林 權(quán)，吳雄飛，陳 杰，何 靚，鄧小明

(武夷學(xué)院 機電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300)

塑件網(wǎng)格密度對注塑成型模擬影響研究及模具設(shè)計

林 權(quán)，吳雄飛，陳 杰，何 靚，鄧小明

(武夷學(xué)院 機電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300)

塑料產(chǎn)品制造市場競爭激烈，各企業(yè)都在搜尋縮短成型周期的方法。文章以ABS儀器上蓋注射件為例，應(yīng)用CAD/CAE技術(shù)對不同網(wǎng)格參數(shù)的塑件模型進(jìn)行注塑成型模擬分析，獲取合適的分析結(jié)果數(shù)據(jù)并確定網(wǎng)格參數(shù)，最后基于模流分析結(jié)果進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，使產(chǎn)品能夠以最少的時間與成本進(jìn)行試模生產(chǎn)，從而達(dá)到增加企業(yè)市場競爭力的目的。

網(wǎng)格參數(shù)；注塑成型；數(shù)值模擬；CAD/CAE技術(shù)；模流分析；注塑模設(shè)計

近年來，隨著塑料成型工藝及模具設(shè)計技術(shù)的不斷更新進(jìn)步，塑料產(chǎn)品的開發(fā)周期正在不斷縮短。在產(chǎn)品概念設(shè)計、模具設(shè)計、開模試模的過程中，各制造企業(yè)都在追尋縮短周期的方法，逐漸發(fā)現(xiàn)應(yīng)用CAD/CAE技術(shù)、以模擬方式檢驗各種階段產(chǎn)品設(shè)計的可行性，可以在設(shè)計階段就預(yù)知可能發(fā)生的情形，并進(jìn)行問題修復(fù)，將缺陷降低到最低，從而使企業(yè)能在最短時間內(nèi)制造更多的合格產(chǎn)品，贏得市場競爭[1-3]。為此本文以ABS儀器上蓋注射件為例，利用CAD/CAE技術(shù)對其進(jìn)行產(chǎn)品建模與有限元網(wǎng)格劃分，通過對不同網(wǎng)格參數(shù)的塑件模型進(jìn)行成型模擬分析，選取最優(yōu)的網(wǎng)格密度，再運用MOLDFLOW模流軟件對塑件進(jìn)行充填、保壓、冷卻、翹曲分析，獲得恰當(dāng)?shù)姆治鼋Y(jié)果數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行塑件模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，使產(chǎn)品能夠以最少的時間與成本進(jìn)行試模生產(chǎn)，達(dá)到增強企業(yè)市場競爭力的目的。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與材料說明

圖1為ABS儀器上蓋零件圖，塑件的總體尺寸及公差要求如圖中所示。該制件為一蓋狀塑件，其外表面由多個曲面組成，且塑件兩側(cè)面有內(nèi)凹曲面；塑件頂面有一凹面，凹面上有兩通孔。塑件兩側(cè)面內(nèi)凹都較淺，所需的抽芯距較小，一般可以考慮采用斜導(dǎo)柱或斜滑塊分型抽芯結(jié)構(gòu)；對于塑件頂面上的凹面和其上的兩通孔，可以把凹面和兩通孔的成型表面做在同一型芯上，以便與保證兩孔間的精度和凹面的成型；分型面通常設(shè)在最大投影面積處，不僅便于脫模、排氣還有利保證精度，便于加工，而且此時塑件處于最大投影面積處可防止飛邊；上蓋頂部凹面光潔度要求較低，澆口選擇可以優(yōu)先考慮。

儀器上蓋要求具備良好的機械強度，不易變形，以及耐磨、耐腐蝕等，根據(jù)各類塑料的性能特點，可選用ABS工程塑料(丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三種單體的共聚物)作為塑件的生產(chǎn)原料。本設(shè)計采用奇美公司生產(chǎn)的注塑級ABSPA757(屬熱塑性材料，密度：1.2 g/cm3，成型收縮率：0.6%， 成型溫度：200～240 ℃，干燥條件：80～90 ℃/2 h)，該材料具有如下特點：1)綜合性能較好，沖擊強度較高，化學(xué)穩(wěn)定性，電性能良好；2)高抗沖、高耐熱、阻燃、增強、透明等級別高；3)流動好，柔韌性好，符合客戶使用要求。

