基于Mold flow的覆蓋板注射成型過(guò)程分析

韓坤男，王大勇，王洋，李仁杰

(1.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 , 遼寧 大連 116028;2.東北特殊鋼集團(tuán)股份有限公司，遼寧 大連 116000；3.大連多利電器用品有限公司，遼寧 大連 116600 )

汽車產(chǎn)業(yè)逐步在工業(yè)制造技術(shù)領(lǐng)域得到充分發(fā)展，很多人對(duì)汽車消費(fèi)提出了更高要求，為了節(jié)省制造成本，減輕重量，越來(lái)越多的廠商開(kāi)始使用塑料結(jié)構(gòu)來(lái)代替以前的鋼鐵結(jié)構(gòu)[1].汽車塑件成型有很多影響因素，是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，因而必須對(duì)成型過(guò)程進(jìn)行詳盡的分析，并且預(yù)測(cè)質(zhì)量缺陷，設(shè)置更加合理工藝參數(shù)，以達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)要求[2].

本文采用Mold flow軟件對(duì)某汽車覆蓋板的成型過(guò)程進(jìn)行模擬分析，根據(jù)相關(guān)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置合理的流道系統(tǒng)和工藝參數(shù)，通過(guò)對(duì)塑件成型過(guò)程中的各個(gè)方面進(jìn)行分析，從而發(fā)現(xiàn)缺陷并及時(shí)改正.塑件注射成型時(shí)，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要，將直接影響塑件成型質(zhì)量和強(qiáng)度等方面.為此設(shè)置兩種方案，通過(guò)對(duì)熔體進(jìn)行溫度、填充、翹曲變形等結(jié)果的分析，確定優(yōu)化方案，提升塑件的整體質(zhì)量.該模擬結(jié)果和設(shè)計(jì)方案用于實(shí)際生產(chǎn)中，會(huì)大大減少試模次數(shù)，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益.

1 塑件工藝分析

以某汽車覆蓋板塑件為例，該塑件的三維模型如圖1所示，材料為聚丙烯(PP)，其尺寸為：241.4 mm×71.2 mm×29.6 mm，壁厚約為1.1 mm.該塑件屬于小型塑件，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，存在孔穴及筋板等部位，成型時(shí)受熔體流動(dòng)的影響，導(dǎo)致氣穴、熔接痕等缺陷.通常塑件表面精度要求都較高，需在模擬分析中將模具存在缺陷找出，設(shè)計(jì)更加合理的工藝參數(shù).

圖1 汽車覆蓋板的三維模型

在分析之前，要確保塑件的實(shí)際結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格幾何模型相同，避免其重要特征的缺失，另外網(wǎng)格匹配和厚度必須是準(zhǔn)確的，并且尺寸和其余參數(shù)與模具數(shù)據(jù)相同，以確保該分析結(jié)果與其后試模結(jié)果保持相同[3].如圖2所示，根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)澆口和流道的位置與大小，進(jìn)行模流分析.

圖2 澆口和流道系統(tǒng)

注塑零件的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如設(shè)計(jì)不合理，容易導(dǎo)致塑件變形、填充不滿等問(wèn)題.綜合塑件的實(shí)際情況，采用普通澆注系統(tǒng).主流道入口直徑為3 mm，錐角為3°，分流道采用半圓形截面，側(cè)澆口入口采用3 mm×2 mm～1.2 mm×0.6 mm.其余各項(xiàng)工藝參數(shù)設(shè)置情況為：材料溫度為240 ℃，模具的表面溫度為50 ℃，開(kāi)模時(shí)間設(shè)定為5 s，填充控制設(shè)為為自動(dòng)控制，保壓控制采用百分比填充壓力與時(shí)間，并且設(shè)置保壓壓力為注塑壓力的80%.分析序列為填充+保壓+翹曲.

2 塑件模流分析

Mold flow軟件進(jìn)行的塑件成型過(guò)程模擬，原理為模擬塑件在模具型腔中的流動(dòng)成型過(guò)程，利用有限元數(shù)字求解器計(jì)算及分析塑件在成型過(guò)程中的溫度、速度、壓力和位移的變化，預(yù)測(cè)塑件在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中有可能產(chǎn)生的缺陷.而通過(guò)模流分析，可以將生產(chǎn)過(guò)程透明化、數(shù)字化，大大降低試模階段的操作難度和時(shí)間，使得生產(chǎn)效率大幅提升.

2.1 填充時(shí)間分析

利用 Mold flow 軟件對(duì)塑件的填充和保壓過(guò)程進(jìn)行模擬分析.填充時(shí)間如圖3所示，分別顯示0.42、0.63、0.81、0.88 s四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的熔體填充情況，通過(guò)觀察可知塑件最終填充完整的填充時(shí)間為0.88 s，且塑件填充速度穩(wěn)定，進(jìn)給平穩(wěn)，無(wú)滯流現(xiàn)象.

