王　鑫，王　靜

(河南工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

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遙控器外殼的快速熱循環(huán)注塑成型有限元分析

王鑫，王靜

(河南工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

摘要：以遙控器產(chǎn)品為例，基于Moldflow軟件對產(chǎn)品快速熱循環(huán)裝置和模具建模，實現(xiàn)了快速熱循環(huán)注塑成型的有限元分析，從v/p轉(zhuǎn)換壓力、密度、縮痕、翹曲等方面與常規(guī)注塑分析結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)快速熱循環(huán)注塑成型能夠降低充填壓力、提高熔體流動性和產(chǎn)品質(zhì)量、減少產(chǎn)品變形.

關(guān)鍵詞：Moldflow；快速熱循環(huán)；數(shù)值模擬；充填壓力

在常規(guī)的注塑成型中,模具溫度在整個成型周期基本保持恒定，而且模具溫度比無定型聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或結(jié)晶聚合物的熔化溫度低很多，導(dǎo)致在充填過程中，溫度較高的聚合物熔體一接觸到冷的模具壁就會冷凝，這種現(xiàn)象會帶來如熔接痕、流痕、噴射痕、短射等一系列成型質(zhì)量問題，于是快速熱循環(huán)注塑成型技術(shù)應(yīng)運而生[1].該技術(shù)是在塑料熔體注射前，讓模具溫度達(dá)到或超過塑料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，然后再注射充填，當(dāng)熔體充填完成轉(zhuǎn)入保壓后，迅速通入冷卻液使模具溫度降到熔體的熱變形溫度以下，最后取出產(chǎn)品.由于模具的溫度很高，塑料能夠很好地復(fù)制模具表面，形成表面光潔度高、無須后續(xù)噴涂處理的高光產(chǎn)品[2-4].

快速加熱的方法很多，以透明遙控器產(chǎn)品為例，基于蒸汽加熱和水冷卻原理，利用Moldflow軟件實現(xiàn)了對快速熱循環(huán)過程的有限元分析，與常規(guī)分析結(jié)果對比，分析出快速熱循環(huán)的成型特點，以期對生產(chǎn)實踐進(jìn)行指導(dǎo).

1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

分析的產(chǎn)品為某一電器的遙控器產(chǎn)品，長寬高分別為120 mm，60 mm 和6 mm，壁厚約為2 mm，材料為透明PC，結(jié)構(gòu)如圖1所示.由于該產(chǎn)品是電子產(chǎn)品，對表面質(zhì)量的要求較高，故采用快速熱循環(huán)注塑成型技術(shù).產(chǎn)品設(shè)計了兩個澆口，設(shè)計網(wǎng)格邊長為1 mm劃分3D網(wǎng)格，網(wǎng)格匹配率為96%，符合分析要求，網(wǎng)格模型如圖2所示.

圖1　遙控器產(chǎn)品Fig.1　Remote control product

圖2　網(wǎng)格分析模型Fig.2　Mesh analysis model

圖3　快速熱循環(huán)分析模型Fig.3　Rapid heat cycle analysis model

2分析模型和參數(shù)

蒸汽加熱快速熱循環(huán)分析模型包含3個部分：加熱和冷卻管道、模具模型和產(chǎn)品模型.其中，加熱和冷卻管道用來實現(xiàn)模具的快速加熱和冷卻，如圖3所示，加熱和冷卻管道直徑為8 mm，距離產(chǎn)品高度設(shè)定為15 mm，沿產(chǎn)品寬度方向串聯(lián)分布.對3部分劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖4所示.常規(guī)成型的分型模型不包含模具模型且只有冷卻水道，如圖5所示，產(chǎn)品和水路模型與快速熱循環(huán)模型一樣.按照材料的特點，工藝參數(shù)如表1所示[5]，加熱管道和冷卻管道的溫度設(shè)定如表2所示.

圖4　快速熱循環(huán)有限元模型Fig.4　Finite element model of rapid heat cycle

圖5　常規(guī)分析模型Fig.5　Routine analysis model

工藝參數(shù)對比類型常規(guī)成型快速熱循環(huán)成型熔體溫度/℃324324充填速率/(cm3·s-1)1515保壓壓力/MPa1212保壓時間/s66模具溫度/℃99周期內(nèi)變化

表2　快速熱循環(huán)參數(shù)

3結(jié)果和討論

速度/壓力切換時的壓力是指注塑機充填結(jié)束轉(zhuǎn)入保壓時刻的壓力，該值是充填熔體的最大壓力值，值越大說明充填壓力越大，制件的殘余應(yīng)力越大，穩(wěn)定性就越差[6]，速度/壓力切換時的壓力結(jié)果見圖6.由圖6可知，在相同條件下，常規(guī)注塑成型時速度/壓力切換時的壓力值為14.16 MPa，快速熱循環(huán)成型時速度/壓力切換時的壓力值為 12.38 MPa.快速熱循環(huán)成型時速度/壓力切換時的壓力值比常規(guī)注塑成型小，說明在較高的模溫下，塑料熔體的黏度下降，熔體流動更順暢、更容易充滿型腔，所以快速熱循環(huán)注塑成型可以減少充填壓力、節(jié)約成本，還可以改善塑料的充填性能.

