基于Moldlfow 的透射樣品盒注塑模具優化分析

周勰，李方杰，沈琴，劉敏，向延平，江星輝

（1.201602 上海市 上海工程技術大學 材料工程學院；2.201602 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院；3.201418 上海市 上海應用技術大學 材料科學與工程學院；4.215535 江蘇省 蘇州市 蘇州海鑫精密電子科技有限公司；5.516127 廣東省 惠州市 惠州市祥輝電子科技有限公司）

0 引言

注塑模具存在注塑成型周期短、節省原料以及高自動化等優點，在航空、航天、機械、電子、汽車、醫療器械等領域有著廣泛的應用[1]。與傳統的金屬加工類似，注塑成型產品也存在生產缺陷，如收縮率不均、熔接痕以及翹曲變形等。樣品盒是注塑成型產品，主要用于密封保存樣品，需要一定的防氧化性等，對密封性能要求較高。為提升樣品盒質量，需要對于樣品盒的變形量進行優化，考慮組裝配合性，并對成型工藝參數進行優化。注塑成形中工藝參數對翹曲變形有很大的影響，利用Moldflow 軟件[2]可以優化注塑工藝參數，使制品具有良好的尺寸穩定性、減少試錯成本、增加企業效益。

本研究結合所設計的樣品盒結構特點，設計正交實驗，通過仿真軟件Moldflow[2]對樣品盒的翹曲變形缺陷進行優化分析，以提高產品質量。

1 樣品盒結構分析

樣品盒由蓋子與底座組成，圖1 為蓋子、底座和樣品盒裝配三維模型。蓋子為直徑φ83.00 mm、高度10.00 mm 的圓柱，蓋子表面有扇形圓臺孔，如圖1（a）所示；底座為直徑φ86.00 mm，高度為9.00 mm 的圓柱，如圖（b）所示；圖1（c）為透射樣品盒裝配效果圖。

圖1 樣品盒裝配三維結構Fig.1 3D structure of sample box assembly

2 基于Moldflow 模流分析

Moldflow 是一款常用于塑料模具設計及加工工藝參數設計前處理的模流分析軟件。利用Moldflow軟件對透射樣品盒的三維模型進行網格劃分，結果如圖2 所示。其中底座雙層面結構中實體計數三角形為7 584，已連接的節點3 794，不包括模具鑲塊和冷卻管道表面積為204.538 cm2；單元類型統計的三角形體積44.197 3 cm3，縱橫比最大為6.97，平均為1.80，最小為1.16，共用邊為11 376，匹配百分比為87.5%，相互百分比93.2%。蓋子雙層面結構中實體計數三角形為5 082，已連接節點2 541，不包括模具鑲塊和冷卻管道表面積為151.775 7 cm2；單元類型統計的三角形體積17.079 8 cm3，縱橫比最大為18.72，平均為2.03，最小為1.16，共用邊為7 623，匹配百分比為92.5%，相互百分比92.2%，滿足模流分析的要求。

圖2 網格劃分結果Fig.2 Meshing results

2.1 澆口位置優化分析

澆口位置是影響塑件成型的重要因素，澆口位置的選擇主要取決于制件的結構、原材料的種類、流動阻力、塑件厚度以及塑件可成型性。不合理的澆口位置將導致型腔無法充滿，塑件出現缺膠，影響表面外觀質量。合理的澆口位置能夠減少內應力，減少熔接線的劃痕，改善塑件的外觀質量[3]。剪切速率體積、流動前沿溫度、平均速度、溫度、壓力以及充填時間等參數可用來判斷澆口位置的選擇是否合理[4-5]。模擬分析結果域如圖3 所示。

圖3 澆口匹配性Fig.3 Fitting of gate

通過對節點(2.7 -1.770)和節點(1.56 -0.888)2 次偏移復制的方式創建關鍵結構節點，再由關鍵的結構節點創建“直線”或“曲線”。本文選擇創建的是“直線”，因為曲線一般針對香蕉型澆口。創建完成之后給“直線”定義屬性，對流道尺寸形狀進行編輯，隨后進行網格劃分創建澆注流道，最終確定蓋子和底座的澆注系統如圖4 所示。

圖4 澆注系統Fig.4 Pouring system

2.2 冷卻回路設計

考慮到樣品盒需要具有一定的抗酸堿腐蝕、良好的耐磨性以及光潔度。因此選用丙稀晴-丁二烯-苯乙烯（ABS）共聚物進行注塑成型分析。表1 為ABS 材料的注塑成型推薦工藝參數。

表1 注塑成型推薦工藝參數Tab.1 Recommended process parameters for injection molding

塑件在注塑成型過程中，冷卻時間占整個成型時間的大部分，合理設計冷卻回路能減少產品成型時間，從而提高生產效率，降低成本，提升產品質量[6]。對蓋子和底座分別創建如圖5 所示的冷卻回路，設定水管的直徑為10 mm，水管與零件間的距離為25 mm，管道的數量為4，管道中心之間距離為20 mm，零件之外距離為30 mm，并勾選軟管連接管道，完成冷卻回路設計。

圖5 冷卻系統Fig.5 Cooling system

回路冷卻液溫度差過大，會導致塑件成型出現缺陷。如圖6 所示，模擬分析結果表明，蓋子和底座回路冷卻液溫度差分別為0.34 ℃和0.50 ℃，冷卻液的溫度并沒有明顯的升高，溫差較低，表明所設計的冷卻系統能達到良好的冷卻效果。

