基于Moldflow與Ansys的碟片盒注塑模具結(jié)構(gòu)分析*

王謙，陳曉勇

(杭州科技職業(yè)技術(shù)學院，杭州 311402)

基于Moldflow與Ansys的碟片盒注塑模具結(jié)構(gòu)分析*

王謙，陳曉勇

(杭州科技職業(yè)技術(shù)學院，杭州 311402)

探討了注塑模具結(jié)構(gòu)分析的應(yīng)用流程與注意事項。以碟片盒注塑模具為例，借助Ansys軟件的結(jié)構(gòu)分析功能和Moldflow軟件的注射成型分析功能，完成了模具動模部分的結(jié)構(gòu)分析并得到了合理的支撐柱布置方案。研究結(jié)果表明，模具結(jié)構(gòu)分析中要遵循“定性分析為主，定量分析為輔”的原則。

結(jié)構(gòu)分析；模具變形；注塑模；Ansys；Moldflow

大型、復雜、精密注塑件成型時，如果模具變形量過大則會顯著影響注塑件的成型質(zhì)量。因此，將結(jié)構(gòu)分析軟件(如Ansys)和注塑分析軟件(如Moldflow)結(jié)合起來對此類注塑模具的結(jié)構(gòu)進行分析就顯得尤為必要。

相關(guān)研究成果很多，如陳志新等[1]利用Moldflow的分析結(jié)果作為Ansys分析模腔變形的邊界條件，研究了模具的變形情況。代麗等[2]在合理簡化注射模結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立了受力模型，并將注射成型CAE充模分析所得的熔體壓力場導入Ansys來計算模具的變形量，實現(xiàn)了注射成型CAE軟件與結(jié)構(gòu)分析軟件的集成。李慶等[3]在注塑模CAD／CAE集成系統(tǒng)中實現(xiàn)了模具結(jié)構(gòu)分析，避免了不同分析系統(tǒng)之間的模型轉(zhuǎn)換。宋滿倉等[4]將Moldflow的模擬分析結(jié)果導入有限元分析軟件中，定量分析了微流控芯片注射模鑲塊變形量，并結(jié)合注射成型試驗進行驗證。張繼祥等[5]以薄壁塑件為研究對象，將Moldflow模流分析工藝參數(shù)優(yōu)化與Ansys模具結(jié)構(gòu)分析綜合研究塑件翹曲變形，并進行工藝參數(shù)及冷卻方式的優(yōu)化。王新繼等[6]以洗手液瓶模具為例，采用Moldflow軟件模擬其注射成型過程，并將獲得的溫度和壓力結(jié)果導入Ansys 中來分析模具的應(yīng)力應(yīng)變狀況。

可見，CAE技術(shù)在注塑模具的設(shè)計中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用并取得了一系列研究成果。但現(xiàn)有的研究成果常以模具整體，或模板、型芯、型腔等個別零件作為研究對象，沒有結(jié)合生產(chǎn)實踐的需要來選取分析對象和確定分析模型。而研究內(nèi)容也偏重于模具結(jié)構(gòu)分析過程的介紹，對具體分析方法的應(yīng)用場合和注意事項等未作詳細的探討?？梢哉f，研究成果的實用性不足導致其無法有效應(yīng)用于生產(chǎn)實際，也影響了后續(xù)研究的持續(xù)開展。因此，有必要結(jié)合實例探討一下注塑模具結(jié)構(gòu)分析的應(yīng)用流程，為該方法在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用提供參考。

