基于Moldflow的塑料套管注塑成型研究

呂航鷹,齊永杰

(浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)大學(xué) 智能制造學(xué)院,浙江 東陽(yáng) 322100)

0 引 言

在模流分析技術(shù)沒(méi)有出現(xiàn)之前,初制的模具都需通過(guò)不斷的試模、修模來(lái)完善其結(jié)構(gòu)及注塑成型工藝,產(chǎn)品質(zhì)量的好壞,很大程度上取決于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)[1]。在現(xiàn)代模具行業(yè)中,模流分析的作用顯得尤為重要[2-3]。

本文針對(duì)一款塑料套管塑件,完成模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),利用Moldflow軟件來(lái)分析其注塑成型工藝過(guò)程,驗(yàn)證模具澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性[4],獲取注射時(shí)間、注塑成型壓力、鎖模力等參考值,查看注塑過(guò)程中可能出現(xiàn)的成型缺陷,以指導(dǎo)后期的生產(chǎn)成型工藝設(shè)置,最后對(duì)比驗(yàn)證產(chǎn)品的試模質(zhì)量。

1 塑件分析及前期產(chǎn)品模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

該塑料套件外形尺寸126.6 mm×62 mm×30.1 mm,整體結(jié)構(gòu)形狀一般,但存在一些薄壁結(jié)構(gòu)特征,產(chǎn)品最大壁厚為2.02 mm,平均壁厚1.1 mm,中間連接處壁厚為0.4 mm,體積約為12.54 cm3,材料為BASF Ultramid Seal Fit PA66,該種材料的相關(guān)成型工藝參數(shù)如表1所示?？蛻魧?duì)塑件外觀要求：外表面無(wú)明顯縮痕,無(wú)飛邊、缺口等缺陷,整體變形量控制在±1 mm以內(nèi),澆口不能設(shè)置在產(chǎn)品外觀表面。

該款塑件根據(jù)客戶要求及工廠實(shí)際情況,采用一模兩腔的設(shè)計(jì)形式,其中模具的澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)采用如下方案設(shè)計(jì)。

采用冷流道系統(tǒng)的潛伏式澆口設(shè)計(jì),每個(gè)塑件設(shè)置2個(gè)澆口,其澆注系統(tǒng)中心線及關(guān)鍵點(diǎn)的尺寸如圖2所示。

圖1 塑件產(chǎn)品3D模型Fig.1 3D model of plastic product

圖2 流道線Fig.2 Runner line

各部分尺寸為：主流道長(zhǎng)80 mm,噴嘴處直徑3 mm,錐角：1.5°;分流道截面為圓形,第一級(jí)分流道直徑為6 mm,第二級(jí)分流道直徑為4 mm;澆口：圓形,傾斜角45°,錐角取10°,小端直徑取0.8 mm。

冷卻系統(tǒng),采用水冷卻,上、下模各采用一進(jìn)一出的形式,水管孔直徑為8 mm。

2 模流分析

2.1 網(wǎng)格劃分前處理操作

首先利用UG軟件完成產(chǎn)品的三維建模,再導(dǎo)出.igs文件,利用CAD Doctor軟件對(duì)塑件上的細(xì)小圓角進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,以提高后期模流分析時(shí)的網(wǎng)格匹配百分比[5]。將處理好的塑件模型導(dǎo)入Moldflow軟件中,采用雙層面網(wǎng)格形式[6],定義網(wǎng)格全局邊長(zhǎng)1.5 mm,網(wǎng)格劃分效果如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品網(wǎng)格Fig.3 Product mesh

結(jié)合軟件網(wǎng)格修復(fù)工具,完成對(duì)模型的自由邊、多重邊以及配向不正確單元的修復(fù)。完成修復(fù)后,網(wǎng)格數(shù)為26 096個(gè),單個(gè)塑件體積為12.542 5 cm3,最大縱橫比為7.9(<15),平均縱橫比為1.72(<3),網(wǎng)格匹配率為93.0%,其他相關(guān)參數(shù)均符合后期分析要求[7-8]。

