基于Moldflow與Abaqus的注射成型及模具結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真分析

翟 林，韓國(guó)泰，胡海朝，張建新

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300350)

0 前言

對(duì)于各類(lèi)注射成型模具而言，從設(shè)計(jì)模具圖紙到試模獲取產(chǎn)品的過(guò)程，實(shí)際上是將電腦圖紙變成實(shí)物的過(guò)程，因此各類(lèi)仿真軟件的應(yīng)用變得尤為重要。Moldflow軟件是專(zhuān)業(yè)模擬注射成型過(guò)程的仿真軟件，Abaqus以通用有限元專(zhuān)業(yè)分析仿真軟件著稱(chēng)于各行各業(yè)。因此，將兩者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，可有效減少試模次數(shù)，并能提供可預(yù)見(jiàn)性的技術(shù)數(shù)據(jù)，為保證模具制造工期在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成提供有力的保障。

實(shí)際上計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)軟件技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用已久，并取得了多方面的研究成果，但在中小型模具企業(yè)中，一般仍采用的是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)值，只有當(dāng)問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)，再用CAE軟件來(lái)尋找問(wèn)題并確定解決方案，而事實(shí)上CAE軟件的運(yùn)用應(yīng)當(dāng)是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)之前或同時(shí)進(jìn)行的。因此，注塑模具的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、成型分析三者的有機(jī)結(jié)合，將為制定相應(yīng)的工作流程提供依據(jù)，為探索CAE軟件的應(yīng)用持續(xù)延伸性研究、全方位數(shù)字化模擬仿真提供參考。

本文運(yùn)用有限元分析軟件Abaqus與專(zhuān)業(yè)模流分析軟件Moldflow進(jìn)行聯(lián)合仿真，對(duì)注塑模具因模板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足而導(dǎo)致注塑缺陷進(jìn)行了有效的預(yù)測(cè)。

1 注塑模具的產(chǎn)品質(zhì)量控制

1.1 注射成型工藝與注塑模具的結(jié)構(gòu)分析

影響注塑產(chǎn)品生產(chǎn)率的因素很多，其中最重要的是注塑模具的結(jié)構(gòu)合理性。當(dāng)注塑模具的結(jié)構(gòu)變形量較大時(shí)，注塑件的成型質(zhì)量就會(huì)受到嚴(yán)重的影響，而影響模具結(jié)構(gòu)變形的因素較多，進(jìn)而造成注塑模具的結(jié)構(gòu)變形難以有效監(jiān)測(cè)。但目前隨著CAE分析軟件的不斷發(fā)展提升，使得塑件成型過(guò)程與塑模結(jié)構(gòu)變形的聯(lián)合仿真成為現(xiàn)實(shí)，為保證注塑件的成型質(zhì)量提供了技術(shù)支持。

通用有限元分析軟件Abaqus擁有逼真的工程仿真功能，并且它還具有各種材料的模型庫(kù)，可模擬典型工程材料的性能，包括金屬、橡膠、聚合物材料等。作為一款功能強(qiáng)大的通用仿真工具，Abaqus軟件可進(jìn)行靜力學(xué)分析，其主要是針對(duì)于所施加的載荷進(jìn)行分析，包括外部施加的作用力和壓力，同時(shí)Abaqus軟件還可進(jìn)行包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變、力等分析。因此，本文選擇該軟件對(duì)整體注塑模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。

注塑模具在合理的注射成型的工藝條件下成型得到的產(chǎn)品被稱(chēng)為注塑產(chǎn)品。通過(guò)Moldflow的CAE分析軟件不僅可在適當(dāng)?shù)臈l件下驗(yàn)證設(shè)計(jì)工藝、生產(chǎn)成型工藝，發(fā)現(xiàn)注塑過(guò)程中存在的問(wèn)題，還可進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，同時(shí)也可對(duì)模具的結(jié)構(gòu)和注射成型的工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)代CAE軟件已經(jīng)是CAD模具設(shè)計(jì)中非常重要的手段之一。