1　注塑模具結(jié)構(gòu)分析的應(yīng)用流程

1．1應(yīng)用場合的選擇

隨著模具零件加工技術(shù)的日新月異和生產(chǎn)實踐經(jīng)驗的不斷積累，注塑模具的生產(chǎn)質(zhì)量已經(jīng)得到了有效控制。一般的注塑模具均不需要進行較復雜的結(jié)構(gòu)分析。但符合以下兩個基本條件時應(yīng)考慮進行結(jié)構(gòu)分析：一是產(chǎn)品成型質(zhì)量要求較高，尤其是大型、薄壁、精密塑料制品的成型。注塑壓力和溫度的提高，注塑速度的加快，導致這類模具受力惡化，使模具產(chǎn)生較為嚴重的變形。二是外形尺寸為中等的模具(500 mm×500 mm左右)。多年的生產(chǎn)實踐表明，企業(yè)已形成了一整套經(jīng)驗做法，能有效控制太小或太大模具的變形，而介于過渡尺寸的模具卻容易產(chǎn)生意想不到的問題。

注塑模具一般由定模和動模兩大部分組成。動模中，由于動模板或支承板與推板之間移動空間的存在，客觀上造成了動模板變形加大。如果控制不當，則會導致分型面處產(chǎn)生溢料，形成飛邊。因此，應(yīng)對模具的動模部分進行結(jié)構(gòu)分析，而對定模部分的變形則一般不需要分析。

1．2評價標準的確定

注塑模具結(jié)構(gòu)分析的根本目的是驗證模具的剛度條件，即使模具成型零件的受力變形量不超過允許的最大變形量[7]。注塑模具允許的變形值受制于注塑成型過程中是否產(chǎn)生溢料、制品是否順利脫模和制品的尺寸精度能否達到工藝要求[8]。據(jù)此，模具的變形量可用以下三個指標來衡量：①模具分型面間最大允許間隙值小于所成型塑料的溢料間隙值。②型腔的允許變形量小于制品壁厚的收縮值。③型腔的允許變形量小于制品尺寸公差的1／4～1／5[9]。

一般情況下，型腔的變形量不會超過注塑件的收縮值，而現(xiàn)有的注塑模具設(shè)計準則和長期的實踐積累也已確保了模具型腔的設(shè)計質(zhì)量，型腔變形量超差情況很難發(fā)生。而實際生產(chǎn)中，分型面處變形過大導致產(chǎn)品產(chǎn)生飛邊的現(xiàn)象卻時有發(fā)生。因此，應(yīng)將所成型注塑件的溢料間隙值作為注塑模具結(jié)構(gòu)分析的評價標準。

1．3分析過程

(1)分析模型的合理簡化。

為了得到準確的分析結(jié)果，分析模型與實際模型越接近越好。但從提高模型網(wǎng)格劃分精度的角度看，則分析模型又要盡可能簡單?？梢?，如何恰當?shù)睾喕潜ＷC最終分析效果的關(guān)鍵步驟。

在工程實際問題中，分析對象往往會受到諸多因素的影響，如分析目的、承載情況等。因此，應(yīng)在確保分析結(jié)果的基礎(chǔ)上盡量簡化模型，即保留對結(jié)果影響較大的主體特征，刪除對結(jié)果影響較小的細小特征和細節(jié)特征[10–11]。保留重要的承力構(gòu)件如模板、鑲件等，而刪除諸如導柱導套、螺栓螺釘、推桿、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)格劃分精度是影響模型分析結(jié)果的另一重要因素。劃分網(wǎng)格時，合理的做法是先采用智能劃分方式劃分，然后采用網(wǎng)格細化方式再修改完善局部網(wǎng)格模型[12]。一般可參考能量范數(shù)形式的百分率誤差等參數(shù)來評價網(wǎng)格劃分的優(yōu)劣。

(2)邊界條件的確定與添加。

作為一個整體，動模部分被安裝在注塑機的移動模板上。成型時，動模部分受到三個面載荷的作用[12]，即動模座板所受的來自注塑機拉桿的鎖模力F鎖、分型面處的型芯(鑲件)表面所受到的型腔內(nèi)熔體的壓力F腔及分型面上其它表面所受到的接觸壓力F面。三者達到動平衡，即F鎖=F腔+F面。

