基于多場(chǎng)耦合的異形塑件控形模流分析

劉海初, 余松林, 王興昌, 劉寒寒

(1. 新疆工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830023 2. 新疆工程學(xué)院工程技能實(shí)訓(xùn)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830023)

0 引 言

塑料材料目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在航空、造船、機(jī)械、汽車(chē)等多個(gè)領(lǐng)域,并在很多場(chǎng)合替代傳統(tǒng)的金屬材料。如何提高注塑模設(shè)計(jì)的成功率,縮短模具設(shè)計(jì)制造和驗(yàn)收周期,對(duì)生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)具有非?，F(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)意義。注塑成型是熱塑性塑料成型最主要的工藝方法,注塑成型中熔融態(tài)塑料在注塑機(jī)壓力的作用下充滿(mǎn)模腔,通過(guò)保壓控溫最終形成所需的塑料制品。雖然我國(guó)目前模具制造業(yè)已經(jīng)發(fā)展的比較成熟,但是大中型異形塑件模具制造還存在設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、返修率高等問(wèn)題,因此,對(duì)大型異形塑件成型過(guò)程展開(kāi)深入研究迫在眉睫。產(chǎn)生翹曲是大中型異形塑件成型過(guò)程最常見(jiàn)的問(wèn)題,其主要原因是成型過(guò)程中塑件應(yīng)力受溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、材料特性和產(chǎn)品幾何特性的影響,導(dǎo)致應(yīng)力分布梯度過(guò)大。本文以吸塵器外殼為例,根據(jù)ABS材料的基本特性、塑件形狀及精度要求和溫度場(chǎng)等多維分析,合理布局模腔,設(shè)計(jì)和優(yōu)化冷卻系統(tǒng),并進(jìn)行翹曲分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,最終提高了塑件成型質(zhì)量。

1 塑件分析

1.1 材料基本屬性分析

ABS是一種改性聚苯乙烯(Polystyrene, PS),具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的特點(diǎn),是一類(lèi)較理想的工程塑料,為各行業(yè)所廣范采用。其黏度適中,溫度和壓力是影響其熔體流動(dòng)性的主要因素。基本性能為:屈服強(qiáng)度50 MPa,拉伸強(qiáng)度38 MPa,熔點(diǎn)(黏流溫度)130～160 ℃,拉伸彈性模量1.8 GPa,密度1.02～1.16 g·cm-3,成型收縮率0.4%～0.7%,溢邊值0.04～0.05 mm[1]。

1.2 塑件特性分析

吸塵器外殼是典型的異形塑件,含有腔、孔、凸臺(tái)、筋、窄縫和側(cè)孔等多種幾何要素,呈非對(duì)稱(chēng)形狀。最大輪廓尺寸:168 mm×142 mm×46 mm,為中型塑件規(guī)格,尺寸精度為MT4,為一般精度等級(jí)。體積127.57 cm3,質(zhì)量134 g,投影面積為205.5 cm2。圖1為對(duì)塑件進(jìn)行的壁厚分析結(jié)果,壁厚整體上是均勻的。局部壁厚雖大于塑件壁厚推薦值(2 mm),但整體還是處于ABS的推薦范圍之內(nèi)的。局部壁厚較厚處成型后可能會(huì)產(chǎn)生縮痕。吸塵器外殼側(cè)壁均有2°左右的拔模斜度,不易出現(xiàn)黏模、卡模現(xiàn)象。塑件外表面要求光滑無(wú)缺陷,表面粗糙度為Ra0.8,根據(jù)國(guó)標(biāo)所規(guī)定的塑料件表面粗糙度可知,注射成型工藝能夠滿(mǎn)足塑件表面粗糙度要求[2]。

