基于MOLDFLOW的組合模流道系統設計實例

2016-08-01 06:21:20趙會娟李秀副任艷霞唐光胤

湖北科技學院學報 2016年5期

趙會娟，劉　波，李秀副，任艷霞，唐光胤

(濟源職業技術學院　機電工程系，河南　濟源　459000)

趙會娟，劉波，李秀副，任艷霞，唐光胤

(濟源職業技術學院機電工程系，河南濟源459000)

摘要：為兩個形狀近似的塑件創建了Moldflow雙層面分析模型，通過澆口位置分析選定澆口位置，根據塑件結構特點和生產要求設計了型腔布局和三種流道系統設計方案，通過成型窗口分析確定成型工藝參數，通過流動+翹曲分析比較三種方案成型塑件質量的優劣并確定出最優方案。該方法提高了塑件質量，縮短了試模時間，節省了試模成本。

關鍵詞：Moldflow;組合模;流道系統

Moldflow是塑料成型CAE分析軟件的典型代表之一，可以模擬塑料熔體在注塑成型過程中的流動、保壓和冷卻過程，而且能夠定量地計算出成型工藝參數、澆口位置及尺寸、流道尺寸等對因素對產品質量的影響[1]，預測出熔體填充、保壓、冷卻過程中塑件各處的壓力、溫度、應力分布、纖維取向、收縮率和翹曲變形等情況，以便設計者盡早發現問題，及時修改塑件或模具設計，以免試模后再返修模具[2]，這不僅能降低產品的生產成本，提高產品質量，更縮短模具開發周期，增加企業的市場競爭。CAE分析已成為產品開發和模具設計的非常重要的輔助手段。下面以一對形狀近似的塑件為例，介紹利用Moldflow軟件優化注射成型工藝參數和確定流道系統設計方案的過程。

一、問題的提出

兩個塑件的3D圖如圖1所示。塑件(a)外形尺寸15.2mm×37.9mm×14.3mm，體積0.56cm3，塑件(b)外形尺寸10.3mm×38.3mm×14mm，體積0.49cm3，兩塑件各處壁厚如圖2所示，最小壁厚0.6mm，最大壁厚1.5mm，塑件外表面要求無明顯缺陷，前端有配合要求處翹曲變形量不超過0.10mm，批量生產。成型用的材料為GEPlastics(USA)公司生產的牌號為CycolacAR的ABS樹脂，其綜合性能較好,沖擊強度較高,化學穩定性,電性能良好，且可表面鍍鉻或噴漆處理。

圖1　塑件3D圖

二者形狀和尺寸相近，配套使用，故考慮將它們放在一副模具中成型。推薦的工藝參數：模具溫度40～80℃，熔體溫度220～260℃，絕對最大熔體溫度280℃，頂出溫度108℃，最大剪切應力0.3MPa，最大剪切速率50 000/s。

二、分析模型的建立

用UG創建兩塑件的3D模型，另存為igs格式。由于塑件邊緣存在0.2mm的小圓角，這些小圓角結構特征對分析精度影響不大，但會使后續的網格模型有很高的縱橫比，將會在計算時花費很長時間，甚至可能會無法收斂的問題[3]，所以將塑件的igs模型文件導入CADDoctor中檢查并修復模型缺陷后應進行簡化處理，去除小圓角之后再次檢查模型無缺陷后導出為udm格式文件。

圖2　塑件壁厚

將上述udm文件輸入到Moldflow中并劃分Fushion網格，網格邊長為1.5mm，對縱橫比超過6的網格進行修復后得到的網格統計結果如圖3所示，無其他缺陷，匹配率93%，達到分析要求。

圖3　網格統計結果

三、澆口位置分析

在注塑模設計中，澆口位置的是一個關鍵的設計變量。澆口位置不當將會導致缺料、過保壓、熔接痕和翹曲變形量過大等一系列缺陷[4]，因此澆口位置在一定程度上決定了塑件的強度和其它性能。

圖4　最佳澆口位置分析結果

由于這兩個塑件外形不規則，僅依靠經驗選擇澆口位置很難保證塑件質量，Moldflow的澆口位置分析模塊可根據塑件的材料和形狀尺寸計算出各位置作為澆口的優劣程度，并在分析日志中提供作為最佳澆口位置的節點值。對本案例中塑件進行最佳澆口位置分析結果如圖4所示，圖中深藍色區域比較適宜作為澆口。

四、型腔布局和流道系統設計方案的確定

1.型腔布局

由于產品尺寸不大，考慮到批量生產要求，決定在模具中采用一模八腔布局，通過Moldflow的建模/平移復制得到。由于兩種形狀不同的塑件組合在同一模具中時，為避免熔體在各型腔內充填時間和壓力不同而在塑件內部形成較大的殘余應力，提高流動平衡性，將體積較大的塑件(a)靠近主流道，塑件(b)放在遠離主流道的四個角上。

