Moldflow填充案例在模具教學(xué)中的應(yīng)用

張?zhí)煊?，?蕾，張 軍，王森甲，俞煒豪

（無錫科技職業(yè)學(xué)院智能制造學(xué)院，江蘇 無錫 214029）

0 引言

模具在航空航天、船舶、交通等領(lǐng)域有廣泛地應(yīng)用；而模具設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中關(guān)鍵一環(huán)，直接影響產(chǎn)品的最終性能；模具設(shè)計(jì)涉及成型理論、制造工藝和設(shè)備原理等多方面的專業(yè)知識(shí)[1]。綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際工程問題，是模具專業(yè)學(xué)生必須具備專業(yè)技能，而理論聯(lián)系實(shí)際的課程安排是培養(yǎng)該核心能力的關(guān)鍵。為了提高模具人才的綜合素質(zhì)，許多高校在模具專業(yè)課程設(shè)計(jì)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(xué)，其二是綜合實(shí)踐實(shí)訓(xùn)。其目的是傳授學(xué)生理論知識(shí)和實(shí)際動(dòng)手能力，以期實(shí)現(xiàn)模具人才綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。但是虛擬化教學(xué)采用的模型只能近似地反映真實(shí)情況，甚至存在較大偏差；實(shí)訓(xùn)課程中采用的主要方式之一是上機(jī)操作，操作過程和所得制品與虛擬化所受內(nèi)容存在不一致甚至沖突的地方；致使學(xué)生產(chǎn)生一定程度的困惑，最終影響模具人才綜合素質(zhì)培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)致這種情況的主要原因之一是學(xué)生無法將所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)課程，實(shí)訓(xùn)課上發(fā)現(xiàn)的問題也無法在所學(xué)理論知識(shí)中找到答案[2-4]。

針對(duì)這一問題，在21級(jí)模具專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)方案中開設(shè)了“模具有限元技術(shù)應(yīng)用”和“注塑成型工藝”兩門課程，前者采用的模型與后者生產(chǎn)的實(shí)物制品相同。兩門課程開設(shè)在同一學(xué)期，實(shí)現(xiàn)了注塑工藝?yán)碚搶W(xué)習(xí)和實(shí)際操作的閉環(huán)，為更好地培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，創(chuàng)造了條件[5-8]。填充過程是注塑工藝的核心知識(shí)之一，該過程涉及模具溫度、熔體溫度、澆口位置等關(guān)鍵工藝參數(shù)[9-13]。對(duì)上述概念的理解與把握，是綜合運(yùn)用相關(guān)知識(shí)的關(guān)鍵；對(duì)注塑機(jī)的實(shí)際操作，則提供了應(yīng)用上述概念的具體場景。該閉環(huán)為學(xué)生掌握理論用于實(shí)踐提供了可操作的案例，為培養(yǎng)模具專業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)提供了一條具有可操作性的教學(xué)思路。

1 填充分析教學(xué)案例

1.1 模型選擇

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

圖1 實(shí)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(zé)任公司生產(chǎn)的聚丙烯（PP），牌號(hào)為PP2540，該材料沒有填充物。PP2540在Moldflow的材料庫中，材料性能參數(shù)和工藝參數(shù)比較完善，模擬分析結(jié)果的可信度高。另外，PP2540容易獲得，用作制備實(shí)物模型的材料。模擬分析所用材料與實(shí)物制備材料相同，增加了模擬分析結(jié)果用于實(shí)物制備的可行性，為學(xué)生將理論知識(shí)用于實(shí)踐過程提供了保證。

1.3 網(wǎng)格劃分

由圖1可知，模型主體為層狀，為此選用雙層面網(wǎng)格進(jìn)行模擬分析。劃分網(wǎng)格時(shí)，曲面上的全局邊長為2 mm，其他參數(shù)選用默認(rèn)值，得到8 608個(gè)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(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)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(shè)置方案，方案一采用1個(gè)澆口，方案二采用2個(gè)澆口。模具溫度設(shè)置為45℃，熔體溫度設(shè)置為220℃，材料選用PP2540，其他參數(shù)采用Moldflow軟件默認(rèn)設(shè)置。得到結(jié)果如圖3～6所示。