2.2 成型窗口分析

利用Moldflow的成型窗口分析功能,能夠判斷不同澆口位置、澆口數(shù)量下的最優(yōu)成型工藝范圍,如果成型工藝條件位于該范圍中,則表示在此澆口數(shù)量及設(shè)定的位置下,可以生產(chǎn)出質(zhì)量較好的零件。如圖4所示,Y軸表示的是該塑件最佳成型質(zhì)量系數(shù),數(shù)值越大表示注塑成型的塑件質(zhì)量越高。分析結(jié)果顯示,當(dāng)注射時(shí)間為0.7 s左右時(shí),塑件能取得較好的成型質(zhì)量,當(dāng)注射時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)時(shí),塑件的成型質(zhì)量會(huì)持續(xù)下降。同時(shí)由分析得到的最佳模溫、最佳熔體溫度及最佳注射時(shí)間等相關(guān)工藝參數(shù)值可以為實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)提供參考。通過(guò)分析,該塑件采用2個(gè)澆口的形式能獲得較好的成型效果。如表2所示,分析后系統(tǒng)給出的推薦模具溫度為22.22 ℃,熔體溫度為260 ℃,注射時(shí)間為0.55 s。通過(guò)成型質(zhì)量(成型窗口)XY圖(圖4)分析結(jié)果及材料推薦成型工藝,初設(shè)后續(xù)模擬的模具溫度為40 ℃,熔體溫度為245 ℃(實(shí)際成型過(guò)程由于熔體的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生剪切熱,從而提高熔體的實(shí)際溫度),注射時(shí)間為0.65 s[9]。

圖4 成型質(zhì)量與注射時(shí)間關(guān)系曲線Fig.4 Molding quality-injection time relationship

依據(jù)成型窗口分析結(jié)果,得出相關(guān)工藝參數(shù)如表2所示。

表2 優(yōu)化工藝參數(shù)結(jié)果Tab.2 Process parameter optimal results

2.3 初次充填、冷卻分析

2.3.1 澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)創(chuàng)建

結(jié)合模具設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),利用UG軟件將澆注系統(tǒng)中心線和冷卻系統(tǒng)中心線分別導(dǎo)出為.igs文件,再利用Moldflow軟件的添加命令,完成數(shù)據(jù)的添加。利用圖層設(shè)置將澆注系統(tǒng)中的主流道線、分流道線、澆口線及冷卻系統(tǒng)中心線分別設(shè)置在不同圖層中,分別按照設(shè)計(jì)尺寸完成網(wǎng)格的劃分,保證流道部分柱體長(zhǎng)徑比為1.5～2.0D1(D1為流道截面尺寸),冷卻管道柱體長(zhǎng)徑比為2.5～3.0D2(D2為冷卻管道截面尺寸),澆口部分最少劃分為3個(gè)單元。

2.3.2 工藝參數(shù)設(shè)置

根據(jù)前期成型窗口分析結(jié)果,設(shè)定“冷卻+流動(dòng)+保壓+翹曲”分析的工藝參數(shù)如下：在充填時(shí)間的設(shè)置上,根據(jù)成型窗口分析得出的注射時(shí)間(0.65 s),并結(jié)合熔體的體積(12.54 cm3×2),算出注射速率為：35.58 cm3·s-1,再結(jié)合流道系統(tǒng)體積4.61 cm3,計(jì)算得到流道部分充填時(shí)間為0.11 s,最終充填時(shí)間為這兩者之和(0.76 s)。根據(jù)注射速率及模具整體尺寸大小,選擇合適的注塑機(jī),初次分析選擇HT-85-HIPR-85 tons 2.3oz(25 mm)型注塑機(jī),其注射速度為99 cm3·s-1,最大注射壓力為193.9 MPa, 最大鎖模力為77tonne。其他相關(guān)工藝參數(shù)采用默認(rèn)值。

2.3.3 流動(dòng)分析

充填分析主要是模擬塑料在型腔中的流動(dòng)過(guò)程,從分析結(jié)果可以了解熔體在型腔內(nèi)的流動(dòng)情況及可能產(chǎn)生的成型缺陷[10]。由于塑料熔體在充填過(guò)程中具有可壓縮性,所以實(shí)際充填時(shí)間會(huì)大于之前的計(jì)算值,該塑件實(shí)際充填時(shí)間為0.84 s。圖5顯示了0.21, 0.42, 0.63和0.84 s時(shí)刻的充填狀況,從結(jié)果上看,型腔間充填達(dá)到平衡且沒(méi)有出現(xiàn)短射現(xiàn)象。根據(jù)充填時(shí)間與流動(dòng)前沿溫度疊加圖(圖6)顯示,整個(gè)融體流動(dòng)順暢,流動(dòng)前沿溫度分布較均勻,且接近熔體推薦溫度值(240 ℃)。但在壁厚較薄的區(qū)域,會(huì)出現(xiàn)滯流現(xiàn)象(圖6中灰色區(qū)域),其溫度已經(jīng)低于熔體推薦溫度10 ℃以上。經(jīng)分析,該區(qū)域溫度值為200 ℃左右,在可成型溫度范圍內(nèi),對(duì)塑件成型質(zhì)量影響不大。圖7為塑件成型過(guò)程中兩股料流匯合位置分布圖。通過(guò)分析,該處位置的壓力為42 MPa左右,流動(dòng)前沿成型溫度為245 ℃左右,表明在實(shí)際成型過(guò)程中,該處一定不會(huì)產(chǎn)生熔接線的表面缺陷[11-12]。

