Moldflow填充案例在模具教學中的應用

張天友，殷 蕾，張 軍，王森甲，俞煒豪

（無錫科技職業學院智能制造學院，江蘇 無錫 214029）

0 引言

模具在航空航天、船舶、交通等領域有廣泛地應用；而模具設計是產品設計中關鍵一環，直接影響產品的最終性能；模具設計涉及成型理論、制造工藝和設備原理等多方面的專業知識[1]。綜合運用專業知識解決實際工程問題，是模具專業學生必須具備專業技能，而理論聯系實際的課程安排是培養該核心能力的關鍵。為了提高模具人才的綜合素質，許多高校在模具專業課程設計中采用了多種方法，它們大概可分為兩大類：其一是開展虛擬化教學，其二是綜合實踐實訓。其目的是傳授學生理論知識和實際動手能力，以期實現模具人才綜合素質的培養。但是虛擬化教學采用的模型只能近似地反映真實情況，甚至存在較大偏差；實訓課程中采用的主要方式之一是上機操作，操作過程和所得制品與虛擬化所受內容存在不一致甚至沖突的地方；致使學生產生一定程度的困惑，最終影響模具人才綜合素質培養目標的實現。導致這種情況的主要原因之一是學生無法將所學理論知識應用實訓課程，實訓課上發現的問題也無法在所學理論知識中找到答案[2-4]。

針對這一問題，在21級模具專業學生培養方案中開設了“模具有限元技術應用”和“注塑成型工藝”兩門課程，前者采用的模型與后者生產的實物制品相同。兩門課程開設在同一學期，實現了注塑工藝理論學習和實際操作的閉環，為更好地培養學生綜合運用專業知識解決實際問題的能力，創造了條件[5-8]。填充過程是注塑工藝的核心知識之一，該過程涉及模具溫度、熔體溫度、澆口位置等關鍵工藝參數[9-13]。對上述概念的理解與把握，是綜合運用相關知識的關鍵；對注塑機的實際操作，則提供了應用上述概念的具體場景。該閉環為學生掌握理論用于實踐提供了可操作的案例，為培養模具專業學生的綜合素質提供了一條具有可操作性的教學思路。

1 填充分析教學案例

1.1 模型選擇

為了提高學生的學習積極性和參與程度，所用實例模型由“第45屆世界技能大賽塑料模具工程項目全國選拔賽（10進5）所用模型”修改而來，簡化比賽模型中的一些細節，保留了模型的主要結構，具體如圖1所示。該模型包含實際注塑產品的一些基本特征，如孔、倒角、階梯結構、平面結構的厚度不一。以此為模型，利用Moldflow進行模擬分析時，可以較為真實地反映注塑工藝中的填充過程，為學生掌握填充過程的基本概念提供了基礎。

圖1 實例模型

1.2 材料信息

材料選用南京金杉汽車工程塑料有限責任公司生產的聚丙烯（PP），牌號為PP2540，該材料沒有填充物。PP2540在Moldflow的材料庫中，材料性能參數和工藝參數比較完善，模擬分析結果的可信度高。另外，PP2540容易獲得，用作制備實物模型的材料。模擬分析所用材料與實物制備材料相同，增加了模擬分析結果用于實物制備的可行性，為學生將理論知識用于實踐過程提供了保證。

1.3 網格劃分

由圖1可知，模型主體為層狀，為此選用雙層面網格進行模擬分析。劃分網格時，曲面上的全局邊長為2 mm，其他參數選用默認值，得到8 608個三角形單元，它們的縱橫比為1.16～11.1，平均值為1.85；三角形單元全部取向，不存在自由邊；滿足Moldflow填充分析得到條件要求。網格模型如圖2所示。

圖2 網格模型

1.4 澆口分析

澆口位置分析用于為零件推薦注射位置。本文采用兩種澆口位置設置方案，方案一采用1個澆口，方案二采用2個澆口。模具溫度設置為45℃，熔體溫度設置為220℃，材料選用PP2540，其他參數采用Moldflow軟件默認設置。得到結果如圖3～6所示。

