雙色注塑成型工藝及模擬分析

【摘 要】本文闡述雙色注塑成型的機(jī)構(gòu)原理和工藝過(guò)程，包括非旋轉(zhuǎn)模具式結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)模具式結(jié)構(gòu)，然后分析了注塑流動(dòng)成形模擬技術(shù)中的中面流技術(shù)、雙面流技術(shù)和實(shí)體流技術(shù)三個(gè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，從根本上了解了整個(gè)注塑過(guò)程的模擬分析方法。

【關(guān)鍵詞】雙色注塑成型，工藝，過(guò)程模擬

一、引言

與普通注塑相比，雙色注塑的成型原理和過(guò)程更加復(fù)雜，模具結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，技術(shù)含量更高，但可以大幅度提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，保證塑件良好的質(zhì)量。由于雙色注塑技術(shù)在成形過(guò)程中受到的影響因素更加繁多復(fù)雜，涉及到第一次注塑和第二次注塑中兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)和不同材料的共同分析，所以針對(duì)雙色注塑的模擬分析還比較少。本文針對(duì)雙色注塑成型原理與工藝過(guò)程，分析了中面流技術(shù)、雙面流技術(shù)和實(shí)體流技術(shù)三個(gè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

二、 雙色注塑成型原理與工藝過(guò)程

常用的雙色注塑成型方法按照模具結(jié)構(gòu)大體可分為兩種，一種是非旋轉(zhuǎn)模具式，另一種是旋轉(zhuǎn)模具式。前者又可細(xì)分成兩類：后退型芯式和蹺蹺板式。后退型芯式雙色注塑注射原理如圖1所示。型芯1由液壓裝置控制，可以上下運(yùn)動(dòng)。閉模后，型芯1處于上部位置，與定模板緊密貼合，第一次注塑材料首先充滿大型腔；經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的保壓冷卻后，活動(dòng)型芯1后退，形成一個(gè)新的小型腔，然后第二次注塑材料再進(jìn)行填充，最后得到雙組份塑件。后退型芯式雙色注塑模具具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小、對(duì)設(shè)備要求較低的特點(diǎn)。

在后退型芯式的基礎(chǔ)上又發(fā)展出了蹺蹺板式結(jié)構(gòu)。蹺蹺板式的工作原理是將靠破針的頂部加工出和第二次注塑部分相同的形狀，作為型芯的一部分。當(dāng)?shù)谝淮巫⑺軙r(shí)，靠破針在蹺蹺板的作用下往上運(yùn)動(dòng)，在第一次注塑的產(chǎn)品中占據(jù)和第二次注塑部分形狀相同的位置；第二次注塑時(shí)，靠破針在蹺蹺板的作用下往下運(yùn)動(dòng)，讓出相應(yīng)的型腔孔，使得二次料能夠流入并封閉該區(qū)域，最終完成雙色注塑。蹺蹺板結(jié)構(gòu)主要用在鍵盤、按鍵或開(kāi)關(guān)上雙色數(shù)字、字母、提醒標(biāo)志等的注塑成型。

旋轉(zhuǎn)模具式雙色注塑注射原理如圖3所示，模具的定、動(dòng)模板分別安裝在注塑機(jī)定模固定板和可旋轉(zhuǎn)的動(dòng)模固定板上，一副模具的兩個(gè)型腔或兩副模具按1800排列。模具合模后，熔融塑料首先注塑充滿小型腔1，待熔體冷卻固化成一定形狀后開(kāi)模，塑件留在動(dòng)模，隨動(dòng)模固定板旋轉(zhuǎn)1800，然后再閉模進(jìn)行第二次大型腔2的注塑，再次開(kāi)模后即完成雙色塑件的注塑。

除了這些常見(jiàn)情況外，有時(shí)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)要求兩個(gè)公模結(jié)構(gòu)有所不同，則需要應(yīng)用脫板旋轉(zhuǎn)式模具結(jié)構(gòu)（也叫中板模結(jié)構(gòu)）。其工作原理是：注塑機(jī)在完成一次注塑后，兩幅公模不動(dòng)，模具的中心旋轉(zhuǎn)軸先把脫板頂出，然后使脫板旋轉(zhuǎn)180°，脫板回落后再進(jìn)行二次成型。這樣，公模的一二次部位可以做成不同的形狀，完成相應(yīng)塑件的雙色注塑成型。

三、注塑流動(dòng)成形模擬技術(shù)

注塑成型流動(dòng)模擬技術(shù)利用上一節(jié)所述的方法，在模流分析軟件中模擬熔融塑料在模具澆注系統(tǒng)以及模具型腔中的充填流動(dòng)以及保壓冷卻過(guò)程，計(jì)算出澆注系統(tǒng)及模具型腔中的塑件在不同狀態(tài)、不同位置和時(shí)間點(diǎn)的壓力、溫度、速度、剪切應(yīng)變速率和剪切應(yīng)力的分布，最后用圖表、云紋圖和等值線圖的方式將分析結(jié)果直觀地顯現(xiàn)在軟件窗口上。注塑成型流動(dòng)模擬技術(shù)發(fā)展至今，先后歷經(jīng)了中面流技術(shù)、雙面流技術(shù)和實(shí)體流技術(shù)三個(gè)重要階段。

