基于Moldflow的型腔數(shù)量及澆口位置對變形的影響分析

□ 耿海珍 □ 賈林玲

江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電技術(shù)系 廣東江門 529090

基于Moldflow的型腔數(shù)量及澆口位置對變形的影響分析

□ 耿海珍 □ 賈林玲

江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電技術(shù)系 廣東江門 529090

翹曲變形是注塑件的主要缺陷，影響注塑件的精度、裝配性能和使用性能，是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)。澆口位置對塑件成型的翹曲變形影響很大，基于Moldflow軟件，采用側(cè)澆口一模四腔、側(cè)澆口一模兩腔、潛伏型澆口一模兩腔三種注射方案，對與零件尺寸精度密切相關(guān)的總變形量進行有限元分析，從而確定塑件的最佳注塑方案。利用研究結(jié)果，可以有效縮短模具開發(fā)周期，減少修模次數(shù)，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

注塑成型 翹曲變形 澆口 Moldflow

塑料成型是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重要手段之一，收縮是注塑成型過程中不可避免的一種物理現(xiàn)象，成型收縮不均勻所引起的翹曲變形是塑料制品常見的質(zhì)量缺陷之一［1］，它不僅與材料特性有關(guān)，還與塑件結(jié)構(gòu)、模具設(shè)計及成型工藝有關(guān)［2］。翹曲變形不僅影響注塑件的精度和裝配性能，同時對制品的外觀質(zhì)量和使用性能也有一定的影響［3］，是注塑制品很棘手的問題。翹曲變形作為衡量產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，受到了廣泛的關(guān)注和重視。

塑件結(jié)構(gòu)和材料確定后，模具設(shè)計的核心及重要環(huán)節(jié)就是確定型腔數(shù)量和澆口位置。澆口是充填時熔體流動和保壓時壓力傳遞的必經(jīng)通道，直接影響塑料熔體流動的平衡、聚合物分子和纖維的取向、填充結(jié)束時制品的體積收縮和尺寸的穩(wěn)定性，對塑件成型的翹曲變形影響很大［4-7］。

本文利用Moldflow軟件，對典型薄壁面殼塑件進行注塑成型模擬分析，研究型腔數(shù)量及澆口位置對塑件總變形量的影響，對與零件尺寸精度密切相關(guān)的翹曲情況進行有效預(yù)測，提高一次試模的成功率，縮短模具開發(fā)周期，減少修模次數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，最終達到降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率的目的。

1 塑件成型工藝性分析

相機前蓋是一種比較典型的薄壁面殼零件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。外形尺寸為90 mm×65 mm×25 mm，產(chǎn)品周邊位置處壁厚為2 mm，側(cè)面有圓孔，3級精度，由塑件的尺寸公差表（SJ/TI10628-1995）可知，其長度方向的尺寸公差值為0.3 mm，大規(guī)模生產(chǎn)，材料選用Novodur

P2MC ABS。

▲圖1 零件結(jié)構(gòu)圖

2 塑件的網(wǎng)格劃分

2.1 模型的簡化

模型的簡化是通過Moldflow cad doctor軟件完成的。在進行Moldflow分析之前，需對產(chǎn)品模型進行必要的簡化和合理的修改。因為分析能否順利進行、分析結(jié)果是否可靠，都和產(chǎn)品的網(wǎng)格模型有著直接的關(guān)系，而網(wǎng)格模型是在產(chǎn)品的3D模型上直接生成的。產(chǎn)品網(wǎng)格模型是由大量具有公用邊的三角形單元組成，細(xì)小、細(xì)微結(jié)構(gòu)必然導(dǎo)致三角形單元的激增和網(wǎng)格質(zhì)量的下降，因此，對于較復(fù)雜的3D模型，在進行網(wǎng)格劃分之前一般都需要進行簡化。模型的簡化應(yīng)遵守的原則是：盡量減少過小的倒角；去除對分析結(jié)果影響不大的細(xì)小、細(xì)微結(jié)構(gòu)；在不影響分析結(jié)果的前提下，盡量保證面與面之間的棱線過渡，盡量避免小圓角過渡。