圖1 塑件壁厚分析Fig.1 Analysis of wall thickness of plastic parts

2 澆口位置及流動(dòng)分析

2.1 澆口位置分析

絕大部分塑件的最佳澆口位置都在其幾何中心附近。因?yàn)閺拇颂庨_(kāi)始,熔體流動(dòng)到塑件的各個(gè)部位的流程大致相同,因此比較容易獲得平衡的充填和保壓過(guò)程。所以在模具設(shè)計(jì)中,對(duì)于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的塑件,大部分設(shè)計(jì)傾向于將澆口設(shè)計(jì)在塑件的中心區(qū)域。對(duì)吸塵器外殼進(jìn)行澆口位置分析,其流動(dòng)阻力如圖2所示。其中,圖2(a)為不限定澆口區(qū)域的分析結(jié)果,圖2(b)為限定澆口區(qū)域的分析結(jié)果。藍(lán)色區(qū)域?yàn)榱鲃?dòng)阻力最小處,澆口位置選擇應(yīng)優(yōu)先考慮該區(qū)域。

(a) 不限定澆口區(qū)域

(b) 限定澆口區(qū)域

澆口位置的選擇是模具能否成功的關(guān)鍵。從傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)角度來(lái)考慮,對(duì)于多腔模,澆口位置在塑件中部,澆口需采用點(diǎn)澆口,模具總體結(jié)構(gòu)為三板式結(jié)構(gòu)。如果采用側(cè)澆口,兩板式結(jié)構(gòu)模具就能滿(mǎn)足要求,則可大幅度降低模具的生產(chǎn)成本。

2.2 充填分析

利用模流分析軟件對(duì)側(cè)澆口結(jié)構(gòu)進(jìn)行充填分析,結(jié)果如圖3所示。

(a) 充填時(shí)間

(b) 速度/壓力(V/P)轉(zhuǎn)化時(shí)壓力

(c) 流動(dòng)前沿溫度

(d) 熔接線(xiàn)

1) 圖3(a)為充填時(shí)間結(jié)果,無(wú)短射現(xiàn)象。實(shí)際充填時(shí)間1.6 s,與設(shè)定的注射時(shí)間(1.4 s)相差在0.5 s以?xún)?nèi)。

2) 圖3(b)顯示了由速度控制轉(zhuǎn)換到壓力控制時(shí),模腔內(nèi)的壓力分布?？芍?速度/壓力切換時(shí)模腔壓力為42.07 MPa,小于ABS許用注射壓力(120 MPa),同時(shí)也小于注塑機(jī)(海天SA2000/700)的最大注射壓力(150 MPa)。

3) 圖3(c)顯示流動(dòng)前沿溫度為280.50 ℃。ABS的推薦工藝為:模溫范圍40～80 ℃,熔體溫度范圍240～280 ℃。經(jīng)成型窗口分析后,推薦的工藝為:模溫70 ℃,熔體溫度280 ℃。流動(dòng)前沿溫度和推薦熔體溫度基本一致,因此不會(huì)出現(xiàn)滯流情況。

4) 圖4(d)表明熔接痕主要分布在最終充模處,這里也是熔體料流的最終匯合處,因此充模過(guò)程是平穩(wěn)有序的。

經(jīng)充填分析可知,采用側(cè)澆口形式的兩板式模具結(jié)構(gòu)是可以保證塑件正常成型的。

3 冷卻分析

3.1 冷卻方案擬訂與分析

3.1.1 冷卻方案擬訂

對(duì)初始冷卻方案的分析結(jié)果是最終冷卻方案的基礎(chǔ)。初始冷卻方案則遵循模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,不宜設(shè)計(jì)得過(guò)于復(fù)雜[3]。初步設(shè)定冷卻水道布局如圖4所示,由多個(gè)獨(dú)立冷卻水道構(gòu)成。動(dòng)模側(cè)冷卻水路中所需的水井及鑲件冷卻結(jié)構(gòu)根據(jù)初始分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)置。

圖4 初始冷卻方案Fig.4 Initial cooling scheme

3.1.2 冷卻分析

對(duì)初始冷卻方案的分析結(jié)果如下:

