基于Moldflow的LED平板燈后殼成型分析及應(yīng)用

朱俊杰 陸展科 張?chǎng)纬?/p>

（公牛集團(tuán)股份有限公司 慈溪 315300）

引言

隨著LED照明行業(yè)的不斷發(fā)展，新興品牌產(chǎn)品不斷增多，使得照明市場(chǎng)日趨分散，競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。如何占領(lǐng)市場(chǎng)并從眾多競(jìng)爭(zhēng)企業(yè)中脫穎而出，就需要快速開發(fā)上市新產(chǎn)品。而在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中，模具開發(fā)占用了很長(zhǎng)的周期，嚴(yán)重影響項(xiàng)目進(jìn)度，在僅憑經(jīng)驗(yàn)的模具設(shè)計(jì)中，模具出現(xiàn)問(wèn)題的概率大，只能通過(guò)不斷試模調(diào)整修改不合理設(shè)計(jì)，在難以保證模具的情況下還增加了生產(chǎn)成本。

現(xiàn)有的仿真軟件在模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用有效填補(bǔ)了傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)中的短板，可以在前期設(shè)計(jì)中通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)缺陷和注塑成型缺陷，做到有針對(duì)性的去優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和模具結(jié)構(gòu)，減少后期試模次數(shù)，提高產(chǎn)品成型質(zhì)量[1]。運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)產(chǎn)品外殼進(jìn)行三維建模，通過(guò)CAE分析技術(shù)對(duì)塑件注塑成型過(guò)程進(jìn)行仿真和分析，再對(duì)輸出的仿真云圖對(duì)比分析，獲取需改進(jìn)的設(shè)計(jì)點(diǎn)和優(yōu)化方向。

基于Moldflow仿真軟件，本文對(duì)LED平板燈后殼進(jìn)行了注塑成型仿真分析，對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了仿真對(duì)比，確定澆口數(shù)量和位置的最佳方案并進(jìn)行優(yōu)化以減少熔接痕、縮水和翹曲變形量等注塑缺陷。通過(guò)實(shí)踐我們可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用Moldflow軟件對(duì)塑料注射成型進(jìn)行仿真分析，找出最佳澆口位置，可為后續(xù)的模具設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，為減少產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間，提高一次試模 成功率做鋪墊[2]。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工藝分析

圖1所示為L(zhǎng)ED平板燈后殼的三維模型，整個(gè)后殼的外形長(zhǎng)寬高尺寸為285.8×285.8×32 mm，其主要壁厚為1.2 mm，最大壁厚為1.6 mm，側(cè)邊存在電源盒和倒扣，底面存在卡扣，后殼材料選擇PP。后殼表面為磨砂效果，并且外殼外表面不得有熔接痕、縮痕、拉白、銀絲、飛邊和披鋒等缺陷。同時(shí)由于外殼輕薄稍大的外形尺寸，為滿足其裝配要求，對(duì)外殼的變形量嚴(yán)格控制。平板燈后殼會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力開裂、氣穴和縮痕等缺陷，很大程度上影響了美觀程度。產(chǎn)生的主要原因是隨著注射的塑料溶體在模具型腔內(nèi)流動(dòng)距離慢慢變長(zhǎng)，塑料熔體對(duì)壓力和溫度的傳遞速度明顯降低，遠(yuǎn)澆口位置相對(duì)近澆口不容易注滿。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于優(yōu)選確定最佳澆口位置和數(shù)量，保證熔體流動(dòng)平衡，消除減少注塑不良缺陷，縮短成型周期。

圖1 LED平板燈后殼三維模型示意圖

保證LED平板燈后殼注塑質(zhì)量和性能可靠，避免其產(chǎn)生外觀缺陷和品質(zhì)問(wèn)題，設(shè)計(jì)中十分有必要應(yīng)用注塑成型仿真分析軟件Moldflow。利用軟件仿真分析，可以直接觀察到模具型腔中塑料熔體的流動(dòng)情況，對(duì)整個(gè)過(guò)程加以分析識(shí)別不良[3]，總結(jié)思考改進(jìn)措施，優(yōu)化確定最佳澆口位置和數(shù)量。平板燈后殼澆注系統(tǒng)采用冷流道板式設(shè)計(jì)，其注射成型過(guò)程通過(guò)針閥控制系統(tǒng)控制，可以有效降低短射，避免各種外觀缺陷[4]。

2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)模具設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該按照以下規(guī)則進(jìn)行。

1）選擇合適的澆口位置，使之利于氣體的排出，并且盡量避免在產(chǎn)生渦流和噴射。

2）冷凝料可以較容易的滯留在動(dòng)模側(cè)，易于從塑件上去除，且不會(huì)破壞其美觀性。

3）參考熔接線所在的位置，對(duì)冷料穴或結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4）應(yīng)盡可能減少在澆注系統(tǒng)中的材料使用量。

