基于MOLDFLOW的料斗座注塑模CAE

苗 瑞，宋桂珍

（太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024）

0 引 言

隨著現代工業的飛速發展，塑料制品應用范圍越來越廣泛，其中大多數是注塑產品。但隨著模具的復雜程度增大，模具精度要求的不斷提高，單憑設計人員的經驗已不能滿足現代模具設計的要求，CAD/CAE/CAM技術應用而生，采用CAE技術，可以在模具加工前對整個注塑過程模擬分析，極大地提高了模具設計的效率，減少了試模修模的次數，降低生產成本及縮短生產周期[1]。

利用CAE軟件MOLDFLOW的MPI(Moldflow Plas?tic Insight)模塊對某食品機械的料斗座注塑成型中的澆口位置、充填、流動、曲翹等過程進行了分析模擬,預測了塑件可能產生的質量缺陷,并針對模擬結果分析缺陷產生的原因和影響因素。根據分析所得的結果對注塑工藝條件進行了優化，最終得到比較合理的注塑工藝參數。

1 料斗座的建模（UG）

根據二維設計圖紙，利用UG軟件的建模模塊對料斗座進行實體建模[2],結果如圖1所示，并導出STL格式文件，為應用MOLDFLOW軟件進行CAE分析奠定基礎。

圖1 料斗座三維圖

2 MOLDFLOW分析前處理及最佳澆口位置分析

本課題擬運用現代模具設計方法，應用專業模流分析軟件MOLDFLOW進行計算機輔助分析，對塑料的成型性能、成型工藝參數、模具結構、設計理論綜合考慮，再通過計算機模擬成型、結果分析，進一步優化設計結果。

2.1 劃分網格

進入MOLDFLOW界面，導入模型的STL文件，根據模型特點（壁厚較大），為簡化模型并且提高分析效率，選用“雙層面-fushion”網格。

先使用默認參數劃分網格，然后再更改。在氣穴、熔接痕等位置采用較密的網格可以提高分析精度；在較大面積的平整部位，采用較疏的網格以提高分析速度。劃分完成后使用“網格統計工具”查看劃分結果。見圖2。

從圖2可以看到，自由邊、交叉邊為0，符合雙層面的要求，配向不正確單元也必須為0，此處也滿足。在相交細節中所有參數為零，完全符合要求。縱橫比最小1.16，最大為34.62，有些偏大需要修改，縱橫比太大會導致流動壓力、溫度和速度的急劇變化，導致流動不暢，影響分析結果和分析速度。網格匹配率高達91.1%，若要進行流動+保壓分析，網格匹配率應達到85%以上，此處完全符合要求。

2.2 網格修復

如前所述，網格的最大縱橫比偏大，應予以修復。在雙層面網格中縱橫比的范圍應不超過20。使用“縱橫比診斷工具”找出不符合要求的節點和三角形。

先用“自動修復”可從整體上改進網格的縱橫比。然后再使用“插入節點+合并節點”命令（一般為先使用插入節點，然后把這個插入的節點和原有的適合的節點合并），或單獨使用合并節點命令修改節點和三角形單元，使網格縱橫比達到要求，如圖3所示。

圖2 網格統計結果

圖3 修復后的網格統計

2.3 選擇材料

料斗座作為某食品機械中的零件，其制作材料要求無毒、透明，有一定的強度和剛度。塑料成型材料選擇牌號為IF-850的PMMA材料，從“細節”查得其成型的工藝條件：模具表面溫度60℃，推薦范圍35～80℃；熔體溫度250℃，推薦范圍240～280℃；最大剪切應力0.41 MPa。

2.4 最佳澆口位置分析

澆口在模具設計中起著關鍵的作用,它的位置、形式及尺寸直接影響到塑料熔體在模具型腔內的充填方式,從而關系到注塑件成型后是否會產生翹曲變形、熔接痕等缺陷。形式及尺寸可以通過修模來調整，但位置一旦確定就無法改變了。MOLDFLOW可以根據注塑件的形狀、材料參數以及工藝參數快速準確地分析出制品最佳的澆口位置。