1) 回路溫度如圖5所示,圖5(a)顯示了定模側(cè)冷卻回路入水口處溫度約為25 ℃,出水口處溫度為25.80 ℃,溫差為0.80 ℃;動(dòng)模冷卻回路入水口處溫度約為15.00 ℃,出水口處溫度為16.00 ℃,溫差為1 ℃;圖5(b)顯示了回路管壁溫度,定模側(cè)最低溫度為25.10 ℃,最高溫度為28.50 ℃,溫差為3.40 ℃。溫度場(chǎng)最大溫差均在5.00 ℃范圍之內(nèi),溫差梯度基本合格[4]。

(a) 回路冷卻液溫度

(b) 回路管壁溫度

2) 由圖6可知,塑件最高平均溫度為153.60 ℃,其位置在塑件內(nèi)部骨位處,此處壁厚較厚,且不均勻,而型芯側(cè)的冷卻管也較少,冷卻效果比較差,存在積熱情況,該溫度高于材料頂出溫度113 ℃,不利于塑件頂出。

圖6 塑件平均溫度Fig.6 Average temperature of plastic parts

3) 圖7顯示了成型周期內(nèi)型腔的模具側(cè)和塑件側(cè)的平均溫度。圖7(a)為模具側(cè)溫度,最高值為94.20 ℃,最低值為17.30 ℃,溫差為76.90 ℃,超過(guò)了成型的允許值;圖7(b)為塑件側(cè)溫度,最高值為100.70 ℃,最低溫度為19.40 ℃,最大溫差為81.30 ℃。塑件局部有積熱情況,因此冷卻系統(tǒng)需要進(jìn)一步改良,以實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)溫度分布優(yōu)化[5]。

(a) 模具溫度

(b) 零件溫度

3.2 冷卻方案優(yōu)化分析結(jié)果

由前述冷卻分析可知,塑件內(nèi)側(cè)溫度場(chǎng)溫差較大,因此需在塑件各個(gè)槽處均設(shè)置冷卻水井以加強(qiáng)這些部位的冷卻,優(yōu)化后的冷卻方案如圖8所示。

圖8 改進(jìn)后的冷卻方案Fig.8 Improved cooling scheme

1) 如圖9所示,回路冷卻液溫度及回路管壁溫度的溫度場(chǎng)最大溫差均在5 ℃范圍之內(nèi),溫差梯度基本合格[11]。

圖9 回路管壁溫度Fig.9 Temperature of loop pipe wall

2) 如圖10所示,模具最高溫度為78.50 ℃,最低溫度為25.00 ℃,溫差為53.50 ℃,基本滿(mǎn)足該塑件成型要求,可適當(dāng)提高進(jìn)水溫度[7]。

圖10 塑件模具側(cè)溫度Fig.10 Temperature at the mold side of plastic parts

3) 如圖11所示,塑件最高溫度為73.98 ℃,最低溫度為28.39 ℃,沒(méi)有超過(guò)允許的頂出溫度[8]。因此該優(yōu)化方案可以有效地改進(jìn)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì),改善冷卻效果。

4 產(chǎn)品翹曲分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

塑件在冷卻過(guò)程中,由于塑件結(jié)構(gòu)特性、壓力場(chǎng)壓力和溫度場(chǎng)溫度分布不均,導(dǎo)致塑件各部位冷卻速度不一致,使塑件產(chǎn)生收縮不均。此外,塑料的大分子鏈在注塑時(shí)由于剪切應(yīng)力的作用,會(huì)高度取向,而在不同的冷卻速度下,尤其是緩慢冷卻過(guò)程中,這種取向會(huì)松弛[9]。在這些如模具結(jié)構(gòu)和成型工藝參數(shù)等多種因素的綜合作用下,模內(nèi)勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生不均勻的內(nèi)應(yīng)力分布,從而造成塑件產(chǎn)生收縮和變形的缺陷。