1.2 分析流程

注塑模具除了固定側(cè)部分之外，移動(dòng)側(cè)部分的結(jié)構(gòu)也應(yīng)引起足夠的重視。在移動(dòng)側(cè)部分，由于動(dòng)模板或支承板與頂桿固定板之間留有頂出距離，這種結(jié)構(gòu)使動(dòng)模板變形的可能性加大[1]。如果動(dòng)模板或支承板的設(shè)計(jì)厚度不夠，會(huì)導(dǎo)致分型面處變形，從而產(chǎn)生溢料(飛邊)。因此，應(yīng)對(duì)模具的動(dòng)模側(cè)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核分析，而固定側(cè)在保證定模座板足夠厚度的前提下，一般可省略分析[2]。

模流分析流程依次是用Unigraphics NX軟件做三維造型設(shè)計(jì)，并將三維圖轉(zhuǎn)化為igs格式，然后將模型導(dǎo)入 CAD Doctor 中進(jìn)行檢測(cè)，為提升分析計(jì)算速度，可刪除破折面、自由邊、溝槽臺(tái)階、細(xì)小邊倒圓等，最后將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入Moldflow軟件，預(yù)測(cè)成型時(shí)的最佳型腔壓力及其他成型參數(shù)；之后將項(xiàng)目模型導(dǎo)入Abaqus軟件，設(shè)定初始數(shù)據(jù)(模流分析結(jié)果)，并對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸變化分析，驗(yàn)證注塑模具的結(jié)構(gòu)是否正確。

(1)有限元模型的簡(jiǎn)化和網(wǎng)格劃分

對(duì)于簡(jiǎn)化模型的導(dǎo)入原則包括，不能刪除對(duì)力學(xué)性能有影響的圓角，關(guān)建部位要有選擇性的細(xì)化，對(duì)結(jié)果影響較大的主體特征需保留，其他部位(如導(dǎo)柱導(dǎo)套、螺釘螺栓、回程桿、推桿、各類(lèi)通孔、澆注、冷卻、排氣系統(tǒng)等結(jié)構(gòu))可以粗畫(huà)，即可刪除模板、棱邊、倒角等無(wú)關(guān)緊要的特征。

劃分網(wǎng)格的精度對(duì)分析結(jié)果的準(zhǔn)確度會(huì)有直接影響，可在適當(dāng)?shù)那闆r下，首先選用10節(jié)點(diǎn)四面體單元的類(lèi)型，如若時(shí)間充分，可選擇劃分具有分析結(jié)果準(zhǔn)確度高，但運(yùn)算復(fù)雜的8節(jié)點(diǎn)六面體網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格時(shí)，合理的做法是先采用智能劃分方式劃分，然后局部網(wǎng)格模型采用網(wǎng)格細(xì)化方式再修改完善。

(2)有限元分析的邊界條件和載荷

注塑模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是定模側(cè)A板部分保持靜止不動(dòng)，動(dòng)模側(cè)B板部分隨注射成型機(jī)的移動(dòng)模板一起移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)注塑模具的開(kāi)模、合模動(dòng)作。鎖模力是重要的注射成型參數(shù)之一，當(dāng)鎖模力不足時(shí)，產(chǎn)品會(huì)發(fā)生飛邊(毛峰)缺陷。聚合物熔體在一定壓力下，以設(shè)定的速度填充模具型腔，而型腔壓力的數(shù)值由于各類(lèi)條件的不同而不同，很難判定其準(zhǔn)確的數(shù)值。型腔壓力在滿(mǎn)足注塑制品要求的同時(shí)，也會(huì)對(duì)模具結(jié)構(gòu)尺寸的變化產(chǎn)生影響。

添加載荷主要有自動(dòng)輸入與手動(dòng)輸入2種方式。自動(dòng)輸入時(shí)需通過(guò)適當(dāng)程序?qū)?Moldflow軟件的分析結(jié)果導(dǎo)入到Abaqus軟件中，再通過(guò)軟件操作將約束與載荷這2個(gè)模塊直接添加到模型上。同時(shí)，作為載荷錄入到Abaqus軟件的界面中時(shí)，可將Moldflow軟件的分析結(jié)果適當(dāng)加大一定的保險(xiǎn)系數(shù)。從最終的分析效果來(lái)看，采用簡(jiǎn)單實(shí)用的手動(dòng)輸入法，可完全校核因模板變形所造成的破壞程度。