設置模溫、料溫、填充控制、注射壓力等工藝參數，分析最佳澆口的位置,結果如圖4所示,圖中的深色區域為最佳澆口區域。

圖4 最佳澆口位置

圖5 曲翹變形

3 翹曲分析及優化

曲翹變形是制品常見的缺陷之一，即制品的形狀在制品脫模后或稍后一段時間內產生旋轉或扭曲現象。引起翹曲變形的原因主要有三個方面：冷卻不均勻，收縮不均勻，分子取向不一致[3]。

對初選材料及其成型工藝參數和最佳澆口位置方案初步設計一套冷卻系統進行曲翹分析，結果如圖5所示，最大變形量為0.640 7 mm。進一步分離曲翹原因，進行分析，可知收縮不均引起的變形為0.6241 mm，占總變形量的97.4%。應該對成型溫度和冷卻系統進行優化。

3.1 熔體溫度及模具溫度的確定

表1 不同熔體溫度與模具溫度對應的曲翹變形量

對于PMMA IF-850，雖然MOLDFLOW給出了推薦溫度：模具溫度為60℃，熔體溫度為250℃。模具溫度范圍為35℃～80℃，熔體溫度范圍為240℃～280℃。這些溫度與收縮的關系比較復雜，太高或太低都對減小曲翹不利。熔體溫度過高，塑件需要的冷卻時間加長，從而增加塑件的收縮機會；模溫過高會使成型收縮率增大，過低則熔體的流動性較差。故排除最低最高溫度,為了找出一組合適的溫度,設計了以下的實驗,以達到優化曲翹的目的，如表1。

從表1可以看出，曲翹變形量基本上隨著模具溫度的升高而增大，隨著熔體溫度的升高而減小。通過對比這20組數據結果，找出當模具溫度55℃，熔體溫度270℃所對應的曲翹變形量最小，為0.629 7 mm，通過分離曲翹原因可知，收縮不均引起的變形為0.610 6 mm，見圖6。

3.2 冷卻系統的設計和優化

冷卻不均是造成塑件收縮不均導致曲翹變形的主要因素之一[4]。通過三個方案逐步優化冷卻系統，使制品的曲翹量減小。保壓曲線為恒壓式保壓曲線。冷卻管道的尺寸及間距設置如表2。

圖6 收縮不均引起的變形

表2 塑件的壁厚、孔徑的大小及孔的位置

圖7 冷卻系統方案1

圖8 冷卻系統方案2

方案1為采用軟件的“冷卻系統創建向導”半自動生成的，由圖7可知其曲翹變形量較大為0.954 1，應予以優化。方案2(圖8)根據塑件的結構重新設計了冷卻系統，從分析結果中可看出曲翹量減小為0.767 7，但發現在塑件的四周及上表面的中部冷卻不均勻。方案3(圖9)在塑件的側面和頂面的內外面都相應的增加了冷卻管道，并且為使冷卻均勻從而減小曲翹量，入水口采用了錯位安排。CAE分析得知，曲翹量減小到了0.605 4，比最初減小了36.55%。

在此條件下的氣穴和熔接痕如圖10所示，氣穴在制件的邊緣，可從分型面上順利排出；熔接痕是由于兩股或多股熔體聚集到一起形成的，由圖11分析結果可顯示沒有大面積和連續的熔接痕，所以塑件表面質量不會受到影響。

圖9 冷卻系統方案3

圖10 氣穴分布

4 結束語

圖11 熔接痕分布

通過使用MOLDFLOW軟件模擬分析，確定最佳注射工藝條件，降低模具生產成本，提高模具設計效率有重要的意義。

[1]申開智.塑料成型模具[M].北京：中國輕工業出版社，2006.

[2]單巖，吳立軍，蔡娥.三維造型技術基礎[M].(UG NX版)北京：清華大學出版社,2008.

[3]陳艷霞，陳如香.MOLDFLOW2010[M].北京：電子工業出版社，2010.

[4]許建文,劉斌.基于MOLDFLOW注塑模冷卻系統的設計與優化[J].塑料科技，2008，,36(3)：17-21.