5）充填時(shí)壓力過(guò)大和過(guò)保壓時(shí)，可增加澆口數(shù)量，但要考慮澆口數(shù)量是否會(huì)產(chǎn)生各種缺陷。

其中，澆口數(shù)量會(huì)直接對(duì)注射壓力、熔接痕等產(chǎn)生較大影響，澆口數(shù)量與充填時(shí)間和注射壓力成負(fù)相關(guān)，即澆口數(shù)量的增加會(huì)導(dǎo)致充填時(shí)間的減少以及所需注射壓力的減小。反之亦然，且會(huì)使熔接痕的數(shù)量減少，內(nèi)部殘余應(yīng)力增加，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)變形缺陷的風(fēng)險(xiǎn)增加。

因此在設(shè)計(jì)分析澆口位置和數(shù)量時(shí)，主要從塑料熔體在模具型腔內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)和流動(dòng)平衡這兩個(gè)方面分析。在設(shè)計(jì)模具時(shí)，不僅型腔的填充很重要，客戶對(duì)產(chǎn)品的要求也很重要，所以有時(shí)候仿真出來(lái)的最優(yōu)澆口數(shù)量和位置并不能直接作為設(shè)計(jì)方案，但是分析得出的結(jié)果是有價(jià)值的設(shè)計(jì)參考，提供設(shè)計(jì)優(yōu)化指引方向[5]。

2.2 澆口設(shè)計(jì)

平板燈外殼采用一模一腔的模具設(shè)計(jì)，根據(jù)澆口設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，定出如下兩種初始澆口設(shè)計(jì)方案。

1）3點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案：澆口數(shù)量為3個(gè)，分布在平板燈后殼一側(cè)，如圖2所示。

2）6點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案：澆口數(shù)量為6個(gè)，分布在平板燈后殼兩側(cè)，如圖3所示。

圖2 3點(diǎn)針點(diǎn)澆口示意圖

圖3 6點(diǎn)針點(diǎn)澆口示意圖

3 模擬分析

3.1 熔接痕分析

熔接痕是一種成型缺陷，它不僅會(huì)破壞塑件得美觀程度，還會(huì)在一定程度上削弱塑件的各項(xiàng)力學(xué)性能，如沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等，會(huì)減少塑件的使用壽命，并大大降低其使用安全性。在實(shí)際工藝調(diào)試的多數(shù)情況下無(wú)法做到完全沒(méi)有焊縫標(biāo)記出現(xiàn)。焊縫的數(shù)量和出現(xiàn)的位置取決于澆口的數(shù)量和位置。液面接觸角越小，接頭線越明顯，焊縫越小，對(duì)塑性件強(qiáng)度無(wú)影響[6]圖4和圖5所示，3點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案熔接線明顯比6點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案少，并且沒(méi)有中間熔體對(duì)流產(chǎn)生的明顯熔接線，因此3點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案更好一點(diǎn)，但結(jié)合線處要注意排氣。

圖4 3點(diǎn)針點(diǎn)澆口熔接線分析

圖5 6點(diǎn)針點(diǎn)澆口熔接線分析

3.2 氣穴分析

氣穴通常出現(xiàn)在兩個(gè)流動(dòng)前沿的交匯處，或者出現(xiàn)在流動(dòng)路徑的尾部。產(chǎn)生在塑件上的氣穴，可能會(huì)導(dǎo)致塑件燒焦、欠注及其他表面缺陷。如圖6和圖7所示，3點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案氣穴在填充末端且很少，6點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案在熔體對(duì)流處產(chǎn)生的氣穴很多并且很明顯，困氣嚴(yán)重一些。

3.3 速度和壓力切換時(shí)的壓力分析、頂出時(shí)體積收縮率分析

圖6 3點(diǎn)針點(diǎn)澆口氣穴分析

圖7 6點(diǎn)針點(diǎn)澆口氣穴分析

從仿真得到的壓力云圖中可以直觀的看出各個(gè)方案的壓力損失情況，壓力損失過(guò)大時(shí)，會(huì)對(duì)注塑成型過(guò)程造成較大的負(fù)面影響，更容易產(chǎn)生注射缺陷，不利于加工成型,壓力損失盡可能少有利于成型，更容易保證流動(dòng)平衡。從仿真得到的壓力云圖來(lái)看，兩種方案所需要的注射壓力分別問(wèn)87.55 MPa和61.1 MPa，如圖8和圖9所示，6點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案的壓力更小一些，填充效果更好。如圖10和圖11所示，由頂出時(shí)體積收縮率看出，3點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案為12.84 %，6點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案為14.32 %，即3點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案的頂出時(shí)體積收縮率低，發(fā)生變形翹曲較小。