圖5 充填時(shí)間Fig.5 Filling time

圖6 流動(dòng)前沿溫度Fig.6 Temperature at flow front

圖7 熔接線Fig.7 Weld line

由凍結(jié)層因子分析結(jié)果(圖8)可知：在第6.5秒左右時(shí),第一個(gè)澆口完全凝固;在第8.75秒左右,第二個(gè)澆口完全凝固,故后續(xù)優(yōu)化時(shí)保壓時(shí)間可設(shè)置為9 s。

圖8 凍結(jié)層因子Fig.8 Frozen layer fraction

2.3.4 冷卻分析

設(shè)置合理的冷卻系統(tǒng),可以穩(wěn)定模具的成型溫度,并提高塑件的表面成型質(zhì)量[13]。根據(jù)分析結(jié)果可知：冷卻結(jié)束后,模具表面溫度分布如圖9所示,其模溫在50.0～59.9 ℃范圍內(nèi),具有較好的成型性。查看回路冷卻液溫度結(jié)果,其結(jié)果差異在1 ℃以內(nèi),符合進(jìn)出水口溫度差異在2～3 ℃之內(nèi)的要求。同時(shí)根據(jù)回路熱去除效率分析結(jié)果(圖10)可知：整個(gè)冷卻回路效率達(dá)到0.5以上的區(qū)域占大部分,表明冷卻效果良好[14]。

圖9 模具溫度Fig.9 Mold temperature

2.3.5 翹曲分析

由翹曲分析可得到在成型過(guò)程中由于冷卻不均、收縮不均等因素產(chǎn)生的變形量[15],如圖11所示。該塑件本身裝配要求不高,圖11中,塑件整體變形量為0.26 mm,其中冷卻不均引起的收縮變形量為0.11 mm,收縮不均引起的變形量為0.30 mm,整個(gè)塑件成型過(guò)程中變形量控制較好。依據(jù)客戶對(duì)塑件整體變形量控制在±1 mm以內(nèi)的要求,該成型工藝下塑件符合后期裝配要求,同時(shí)說(shuō)明整個(gè)成型工藝參數(shù)設(shè)置合理,可為后續(xù)優(yōu)化成型工藝提供參考。優(yōu)化工藝參數(shù)如表3所示。

表3 優(yōu)化工藝參數(shù)

圖11 翹曲變形量Fig.11 warping deformation

3 塑件實(shí)物成型結(jié)果分析

采用優(yōu)化后的模擬成型工藝參數(shù),塑件實(shí)際成型效果如圖12所示。塑件表面沒(méi)有明顯熔接線、流痕等表面缺陷,整體的變形量控制得較好,裝配效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖12 塑件外觀Fig.12 Appearance of plastic parts

4 結(jié) 論

1) 利用Moldflow軟件進(jìn)行塑件成型分析時(shí),可結(jié)合成型窗口分析功能,獲取塑件最優(yōu)成型質(zhì)量工藝條件參數(shù),為后續(xù)充填分析提供參考。

2) 依據(jù)型腔充填時(shí)間(0.65 s)和需充填的體積(25.08 cm3),得到注射速率為35.58 cm3·s-1,再結(jié)合流道體積(4.61 cm3),算出流道充填時(shí)間為0.11 s,計(jì)算得出總的模擬充填時(shí)間為0.76 s。同時(shí)依據(jù)注射速率及模具整體尺寸大小,選擇HT-85-HIPR-85 tons 2.3oz(25 mm)型注塑機(jī)作為注塑設(shè)備,其注射速度為99 cm3·s-1,最大注射壓力為193.9 MPa,最大鎖模力為77tonne。

3) 結(jié)合“冷卻+充填+保壓+冷卻”分析結(jié)果,熔體在充填過(guò)程中,局部區(qū)域流動(dòng)前沿溫度降較大(溫度為200 ℃左右),需在成型過(guò)程中加以關(guān)注,對(duì)比實(shí)際注塑產(chǎn)品,該區(qū)域成型狀況良好。依據(jù)凍結(jié)層因子分析結(jié)果,優(yōu)化保壓時(shí)間為9 s。冷卻分析及翹曲分析結(jié)果良好,表明冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及成型工藝參數(shù)設(shè)置合理。

4) 依據(jù)優(yōu)化后的成型工藝參數(shù),實(shí)際注塑產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。