圖1 塑件零件圖

2 模型建構(gòu)與成型條件選擇

應(yīng)用PROE 5.0軟件使用多曲面相交創(chuàng)建塑件三維模型，并對塑件輪廓做少許修改與簡化[4]，再轉(zhuǎn)化為STL格式導(dǎo)入MoldFlow中，通過內(nèi)建指令對塑件進(jìn)行表面網(wǎng)格化。在網(wǎng)格創(chuàng)建過程中，為了不降低模型尺度的準(zhǔn)確性，保證有較好的切割密度，要求三角元素縱橫比小于4，產(chǎn)生網(wǎng)格后再對有破洞區(qū)域進(jìn)行修補，對自由邊界和重迭網(wǎng)格展開檢測修復(fù)，以保證相鄰網(wǎng)格間的節(jié)點連接正確，保證節(jié)點上的物理訊息正確的傳遞。圖2為劃分網(wǎng)格后的塑件有限元模型。

圖2 塑件有限元模型

成型條件選擇主要包括成型時間與成型溫度。

1)成型時間主要包含了注射時間、保壓時間與冷卻時間[5]。注射時間過短會發(fā)生制品填不滿的短射現(xiàn)象，如果過長則會影響熔體的流動速率，間接影響產(chǎn)品的生產(chǎn)率；保壓時間設(shè)定太短則會導(dǎo)致產(chǎn)品因體積收縮量大而產(chǎn)生收縮翹曲現(xiàn)象；冷卻時間一般占全部成型周期的三分之二以上，冷卻時間過短則模溫差大，容易產(chǎn)生塑件的收縮翹曲，合理的有效的冷卻系統(tǒng)設(shè)計可以減少冷卻時間，同時增加產(chǎn)量。在此根據(jù)模擬軟件推薦與實際經(jīng)驗相結(jié)合的辦法，選用注射+保壓+冷卻時間為35 s，開模時間為5 s。

2)成型溫度主要包含模具溫度、熔體溫度與冷卻溫度[5]。模具溫度太低主要影響熔體的凍結(jié)時間與分子取向，進(jìn)而影響注射殘留應(yīng)力分布或者短射，太高則影響脫模，且容易產(chǎn)生脫模后制件變形；熔體溫度太高容易破壞塑料原特性，過低會影響塑料的流動性，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力發(fā)生翹曲現(xiàn)象；如果冷卻溫度分布位置不佳，容易造成冷卻不均，不均勻的冷卻會產(chǎn)生很大的溫差而產(chǎn)生熱殘留應(yīng)力[6]。在此根據(jù)模擬軟件推薦與實際經(jīng)驗相結(jié)合的辦法，選用模具溫度為60 ℃，熔體溫度為230 ℃，保壓冷卻后產(chǎn)品頂出溫度為80 ℃。其余注射工藝參數(shù)按照MOLDFLOW成型窗口中推薦的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，保壓方式為階段保壓，速度壓力切換發(fā)生在98%填充體積時候。圖3為儀器上蓋數(shù)值模擬分析系統(tǒng)。

