基于Moldflow 的注塑件模流分析與優(yōu)化

陳如香，劉改霞，戴坤添，胡一博，張國軒，何 銘

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）實驗與創(chuàng)新實踐教育中心，廣東 深圳 518055）

模具行業(yè)是一個高新技術(shù)密集型，而且又重視經(jīng)驗的產(chǎn)業(yè)。隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，塑料制品用途日益廣泛，依靠人工經(jīng)驗來設(shè)計模具已經(jīng)不能滿足需要，企業(yè)越來越多地利用注塑模流分析技術(shù)來輔助塑料模具的設(shè)計。利用注塑模流分析技術(shù)，能預(yù)先分析模具設(shè)計的合理性，減少試模次數(shù)，加快產(chǎn)品研發(fā)，提高企業(yè)效率。Moldflow 是一款用于塑料產(chǎn)品、模具的設(shè)計與制造的專業(yè)軟件，可以模擬整個注塑過程及這一過程對注塑成型產(chǎn)品的影響，可以評價和優(yōu)化組合整個過程，可以在模具制造前對塑料產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)和質(zhì)量進行優(yōu)化，為企業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計及制造的優(yōu)化提供了整體的解決方案，幫助技術(shù)人員完成整個流程中各個關(guān)鍵點的優(yōu)化工作。

某單位正在開發(fā)一套注塑模具，注塑件為小盤子，如圖1 所示。如果模具設(shè)計不合理、材料選擇不合適或注塑成型過程中工藝參數(shù)設(shè)置不合理，生產(chǎn)的注塑件可能產(chǎn)生翹曲變形、飛邊和熔接痕等質(zhì)量缺陷，成型周期長等問題。為了提高模具開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期，減少試模次數(shù)，提高產(chǎn)品合格率，在模具開發(fā)之前使用Moldflow 軟件對注塑件注塑成型過程進行模流分析，先確定最佳澆口位置，通過注塑件填充分析、保壓分析和翹曲分析等成型分析計算，預(yù)測注塑件可能存在的質(zhì)量問題，最終通過優(yōu)化方案的分析，為注塑件選擇最佳材料，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高注塑件的生產(chǎn)效率和合格率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低模具開發(fā)成本。

1 注塑件模流分析

1.1 模型建模及前處理

注塑件三維模型如圖1 所示，外形尺寸為140 mm×85 mm×3 mm，壁厚為1.5 mm；采用3D 實體網(wǎng)格模型，進行有限元網(wǎng)格劃分，全局網(wǎng)格邊長1.3 mm，創(chuàng)建小盤子的CAD 網(wǎng)格模型，總共有822 409 個網(wǎng)格單元，診斷并修網(wǎng)格模型，平均縱橫比為7.38，如圖2 所示。

圖1 注塑件三維模型

圖2 注塑件網(wǎng)格模型

1.2 最佳澆口位置分析

澆口位置的設(shè)定直接關(guān)系到熔體在模具型腔內(nèi)的流動，從而影響聚合物分子的取向和產(chǎn)品成型后的翹曲，因此選擇合理的澆口在模具產(chǎn)品的設(shè)計中是十分重要的。

在模具設(shè)計階段可以借助Moldflow 強大的分析能力，綜合考慮流動阻力和流動平衡，給出最佳的澆口位置，以保證流動的平衡性，合理地設(shè)計模具系統(tǒng)和澆口位置，避免一些潛在的問題，提高一次試模成功率，從而縮短產(chǎn)品的設(shè)計和上市周期，大大降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)競爭力。

澆口位置分析的結(jié)果可以作為澆口位置設(shè)置的重要考慮信息，澆口位置的設(shè)置要充分考慮到熔體的流動、注塑制品的外觀質(zhì)量、成型制品的力學(xué)性能和模具設(shè)計制造等方面的因素。Moldflow 中的澆口位置分析模塊，可以用來為設(shè)計分析過程找到一個初步的最佳的澆口位置，對設(shè)計會有很好的參考價值。