1.3 影響分析結(jié)果的注意事項(xiàng)

(1)盡量在Abaqus軟件中直接創(chuàng)建分析模型

實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接是Abaqus軟件與其他軟件相互轉(zhuǎn)換的一大優(yōu)勢(shì)，在其他軟件中創(chuàng)建的分析模型能直接導(dǎo)入到Abaqus軟件中。為提升這些導(dǎo)入的分析模型的分析速度，一般均進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。

(2)合理添加壓力數(shù)值

不需將各異型腔的壓力值精確地傳輸?shù)紸baqus軟件中，其具體方案是由Moldflow軟件獲得的不同分析數(shù)值，將模型承載表面作為受力中心區(qū)域，選取前面最大的分析結(jié)果作為均布?jí)毫斎氲紸baqus軟件中即可，也即提升了壓力的系數(shù)。

(3)正確觀(guān)察分析結(jié)果

仿真分析軟件均是以假設(shè)理論數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)設(shè)定的公式進(jìn)行計(jì)算，然后觀(guān)察模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果是否吻合，這在一定程度上取決于初始數(shù)據(jù)的真實(shí)性。模具設(shè)計(jì)人員應(yīng)依據(jù)分析結(jié)果并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況綜合考慮后，對(duì)注塑模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。

2 實(shí)例分析

2.1 模具的結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品簡(jiǎn)介

1—定位圈 2—內(nèi)六角螺栓 3—油缸架 4—定模仁 5—?jiǎng)幽Ｈ?6—滑塊 7—拉桿 8—彈簧 9—大螺栓 10—內(nèi)六角螺栓 11—KO孔12—?jiǎng)幽Ｗ?13—內(nèi)六角螺栓 14—回程桿 15—墊鐵 16—鎖緊塊 17—密封圈 18—定模固定板 19—定模座板 20—澆口套(a)側(cè)視圖 (b)俯視圖圖2 固定套的裝配圖Fig.2 Assembly of the fixed set

本項(xiàng)目(固定套)為電器試驗(yàn)臺(tái)上固定實(shí)驗(yàn)儀器的配件之一，要求具有方便拆卸、固定牢固且使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。從圖1中可以看到，塑件的外形尺寸約為φ11 mm×15.5 mm，壁厚約為 1.5 mm。采用具有熱塑性彈性特點(diǎn)的熱塑性彈性體(TPE)，滿(mǎn)足塑件需具備彈性的要求。塑件表面質(zhì)量要求較高，不允許出現(xiàn)錯(cuò)口、飛邊、鼓包、縮孔、氣孔等缺陷。

(a)固定套俯視圖 (b)固定套側(cè)視圖圖1 固定套產(chǎn)品圖Fig.1 Drawings of the fixed set

如圖2所示，為保證產(chǎn)品的成型質(zhì)量，并考慮固定套的外形有凸起形狀，故采用雙排橫向布局，側(cè)向油缸統(tǒng)一抽芯的成型方法，及1模8腔、兩側(cè)對(duì)稱(chēng)滑塊移動(dòng)、側(cè)澆口形式、推桿推出的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案可利用定動(dòng)模打開(kāi)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品外凸起的順利脫模，避免模具采用傳統(tǒng)的哈夫塊結(jié)構(gòu)。此外，橫向布置的4個(gè)側(cè)型芯一并設(shè)計(jì)固定在滑塊6上，滑塊6在標(biāo)準(zhǔn)滑道的導(dǎo)向下，由油缸提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)向兩側(cè)移動(dòng)完成抽芯的工作內(nèi)容。此外，油缸的動(dòng)作由注塑機(jī)電腦控制，可在任意時(shí)間完成側(cè)型芯的抽拔、插入動(dòng)作，并且保證了產(chǎn)品的生產(chǎn)安全性。設(shè)計(jì)完成的模具CAD模型的外形參數(shù)為 300 mm×250 mm×235 mm，油缸模具外形參數(shù)達(dá)到300 mm×560 mm×235 mm，定(動(dòng))模板的尺寸為 300 mm×200 mm。綜上，該設(shè)計(jì)方案具有整體設(shè)計(jì)布局平衡性好、模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、制造工序相對(duì)容易、成本低的特點(diǎn)。