圖3 塑件有限元分析模型

3 網(wǎng)格參數(shù)對模擬成型影響分析

理論上模流分析時，塑件網(wǎng)格密度越小分析結(jié)果會越準(zhǔn)確[6]，但未必適用于所有結(jié)構(gòu)的塑膠產(chǎn)品。在此以單個儀器上蓋塑件為例，設(shè)定六組網(wǎng)格邊長，邊長大小各別為0.5 mm、0.7 mm、1.0 mm、1.3 mm、1.5 mm、1.8 mm，所產(chǎn)生的三角形元素分別為53 340、31 114、17 478、8 600、6 786、4 622個，匹配率分別為86.7%、87.0%、88.8%、86.3%、85.6%、84.0%。由于MOLDFLOW進(jìn)行翹曲分析時匹配率必須大于85%，所以探討剩下五組網(wǎng)格密度對熔體流動性的影響及其準(zhǔn)確性。分析結(jié)果如圖4所示，從充填時間、注射壓力、保壓壓力、鎖模力以及翹曲變形量變化曲線進(jìn)行比較，網(wǎng)格邊長為1 mm與1.3 mm時因結(jié)果差異較大則不予考慮；網(wǎng)格邊長為0.5 mm時，三角元素多、節(jié)點多、分析時間漫長，尤其是模流分析時間耗時達(dá)到其他組的數(shù)倍以上，也不是最佳之選；五組翹曲變形量對應(yīng)如下：0.152 6 mm、0.142 7 mm、0.142 4 mm、0.149 4 mm、0.147 9 mm，網(wǎng)格邊長為1. 5 mm時，翹曲變形量明顯不如0.7 mm與1.0 mm，且網(wǎng)格修補時間較長，因此塑件網(wǎng)格劃分邊長選擇0.7 mm比較適宜。

圖4 網(wǎng)格密度分析結(jié)果

另外熔接線的分布狀況也是衡量塑件質(zhì)量的重要指標(biāo)，不好的熔接線會造成塑料強度降低及外表的缺陷[7]，當(dāng)發(fā)生熔接線的區(qū)域的熔體溫度高，且一直保持在熔融狀態(tài)，這樣的熔接線的熔合性好，外表面痕跡不易察覺，且有利于改善產(chǎn)品的機械性能與力學(xué)性能[8]，因此熔接痕要與熔體流動前沿溫度結(jié)合在一起進(jìn)行評估。如圖5所示，a、b、c、d、e為塑件熔接線疊加熔體流動前沿溫度分布云圖，分別對應(yīng)塑件網(wǎng)格邊長為0.5 mm、0.7 mm、1.0 mm、1.3 mm、1.5 mm。從圖中可以看出，前三種熔接線分布相對一致，并且顯示比較細(xì)致，熔接區(qū)域流動前沿溫度都為230 ℃，后兩種熔接線分布與前三種差別較大，網(wǎng)格邊長提高2～3倍，顯示的熔接區(qū)域不再細(xì)致，產(chǎn)生熔接的區(qū)域相對變少了，尤其是熔接處的熔體前沿溫度有所下降，特別是儀器上蓋尾部圓弧面上，顏色顯示直接從紅色變?yōu)辄S色。因此，從熔接痕和熔接溫度、波前溫度方面聯(lián)合評估網(wǎng)格密度，選取0.7 mm也比較合適。

圖5 不同網(wǎng)格邊長塑件熔接線分布

4 塑件流動模擬分析結(jié)果

Moldflow在注射成型分析的形式主要有Fill、Flow、Cool、Warp等，為了解塑料在成型過程中的各種狀態(tài)，獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)與設(shè)計的可行性，從而作為模具設(shè)計參考依據(jù)，在此對網(wǎng)格邊長為0.7 mm的塑件產(chǎn)品進(jìn)行Fill+Flow+Cool+Warp試模分析，分析結(jié)果如下：

1)填充結(jié)果分析。充填過程是利用壓力差使得熔體前進(jìn)來充滿型腔，通過流動分析可以獲知熔體充填階段的流動情形，以獲得充填時間、壓力分布、前沿溫度分布、氣穴分布、頂出體積收縮率等數(shù)據(jù)[9-10]。