模流分析選擇“澆口位置”。

注塑件選擇默認的材料PE，制造商為Dow Chemical Europe，牌號為KS 10100 UE。

工藝設(shè)置選擇默認值即可，進行分析計算。

澆口位置分析結(jié)果如圖3 所示，包括澆口匹配性和流動阻力指示器，可以看到注塑件的底部中心位置是最佳澆口位置。

圖3 澆口匹配性

根據(jù)澆口位置分析結(jié)果，將注塑件的底部中心節(jié)點作為進澆口，如圖4 所示。

圖4 澆口位置設(shè)置

1.3 分析序列及成型工藝設(shè)置

分析序列可根據(jù)需要，選擇填充、填充+保壓、快速充填、填充+保壓+翹曲、冷卻、冷卻+填充+保壓+翹曲、成型窗口、澆口位置、冷卻（FEM）和冷卻（FEM）+填充+保壓+翹曲等分析類型。

本案例注塑成型工藝選擇系統(tǒng)默認設(shè)置，工藝參數(shù)包括模具表面溫度、熔體溫度、注塑壓力、保壓壓力、保壓時間和冷卻時間等。

注塑件模流分析類型選擇填充+保壓+翹曲，分析小盤子注塑成型過程中的熔體流動行為，保壓階段對注塑件質(zhì)量的影響，以及翹曲變形量和影響因素。工藝參數(shù)直接選用系統(tǒng)推薦的默認值即可。

小盤子模型前處理及分析參數(shù)設(shè)置完成，選擇分析，開始進行分析計算。

1.4 模流分析結(jié)果分析

注塑件模流分析結(jié)果如圖5 所示，小盤子的填充時間是0.869 4 s，流動前沿溫度為227～232.7 ℃，速度壓力切換時的壓力為44.26 MPa，在30.84 s 時體積收縮率較大為19.68%，平均體積收縮率為3.103%～18%，但是翹曲變形量太大，達到1.43 mm，翹曲變形高達10.21%；注塑的熔接線位于最后填充位置，在注塑件邊緣，不會對注塑件的質(zhì)量和外觀產(chǎn)生不利的影響。同樣，氣穴也位于注塑件的邊緣，即分型面位置，通過分型面可以起到排氣的作用，對注塑件基本沒有影響。

圖5 模流分析結(jié)果

通過以上分析，注塑件的主要問題在于體積收縮率很大，從而導(dǎo)致翹曲變形比較嚴重。因此要優(yōu)化注塑件的質(zhì)量，必須從減小體積收縮率的角度出發(fā)，控制各個方向的體積收縮率，即可減小注塑件的翹曲變形量。

2 注塑件優(yōu)化分析

根據(jù)注塑件模流分析的結(jié)果分析，注塑件翹曲變形量太大的原因在于體積收縮率太大，而在不更改產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的前提下優(yōu)化產(chǎn)品的質(zhì)量，可以通過更換材料的方式來達到減小體積收縮率，減小因各向體積收縮不一致而導(dǎo)致的翹曲變形，比如選用PS 材料，制造商為INEOS Styrolution，牌號為Styrolution PS 1300，通過Moldflow 優(yōu)化分析，分析結(jié)果如圖6 所示。

圖6 優(yōu)化方案模流分析結(jié)果

通過優(yōu)化方案的模流分析結(jié)果可知，注塑件的體積收縮率從19.68%減小到7.588%，平均體積收縮率從18%減小到6.173%，總的翹曲變形量從1.43 mm 減小到0.578 7 mm，翹曲變形從10.21%降低到4.13%，優(yōu)化的效果還是比較明顯的，見表1。

表1 Moldflow 模流分析結(jié)果對比

3 結(jié)論

應(yīng)用Moldflow 模流分析技術(shù)，針對新開發(fā)的注塑件進行輔助設(shè)計，預(yù)測模具設(shè)計方案可能存在的質(zhì)量問題并進行優(yōu)化設(shè)計和分析，結(jié)果表明，通過Moldflow 模流分析技術(shù)，注塑件的翹曲變形量由1.43 mm 減小到0.578 7 mm，翹曲變形由10.21%降低到4.13%，為注塑件的開發(fā)提供參考，從而避免單純靠經(jīng)驗評估可能出現(xiàn)的失誤，避免模具反復(fù)試模修模而增加的開發(fā)成本和開發(fā)周期，同時可明顯改善產(chǎn)品成型質(zhì)量，具有非常重要的意義。