基于MPI的ABS支架注射模擬優化分析

李春波，符學龍

LI Chun-bo1, FU Xue-long2

（1.淮陰工學院 數理學院，淮安 223003；2. 江蘇財經職業技術學院 機電工程系，淮安 223003）

0 引言

塑料注射成型是一種復雜的模塑工藝，隨著生活中所用塑件的多樣化、復雜化，對塑料模具的設計提出了更高的要求。由于注塑成型工藝的復雜性以及不同壓力、溫度下難以預測的材料性能，另外由于制品質量和成型工藝參數之間的關系難以確定，因此，現代模具企業利用CAE技術進行模擬，研究工藝條件和制品質量之間的關系，建立工藝參數和制品質量之間關系的工藝模型，來進行注塑制品質量控制[1～4]。

本文運用MPI技術對模具企業開發的ABS支架塑件進行數值模擬分析，確定其適宜的澆注系統和冷卻系統，優化成型工藝，縮短開發周期。

1 模型建立

將外形尺寸為320mm，高度為8mm，壁厚為2.5mm的支架塑件模型以*.stl格式文件導入MPI軟件，對塑件進行網格劃分，修補自由邊、重疊面等缺陷，最大縱橫比小于10，網格匹配率達到91.4%，最終模型網格數為24437。圖1顯示的是材料的粘度以及PVT性能，選用材料為MONKAS提供的ABS，牌號為TFX-210。模具溫度設置為50℃，熔體溫度為230℃，頂出溫度88℃，最大剪切速率120001/s。

圖2是塑件網格劃分后的厚度診斷，由圖中可以看出塑件壁厚比較均勻。對塑件的結構工藝性以及精度要求進行分析，采用一模兩腔進行注射成型，并根據塑件最佳澆口位置的分析云圖進行澆注系統的設計，結果如圖3所示。澆口類型采用側澆口成型，控制延后1.4s注射，使用圓形分流道，澆口尺寸為8mm×6mm×10mm×1.2mm，主流道尺寸為 10mm。

圖1 ABS的粘度及PVT性能

生產中的不合格產品包括塑件變形、尺寸異變、表面缺陷等，大概60%的塑件質量問題都是由于冷卻系統的設計不恰當引起的，這就凸顯了冷卻系統的重要性。根據塑件的長、薄的特點及以往的設計經驗，為了減少其變形，冷卻系統的設計需采用動、定模冷卻，澆口處加強冷卻的冷卻方式，冷卻水道直徑為 8mm，最終效果如圖9所示。

圖2 零件的厚度檢測

圖3 澆注系統的建立

2 成型分析

熔體流動狀態對塑料成型有較大的影響，圖4是塑件不同充填階段的流動狀態，根據充填狀態30%、50%、75%和97%分析，塑件可以完全充滿，沒有欠注的情況，從而很好地保證塑件成型的質量要求。

圖4 塑件各階段的充填狀態

由于塑件在充填過程中會發生體積收縮，為了確保塑件的完整性，對塑件進行補縮，由充填狀態向保壓狀態的V/P轉換點選擇在充填2s以后，這時壓力為43.03MPa，塑件已經充滿98.13%，以確保充填狀態向保壓狀態轉變及時，使得塑件能充分地補縮，以提高塑件的致密度，改善塑件的使用性能。

圖5 熔體前端溫度

從圖5可以看出，該塑件的模溫分布比較均勻，熔體在流動過程中溫度下降緩慢，利于填充。熔體最大前沿溫度為253.9℃，最小前沿溫度為247.5℃，前沿溫度相差為6.4℃，溫差控制在20℃內，相差很小，可以保證塑件幾乎在同一時間冷卻，保證塑件的尺寸穩定性，減少翹曲對塑件的影響。最大剪切速率是在0.99s時的1.840×1051/s，最大剪切速率不超過數據庫中提供的1000001/s，超過這一值塑料就會發生分解，所以在成型時要確保不超過1000001/s。型腔壁上的最大剪切應力為32.69MPa，確保塑件在成型過程中不發生分解的現象，預防失效。

圖7是塑件中氣孔的分布，在設計模具時，要注意氣孔所在的位置，如果在成型時塑件中存在氣泡，就容易使得氣體發生膨脹并產生縮孔，使得塑件表面凹凸不平，影響使用。產生氣孔的原因有：塑件中有水分，充填時水分被氣化；排氣不良，設計時應特別注意排氣系統應在塑件最后充填的位置；模溫低，來不及充填就發生結晶，應減少氣孔的尺寸以保證塑件的完整性，所以在注射前一定要對ABS進行烘干、檢驗色澤等工序。

圖6 剪切速率

圖7 塑件中的氣孔分布

圖8 塑件的熔接痕位置

塑件的熔接痕位置以及成型時的溫度對塑件質量產生很大的影響，熔接痕可能產生結構問題，同時使得零件不合格。然而由于某些塑件的結構特點，熔接痕的存在是不可避免的，因此需要注意成型時的工藝條件以及熔接痕存在的位置（如圖8所示），以確保熔接痕也有很好的力學性能，這受到成型時熔接痕處溫度的影響，由熔體前端溫度可知熔接痕處的溫度為248℃，在成型時對塑件的力學性能影響很小。

注塑模具冷卻系統對于提高模具的設計制造水平和制品的質量是非常重要的[5]。從圖9塑件的冷卻系統分析結果中可以看出，冷卻介質的最低溫度為49.6℃，最高溫度為50.48℃，溫度差為0.88℃，小于一般冷卻系統要求的溫度差5℃的要求，從而使得塑料達到均勻冷卻，不會在塑件內部產生較大應力，保證其性能。冷卻后塑件上、下表面溫度為61.02℃～71.28℃以及63.33℃～78.76℃，使得塑件在推出時不發生變形。

翹曲變形是影響塑料件質量的主要因素[6～7]，本次實驗以翹曲值為考核目標。產生翹曲變形的原因有冷卻不均勻、收縮不均勻和分子取向不一致等，其直接原因在于塑料件的不均勻收縮。塑件總變形量為4.914mm，其中X方向為1.286mm，Y方向為2.351mm，Z軸方向為3.704mm，相對塑件自身而言變形較小，保持其特有的形態。在制品的下表面增加加強筋后，對防止制品變形的效果會更好。

3 結論

圖9 冷卻系統溫度分布

圖10 塑件的總變形

通過對ABS支架塑件進行MPI數值模擬分析，針對塑件的結構工藝性建立相應的澆注系統和冷卻系統，系統分析了熔體前沿溫度、剪切速率、塑件的上、下表面溫度、冷卻系統溫度分布和塑件的總變形等，得到塑件流道平衡狀況評估，制品縮痕與氣穴提示，熔接痕分布狀況，從而實現對成型制品進行理論上的預測和把握，大大提高模具設計效率，增強模具設計企業競爭力。

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