基于MPI的ABS支架注射模擬優(yōu)化分析

李春波，符學(xué)龍

LI Chun-bo1, FU Xue-long2

（1.淮陰工學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，淮安 223003；2. 江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，淮安 223003）

0 引言

塑料注射成型是一種復(fù)雜的模塑工藝，隨著生活中所用塑件的多樣化、復(fù)雜化，對(duì)塑料模具的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。由于注塑成型工藝的復(fù)雜性以及不同壓力、溫度下難以預(yù)測(cè)的材料性能，另外由于制品質(zhì)量和成型工藝參數(shù)之間的關(guān)系難以確定，因此，現(xiàn)代模具企業(yè)利用CAE技術(shù)進(jìn)行模擬，研究工藝條件和制品質(zhì)量之間的關(guān)系，建立工藝參數(shù)和制品質(zhì)量之間關(guān)系的工藝模型，來(lái)進(jìn)行注塑制品質(zhì)量控制[1～4]。

本文運(yùn)用MPI技術(shù)對(duì)模具企業(yè)開(kāi)發(fā)的ABS支架塑件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，確定其適宜的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，優(yōu)化成型工藝，縮短開(kāi)發(fā)周期。

1 模型建立

將外形尺寸為320mm，高度為8mm，壁厚為2.5mm的支架塑件模型以*.stl格式文件導(dǎo)入MPI軟件，對(duì)塑件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，修補(bǔ)自由邊、重疊面等缺陷，最大縱橫比小于10，網(wǎng)格匹配率達(dá)到91.4%，最終模型網(wǎng)格數(shù)為24437。圖1顯示的是材料的粘度以及PVT性能，選用材料為MONKAS提供的ABS，牌號(hào)為TFX-210。模具溫度設(shè)置為50℃，熔體溫度為230℃，頂出溫度88℃，最大剪切速率120001/s。

圖2是塑件網(wǎng)格劃分后的厚度診斷，由圖中可以看出塑件壁厚比較均勻。對(duì)塑件的結(jié)構(gòu)工藝性以及精度要求進(jìn)行分析，采用一模兩腔進(jìn)行注射成型，并根據(jù)塑件最佳澆口位置的分析云圖進(jìn)行澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，結(jié)果如圖3所示。澆口類型采用側(cè)澆口成型，控制延后1.4s注射，使用圓形分流道，澆口尺寸為8mm×6mm×10mm×1.2mm，主流道尺寸為 10mm。

圖1 ABS的粘度及PVT性能

生產(chǎn)中的不合格產(chǎn)品包括塑件變形、尺寸異變、表面缺陷等，大概60%的塑件質(zhì)量問(wèn)題都是由于冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不恰當(dāng)引起的，這就凸顯了冷卻系統(tǒng)的重要性。根據(jù)塑件的長(zhǎng)、薄的特點(diǎn)及以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為了減少其變形，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需采用動(dòng)、定模冷卻，澆口處加強(qiáng)冷卻的冷卻方式，冷卻水道直徑為 8mm，最終效果如圖9所示。

圖2 零件的厚度檢測(cè)

圖3 澆注系統(tǒng)的建立

2 成型分析

熔體流動(dòng)狀態(tài)對(duì)塑料成型有較大的影響，圖4是塑件不同充填階段的流動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)充填狀態(tài)30%、50%、75%和97%分析，塑件可以完全充滿，沒(méi)有欠注的情況，從而很好地保證塑件成型的質(zhì)量要求。

圖4 塑件各階段的充填狀態(tài)

由于塑件在充填過(guò)程中會(huì)發(fā)生體積收縮，為了確保塑件的完整性，對(duì)塑件進(jìn)行補(bǔ)縮，由充填狀態(tài)向保壓狀態(tài)的V/P轉(zhuǎn)換點(diǎn)選擇在充填2s以后，這時(shí)壓力為43.03MPa，塑件已經(jīng)充滿98.13%，以確保充填狀態(tài)向保壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變及時(shí)，使得塑件能充分地補(bǔ)縮，以提高塑件的致密度，改善塑件的使用性能。

圖5 熔體前端溫度

從圖5可以看出，該塑件的模溫分布比較均勻，熔體在流動(dòng)過(guò)程中溫度下降緩慢，利于填充。熔體最大前沿溫度為253.9℃，最小前沿溫度為247.5℃，前沿溫度相差為6.4℃，溫差控制在20℃內(nèi)，相差很小，可以保證塑件幾乎在同一時(shí)間冷卻，保證塑件的尺寸穩(wěn)定性，減少翹曲對(duì)塑件的影響。最大剪切速率是在0.99s時(shí)的1.840×1051/s，最大剪切速率不超過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)中提供的1000001/s，超過(guò)這一值塑料就會(huì)發(fā)生分解，所以在成型時(shí)要確保不超過(guò)1000001/s。型腔壁上的最大剪切應(yīng)力為32.69MPa，確保塑件在成型過(guò)程中不發(fā)生分解的現(xiàn)象，預(yù)防失效。