2.2 分析模型的確定

為便于Abaqus軟件的分析，對(duì)模具動(dòng)模側(cè)的分析模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，保留了模具的基本結(jié)構(gòu)，刪除了諸如導(dǎo)柱導(dǎo)套、螺釘螺栓、回程桿、推桿、各類(lèi)通孔、澆注、冷卻、排氣系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)[3]。圖3為處理后的分析模型，其中受型腔壓力影響的面是8處型腔面及流道面。隨后，在Abaqus軟件中選取單元類(lèi)型，完成材料屬性、接觸區(qū)域、載荷約束等設(shè)置，并對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行模型求解[4]。

圖3 動(dòng)模側(cè)的簡(jiǎn)化模型Fig.3 Simplification model of the movable side

2.3 注射成型分析

為獲得填充型腔合理的壓力值，通過(guò)Moldflow軟件可模擬仿真固定套的8腔注射成型過(guò)程。首先在Moldflow 軟件中構(gòu)建如圖4所示的分析模型并生成網(wǎng)格；然后，在軟件中選用制造商為A Schulman GMBH，牌號(hào)為620-31的TPE材料為充填材料，并設(shè)定注塑機(jī)的最大注塑壓力為100 MPa，設(shè)定“ 95 %充填體積”作為速度/壓力的切換方式，其他工藝參數(shù)取默認(rèn)值，執(zhí)行立即分析[5]。

圖4 Moldflow軟件的分析模型Fig.4 Analysis model for Moldflow

圖5 填充結(jié)束時(shí)的壓力分析Fig.5 Analysis of the pressure at the end of filling

TPE填充各處區(qū)域時(shí)的壓力存在著明顯差異，而型腔壓力的最大數(shù)值一般表現(xiàn)在保壓階段之前。從圖5中可以看出，8個(gè)側(cè)澆口位置的壓力最大，分別為32.56、32.52、32.22、23.87、29.66、24.09、25.44、26.77 MPa，故取最大值32.56 MPa作為動(dòng)模型腔表面的壓力值[6]。

2.4 載荷的確定與添加

注塑模具動(dòng)模側(cè)的各種零件部分采用了多種材質(zhì)，如S55C模具鋼、P20模具鋼、NAK80模具鋼等，均為合金結(jié)構(gòu)鋼；通過(guò)查詢(xún)相關(guān)文獻(xiàn)可知[7]，其彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，因此依靠現(xiàn)有的模具制造中心的注塑設(shè)備條件，選取了東華新型注塑機(jī)90T進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其最大鎖模力為900 kN[8]，經(jīng)計(jì)算可知，動(dòng)模座板上所受的最大鎖模壓力為37.5 MPa，而由Moldflow軟件分析結(jié)果得到的最大型腔壓力為32.56 MPa，故所選設(shè)備可滿(mǎn)足試模要求。

2.5 模具的變形分析

(a)z向總的受力變形 (b)x方向變形，×500 (c)y方向變形，×500 (d)z方向變形，×500圖6 動(dòng)模部分的的受力變形分析結(jié)果Fig.6 Total stress deformation of the moving part

從圖6(a)中可以看出，變形的綜合最大值為0.025 825 mm，z向的最大變形量為0.025 612 mm，經(jīng)查詢(xún)可知，TPE材料的熔體流動(dòng)速率為4.0 g/10 min(5 kg,190 ℃)，通用級(jí)聚苯乙稀(GPPS)的熔體流動(dòng)速率為4.5 g/10 min(5 kg,200 ℃)，GPPS材料的溢料間隙值為0.03 mm。由于2種材料的流動(dòng)性相近，故假設(shè)認(rèn)定TPE材料的溢料間隙值同樣為0.03 mm。因此，該模具定模側(cè)和動(dòng)模側(cè)在分型面處受力最大，沿開(kāi)模方向的變形值應(yīng)小于0.03 mm。從圖6(a)中可見(jiàn)，圖中的2個(gè)數(shù)值均符合塑件成型的條件，并且達(dá)到了極限值的要求[9]。