2.2 產(chǎn)品導(dǎo)入與網(wǎng)格劃分

將簡化的模型以 Fusion的網(wǎng)格形式導(dǎo)入Moldflow，對導(dǎo)入的產(chǎn)品進行網(wǎng)格劃分和修復(fù)。其劃分的最終結(jié)果應(yīng)保證以下基本條件：自由邊、非交疊邊、定向錯誤的單元數(shù)、相互交叉的單元數(shù)、完全重疊的單元數(shù)的值都為零。三角形最大縱橫比的值應(yīng)保持在6到8之間，最大值不應(yīng)超過20。網(wǎng)格的匹配率則應(yīng)保持在90%以上，以便能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。對劃分網(wǎng)格的統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 網(wǎng)格修復(fù)后的統(tǒng)計結(jié)果

3 注塑成型過程模擬分析

成型高精度塑件時，模腔不宜過多，通常不超過四腔，且必須采用平衡布置分流道的方式［8-10］。此塑件為3級精度，其長度尺寸方向的最大公差不得超過0.3 mm，屬高精度工件，考慮到此件為大批量生產(chǎn)，為提高生產(chǎn)效率，降低成本，可預(yù)先采取一模四腔的平衡式注塑方式。

由文獻［11］分析得出，最佳澆口位置位于塑件的中心。在綜合最佳澆口位置的分析結(jié)果與產(chǎn)品要求的情況下，筆者提出兩種可行的澆口形式：位于工件側(cè)面的側(cè)澆口以及位于中心位置下表面的潛伏型澆口。

3.1 采用側(cè)澆口時產(chǎn)品成型過程模擬分析

該零件的表面要求光潔，而點澆口的澆口較小，長度很短，脫模后塑件上的澆口痕跡也不明顯，因而采用側(cè)澆口時也不需要再修正澆口痕跡。因此澆口采用直接側(cè)澆口形式，方便零件的后續(xù)清理。

3.1.1 一模四腔矩形平衡式布局

型腔排列方式及塑件總變形量的分析結(jié)果如圖2所示，由圖中可知，產(chǎn)品拐角處單邊產(chǎn)生的最大變形為0.7 mm左右，此結(jié)果嚴(yán)重超過了產(chǎn)品要求0.3 mm的公差值，根本無法生產(chǎn)出滿足要求的合格產(chǎn)品。產(chǎn)生次品的主要原因是產(chǎn)品變形嚴(yán)重超差、變形不均勻無法裝配等。

通過對其初始流動分析可知，由于型腔布置的不對稱，使分流道內(nèi)的熔體注入4個型腔時產(chǎn)生不同的注射時間，這對高精度塑件的生產(chǎn)是嚴(yán)重不利的。此方案雖然能在大規(guī)模生產(chǎn)的形勢下，很大程度地提高生產(chǎn)率，但由于型腔布置方式嚴(yán)重的不對稱，由此產(chǎn)生的注射過程的不平衡，會引起產(chǎn)品成型后尺寸與性能不穩(wěn)定。另外，由于產(chǎn)品在開模過程中需要側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)，此型腔布置方式會大大提高模具的制造成本，降低塑件的成型質(zhì)量，這對于大批量高精度塑件的生產(chǎn)及裝配都是不允許出現(xiàn)的。從塑件的精度要求及生產(chǎn)類型綜合考慮，宜改用一模兩腔對稱布置的產(chǎn)品生產(chǎn)方式。

▲圖2 側(cè)澆口一模四腔模擬分析

3.1.2 一模兩腔對稱布局

其型腔排列方式及塑件總變形量的分析結(jié)果如圖

3所示，從圖3（b）明顯看出，在改變型腔數(shù)量及排列方式而其它成型參數(shù)不改變的情況下，塑件的變形分布及其總變形量得到了很大程度的改善。最大翹曲變形的位置為塑件兩周邊薄壁處及拐角處，其最大值為0.096 4 mm，滿足產(chǎn)品長度方向尺寸公差為0.3 mm的要求。

通過對其流動性分析可知，由于型腔布置的對稱性，使分流道內(nèi)的熔體注入2個型腔時注射時間的差別有了很大程度的改善，從而基本上保證了注射過程的平衡，有效降低了塑件的翹曲變形，穩(wěn)定了產(chǎn)品成型后的尺寸與性能。