圖11 塑件平均溫度Fig.11 Average temperature of plastic parts

4.1 翹曲分析

由圖12可知,所有效應(yīng)引起的變形量在0.076 9 ～0.881 3 mm之間(圖12(a)),基本在塑件允許的公差范圍之內(nèi),部分較小的尺寸略有超差。其中,因冷卻不均勻造成的變形量在0.001～ 0.191 5 mm之間(圖12(b));因收縮不均造成的變形量在0.063 2～0.908 mm之間(圖12(c))?？芍饕冃瘟渴怯捎谑湛s造成的,可以通過(guò)調(diào)整保壓參數(shù)和模腔尺寸進(jìn)行修正。

4.2 優(yōu)化成型方案

根據(jù)翹曲分析結(jié)果,可以確定引起塑件翹曲的主要因素為收縮不均,其次為冷卻不均,而取向效應(yīng)不會(huì)造成翹曲,因此可以提出模具結(jié)構(gòu)和成型工藝的進(jìn)一步優(yōu)化方案。對(duì)于收縮變形,可以進(jìn)一步分析塑件在X,Y,Z3個(gè)方向上不同的變形量。經(jīng)分析塑件在X和Y方向上變形量較大,因此可以考慮修改塑件收縮率,將均勻收縮率設(shè)置為不均勻收縮率,同時(shí)調(diào)整保壓參數(shù)。因冷卻不均造成的變形量在塑件的X和Y方向上較大,而Z向變形量較小。因此對(duì)前后模水溫差可不需進(jìn)行調(diào)整,重點(diǎn)在調(diào)整冷卻系統(tǒng)上,如調(diào)整冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、冷卻時(shí)間等[10]。前述分析及優(yōu)化的過(guò)程在設(shè)計(jì)中始終是迭代進(jìn)行的,最終得到理想的優(yōu)化方案。

(a) 所有效應(yīng)引起的變形

(b) 冷卻不均導(dǎo)致的變形

(c) 收縮不均導(dǎo)致的變形

4.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:注射時(shí)間1.6 s,注射速率155 cm3·s-1, 注射壓力42 MPa,保壓壓力(一段34 MPa/6 s,二段25 MPa/3 s);溫度(噴嘴)230 ℃,溫度(一段)200 ℃,溫度(二段)240 ℃,溫度(三段)270 ℃,模溫70 ℃;冷卻水溫度(定模25 ℃,動(dòng)模15 ℃),冷卻時(shí)間30 s;鎖模力75 t。圖13為吸塵器外殼實(shí)物對(duì)比圖,圖13(a)中塑件局部出現(xiàn)微小翹曲變形,翹曲區(qū)域與模擬分析區(qū)域基本一致;圖13(b)為優(yōu)化后成型實(shí)物,塑件成型無(wú)明顯翹曲和缺陷,完全能滿(mǎn)足正常使用。

(a) 優(yōu)化前塑件

(b)優(yōu)化后塑件

5 結(jié) 論

針對(duì)復(fù)雜異形塑件在成型過(guò)程中受溫度場(chǎng)、材料特性和幾何形狀的耦合影響,常常發(fā)生翹曲的問(wèn)題,通過(guò)對(duì)成型過(guò)程中熔體流動(dòng)、保壓和冷卻過(guò)程進(jìn)行多維度分析:改進(jìn)澆口位置以簡(jiǎn)化模具結(jié)果;優(yōu)化冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)合理控制溫度場(chǎng),使最大溫差均在5 ℃范圍之內(nèi);通過(guò)模流分析軟件進(jìn)一步預(yù)測(cè)產(chǎn)品翹曲并明確優(yōu)化方向是模具設(shè)計(jì)行之有效的方法,為縮短模具設(shè)計(jì)和制造周期、降低模具制造成本提供了有力保證。