圖6 回路冷卻液溫度Fig.6 Loop coolant temperature

2.3 流動性分析

（1）蓋子氣穴熔接線分析

通過進行填充保壓，分析熔體在模腔內部的流動過程[7-8]。圖7 的模擬結果表明，氣穴主要集中在塑件的邊緣部分，可以通過在熔體匯集處開設少量的氣孔或者凹槽進行改善；同時存在少量的熔接線，這對成型件表面質量影響不大。

圖7 氣穴、熔接線Fig.7 Air pocket&Welding wire

（2）底座流動前沿溫度分析

流動前沿溫度表示的是熔體經過節點時聚合物的溫度，若流動前沿溫度較高，會導致此區域聚合物易發生降解和產生表面缺陷；若流動前沿溫度較低，則此區域內很可能出現滯流或者短射的現象。流動前沿溫度變化越小，表明模具內溫度分布越均勻[9-10]。從圖8 可以看出，底座表面與底座底面2個不同位置所對應的流動前沿溫度分別為220.3 ℃和220.0 ℃，溫差分別為0.5 ℃和0.2 ℃，溫差變化合理，表明模具溫度變化比較均勻。

圖8 流動前沿溫度Fig.8 Temperature of flow front

3 翹曲變形工藝參數優化

塑件產品必須考慮其質量以及表面光滑度[11]，塑件質量主要受翹曲變形影響，翹曲變形是塑件常見缺陷之一。影響翹曲變形的主要因素是熔體溫度、注射時間、保壓時間、保壓壓力等。本文通過調控這些工藝參數對塑件進行優化[12-13]。圖9 為默認參數下蓋子和底座的翹曲變形量，分別為0.444 6 mm和0.474 1 mm，變形較大影響后續裝配，需進行優化。

圖9 優化前的翹曲變形量Fig.9 Warping deformation before optimization

選擇熔體溫度（A）、注射時間（B）、保壓時間（C）、保壓壓力（D）等因素為變量，設置四因素三水平正交實驗，表2 為蓋子和底座的L9（34）正交實驗因素水平設計。表3為L9（34）蓋子正交實驗結果（M=K/3），表4 為L9（34）底座正交實驗結果。

表2 L9 (34)正交實驗因素水平設計Tab.2 Factor level design of L9(34) orthogonal experiment

表3 蓋子正交實驗結果Tab.3 Lid orthogonal experiment results

表4 底座正交實驗結果Tab.4 Experimental results of orthogonal base

由表3 可得蓋子極差排序為RB＞RD＞RC＞RA，即4 個因素的影響順序為：注射時間＞保壓壓力＞保壓時間＞熔體溫度。

從表4 可得底座極差排序為RC＞RD＞RB＞RA，即4 個因素的影響順序為：保壓時間＞保壓壓力＞注射時間＞熔體溫度。

圖10 為透射樣品盒蓋子的翹曲變形量與因素水平的關系，可知蓋子的翹曲變形量隨著熔體溫度的升高呈現先升高后降低的現象，當熔體溫度為A1時，翹曲變形量最小；隨著注射時間的增加，翹曲變形量逐漸降低；隨著保壓時間的增加，翹曲變形量也逐漸降低；隨著保壓壓力的增加，翹曲變形量先下降后增加，保壓壓力為D2時，翹曲變形量最小。綜上所述，蓋子優化后的參數為熔體溫度220℃，注射時間為5 s，保壓時間為12 s，保壓壓力80%，組合為A1B3C3D2。

圖10 蓋子翹曲變形量與因素水平關系Fig.10 Relationship between lid warping deformation and factor level

圖11 為透射樣品盒底座的翹曲變形量與因素水平的關系，可知隨著熔體溫度的增加，底座翹曲變形量逐漸增大；當注射時間不斷增加時，翹曲變形量呈現出先降低再增加的現象，B2的變形量為最??；保壓時間和保壓壓力逐漸增加翹曲變形量均呈現逐漸降低的趨勢。綜上所述，底座優化后的組合為A1B2C3D3，具體參數為熔體溫度220 ℃，注射時間為4 s，保壓時間為12 s，保壓壓力90%。

圖11 底座翹曲變形量與因素水平關系Fig.11 Relationship between base warping deformation and factor level

蓋子和底座針對優化完成后的最優參數組合A1B3C3D2、A1B2C3D3，利用Moldflow 進行模擬分析，圖12 為優化后的翹曲變形量。蓋子優化后的翹曲變形量為0.263 7 mm，與優化前相比降低了40.7%。底座優化后的翹曲變形量為0.418 2 mm，與優化前相比降低了11.8%。

圖12 優化后翹曲變形量Fig.12 Warping deformation of optimized

4 結論

分析樣品盒的結構，選擇合適的材料，利用Moldflow 軟件設計最佳澆口位置，針對澆口位置創建流道及冷卻回路進行模擬分析，通過對成型工藝參數優化促使變形量降為最低，以提高設計效率。

（1）分析最佳澆口位置創建流道及冷卻回路，進膠口往往需要更多的平衡進膠，選擇中心位置為平衡進膠，利于減少熔接線的存在，提升成型質量；

（2）選用 Moldflow 軟件對樣品盒蓋子以及底座進行注塑成型模擬分析。熔體充模流動可以對成型質量缺陷做出管控，控制回路冷卻溫度穩定，減少氣穴、熔接線的存在，從而保證注塑成型的質量；

（3）對成型參數進行調控，結果表明，蓋子的翹曲變形量降低了40.7%，底座的翹曲變形量降低了11.8%。優化后的工藝參數相較于初始參數得到明顯的改善，優化后可使模具內溫度變化均勻，提升了塑件制品的質量。