圖8 3點(diǎn)針點(diǎn)澆口速度和壓力切換時(shí)的壓力分析

圖9 6點(diǎn)針點(diǎn)澆口速度和壓力切換時(shí)的壓力分析

3.4 縮痕數(shù)值分析

如圖12和圖13所示，3點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案充填模擬分析時(shí)的縮痕數(shù)值為0.047 2 mm，6點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案充填模擬分析時(shí)的縮痕數(shù)值為0.060 5 mm，兩種方案縮痕數(shù)值都不大，無(wú)明顯縮痕，其中，3點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案的數(shù)值更小。

3.5 鎖模力分析

為了保證熔體能順利填滿模腔，注射成型的機(jī)會(huì)將對(duì)熔體施加一定的壓力，同時(shí)在模腔內(nèi)形成一定的膨脹力。鎖緊力用于鎖緊模具，克服擴(kuò)張力的作用。夾緊力要求越大，能耗越高，經(jīng)濟(jì)效益越低。如圖14和圖15所示，3點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案鎖模力為 442.0 t，6點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案鎖模力為 329.3 t，6點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案鎖模力更小，能源損耗更低。

3.6 翹曲變形分析

圖10 3點(diǎn)針點(diǎn)澆口頂出時(shí)體積收縮率分析

圖11 6點(diǎn)針點(diǎn)澆口頂出時(shí)體積收縮率分析

圖12 3點(diǎn)針點(diǎn)澆口縮痕數(shù)值分析

圖13 6點(diǎn)針點(diǎn)澆口縮痕數(shù)值分析

翹曲變形是指由于成形塑件收縮不均勻?qū)е碌谋砻嫱崆F(xiàn)象，是一種比較常見(jiàn)的制造缺陷，同時(shí)也是判斷產(chǎn)品是否合格的指標(biāo)之一。翹曲變形會(huì)對(duì)塑件的美觀性有較大的影響，還會(huì)影響他的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性，所以在制造過(guò)程中應(yīng)盡量減小塑件的翹曲變形[7]。如圖16和圖17所示，3點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案翹曲變形量為2.349 mm，而6點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案翹曲變形量為2.906 mm，其變形量明顯大于前一種方案，說(shuō)明翹曲變形的大小與澆口數(shù)量有一定的關(guān)系。

根據(jù)以上對(duì)兩種澆口方案模擬結(jié)果的分析，塑件主要的注塑成型缺陷是熔接痕、縮水和翹曲變形。經(jīng)過(guò)以上對(duì)比分析，3點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案熔接痕和氣穴產(chǎn)生更少，頂出時(shí)體積收縮率更低，縮痕數(shù)值更小，總變形也更小，因此選擇3點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案。但是為了減少熔接痕，應(yīng)在填充末端和對(duì)接處加強(qiáng)排氣。

4 打樣對(duì)比分析

Moldflow軟件作為一款輔助性工具進(jìn)行模流分析，并不能百分之百準(zhǔn)確模擬模具工作狀態(tài)，因?yàn)槟M會(huì)忽略和簡(jiǎn)化產(chǎn)品的一些細(xì)節(jié)和參數(shù)。所以通過(guò)模流分析后進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后試模打樣對(duì)比模擬結(jié)果，分析其差距，再進(jìn)行產(chǎn)品和模具微調(diào)。如圖18和圖19所示，6點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案主要在雙側(cè)塑料熔體對(duì)流匯合處產(chǎn)生嚴(yán)重的熔接痕，而3點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案溶解痕問(wèn)題很小，產(chǎn)品外觀符合要求。因此實(shí)際打樣結(jié)果和Moldflow仿真分析基本一致，3點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案是可靠的。

圖14 3點(diǎn)針點(diǎn)澆口鎖模力分析

圖15 6點(diǎn)針點(diǎn)澆口鎖模力分析

圖16 3點(diǎn)針點(diǎn)澆口總變形分析

圖17 6點(diǎn)針點(diǎn)澆口總變形分析

圖18 3點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案外觀

圖19 6點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案外觀

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò) Moldflow 對(duì)澆口的兩種方案進(jìn)行模擬分析對(duì)比，3點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案在熔接痕，氣穴，頂出時(shí)體積收縮率，縮痕指數(shù)和翹曲變形模擬中表現(xiàn)更好，6點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案注射壓力和鎖模力更小，模擬結(jié)果更優(yōu)。通過(guò)后殼打樣測(cè)試和觀察，6點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案外觀缺陷嚴(yán)重，有明顯熔接痕，而3點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案外觀良好。綜合考慮優(yōu)選3點(diǎn)針點(diǎn)澆口方案，應(yīng)用于LED平板燈后殼模具設(shè)計(jì)中，也為后續(xù)類似產(chǎn)品提供參考。