由于熔體是在模具的密閉空間中參與成型的，因此其壓力數(shù)值較難確定。理論上，可以采用經(jīng)驗法、測量法和模擬法等三種方法來確定型腔壓力。經(jīng)驗法簡單實用，但不夠準確。采用測量儀器進行測量的測量法則比較科學，但測量過程過于繁雜，而實際的注塑情況又千變?nèi)f化，無法一一測量。因此，一般不被采用。模擬法則是采用注塑分析軟件(如Moldflow)通過模擬分析塑件的成型過程得到壓力數(shù)值，此法簡單易用，但結(jié)果也存在一定誤差。較為科學的做法是將經(jīng)驗法和模擬法有機結(jié)合起來。先采用Moldflow軟件進行分析初步得出塑件成型時型腔的最大壓力，再和經(jīng)驗法所取得的數(shù)值進行比較，取二者的較大值輸入Ansys軟件中進行分析。

壓力的計算比較簡單?？捎删唧w型號注塑機的最大鎖模力計算出動模座板上所承受的壓力F鎖，再結(jié)合型腔壓力F腔，通過計算即可得到分型面處其它表面的接觸壓力F面。

載荷的添加有自動輸入與手動輸入兩種方式。自動輸入時需通過適當程序?qū)oldflow的分析結(jié)果導入到Ansys軟件中。手動輸入可在軟件界面中通過菜單操作，將約束與載荷直接添加到模型上。從最終的分析效果來看，自動法比較準確，但手動法簡單適用，兩種方法各有所長。

1．4注意事項

(1)盡量在Ansys軟件中創(chuàng)建分析模型。理論上，Ansys軟件和其它軟件可以實現(xiàn)無縫對接，能直接導入在其它軟件中創(chuàng)建的分析模型。但實際操作時，轉(zhuǎn)換不同軟件的數(shù)據(jù)時常會出現(xiàn)意想不到的問題。

(2)合理添加壓力數(shù)值。不需要將型腔壓力值精確地傳輸?shù)紸nsys軟件中。恰當?shù)姆椒ㄊ侨∑渥畲笾?，再將模型中的承載表面進行合理分割，以小面中心區(qū)域壓力值作為均布壓力輸入到Ansys中[13]。

(3)恰當看待分析結(jié)果。任何分析軟件都是建立在一定的理論假設(shè)上的，其模擬結(jié)果均存在一定的局限性。故分析結(jié)果只能用于定性分析，不能用于定量分析。工程技術(shù)人員應(yīng)依據(jù)分析結(jié)果并結(jié)合實際生產(chǎn)情況來進行注塑模具的設(shè)計與制造。

2　實例分析

2．1產(chǎn)品及模具結(jié)構(gòu)簡介

圖1中左圖為碟片盒的3D模型，由盒蓋和盒底裝配而成；右圖為盒底模型，其中心部位分布有不規(guī)則的通孔和狹槽(僅0.6 mm寬)，周邊則分布有四個橢圓形花紋。該塑件大而薄，總體外形尺寸為142.20 mm×124.60 mm×10.00 mm，主體壁厚僅為1.2 mm。盒蓋和盒底連接部位存在用于相互配合的凸起和溝槽，盒底的中心部位則分布有用于裝夾碟片的不規(guī)則通孔和狹槽。該塑件為透明外觀件，采用通用聚苯乙烯(GPPS)塑料生產(chǎn)。產(chǎn)品表面質(zhì)量要求較高，不允許出現(xiàn)飛邊、毛刺、熔接痕等缺陷。

圖1　碟片盒

為保證產(chǎn)品成型質(zhì)量，考慮采用盒底和盒蓋同時成型的方法，一模四腔(兩底兩蓋)、對向側(cè)抽、點澆口、推桿推出。為防止頂穿塑件，沿塑件的周邊及盒底中心設(shè)置了多根推桿。設(shè)計完成的模具CAD模型的外形參數(shù)為700 mm×550 mm×499 mm，其中動(定)模板尺寸為600 mm×550 mm。

