基于CAE技術(shù)的薄壁膠件的模具分析與工藝優(yōu)化

王雄才，陳國(guó)挺，甘國(guó)平

0 引言

隨著CAE從理論研究到實(shí)際應(yīng)用都取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，模擬仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于模具工業(yè)中。CAE技術(shù)能夠在實(shí)際注塑前模擬注塑成型時(shí)塑料熔體在模具型腔中的充填及冷卻情況，在模具制造之前就能夠發(fā)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)中存在的不足，以便采取有效的處理方法。CAE的模擬分析技術(shù)逐漸代替了傳統(tǒng)注塑工藝及注塑模具設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)反復(fù)調(diào)機(jī)、試模、修模來(lái)改善設(shè)計(jì)方案的做法。使得工程技術(shù)人員能夠在模具制造前預(yù)測(cè)制件的成型質(zhì)量及工藝參數(shù)，提高了模具設(shè)計(jì)效率及質(zhì)量，縮短模具生產(chǎn)周期。本文利用CAE軟件Moldflow并結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)背光模組的薄壁膠框進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)了制件可能產(chǎn)生的質(zhì)量問(wèn)題，分析了質(zhì)量問(wèn)題的影響因素，同時(shí)對(duì)注塑工藝進(jìn)行優(yōu)化，得到較為合理的工藝參數(shù)組合。

1 CAE理論模型

熔融膠體在模具型腔中的流動(dòng)被視為廣義

Hele-Shaw流動(dòng)，其流動(dòng)控制方程為[1]：

連續(xù)性方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

能量方程：

2 成形工藝

注塑成型過(guò)程是熔融態(tài)的材料經(jīng)澆道、流道、澆口，最后充滿整個(gè)模穴的過(guò)程。一般注塑件的注塑成型過(guò)程可分為填充、保壓、冷卻與頂出四個(gè)階段。填充是注塑過(guò)程的第一步，熔融態(tài)材料在這一階段充填模具型腔。注塑壓力與注塑時(shí)間是影響填充階段的重要因素，壓力的存在是為了克服熔體流動(dòng)過(guò)程中的阻力，以保證填充過(guò)程順利進(jìn)行。通常注塑時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于冷卻時(shí)間，大約為冷卻時(shí)間的1/10～1/15，雖然注塑時(shí)間對(duì)注塑成型周期的長(zhǎng)短影響很少，但對(duì)于薄壁注塑件而言，注塑時(shí)間的調(diào)整對(duì)于澆口、流道和型腔的壓力控制有著很大作用，因此，合理的注塑時(shí)間有助于熔體理想填充。

通常填充至模具型腔體積的95%以上時(shí)進(jìn)行速率/壓力切換進(jìn)入保壓階段，持續(xù)施加壓力至澆口冷凝封口為止，以補(bǔ)償塑料在模具型腔內(nèi)的收縮。在保壓階段，由于壓力相當(dāng)高，塑料呈現(xiàn)部分可壓縮特性。在壓力較高區(qū)域，塑料較為密實(shí)，密度較高；在壓力較低區(qū)域，塑料較為疏松，密度較低，因此造成密度分布隨位置及時(shí)間變化。保壓階段的主要工藝參數(shù)是保壓壓力與保壓時(shí)間。在高的保壓壓力下制品厚度變化更加均勻，即制品的最厚處與最薄處的差值最小，但過(guò)高的保壓壓力容易造成塑膠的殘余剪切應(yīng)力高及塑膠的壓應(yīng)力高，容易造成制件翹曲變形和脫模困難；保壓壓力太低，澆口附近容易發(fā)生熔體回流，不僅容易產(chǎn)生殘余剪切力，而且由于保壓壓力過(guò)小，填充進(jìn)入模具型腔中的熔體沒(méi)有被壓實(shí)，制件中心層的體積收縮率大于制件表面層的體積收縮率，形成制件的收縮率存在差異，容易產(chǎn)生翹曲。保壓時(shí)間太短，螺桿松退時(shí)澆口附近因熔體沒(méi)有冷凝而產(chǎn)生回流，導(dǎo)致殘余應(yīng)力大而容易產(chǎn)生翹曲變形；保壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)不僅浪費(fèi)能源，而且直接延長(zhǎng)了制件的生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)效率。