圖3 1個澆口位置流動阻力指示圖

采用1個澆口時，流動阻力指示如圖3所示，模型邊緣處的阻力最大；最佳澆口位置位于節點N17368，如圖5中黃色錐形所示。采用2個澆口時流動阻力指示如圖4所示，阻力最大處與圖3有所不同，但也處于邊緣處。如圖6中2個黃色錐形所示，最佳澆口位置分別位于節點N15743和N16063。若在圖5～6所示的位置設置澆口，會增加流道系統的設計難度。若在中心孔區域設置澆口（1個或2個），可以降低流道系統的設計難度。為此，將澆口位置限定在該區域，再次計算最佳澆口位置。為了提高澆口位置的預測精度，對模型中心區域進行了加密，加密后的結果如圖7所示。加密后單元的總數目為10 634。澆口位置被限制在圖7中紅色所示區域，單獨取出該區域，結果如圖8所示。采用相同的工藝參數和材料，進行澆口分析，得到的結果如圖9和圖10所示；圖4和圖10非常相似，阻力最大位置都處于模型的邊緣處。

圖4 2個澆口位置流動阻力指示圖

圖5 最佳1個澆口位置示意圖

圖6 最佳2個澆口位置示意圖

圖7 網格模型（中心孔處網格已加密）

圖8 限定澆口位置區域

圖9 兩個澆口位置流動阻力指示圖

圖10 最佳澆口位置示意圖

1.5 填充分析

填充指的是熔融塑料在模具型腔內流動的過程。熔融塑料的流動軌跡及其影響因素，可以利用Moldflow的填充分析序列進行模擬。為學生理解“流動過程”、“影響因素”等基本概念，提供了以一個很好的案例。填充過程關鍵參數設置如下：澆口的數量為2個，模具表面溫度為45℃，熔體溫度220℃，材料選用PP2540，“充填控制”和“速度/壓力切換”選擇自動，其他參數采用默認值。

熔融塑料在模具型腔內流動過程，可以通過“填充時間”顯示（如圖11～圖14）。對于“填充時間”在Moldflow中官方定義為：顯示了填充型腔時流動前沿在常規間隔時所處的位置。在Moldflow軟件中，“填充時間”可通過動畫顯示，為學生把握“流動過程”這一核心概念，提供了一個很好的工具。

圖11 填充時間-1 s

圖12 填充時間-2 s

圖13 填充時間-5 s

圖14 填充時間-8 s

由圖15可知，在0.82 s時，注射壓力達到的最大值為5.604 MPa。學校先用的注塑機DY1380X的最大注射壓力為166 MPa，在注塑機的允許范圍內。由圖16可知，熔體的流動前沿溫度范圍為：215.2～220℃，溫差為5℃，在可以接受的溫度范圍內。由圖16可知，該模型填充過程所需要的最大鎖模力為1.294 t，學校先用的注塑機DY1380X的最大鎖模力為140 t，在注塑機工作范圍內。由圖17可知，最大剪切速率為25 917（1/s），在材料PP25401的允許范圍內（＜100 000/s），在填充的過程中，PP25401受到的剪切速率未超過最大允許值。由圖18可知，該模型填充過程中受到的最大剪切力為0.173 6 MPa，在材料PP25401允許的最大剪切應力（0.25 MPa）范圍內。這個數字超了，該如何處理。上述模擬分析表明，選用的注塑工藝參數，在學校先用注塑機DY1380X的工作范圍內，理論上可以利用上述參數和材料，制備實物模型。

圖15 壓力轉換示意圖

圖16 流動前沿溫度示意圖

圖17 體積剪切速率示意圖

圖18 壁上剪切應力示意圖

圖19 注射位置處壓力：XY圖結果示意圖

圖20 鎖模力示意圖

1.6 溫度變化對填充過程的影響

溫度直接影響填充過程，進而注塑機得到的實物模型質量，即最終產品的質量。當然溫度只是影響產品質量的因素之一，其他因素包括壓力、注射時間、流道、冷卻等。溫度變化是影響填充過程的核心參數，為此，本文利用Moldflow中的參數優化工具，分析了模具表面溫度（40℃、45℃、50℃）、熔體溫度（200℃、220℃、240℃）對注塑過程的影響。