圖3 1個(gè)澆口位置流動(dòng)阻力指示圖

采用1個(gè)澆口時(shí)，流動(dòng)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(jié)點(diǎn)N17368，如圖5中黃色錐形所示。采用2個(gè)澆口時(shí)流動(dòng)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(gè)黃色錐形所示，最佳澆口位置分別位于節(jié)點(diǎn)N15743和N16063。若在圖5～6所示的位置設(shè)置澆口，會(huì)增加流道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。若在中心孔區(qū)域設(shè)置澆口（1個(gè)或2個(gè)），可以降低流道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。為此，將澆口位置限定在該區(qū)域，再次計(jì)算最佳澆口位置。為了提高澆口位置的預(yù)測精度，對(duì)模型中心區(qū)域進(jìn)行了加密，加密后的結(jié)果如圖7所示。加密后單元的總數(shù)目為10 634。澆口位置被限制在圖7中紅色所示區(qū)域，單獨(dú)取出該區(qū)域，結(jié)果如圖8所示。采用相同的工藝參數(shù)和材料，進(jìn)行澆口分析，得到的結(jié)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(gè)澆口位置流動(dòng)阻力指示圖

圖5 最佳1個(gè)澆口位置示意圖

圖6 最佳2個(gè)澆口位置示意圖

圖7 網(wǎng)格模型（中心孔處網(wǎng)格已加密）

圖8 限定澆口位置區(qū)域

圖9 兩個(gè)澆口位置流動(dòng)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(nèi)流動(dòng)的過程。熔融塑料的流動(dòng)軌跡及其影響因素，可以利用Moldflow的填充分析序列進(jìn)行模擬。為學(xué)生理解“流動(dòng)過程”、“影響因素”等基本概念，提供了以一個(gè)很好的案例。填充過程關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如下：澆口的數(shù)量為2個(gè)，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(dòng)，其他參數(shù)采用默認(rèn)值。

熔融塑料在模具型腔內(nèi)流動(dòng)過程，可以通過“填充時(shí)間”顯示（如圖11～圖14）。對(duì)于“填充時(shí)間”在Moldflow中官方定義為：顯示了填充型腔時(shí)流動(dòng)前沿在常規(guī)間隔時(shí)所處的位置。在Moldflow軟件中，“填充時(shí)間”可通過動(dòng)畫顯示，為學(xué)生把握“流動(dòng)過程”這一核心概念，提供了一個(gè)很好的工具。

圖11 填充時(shí)間-1 s

圖12 填充時(shí)間-2 s

圖13 填充時(shí)間-5 s

圖14 填充時(shí)間-8 s

由圖15可知，在0.82 s時(shí)，注射壓力達(dá)到的最大值為5.604 MPa。學(xué)校先用的注塑機(jī)DY1380X的最大注射壓力為166 MPa，在注塑機(jī)的允許范圍內(nèi)。由圖16可知，熔體的流動(dòng)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(nèi)。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(xué)校先用的注塑機(jī)DY1380X的最大鎖模力為140 t，在注塑機(jī)工作范圍內(nèi)。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(nèi)（＜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(yīng)力（0.25 MPa）范圍內(nèi)。這個(gè)數(shù)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(shù)，在學(xué)校先用注塑機(jī)DY1380X的工作范圍內(nèi)，理論上可以利用上述參數(shù)和材料，制備實(shí)物模型。

圖15 壓力轉(zhuǎn)換示意圖

圖16 流動(dòng)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(yīng)力示意圖

圖19 注射位置處壓力：XY圖結(jié)果示意圖

圖20 鎖模力示意圖

1.6 溫度變化對(duì)填充過程的影響

溫度直接影響填充過程，進(jìn)而注塑機(jī)得到的實(shí)物模型質(zhì)量，即最終產(chǎn)品的質(zhì)量。當(dāng)然溫度只是影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素之一，其他因素包括壓力、注射時(shí)間、流道、冷卻等。溫度變化是影響填充過程的核心參數(shù)，為此，本文利用Moldflow中的參數(shù)優(yōu)化工具，分析了模具表面溫度（40℃、45℃、50℃）、熔體溫度（200℃、220℃、240℃）對(duì)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(yīng)力逐漸下降，但是下降的幅度也隨之降低。熔體溫度為240℃時(shí)，模具表面溫度從40℃增至45℃時(shí)，鎖模力降低了0.47 MPa；模具表面溫度從45℃增至50℃時(shí)，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(yīng)力，也呈現(xiàn)相同趨勢。說明，溫度升高對(duì)上述參數(shù)的影響在降低。另外溫度高，耗能就高，成本就高，還會(huì)引發(fā)其他問題。所以，選擇合適的模具溫度和熔體溫度是關(guān)鍵。若采用試驗(yàn)的方法，則至少要進(jìn)行9次試驗(yàn)，才能得到上述部分?jǐn)?shù)據(jù)；時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本非常高，另外有些數(shù)據(jù)（比如壁剪切應(yīng)力）難以通過試驗(yàn)獲得。這是Moldflow進(jìn)行模擬分析的優(yōu)勢所在，但是模擬分析不能完全刻畫實(shí)際注塑過程，所以最終注塑工藝還是需要通過實(shí)踐驗(yàn)證。