首先對充填流動波前圖進(jìn)行分析，獲知熔體可以在與噴嘴溫度相當(dāng)?shù)那闆r下充滿型腔，且同時到達(dá)型腔內(nèi)各個角落，既沒有發(fā)生過度充填也沒有發(fā)生短射。接著檢查熔體經(jīng)過流道達(dá)到型腔末端的剪切速率，滿足ABS材料允許的最大剪切速率要求，且填充后型腔與流道的應(yīng)力都比較接近零，效果較理想。再對注射/保壓切換曲線進(jìn)行分析，獲知注射壓力峰值和注射/保壓切換時的壓力值相等，意味著本塑件注射過程是平衡的，零件內(nèi)部不會因此而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。圖6為產(chǎn)品頂出體積收縮率分布，從圖中可以看出體積收縮率最大發(fā)生在上蓋側(cè)面底部為5.514%(材料的收縮率是 0.6%)，體積收縮量較小，并可依靠模具型芯與型腔設(shè)計進(jìn)行補償，只是塑件的頂部與側(cè)邊的收縮率有一定的差別，會引起一定量的翹曲變形。

圖6 塑件頂出體積收縮率分布

2)冷卻分析結(jié)果。注塑模冷卻系統(tǒng)設(shè)計相當(dāng)重要，只有塑件冷卻固化至具備一定剛性時，才可以避免塑件脫模后變形[11]。由于冷卻時間占整個成型周期的70%～80%的時間，因此必須對冷卻分析結(jié)果進(jìn)行仔細(xì)探討，以保障塑件在短時內(nèi)均勻降低溫度，并維持塑件的尺寸精度和穩(wěn)定性。

儀器上蓋冷卻分析結(jié)果如下：①冷卻介質(zhì)的雷諾數(shù)為100 000，能保證冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生湍流；②出入口冷卻液的溫差為0.16 ℃，達(dá)到充分冷卻的效果，滿足注塑模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計要求；③冷卻后模具溫度分布如圖7a所示，冷卻后的零件溫度范圍如圖7b所示。通過對圖7分析可知，塑件在冷卻過程中沒有發(fā)現(xiàn)明顯熱點或者冷點的位置，塑件的溫度與模具溫差小于10 ℃，每個模型面上的溫度變化也都在10 ℃以內(nèi)，塑件(頂面)溫度小于冷卻液入口溫度10～20 ℃，冷卻線路設(shè)計合理。

圖7 冷卻后模具與塑件溫度分布

3)翹曲分析。塑件變形或扭曲稱之為翹曲，圖8為塑件翹曲變形分布云圖。儀器上蓋翹曲變形量最大為0.142 7 mm，變形量不大，其中由于收縮不均引起的翹曲變形量為0.140 6 mm，主要是塑件厚度不均，受保壓效果影響所致。塑件較大的變形量主要分布在側(cè)面外緣上，然而用于裝配的卡扣部位(儀器上蓋的雙圓弧面的下端)的變形量不超過0.1 mm，用于安裝固定其他零件的頂面上的凹面(含兩通孔處)變形量也小，完全符合生產(chǎn)技術(shù)要求。

圖8 塑件翹曲變形分布(放大20倍)

5 塑件模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于以上CAE模流分析，在CAD平臺上對塑件進(jìn)行模具設(shè)計，圖9為最終的儀器上蓋注塑模結(jié)構(gòu)示意圖。在此根據(jù)塑件的結(jié)構(gòu)特點以及生產(chǎn)批量要求，模具采用一模兩腔對稱布置，選取三板式點澆口注塑模架，定模采用整體式型腔，澆注系統(tǒng)設(shè)計為平衡式，進(jìn)膠口設(shè)計在塑件頂部凹臺上。該模具主要特點是外側(cè)曲面分型采用斜滑塊側(cè)向分型機構(gòu)，內(nèi)側(cè)卡扣抽芯采用斜導(dǎo)桿內(nèi)抽機構(gòu)，互相配合完成塑件的分型與抽芯脫模。推出機構(gòu)采用推桿與活動鑲塊的綜合方式進(jìn)行，尤其是每一型腔設(shè)置一活動鑲塊，在與鑲塊相對的位置放置一組推桿進(jìn)行推出，不但可以保證產(chǎn)品脫模順利，還平衡了塑件的頂出力，避免推出而引起的變形，其他詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖9所示。通過在XS-ZY-500注射機上進(jìn)行實際試模生產(chǎn)，結(jié)果證明該模具開模、合模、推出運動靈活可靠，塑件內(nèi)外分型抽芯順利，產(chǎn)品質(zhì)量滿足用戶的技術(shù)要求。