圖6(b)、6(c)、6(d)分別給出了模具動(dòng)模部分在注塑件成型過(guò)程中的整體變形情況，依次為x向變形(動(dòng)模短邊方向)、y向變形(動(dòng)模長(zhǎng)邊方向)、z向變形(開(kāi)模方向)，為更直觀(guān)表達(dá)仿真結(jié)果，3個(gè)方向的變形部分均放大了500倍[10]。

由圖6(a)可知，模具從整體變形的分布區(qū)域看，模具最大的變形區(qū)域集中于鑲件的中心部位，變形的范圍和尺寸均較小，且變形較大的區(qū)域多集中于注塑件型腔附近；從模具變形量來(lái)看，模具x方向變形的最大值為0.018 4 mm[圖6(b)]，模具y方向變形的最大值為0.011 mm[圖6(c)]；z方向的模具最大變形量為0.003 433 mm[圖6(d)]。由于TPE材料的溢料間隙值為0.03 mm，因此，我們將模具分型面處沿z方向的極限變形量(0.03 mm)作為依據(jù)，對(duì)定模與動(dòng)模之間的分型面閉合情況進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)數(shù)據(jù)表明，模具在3個(gè)方向的變形均符合塑件成型的極限值要求，模具整體的支撐布置方案合理。

由圖7可知，注塑件成型過(guò)程的極限米塞斯應(yīng)力僅為39.5 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力，由此表明，注塑件的成型過(guò)程安全可靠，模具結(jié)構(gòu)合理。

圖7 模具動(dòng)模部分米塞斯應(yīng)力的分析Fig.7 Analysis of the stress of the moving mould parts

2.6 生產(chǎn)驗(yàn)證

根據(jù)Moldflow軟件提供的仿真數(shù)據(jù)，設(shè)定產(chǎn)品的成型工藝參數(shù)，并通過(guò)試模調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，其包括熔體溫度、注射時(shí)間、注射壓力、注射速度、保壓時(shí)間、保壓壓力、模具溫度等[11]。其中，從一區(qū)～三區(qū)的熔體溫度分別為185、180、170 ℃，射嘴處的熔體溫度為180 ℃，其他試模的主要成型參數(shù)見(jiàn)表1[12]。

表1 固定套的試模成型參數(shù)Tab.1 Set parameters record of set test molding parameters

固定套塑件的成型材料選用熱塑性彈塑料TPE，以模擬優(yōu)化后的注塑工藝參數(shù)為依據(jù)設(shè)定試模條件，試模得到的合格固定套試件如圖8所示。該模具結(jié)構(gòu)經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，開(kāi)模、合模、滑塊抽拔等動(dòng)作順序流暢穩(wěn)定，塑件外觀(guān)質(zhì)量達(dá)到試驗(yàn)臺(tái)裝配技術(shù)的要求。

圖8 固定套試件Fig.8 The fixed set

3 結(jié)論

(1)將Abaqus軟件和 Moldflow 軟件聯(lián)合應(yīng)用于注塑模具的結(jié)構(gòu)分析是完全可行的；分析中要遵循“定性分析為主，定量分析為輔”的原則，模具設(shè)計(jì)人員應(yīng)依據(jù)分析結(jié)果并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況來(lái)進(jìn)行注塑模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在試模中不斷積累經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并用實(shí)際試模結(jié)果驗(yàn)證分析結(jié)論；

(2)將成型材料的溢料間隙值作為注塑模具結(jié)構(gòu)分析的評(píng)價(jià)規(guī)范，并將模具的動(dòng)模模塊作為結(jié)構(gòu)分析的參照物，其前提是定模座板必須有充足的抵抗力，以避免注塑壓力過(guò)大時(shí)，型腔內(nèi)部注塑壓力在反作用下，在澆口套附近產(chǎn)生彎曲變形；

(3)經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，基于Moldflow軟件和Abaqus軟件聯(lián)合仿真得到的注塑模具，結(jié)構(gòu)合理，注塑件質(zhì)量達(dá)到試驗(yàn)臺(tái)裝配技術(shù)的要求。

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