表1 模具溫度和熔體溫度對(duì)填充過程關(guān)鍵參數(shù)的影響

2 填充分析知識(shí)在實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

2.1 注塑機(jī)

學(xué)校實(shí)訓(xùn)室采用注塑機(jī)為德亞公司產(chǎn)品，型號(hào)為DY1380X，關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表2 德亞(DY1380X)注塑機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

2.2 實(shí)物制品

以為PP2540原料，利用注塑機(jī)（DY1380X）制備的實(shí)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(shí)訓(xùn)老師的指導(dǎo)下，一次成功；操作注塑機(jī)學(xué)生非常興奮。隨后實(shí)訓(xùn)老師展示了一個(gè)失敗的實(shí)物樣品（圖22），并詢問學(xué)生注塑實(shí)物樣品失敗的原因。盡管學(xué)生當(dāng)時(shí)無法解釋其中原因，但是成功激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力。

圖21 實(shí)物樣品（成功案例）

圖22 實(shí)物樣品（失敗案例）

2.3 模擬分析的不同

圖23所示為理論實(shí)踐對(duì)比示意圖，注塑工藝涉及的理論知識(shí)用長虛線圓表示（左上角，T：理論），涉及的實(shí)踐部分用短虛線圓表示（右上角，P：實(shí)踐）。學(xué)生現(xiàn)階段已掌握的理論知識(shí)，用實(shí)現(xiàn)圓表示（左上角，T1：理論）；已掌握的實(shí)踐內(nèi)容，用實(shí)現(xiàn)圓表示（右上角，P1：理論）。實(shí)線圓面積的大小，表示相應(yīng)知識(shí)的多少。隨著知識(shí)的擴(kuò)展和經(jīng)驗(yàn)的豐富，學(xué)生掌握的理論知識(shí)和實(shí)踐內(nèi)容，會(huì)不變擴(kuò)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(shù)對(duì)注塑過程的影響，而且可以將注塑過程以圖片、圖標(biāo)、動(dòng)畫等形式展示給學(xué)生，從而加強(qiáng)學(xué)生對(duì)一些基本概念的理解和把握。而具體的實(shí)踐過程，學(xué)生通過操作注塑機(jī)獲得實(shí)物樣品，不但增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且提供理論聯(lián)系實(shí)際的應(yīng)用場景。學(xué)生在制作實(shí)物樣品的過程中，可以借助Moldflow提供的動(dòng)畫和圖片等，想象實(shí)際的注塑過程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)踐的學(xué)習(xí)過程。

圖23 理論實(shí)踐對(duì)比示意圖

3 結(jié)束語

利用Moldflow軟件，向?qū)W生展示了澆口位置和數(shù)量、溫度對(duì)填充過程的影響。結(jié)合所用模型特點(diǎn)，利用Moldflow軟件提供的分析工具逐步優(yōu)化，確定在模型中心孔區(qū)域設(shè)置2個(gè)澆口。溫度模擬分析結(jié)果表明，熔體溫度為240℃時(shí)，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(guān)鍵參數(shù)，如注射壓力和壁剪切應(yīng)力也呈現(xiàn)相同趨勢。以PP2540為原料，利用注塑機(jī)（DY1380X）了獲得實(shí)物樣品，完成了從概念到實(shí)物的閉環(huán)學(xué)習(xí)。當(dāng)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(shí)提供一個(gè)失敗的實(shí)物樣品，成功激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生掌握注塑工藝提供了動(dòng)力。本文提供的填充案例，為培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，提供一個(gè)實(shí)際可行的教學(xué)案例。