圖9 模具結(jié)構(gòu)

6 結(jié)語

1)本課題為了獲取網(wǎng)格密度選取對注塑流動模擬的影響，以ABS儀器上蓋注射件為例，應(yīng)用MOLDFLOW軟件模擬分析了五種網(wǎng)格邊長的CAE模型。通過對注射壓力、填充時間、保壓壓力、鎖模力、翹曲變形量以及熔接線分布等指標(biāo)進(jìn)行測試，獲知網(wǎng)格邊長的大小(網(wǎng)格密度)不能作為塑膠產(chǎn)品分析準(zhǔn)確度的依據(jù)，也不能簡單認(rèn)為網(wǎng)格邊長越小數(shù)值模擬流動分析的可靠性就高，合適的網(wǎng)格密度參數(shù)應(yīng)該是根據(jù)模型修補情況及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外觀要求來考慮，依照產(chǎn)品大小、復(fù)雜度、實際需求等因素，選用網(wǎng)格大小以節(jié)約耗時，縮短成型周期，提高企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的競爭力。

2)本課題基于PROE與MOLDFLOW軟件建立塑件模擬成型分析系統(tǒng)，并進(jìn)行充填分析、冷卻分析及翹曲分析，通過對塑件充填流動波前溫度分布、頂出體積收縮率、冷卻后模具與塑件溫度狀況、翹曲變形大小等方面進(jìn)行模擬分析，驗證了ABS儀器上蓋澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、工藝參數(shù)設(shè)計的合理性，最后依托MOLDFLOW連續(xù)性的數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，實際生產(chǎn)說明產(chǎn)品質(zhì)量合格，滿足使用要求。

[1] 李躍文.塑料注塑成型技術(shù)新進(jìn)展[J].塑料工業(yè),2011,39(4):6-9.

[2] 宋雙柱.基于UG和 MoldFlow的相機外殼注塑模具設(shè)計[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報,2009,14(3):16-19.

[3] 林權(quán),林錚,陳沖.應(yīng)用MOLDFOLW及ABAQUS進(jìn)行注塑模結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].塑料,2011,(6):106-110.

[4] 徐金瑤,趙巖.CAD/CAE在產(chǎn)品開發(fā)及塑料注塑模具設(shè)計中的應(yīng)用[J].機械研究與應(yīng)用,2001,14(3):50-51.

[5] 任雙寧.注塑件翹曲變形及優(yōu)化研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2011.

[6] 王剛,單巖.Moldflow模具分析應(yīng)用實例[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[7] 楊鳳霞,姜小瑩,湯波.工藝參數(shù)對注塑件熔接痕性能的影響[J].塑料工業(yè),2006,34(9):33-35.

[8] 郭繼祥,李會.注塑件熔接痕的研究進(jìn)展[J].塑料科技,2011,(1):113-114.

[9] 李艷娟,王芳,劉曉東.基于UG的轎車內(nèi)飾件注塑模設(shè)計[J].中國塑料,2010,24(3):114-117.

[10] 林權(quán).基于綜合平衡法的注塑工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計[J].塑料科技,2011,(1):84-88.

[11] 王文廣,田寶善,田雁晨.塑料注射模具設(shè)計與技巧[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[責(zé)任編輯：寸曉非]

2014-10-15

福建省教育廳A類科技項目(JA13323)；南平市科技計劃項目(N2013X01-7)

林權(quán)(1980-)，男，福建福州人，武夷學(xué)院機電工程學(xué)院講師，碩士。

TP391.72

A

1008-4657(2014)06-0065-07