密度是制件的密實程度，制件越密實、越均勻，產(chǎn)品的質(zhì)量就越好.常規(guī)成型與快速熱循環(huán)成型的密度結(jié)果見圖7.由圖7可知，快速熱循環(huán)注塑成型的產(chǎn)品密度最大為 1.240 g/cm3，比常規(guī)注塑成型稍大，而且從整個云圖可發(fā)現(xiàn)，常規(guī)注塑成型產(chǎn)品的表面密度有明顯的變化，快速熱循環(huán)成型則較為平滑.這說明，雖然快速熱循環(huán)注塑成型提高產(chǎn)品密度的幅度不大，但產(chǎn)品的密度更均勻，質(zhì)量也更加均勻.

圖6　速度/壓力切換時的壓力結(jié)果Fig.6　v/p transfer pressure results

圖7　密度結(jié)果Fig.7　Density results

縮痕指產(chǎn)品表面出現(xiàn)下凹和邊緣不平滑的情況，縮痕估算值越大，說明產(chǎn)品表面出現(xiàn)下凹、不光滑的現(xiàn)象越嚴(yán)重.常規(guī)成型和快速熱循環(huán)成型的縮痕估值結(jié)果見圖8.由圖8可知，常規(guī)注塑成型制件的表面縮痕最大值為 0.058 6 mm，比快速熱循環(huán)注塑成型制件的最高值0.019 3 mm 高0.039 3 mm.由此可知，快速熱循環(huán)注塑成型產(chǎn)品的表面質(zhì)量較高.

常規(guī)成型和快速熱循環(huán)成型的翹曲結(jié)果見圖9.由圖9可知，相同工藝條件下，常規(guī)注塑產(chǎn)品的翹曲變形量的最大值為 0.670 0 mm，快速熱循環(huán)注塑產(chǎn)品的翹曲變形最大值為 0.658 7 mm，比常規(guī)注塑的變形量稍小.

圖8　縮痕估值結(jié)果Fig.8　Shrinkage mark results

圖9　翹曲結(jié)果Fig.9　Warping results

4結(jié)論

利用有限元分析實現(xiàn)了快速熱循環(huán)注塑成型的數(shù)值模擬.與傳統(tǒng)的注塑成型結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)快速熱循環(huán)注塑成型能夠降低充填壓力、提高熔體流動性、提高產(chǎn)品質(zhì)量.

參考文獻(xiàn)：

[1]謝作建.快速變模溫注塑成型制品熔接痕的實驗研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2013:7-14.

[2]趙國群,王桂龍,李輝平，等.快速熱循環(huán)注塑技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].塑形工程學(xué)報，2009,16(1)：190-195.

[3]邊智,謝鵬程,安瑛，等.注射成型快變模溫技術(shù)研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2010，22(5)：48-51.

[4]HUANG M S,HUANG Y L.Effect of multi-layered induction coils on efficiency and uniformity of surface heating[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，2010，53(11/12)：2414-2423．

[5]董磊磊.帶嵌件塑料件高光無痕注塑成型數(shù)值模擬研究及模具設(shè)計[D].青島:青島科技大學(xué)，2014.

[6]單言.Moldflow模具分析技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實例[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012:2-80.

Finite element analysis of the remote shell product by rapid heat cycle injection modeling

WANG Xin，WANG Jing

(CollegeofMechanicalEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China)

Abstract:In case of remote control products, through the modeling of products, rapid thermal cycle device and mold, rapid heat cycle molding was simulated based on Moldflow software, and the v/p transfer pressure, density, shrinkage mark, warping results were compared with conventional injection molding analysis results. The comparison found that rapid heat cycle injection molding can reduce the filling pressure, increase the melt fluidity, improve product quality, and reduce product deformation.

Key words:Moldflow; rapid heat cycle; simulate; filling pressure

中圖分類號：TQ320.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-330X(2016)01-0038-04

作者簡介：王鑫(1981-),男，河南南陽人，講師，碩士，主要研究方向為模具CAD/CAE.

收稿日期：2015-07-12