問題，使產(chǎn)品的外觀質(zhì)量和性能得到了顯著提高。