2.流道系統設計方案

根據塑件的結構特征和分模的需要，澆口可設在塑件的頂面或側面。流道系統設計方案有三種：

方案一：將澆口設在頂面如圖4所示最佳澆口位置系數0.961 9和0.925 7位置處，形式為點澆口，則模具結構應為雙分型面三板模。該方案的流道系統利用Moldflow的建模/流道系統向導創建，主流道入口直徑4mm，錐度2°，長60mm，一次和二次分流道直徑4mm，豎流道底部直徑3mm，錐度1°，點澆口始端直徑0.8mm，末端直徑1.5mm，長2mm。

方案二：將澆口設在圖4所示最佳澆口位置系數為0.526 5和0.506 3位置處，形式為側澆口，采用非平衡式流道系統，則模具結構為單分型面兩板模，流道系統凝料要在開模取出塑件后人工去除。該方案的流道系統由手動創建，主流道入口直徑4mm，錐度2°，長60mm，一次分流道直徑4mm，二次分流道直徑3mm，矩形澆口寬度1.5mm，高度0.8mm，長2mm。

方案三：由方案二通過流道平衡分析獲得，是在非平衡式基礎上調整局部流道尺寸形成的平衡式流道系統。該方案相對于方案二的主流道和澆口尺寸不變，一次分流道直徑由4mm減小為3.76mm，二次分流道直徑由3mm分別減小為2.88mm(通向成型塑件(a)的四個型腔)和2.76mm(通向成型塑件(b)的四個型腔)。

將三種方案的分析序列設定為流動+翹曲，工藝設置(用戶)窗口中模具溫度、熔體溫度和充填控制按注射時間分別輸入44.5℃、257.9℃和0.31s(由成型窗口分析得到的推薦值)，其余參數按系統默認值。

3.CAE分析結果比較

(1)充填時間分析。結果如圖5所示，三種方案充填過程用時分別為0.3482s、0.3497s和0.3420s，每個方案中八個型腔都充填完整的且比較均衡，無欠注現象。

(2)速度/壓力(V/P)切換時的壓力、保壓力、鎖模力、最大剪切應力和最大剪切速率和頂出時間分析。結果見表1，從表中數據可以看出，方案一、二V/P切換時的充填體積百分比都在95%～99%內，不會因為出現螺桿不到位而形成的欠注或因壓力過大而形成的飛邊，而方案三則可能出現飛邊；三種方案的最大剪切應力值都超出了0.3MPa，剪切應力過大，產品易開裂；方案一最大剪切應力值超出允許值最少；三方案中只有方案一的最大剪切速率值都小于允許最大值50 000；查看凍結層因子動畫，若按型腔內塑件完全凝固、流道系統凝料60%凝固時即可頂出計算，方案一所需時間最短。

圖5　充填時間分析結果

表1　三種方案的相關分析結果數值表

(3)熔接痕。熔接痕是兩股料流相遇熔接而產生的表面缺陷，研究發現:在相同工藝條件下,熔接痕區域的強度只有原始材料的10-90%,不但影響塑件的外觀，而且可能嚴重影響塑件的正常使用[5]，所以應盡量減少熔接痕的數量，避免在外觀表面和承受載荷較大處出現熔接痕。一般來說，熔接痕對接角度<75°時，熔接痕較明顯。三種方案的熔接痕分布如圖6所示，可以看出，方案一比方案二和方案三在塑件上產生的熔接痕數量都少，尤其是前端外表面上沒有熔接痕，只有塑件尾部中間能看到，而且熔接痕的對接角度上限值更大，對外觀影響更小。從圖7所示的流動前沿處的溫度圖可以看出，各處熔接痕形成時的溫度都在257.8℃以上，尾部前沿溫度達到260℃，所以此處的熔接痕對塑件強度影響不大。

(4)翹曲變形分析。注塑過程產生翹曲的主要原因是熔體在模具內部流動以及保壓時存在不均勻的應力。變形量的大小取決于塑件的剛度和收縮不均衡的程度，翹曲變形量超過允許值則造成塑件報廢。引起收縮不均衡的可能原因有四個，一是模溫度不均勻，包括轉角效應；二是塑件壁厚不均；三是壓力不均；四是取向效應。三方案中所有因素引起的翹曲變形量如圖8所示。方案二和方案三的前端翹曲變形量達到0.13mm，只有方案一的前端翹曲變形量在允許值0.1mm范圍內，翹曲的主要原因是塑件壁厚不均和模具溫度不均造成的收縮不均，如圖9所示，尾端1.5mm處變形量最大，前端1.5mm處有十字肋板支撐，剛度較大，變形量較小。添加冷卻回路可減小由模具溫度不均引起的收縮變形量。

綜合以上的分析比較，確定采用流道系統設計方案一。該方案成型塑件質量好，生產效率高，流道系統凝料可在開模時與塑件自動分離，不需人工去除，但模具結構較復雜，材料利用率不如方案二和三。