溫度是注塑件成型的一個(gè)重要影響因素，有效的溫度控制可以降低注塑件的殘余應(yīng)力，提高注塑件的尺寸精度以及改善注塑件的翹曲變形現(xiàn)象，提高注塑件的成型質(zhì)量，如圖1所示。模具的冷卻時(shí)間約占整個(gè)注射周期的三分之二以上，其長(zhǎng)短決定了注塑件的成型周期長(zhǎng)短，常見(jiàn)的冷卻裝置主要由溫度控制單元、泵、供水單元、軟管、水路機(jī)構(gòu)以及集水單元組成，其中，水路機(jī)構(gòu)是開(kāi)設(shè)在注射模內(nèi)部，其設(shè)計(jì)的正確性與合理性決定了模具設(shè)計(jì)的工藝性能[2]。

注塑件的頂出階段，是整個(gè)注塑過(guò)程的最后階段，也是對(duì)注塑件的質(zhì)量起到最后影響的一個(gè)階段。雖然注塑件已基本固化，但注塑件的不恰當(dāng)頂出，仍然容易引起產(chǎn)品變形，甚至因受力不均導(dǎo)致的裂紋等質(zhì)量問(wèn)題。因此，在進(jìn)行模具的頂出系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，產(chǎn)品的成型質(zhì)量為優(yōu)先考慮因素，要根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)確定頂出方式。

圖1 均勻冷卻與非均勻冷卻示意

3 最佳入澆位置分析

澆口是連接分流道與型腔之間的一段細(xì)短通道，是澆注系統(tǒng)中截面最小且最短的部分[3]。澆口的設(shè)計(jì)不合理，流阻將增大，相應(yīng)地要求提高射壓，塑膠分子被拉伸、壓擠，殘余應(yīng)力增大，另外，澆口附近壓力高，塑膠體積收縮率小，而在制件最后填充部位的壓力低，塑膠體積收縮率大，當(dāng)流長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)，這種體積收縮率差異以及殘余應(yīng)力都較大，容易導(dǎo)致制件產(chǎn)生翹曲變形，甚至開(kāi)裂。

利用Moldflow軟件并在軟件中對(duì)注塑過(guò)程的各成型工藝參數(shù)以及材料進(jìn)行設(shè)定，分析如圖2所示的薄壁膠框的最佳入澆位置。根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征，選擇多澆口位置分析，模擬分析的流動(dòng)阻抗結(jié)果見(jiàn)圖2。通過(guò)CAE分析，可以預(yù)測(cè)產(chǎn)品的入澆情況，提高了模具的澆口位置設(shè)計(jì)的合理性。

4 冷卻分析

圖2 多澆口分析

圖3 分析模型及水路排布

冷卻水路的設(shè)計(jì)要以均勻冷卻和有效冷卻為目標(biāo)，已實(shí)現(xiàn)保證制件質(zhì)量的同時(shí)提高生產(chǎn)效率。借助專(zhuān)業(yè)的模流分析軟件Moldflow的冷卻分析模塊，可以方便地進(jìn)行水路設(shè)計(jì)以及冷卻效果分析，本文分析實(shí)例的分析模型及冷卻水路排布如圖3所示。根據(jù)分析所得的結(jié)果進(jìn)一步地對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行修改，進(jìn)而得到一個(gè)合理的冷卻水路。從而有效地避免因冷卻不勻而引起的制件質(zhì)量問(wèn)題，提高模具設(shè)計(jì)效率。模擬分析所得制件的成型冷卻效果如圖4所示，由圖4可看出制件冷卻效果均勻。

圖4 制件冷卻效果

5 工藝參數(shù)分析

工藝參數(shù)設(shè)置的合理性直接影響制件的成型質(zhì)量。本文以一薄壁膠框注塑件為例，利用Moldflow模擬仿真技術(shù)，結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)方法，以注塑壓力、注塑時(shí)間、保壓壓力（注射壓力的百分比）、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間為因素，以制件的翹曲變形量為觀察目標(biāo)值制定L16(45)正交實(shí)驗(yàn)表，并進(jìn)行極差數(shù)值分析。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及極差分析結(jié)果如表1所示。

由正交極差分析可得本次實(shí)驗(yàn)的最佳工藝參數(shù)組合是：注塑壓力350 MPa，注塑時(shí)間為0.3 s，保壓壓力為注塑壓力的80%，保壓時(shí)間為2 s，冷卻時(shí)間為13 s。本次分析各因素中，保壓壓力對(duì)制件的翹曲變形量影響最大，其次是注塑時(shí)間。各注塑工藝參數(shù)對(duì)制件的翹曲變形量影響如圖5所示。