3.2 采用潛伏型澆口時產(chǎn)品成型過程模擬分析

由于位于中心位置下表面的潛伏型澆口能很好地滿足產(chǎn)品的外觀要求，并能與軟件分析的最佳澆口位置重合，在此采用潛伏型澆口一模兩腔進行分析研究。型腔排列方式及塑件總變形的分析結(jié)果如圖4所示。

由圖4（b）可知，最大翹曲變形的位置在一個周邊及其它3個周邊的3個點處，其變形量分別為0.09 mm、0.057 7 mm、0.050 4 mm和0.045 1 mm，同樣滿足產(chǎn)品長度方向尺寸公差為0.3 mm的要求。

對比圖3（b）和圖4（b）的分析結(jié)果，塑件的最大變形量均滿足公差要求，但從產(chǎn)品變形分布的角度看，潛伏型澆口一模兩腔的注射方案更合理，產(chǎn)品變形的分布明顯優(yōu)于側(cè)澆口。其主要原因是由于采用側(cè)澆口進行填充時，澆口位置的不對稱，導(dǎo)致了型腔對稱位置處的填充時間、冷卻時間及保壓情況有所不同，因此會使產(chǎn)品在收縮冷卻過程中產(chǎn)生差別，嚴(yán)重時會產(chǎn)生明顯的翹曲變形，這對外觀要求較高的高精密塑件的生產(chǎn)是不利的。

▲圖3 側(cè)澆口一模兩腔模擬分析

▲圖4 潛伏型澆口一模兩腔模擬分析

4 結(jié)論

基于確定的模具型腔布置和澆口形式，利用Modlflow軟件對與零件尺寸精度密切相關(guān)的“塑件總變形量”進行了有限元分析。綜合上述分析結(jié)果，采用一模兩腔側(cè)澆口和一模兩腔潛伏型澆口的注射方案，塑件的最大變形量均滿足公差要求，但一模兩腔潛伏型澆口的注射方案，塑件變形的分布優(yōu)于測澆口。

必須指出的是，由于現(xiàn)實的生產(chǎn)過程中存在著眾多不確定的因素，以及在有限元分析過程中所做的簡化處理，使分析結(jié)果與實際生產(chǎn)存在一定的差異。因此在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，在充分運用CAE軟件的同時，還要結(jié)合實際生產(chǎn)條件對分析結(jié)果進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使其與實際情況更加吻合。

［1］錢欣，金楊福.塑料注射制品缺陷與CAE分析［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［2］尤芳怡，戴秋蓮，劉晶峰.Moldflow輔助殼形注塑件變形分析及其加強筋的優(yōu)化設(shè)計 ［J］.華僑大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版），2013，34（4）：376-379.

［3］郭志英，梁書云，張宜生，等.聚苯乙烯平板翹曲變形的實驗研究［J］.中國塑料，2000（10）：43-47.

［4］呂長友，于同敏.澆口設(shè)計對塑件收縮規(guī)律影響的數(shù)值模擬［J］.塑料科技，2008，36（8）：68-72.

［5］梅益，汪?？?，肖石霞，等.復(fù)雜注塑零件翹曲最優(yōu)化控制方法研究及應(yīng)用［J］.塑料工業(yè)，2013，41（5）：52-54.

［6］桂和利，芮春燕.基于Moldflow的汽車電器支架塑料件澆口優(yōu)化設(shè)計［J］.輕工科技，2014（7）：117-118.

［7］苗瑞，宋桂珍，亓秀梅.基于模流分析的注塑模澆口優(yōu)化設(shè)計［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報，2013，44（4）：457-460.

［8］吳夢陵，張瓏，孔凡新，等.一模多腔平衡式注塑模具結(jié)構(gòu)充填流動不平衡現(xiàn)象［J］.塑料，2014，43（2）：110-113.

［9］劉彥國，嚴(yán)慧萍.注塑成型模腔數(shù)量的擇優(yōu)確定［J］.電加工與模具，2006（4）：46-49.

［10］屈華昌.塑料成型工藝與模具設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［11］耿海珍，任莉新，楊俊茹.基于MPI的相機前蓋注塑成型工藝優(yōu)化設(shè)計［J］.機械設(shè)計與研究，2013，29（6）：59-62.

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TH162；TQ320

A

1000-4998（2015）06-0076-03

2015年2月