由表1可知，隨著模具表面溫度和熔體溫度的提高，鎖模力、注射壓力和壁剪切應力逐漸下降，但是下降的幅度也隨之降低。熔體溫度為240℃時，模具表面溫度從40℃增至45℃時，鎖模力降低了0.47 MPa；模具表面溫度從45℃增至50℃時，鎖模力降低了0.13 MPa；降低的幅度明顯減小。注射壓力和壁剪切應力，也呈現相同趨勢。說明，溫度升高對上述參數的影響在降低。另外溫度高，耗能就高，成本就高，還會引發其他問題。所以，選擇合適的模具溫度和熔體溫度是關鍵。若采用試驗的方法，則至少要進行9次試驗，才能得到上述部分數據；時間和經濟成本非常高，另外有些數據（比如壁剪切應力）難以通過試驗獲得。這是Moldflow進行模擬分析的優勢所在，但是模擬分析不能完全刻畫實際注塑過程，所以最終注塑工藝還是需要通過實踐驗證。

表1 模具溫度和熔體溫度對填充過程關鍵參數的影響

2 填充分析知識在實訓中的應用

2.1 注塑機

學校實訓室采用注塑機為德亞公司產品，型號為DY1380X，關鍵參數如表2所示。

表2 德亞(DY1380X)注塑機關鍵參數

2.2 實物制品

以為PP2540原料，利用注塑機（DY1380X）制備的實物如圖21所示。制備過程采用的模具表面溫度和熔體溫度分別為45℃和220℃。在實訓老師的指導下，一次成功；操作注塑機學生非常興奮。隨后實訓老師展示了一個失敗的實物樣品（圖22），并詢問學生注塑實物樣品失敗的原因。盡管學生當時無法解釋其中原因，但是成功激發了學生的學習興趣和動力。

圖21 實物樣品（成功案例）

圖22 實物樣品（失敗案例）

2.3 模擬分析的不同

圖23所示為理論實踐對比示意圖，注塑工藝涉及的理論知識用長虛線圓表示（左上角，T：理論），涉及的實踐部分用短虛線圓表示（右上角，P：實踐）。學生現階段已掌握的理論知識，用實現圓表示（左上角，T1：理論）；已掌握的實踐內容，用實現圓表示（右上角，P1：理論）。實線圓面積的大小，表示相應知識的多少。隨著知識的擴展和經驗的豐富，學生掌握的理論知識和實踐內容，會不變擴大，如圖中的左下圖和右下圖所示。利用Moldflow軟件不但可以模擬注塑工藝參數對注塑過程的影響，而且可以將注塑過程以圖片、圖標、動畫等形式展示給學生，從而加強學生對一些基本概念的理解和把握。而具體的實踐過程，學生通過操作注塑機獲得實物樣品，不但增加了學生的學習興趣，而且提供理論聯系實際的應用場景。學生在制作實物樣品的過程中，可以借助Moldflow提供的動畫和圖片等，想象實際的注塑過程，進而實現從理論到實踐的學習過程。

圖23 理論實踐對比示意圖

3 結束語

利用Moldflow軟件，向學生展示了澆口位置和數量、溫度對填充過程的影響。結合所用模型特點，利用Moldflow軟件提供的分析工具逐步優化，確定在模型中心孔區域設置2個澆口。溫度模擬分析結果表明，熔體溫度為240℃時，模具溫度從40℃增至45℃，鎖模力降低了0.47 MPa；模具溫度從45℃增至50℃，鎖模力降低了0.13 MPa；說明提高溫度可以降低鎖模力，但降幅逐步下降；填充過程中的關鍵參數，如注射壓力和壁剪切應力也呈現相同趨勢。以PP2540為原料，利用注塑機（DY1380X）了獲得實物樣品，完成了從概念到實物的閉環學習。當然，注塑工藝涉及甚廣，填充只是注塑過程的一部分。為此，提供成功案例的同時提供一個失敗的實物樣品，成功激發了學生的學習興趣，為學生掌握注塑工藝提供了動力。本文提供的填充案例，為培養學生理論聯系實際的能力，提供一個實際可行的教學案例。