圖3 填充時(shí)間(等值線)

2.2 壓力轉(zhuǎn)換分析

保壓控制采用百分比填充壓力與時(shí)間，如圖4所示，當(dāng)型腔內(nèi)填充體積為97.57% 時(shí)改為保壓階段，轉(zhuǎn)換壓力為42.32 MPa，填充過(guò)程由速度控制轉(zhuǎn)換為壓力控制,即塑件澆口位置的最大壓力由42.32 MPa降為保壓壓力33.85 MPa，使得塑件熔體在此壓力下，完成塑件的保壓階段.此時(shí)塑件熔體將會(huì)繼續(xù)填充整個(gè)型腔，從而有效地解決由于塑件冷縮而導(dǎo)致的填充不滿等問(wèn)題.

圖4 速度/壓力切換瞬時(shí)壓力分布

2.3 氣穴和熔接痕分析

圖5為氣穴分布及排氣槽設(shè)置，由圖5(a)可知?dú)庋ㄖ饕谀┒恕⒔畎搴涂滋幃a(chǎn)生，主要原因大多為熔體填充的末端或是在特殊區(qū)域多股熔體包裹所形成，為了有效避免困氣，設(shè)置如圖5(b)所示動(dòng)模排氣槽，可以有效提高塑件成型的質(zhì)量.

(a) 氣穴分布

(b) 排氣槽設(shè)置圖5 氣穴分布及排氣槽設(shè)置

從圖6熔接痕得出在塑件筋板和孔處的位置存在少量微小的熔接痕，同樣是因?yàn)樵谶@些區(qū)域存在多股熔體流交匯，通過(guò)所設(shè)置的排氣槽可有效消除熔接痕的形成.另外當(dāng)有些十分細(xì)小的熔接痕無(wú)法通過(guò)排氣解決時(shí)，可以待塑件成型后，將塑件取出對(duì)其進(jìn)行噴涂處理后方可消除.

圖6 熔接痕分布

3 冷卻分析

熔體的填充、保壓、冷卻以及塑件的形狀和精度等大多都將由模具溫度所影響，為保證塑件冷卻均勻，提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)完善整個(gè)模具系統(tǒng)，設(shè)計(jì)兩種冷卻系統(tǒng)如圖7所示.方案一為最為普通的常規(guī)冷卻回路，而方案二的冷卻系統(tǒng)考慮到塑件的實(shí)際結(jié)構(gòu)，在達(dá)到冷卻效果的同時(shí)，盡量避開(kāi)熔接痕和氣穴產(chǎn)生位置，這種設(shè)計(jì)可以為排氣槽的設(shè)置讓出空間.分別對(duì)兩種方案模擬冷卻分析，從兩者中選擇更為合理的方案，達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)的要求.

(a)方案一

(b)方案二圖7 冷卻系統(tǒng)

由圖8所示冷卻效果分析得出，方案一與方案二回路冷卻溫差相近，方案一為0.43 ℃ ，方案二為0.45 ℃，均小于3 ℃，兩種方案塑件的冷卻系統(tǒng)回路沒(méi)有明顯的過(guò)冷或過(guò)熱區(qū)域，全部達(dá)到理想效果.

(a)方案一

(b)方案二圖8 冷卻效果分析

由于翹曲產(chǎn)生的原因主要由冷卻不均勻、收縮不均以及分子取向不同三種因素所導(dǎo)致，而翹曲變形將直接影響塑件成型的質(zhì)量，對(duì)于整個(gè)成型過(guò)程十分重要，因此通過(guò)對(duì)兩種方案的對(duì)比可以得出更好的冷卻方案.如圖9所示，方案一的總翹曲變形量為0.982 7 mm， 而方案二的總翹曲變形量為0.818 5 mm.將兩種方案進(jìn)行模擬分析的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表1所示.對(duì)比結(jié)果顯示，方案二的填充時(shí)間更短，而塑件的平均溫度也更低.而從總翹曲變形量和各個(gè)方向上的翹曲變形量來(lái)看，方案二也要更優(yōu)于方案一.

(a)方案一

(b)方案二圖9 總體翹曲變形

表1 兩種冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分析對(duì)比

通過(guò)對(duì)兩種冷卻方案的對(duì)比，可知方案二在避免熔接痕、氣穴位置使模具設(shè)計(jì)更加合理的同時(shí)，翹曲變形也更優(yōu)于方案一.因此運(yùn)用方案二冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行生產(chǎn)更為合理，冷卻效果也更好[5-6].

4 結(jié)論

借助對(duì)汽車覆蓋板塑件的模流分析，可以更加清晰地了解整個(gè)注塑成型的過(guò)程，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的缺陷.塑件的填充過(guò)程順暢，通過(guò)保壓使得填充完整，發(fā)生在塑件末端、筋板及孔處的熔接痕和氣穴等缺陷并不明顯，且可以通過(guò)設(shè)置排氣槽和后期的噴涂處理達(dá)到使用要求.

為了塑件質(zhì)量及模具結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的兩種冷卻系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果可以得出，方案二的冷卻在保證模具結(jié)構(gòu)更加合理的同時(shí)，翹曲變形也更小，得到的塑件質(zhì)量也優(yōu)于方案一的設(shè)計(jì)，所以運(yùn)用方案二的冷卻系統(tǒng)更為合理.通過(guò)Mold flow模流分析設(shè)計(jì)出的該汽車覆蓋板模具，其模具結(jié)構(gòu)完整、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)合理，可以提高生產(chǎn)效率，降低模具生產(chǎn)成本，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益.