圖2為推出機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。左側(cè)的兩盒底部分，其中心布置有10根小推桿5，周邊則布置有15根扁推桿(6或7)。右側(cè)的兩盒蓋部分則沿周邊分別布置了13根扁推桿?？梢?，模具的推出機構(gòu)不對稱，這無疑給支撐柱的合理布置帶來了困難。此外，該塑件為透明外觀件，表面質(zhì)量要求較高，而模具外形也屬于中等尺寸模具，符合模具結(jié)構(gòu)分析的基本條件。為此，有必要引入Ansys軟件作模擬分析。

圖2　推出機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)過分析比較，最終選取了如圖2所示的平衡式支撐柱布置方案。即在每個盒蓋鑲件中心設(shè)置一個直徑為100 mm的大支撐柱12。而在每個盒底鑲件處設(shè)置兩個直徑為30 mm的小支撐柱8和一個直徑為50 mm的小支撐柱9。此外，還沿垂直中心軸線布置了三個直徑為80 mm的支撐柱，沿水平中心軸線布置了兩個直徑為70 mm的支撐柱。

2．2分析模型的確定與簡化

為便于Ansys軟件的分析，對模具動模部分的分析模型進行了適當簡化，保留了主體結(jié)構(gòu)，去除了螺栓、導柱、滑塊、澆道、冷卻水道等細節(jié)特征。圖3為最終得到的分析模型，頂部中間的四個方塊為簡化后的四個型芯鑲件。隨后，在Ansys軟件中選取單元類型為solid187，完成材料屬性等設(shè)置，并對分析模型進行網(wǎng)格化分。

圖3　動模分析模型

2．3注射成型分析

為獲得成型時型腔表面的最大壓力，決定采用Moldflow軟件進行注射成型模擬分析。先在Moldflow中構(gòu)建如圖4所示的分析模型并劃分好網(wǎng)格。然后，在軟件中選用牌號為Styron 615 APR的GPPS塑料為充填材料。設(shè)定注塑機的最大鎖模力為2 800 kN，最大注塑壓力為120 MPa，速度／壓力切換方式為“由90%充填體積”，其它工藝參數(shù)取默認值。隨后，執(zhí)行流動分析[14]。

圖4　注塑分析模型

充填過程中不同時刻不同區(qū)域的壓力是在不斷變化的，在充填結(jié)束時刻，型腔壓力達到最大值，之后進入保壓階段，最后將壓力釋放。圖5為充填結(jié)束時的壓力圖。從圖中可以看出，四個點澆口位置的壓力最大。壓力分別為10.63，10.50，23.60，23.33 MPa，故取最大值23.60 MPa作為四個型芯鑲件表面的壓力值。

圖5　注射成型壓力分析結(jié)果

2．4載荷的確定與添加

模具動模部分的重要零件采用了多種材質(zhì)，如S50C，HPM38等，均為合金結(jié)構(gòu)鋼。查得其彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3[15]。

根據(jù)企業(yè)條件，選取日鋼牌中型全電動注塑機J280ELⅢ進行生產(chǎn)，最大鎖模力為2 750 kN。經(jīng)過計算，可得動模座板上所受的最大鎖模壓力為7.14 MPa。由Moldflow的分析結(jié)果得到型腔壓力為23.60 MPa，再經(jīng)過計算可得到分型面處其它表面的接觸壓力為2.10 MPa。

然后，將這些載荷均以面載荷的方式加載在相應(yīng)的表面上，具體表面則在Ansys軟件中選取。

2．5模具變形分析

圖6為模具動模部分的Z向和總的受力變形分析結(jié)果。從圖中可以看出，模具最大變形區(qū)域處于鑲件的中心部位，但范圍和尺寸均較小。模具總變形的最大值為0.025 825 mm，Z向最大變形量則為0.025 612 mm。查GPPS塑料的溢料間隙值為0.03 mm[16]。因此，模具分型面處沿開模方向的最大允許變形值為0.03 mm?？梢姡瑘D中的兩數(shù)值均符合塑件成型的極限值要求，模具支撐柱布置方案合理。實際生產(chǎn)實踐也表明，該模具結(jié)構(gòu)合理，動作可靠，成型的塑件質(zhì)量穩(wěn)定。