（1）中面流技術(shù)

所謂中面是指位于模具型芯面和型腔面中間的層面，一般需要用戶自己提取?；谥忻媪骷夹g(shù)的模流分析軟件的數(shù)值方法都是基于中面進(jìn)行的，主要包括有限元法、有限差分法和控制體積法。中面流技術(shù)在模擬運(yùn)算中具有算法簡(jiǎn)單、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也很明顯，主要有：

①用戶必須手動(dòng)構(gòu)造出中面模型，對(duì)于一些復(fù)雜的模型往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力，甚至不可能完成。

②注塑產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，難易不一，雖然許多CAD軟件可以自動(dòng)由產(chǎn)品模型直接生成中面模型，但大都成功率不高，效果不好。

③CAE階段抽取的中面模型與CAD階段使用的產(chǎn)品模型不統(tǒng)一，需要二次建模，而采用中面流技術(shù)的注塑成型流動(dòng)分析軟件的造型功能又都較差，操作困難難以達(dá)到理想的要求。

④中面流技術(shù)由于只是抽取了注塑零件中間平均厚度的一個(gè)面來(lái)運(yùn)行分析計(jì)算，忽略了塑料熔體在厚度上各因素的影響，造成分析精度不高。因此中面流技術(shù)適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形狀規(guī)則、壁厚均勻的塑料塑件分析，在實(shí)際的應(yīng)用中具有較大的局限性。

（2）雙面流技術(shù)

雙面流技術(shù)是指將模具型腔或塑件在厚度方向上分成上下兩部分，在型腔或塑件的表面劃分有限元網(wǎng)格，使其在流動(dòng)過(guò)程中塑料熔體在上下兩表面的流動(dòng)保持同時(shí)與協(xié)調(diào)。

雙面流技術(shù)所應(yīng)用的原理與方法在本質(zhì)上與中面流技術(shù)是相同的，只不過(guò)雙面流技術(shù)通過(guò)相應(yīng)的算法，將中面流技術(shù)中的單股熔體流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檠啬Ｐ蜕舷卤砻鎱f(xié)調(diào)流動(dòng)的雙股熔體流動(dòng)。雙面流技術(shù)在模擬過(guò)程中計(jì)算了每一流動(dòng)前沿沿厚度方向的物理量，與中面流技術(shù)相比具有更高的分析精度。目前雙面流技術(shù)的難點(diǎn)在于上下表面處的劃分的網(wǎng)格在形狀、方位與大小方面都不能做到上下完全匹配，使模擬的上下表面的熔體流動(dòng)前沿存在一定的差別，對(duì)分析精度有一定的影響。而且雙面流分析中，僅考慮了熔體沿上下表面的流動(dòng)，忽略了在厚度方向上的流動(dòng)，導(dǎo)致分析數(shù)據(jù)不完整，與實(shí)際情況存在一定的差異。

（3）實(shí)體流技術(shù)

實(shí)體流技術(shù)與中面流技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理也是相同的，但它們的數(shù)值分析方法并不相同。在中面流技術(shù)中，一般塑件的厚度遠(yuǎn)小于熔體流動(dòng)方向的尺寸，因此可以忽略熔體壓力沿厚度方向的變化，忽略熔體速度在厚度方向的分量，將熔體的充填流動(dòng)當(dāng)做擴(kuò)展層流。經(jīng)過(guò)這樣的簡(jiǎn)化，可以使用二維有限元法求解流動(dòng)方向的壓力與溫度等各待求量，用一維有限差分法求解厚度方向的各待求量和時(shí)間變量等。兩種方法交替進(jìn)行，最終完成整個(gè)求解過(guò)程。在實(shí)體流技術(shù)中，采用立體網(wǎng)格進(jìn)行實(shí)體劃分，熔體在厚度方向的速度分量以及壓力在厚度方向的變化都不再被忽略，利用三維有限元法或三維有限差分法模擬分析熔體的充填流動(dòng)。與中面流和雙面流技術(shù)相比，使用實(shí)體流技術(shù)的模流分析軟件可以進(jìn)行更符合實(shí)際情況的模擬，提供精度更高的分析結(jié)果。但其缺點(diǎn)也很明顯，即計(jì)算數(shù)據(jù)量巨大、計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，與高質(zhì)量、低成本和短周期的虛擬制造宗旨相悖，大大限制了其應(yīng)用。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及模擬算法的不斷優(yōu)化，相信實(shí)體流技術(shù)會(huì)逐漸成為注塑流動(dòng)模擬分析的主流技術(shù)。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著人們對(duì)注塑塑件質(zhì)量要求的提高，以及注塑機(jī)械工業(yè)和自動(dòng)控制技術(shù)水平的發(fā)展，雙色注射的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是對(duì)雙色注塑成型工藝的模擬分析還沒(méi)有很完全的理論指導(dǎo)，本文對(duì)雙色注塑成型工藝和模擬方法進(jìn)行分析，可以對(duì)以后相關(guān)的模擬提供很好的借鑒。

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