本次正交實(shí)驗(yàn)的熔膠溫度為310℃，模具溫度為100℃，試驗(yàn)材料為PC料，開(kāi)模時(shí)間設(shè)定為5 s。根據(jù)圖5的各工藝參數(shù)對(duì)制件翹曲變形量的影響效應(yīng)圖所示，結(jié)合表1可得知：（1） 在所設(shè)定的4個(gè)注塑壓力范圍內(nèi)，翹曲變形量隨著注塑壓力的增加，先升后降；（2）在所設(shè)定的4個(gè)注塑時(shí)間范圍內(nèi)，翹曲變形量隨著注塑時(shí)間的增加而分段下降，在0.15 s至0.25 s時(shí)間范圍內(nèi)下降率較大，在0.25 s至0.30 s時(shí)間范圍內(nèi)下降率較小。這里因?yàn)楫?dāng)注塑件的體積相同，注塑時(shí)間與注射速率成反比，注射時(shí)間越短，熔體剪切力越大，收縮率也越大[4]；（3）在所設(shè)置的保壓壓力范圍內(nèi)，隨著保壓壓力的上升，制件的翹曲變形量下降，這是因?yàn)楸簤毫υ酱?，?duì)模具型腔內(nèi)的熔融膠體的壓力越大，因此，制件的收縮補(bǔ)償越好；（4）在設(shè)定的保壓時(shí)間范圍內(nèi)，隨著保壓時(shí)間的延長(zhǎng)，制件的翹曲變形量呈先下降后上升的走勢(shì)，這里因?yàn)楸簳r(shí)間過(guò)長(zhǎng)，制件內(nèi)部應(yīng)力增大，容易變形，保壓壓力過(guò)大容易造成注塑件頂出時(shí)殘余應(yīng)力增大，容易造成變形甚至開(kāi)裂[5]，保壓時(shí)間過(guò)短則保壓不充分，過(guò)長(zhǎng)容易產(chǎn)生應(yīng)力的增大甚至產(chǎn)生應(yīng)力開(kāi)裂；（5）制件的翹曲變形量隨著冷卻時(shí)間的增加先下降后有所上升，坡度變化不大。

表1 正交分析表格

圖5 工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形量的影響

綜上所述，結(jié)合圖5的效應(yīng)結(jié)果與表1的極差分析結(jié)果可知，5個(gè)工藝參數(shù)對(duì)制件翹曲變形量的影響程度主次順序?yàn)椋罕簤毫Γ咀⑺軙r(shí)間＞注塑壓力＞保壓時(shí)間＞冷卻時(shí)間。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及極差分析所得的最佳工藝參數(shù)組合再次進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如圖6所示，由圖6可得制件的翹曲比正交實(shí)驗(yàn)水平最大改善率達(dá)78.1%。

圖6 最佳工藝參數(shù)組合的翹曲變形量

根據(jù)CAE分析得出的澆口優(yōu)化方案及水路排布設(shè)計(jì)的模具如圖6所示?？紤]經(jīng)濟(jì)效率因素，采用一模兩穴。同時(shí)采用正交試驗(yàn)所得到的最佳工藝參數(shù)組合進(jìn)行實(shí)際注射成型。通過(guò)多次調(diào)試后，上述工藝參數(shù)組合能夠滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)及生產(chǎn)質(zhì)量要求，并且已經(jīng)投入量產(chǎn)。實(shí)際注塑件如圖7所示。產(chǎn)品如圖8所示。

圖7 模具設(shè)計(jì)圖

6 結(jié)論

通過(guò)CAE技術(shù)模擬分析得到制件的最佳澆口位置以及冷卻水路的冷卻效果。利用Moldflow模擬分析技術(shù)，結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)方法，不僅可以得出對(duì)制件的翹曲變形量各影響因素的主次順序，還可以得到較為合理的工藝參數(shù)。有利于減少模具的調(diào)試次數(shù)，提高模具質(zhì)量的同時(shí)縮短了模具的生產(chǎn)周期，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)的同時(shí)降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

圖8 產(chǎn)品圖

［1］申長(zhǎng)雨.塑料模具計(jì)算機(jī)輔助工程［M］.鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，1998.

［2］汪立勝.注射模中冷卻水路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)［J］.模具制造，2005（8）：37-39.

［3］李金剛，韓紅青，黃能會(huì).注塑模具澆口設(shè)計(jì)簡(jiǎn)要分析［J］.塑料科技，2010，38（2）：82-84.

［4］巫少龍，樓白楊.微齒輪注射成型數(shù)值模擬及正交優(yōu)化［J］.工程塑料應(yīng)用，2011，39（2）：43-46.

［5］羅達(dá).免抽芯飲料瓶塑料防盜瓶蓋注塑模具設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程，2012（06）：662-664.