圖6　模具變形分析結(jié)果

3　結(jié)論

(1)將Ansys軟件和Moldflow軟件聯(lián)合應(yīng)用于注塑模具的結(jié)構(gòu)分析是完全可行的。分析中要遵循“定性分析為主，定量分析為輔”的原則。工程技術(shù)人員應(yīng)依據(jù)分析結(jié)果并結(jié)合實際生產(chǎn)情況來進行注塑模具的設(shè)計與制造，注意用實際試模結(jié)果驗證分析結(jié)論，不斷積累經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

(2)應(yīng)將所成型塑料的溢料間隙值作為注塑模具結(jié)構(gòu)分析的評價標準并選取模具的動模部分為結(jié)構(gòu)分析對象。

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赫斯基推出HyperSync高性能集成式專業(yè)瓶蓋系統(tǒng)

赫斯基注塑系統(tǒng)公司(Husky)宣布將面向?qū)I(yè)瓶蓋制造領(lǐng)域推出全新的高性能、全集成式系統(tǒng)。在K 2016期間，公司在展位現(xiàn)場演示了HyperSync系統(tǒng)，展示該系統(tǒng)的卓越性能、快速的注塑周期及一流的產(chǎn)品品質(zhì)。

HyperSync為同步化系統(tǒng)，模具、機器、熱流道以及輔助設(shè)備協(xié)同工作。除具備突出工業(yè)4.0級別的智能性及連通性外，機器及模具流程同步化的增強可以較低的總產(chǎn)品成本實現(xiàn)較快的注塑周期，同時不會影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

赫斯基醫(yī)療及專業(yè)包裝部門總裁Steve Lawrynuik說：“我們在PET集成式系統(tǒng)開發(fā)方面取得了巨大的成功，現(xiàn)在我們將復制這些專業(yè)經(jīng)驗和創(chuàng)新技術(shù)并將它們引入其他市場。我們相信，投入HyperSync的研發(fā)努力是非常值得的——這一系統(tǒng)性能優(yōu)越、能源利用率高、使用便捷，可向客戶保證最佳的使用體驗以及產(chǎn)品品質(zhì)?！?/p>

赫斯基大量投入對專業(yè)瓶蓋的科學研發(fā)，包括開啟力、鉸鏈設(shè)計、二次成型能力以及流程模擬等，可在功能、質(zhì)量以及生產(chǎn)流程方面優(yōu)化產(chǎn)品開發(fā)，保證產(chǎn)品品質(zhì)的一致性。與單一的供應(yīng)商開展合作可保證系統(tǒng)層面的協(xié)同一致，提升性能，并更快地向市場引入新產(chǎn)品。

(CPRJ 中國塑料橡膠)

Structural Analysis of Injection Mold for Disc Box Based on Ansys and Moldflow

Wang Qian， Chen Xiaoyong
(Hangzhou Polytechnic， Hangzhou 311402， China)

Application process and matters needing attention of injection mold structural analysis were discussed. Taking the injection mold of disc box for example，structural analysis of the movable mold part was completed and reasonable layout plan of support pillars were obtained based on the structural analysis function of Ansys software and injection molding analysis function of Moldflow software. The research results showed that following principles should be carried out in structural analysis of injection mold：taking qualitative analysis as principal，taking quantitative analysis as secondary.

structural analysis；mold deformation；injection mold；Ansys；Moldflow

TP391.7；TQ320.662

A

1001-3539(2016)11-0080-05

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.11.018

*杭州科技職業(yè)技術(shù)學院立項課題(HKYZDA-2014-3)

聯(lián)系人：王謙，副教授，研究方向為數(shù)字化設(shè)計與制造、機械制造工藝與設(shè)備

2016-08-12