圖7是塑件中氣孔的分布，在設(shè)計(jì)模具時(shí)，要注意氣孔所在的位置，如果在成型時(shí)塑件中存在氣泡，就容易使得氣體發(fā)生膨脹并產(chǎn)生縮孔，使得塑件表面凹凸不平，影響使用。產(chǎn)生氣孔的原因有：塑件中有水分，充填時(shí)水分被氣化；排氣不良，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意排氣系統(tǒng)應(yīng)在塑件最后充填的位置；模溫低，來(lái)不及充填就發(fā)生結(jié)晶，應(yīng)減少氣孔的尺寸以保證塑件的完整性，所以在注射前一定要對(duì)ABS進(jìn)行烘干、檢驗(yàn)色澤等工序。

圖6 剪切速率

圖7 塑件中的氣孔分布

圖8 塑件的熔接痕位置

塑件的熔接痕位置以及成型時(shí)的溫度對(duì)塑件質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，熔接痕可能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)問(wèn)題，同時(shí)使得零件不合格。然而由于某些塑件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，熔接痕的存在是不可避免的，因此需要注意成型時(shí)的工藝條件以及熔接痕存在的位置（如圖8所示），以確保熔接痕也有很好的力學(xué)性能，這受到成型時(shí)熔接痕處溫度的影響，由熔體前端溫度可知熔接痕處的溫度為248℃，在成型時(shí)對(duì)塑件的力學(xué)性能影響很小。

注塑模具冷卻系統(tǒng)對(duì)于提高模具的設(shè)計(jì)制造水平和制品的質(zhì)量是非常重要的[5]。從圖9塑件的冷卻系統(tǒng)分析結(jié)果中可以看出，冷卻介質(zhì)的最低溫度為49.6℃，最高溫度為50.48℃，溫度差為0.88℃，小于一般冷卻系統(tǒng)要求的溫度差5℃的要求，從而使得塑料達(dá)到均勻冷卻，不會(huì)在塑件內(nèi)部產(chǎn)生較大應(yīng)力，保證其性能。冷卻后塑件上、下表面溫度為61.02℃～71.28℃以及63.33℃～78.76℃，使得塑件在推出時(shí)不發(fā)生變形。

翹曲變形是影響塑料件質(zhì)量的主要因素[6～7]，本次實(shí)驗(yàn)以翹曲值為考核目標(biāo)。產(chǎn)生翹曲變形的原因有冷卻不均勻、收縮不均勻和分子取向不一致等，其直接原因在于塑料件的不均勻收縮。塑件總變形量為4.914mm，其中X方向?yàn)?.286mm，Y方向?yàn)?.351mm，Z軸方向?yàn)?.704mm，相對(duì)塑件自身而言變形較小，保持其特有的形態(tài)。在制品的下表面增加加強(qiáng)筋后，對(duì)防止制品變形的效果會(huì)更好。

3 結(jié)論

圖9 冷卻系統(tǒng)溫度分布

圖10 塑件的總變形

通過(guò)對(duì)ABS支架塑件進(jìn)行MPI數(shù)值模擬分析，針對(duì)塑件的結(jié)構(gòu)工藝性建立相應(yīng)的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)分析了熔體前沿溫度、剪切速率、塑件的上、下表面溫度、冷卻系統(tǒng)溫度分布和塑件的總變形等，得到塑件流道平衡狀況評(píng)估，制品縮痕與氣穴提示，熔接痕分布狀況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)成型制品進(jìn)行理論上的預(yù)測(cè)和把握，大大提高模具設(shè)計(jì)效率，增強(qiáng)模具設(shè)計(jì)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]J. Liu. Application of Moldflow technology in buckling analysis of plastic part[J]. Mould Industry, 2008, 33(2),6-10.

[2]H. Ahmad, Z. Leman. Optimization of Warpage Defect in Injection Moulding Process using ABS Material[J]. Third Asia International Conference on Modelling & Simulation,2007: 1271 -1278.

[3]Chiaming Yen, J.C. Lin, Wujeng Li, and M.F.Huang,2006. An adductive neural network approach to the design of runner dimensions for theminimization of warpage in injection mouldings[J]. Journal of Materials Processing Technology 174, 2006:22-28.

[4]Mustafa Kurt, Yusuf Kaynak, Omer S. Kamber. Influence of molding conditions on the shrinkage and roundness of injection molded parts[J]. Manuf Technol, 2010, 46: 571-578.

[5]王義, 劉泓濱. Moldflow在注塑模冷卻系統(tǒng)分析中的應(yīng)用[J]. 塑料工業(yè), 2010, 4: 85-88.

[6]段賢勇, 何順榮. 基于Moldflow/MPI的UPS電源殼體注塑成型分析[J]. 塑料科技, 2011, 3: 67-70.

[7]吳真繁, 孫寶壽, 陳哲. 基于Moldflow的注塑件翹曲優(yōu)化及影響因素分析[J]. 輕工機(jī)械, 2009, 12: 5-10.