基于MoldFlow工業(yè)濕度計(jì)上蓋注射模CAE分析＊

王迎春

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215104）

1 引言

近年來(lái)隨著塑料工業(yè)的迅速發(fā)展，以及塑件在航空、電子、機(jī)械、船舶和汽車(chē)等工業(yè)部門(mén)的廣泛應(yīng)用，塑料模具得以快速發(fā)展，傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)的需求。因此，依靠計(jì)算機(jī)的模具CAD/CAM/CAE技術(shù)在企業(yè)模具生產(chǎn)中的占比越來(lái)越大。尤其近幾年，計(jì)算機(jī)輔助分析工程（CAE）技術(shù)被越來(lái)越多的企業(yè)利用來(lái)輔助模具設(shè)計(jì)，為模具制造提供參考。

MoldFlow是全球塑料注射成型應(yīng)用最廣、技術(shù)最先進(jìn)的CAE軟件。它可以模擬整個(gè)注塑過(guò)程，分析人員通過(guò)優(yōu)化注塑工藝參數(shù)就可在模具制造之前對(duì)塑件的設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和塑件質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。MoldFlow軟件在注塑行業(yè)的應(yīng)用，從根本上改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，大大提高了塑件質(zhì)量，縮短了制造周期，降低了生產(chǎn)成本。

2 塑件有限元網(wǎng)格劃分

應(yīng)用MoldFlow進(jìn)行模型分析之前，必須創(chuàng)建網(wǎng)格模型，即創(chuàng)建有限元模型。網(wǎng)格是MoldFlow分析的基礎(chǔ)，網(wǎng)格劃分質(zhì)量對(duì)于分析精度及分析結(jié)果有關(guān)鍵性的影響。MoldFlow分析模型的網(wǎng)格類(lèi)型有中性面、雙層面和實(shí)體3種類(lèi)型。

中性面網(wǎng)格即將網(wǎng)格創(chuàng)建在模型壁厚的中間處，形成單層網(wǎng)格來(lái)代表整個(gè)模型的網(wǎng)格，也就是以平面流動(dòng)來(lái)仿真三維實(shí)體流動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是分析速度快，效率高，主要用于整個(gè)塑件壁都很薄，所有分析只能在中性面中實(shí)現(xiàn)的塑件。

雙層面網(wǎng)格是將網(wǎng)格創(chuàng)建在塑件的上下表面，網(wǎng)格單元由彼此相對(duì)的面拼接而成，將三維幾何模型簡(jiǎn)化成由曲面組成的中空體，用表面的流動(dòng)來(lái)模擬三維實(shí)體流動(dòng)。其適用于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、壁厚均勻薄壁塑件。

實(shí)體網(wǎng)格是將塑件劃分為由4個(gè)節(jié)點(diǎn)4個(gè)三角形組成的四面體單元來(lái)進(jìn)行真實(shí)的三維模擬分析，主要用于壁厚較大或者有較大壁厚特征的塑件。實(shí)體網(wǎng)格分析對(duì)計(jì)算要求較高，速度慢。

圖1所示為工業(yè)溫度計(jì)上蓋，塑件沒(méi)有局部厚度發(fā)生改變的結(jié)構(gòu)，所以選擇雙層面網(wǎng)格，匹配率兩者均在85%以上，所以滿(mǎn)足分析充填、冷卻和翹曲的條件。網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

圖1 工業(yè)溫度計(jì)上蓋

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果圖

3 模流分析工藝設(shè)計(jì)

3.1 材料性能分析

（1）材料選擇。

本塑件為工業(yè)濕度計(jì)上蓋零件，使用環(huán)境相對(duì)較惡劣，考慮到安全和實(shí)用性，要求材料無(wú)毒無(wú)異味，有絕緣性能、耐熱不易燃，有一定的強(qiáng)度、防潮耐腐蝕性能。另外塑件需要和其他零件裝配使用所以要求材料要有一定的尺寸穩(wěn)定性，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性考慮選用綜合性能良好、價(jià)格實(shí)惠的ABS料。

（2）ABS塑料成型工藝特性。

吸濕性：原料吸濕性強(qiáng)，注塑前需要烘干，一般為80℃～90℃，3h。

流動(dòng)性：中等，宜采用高料溫、高模溫及較大壓力注射成型。

收縮率：0.4%～0.7%，本設(shè)計(jì)選擇的材料收縮率為0.5%。

熔融溫度：成型溫度一般在180℃～230℃，270℃以上開(kāi)始分解。

模具溫度：一般取50℃～60℃，對(duì)高光澤、耐熱塑件，模溫宜取60℃～80℃。

成型壓力：60～120MPa。

（3）MoldFlow分析時(shí)材料設(shè)置。

MoldFlow 軟件為用戶(hù)提供了豐富的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，而且包含了詳細(xì)的材料的特性信息，能夠幫助用戶(hù)確定成型工藝條件。分析時(shí)應(yīng)確保分析用材料牌號(hào)與實(shí)際成型用材料一致；確保加纖維材料啟動(dòng)玻纖的分析選項(xiàng)；確保在Fusion 分析時(shí)啟用了CRIMS收縮模型或殘余應(yīng)變收縮模型。本設(shè)計(jì)選擇與實(shí)際提供的材料性能一致的數(shù)據(jù)庫(kù)中的ABS780 材料，選擇以系統(tǒng)推薦的工藝參數(shù)作為注塑條件進(jìn)行分析，對(duì)模具初使設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估。材料性能詳細(xì)信息如表1所示。

表1 塑料材料成型參數(shù)表

3.2 注塑機(jī)的選擇

根據(jù)塑件的信息包括：尺寸（長(zhǎng)度、寬度、高度、壁厚）、凈重量、澆注系統(tǒng)重量；模具的安裝尺寸要求以及注塑材料為ABS，選擇軟件提供的Generic 注塑機(jī)，該注塑機(jī)與實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的德立天智能精密油電注塑（型號(hào)：DLTZSCXJ-500B）性能一致，可保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 注塑機(jī)主要參數(shù)表

3.3 工藝參數(shù)設(shè)置

注射成型工藝條件是在塑料材料、注塑機(jī)和模具結(jié)構(gòu)確定之后決定成型質(zhì)量的主要因素。定義注塑成型條件時(shí)模具的溫度、材料熔體的溫度和注射的時(shí)間是必須定義的。這3項(xiàng)是運(yùn)行充填分析或流動(dòng)分析的最基本條件。優(yōu)化成型條件是制品充填成型分析的關(guān)鍵步驟，制品成型條件的優(yōu)化通常也和澆口的布局有莫大的關(guān)系，其它分析參數(shù)包括基本充填分析所需要的其它輸入項(xiàng)數(shù)據(jù)。一般情況下初使分析直接采用系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)即可達(dá)到模擬的目的，本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)推薦的參數(shù)值如表3、表4、表5所示。

表3 充型參數(shù)表

表4 冷卻參數(shù)表

表5 冷卻回路信息表

4 分析結(jié)果判讀與方案對(duì)比

本設(shè)計(jì)分析時(shí)根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)特征和模具設(shè)計(jì)的基本要求，確定了兩種分析方案。一是利用軟件分析得出的塑件最佳澆口位置設(shè)計(jì)分析方案一如圖3a 所示；二是根據(jù)模具設(shè)計(jì)原則確定分析方案二如圖3b所示。對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了比較。

圖3 分析方案設(shè)計(jì)圖

（1）充填時(shí)間分析。

填充時(shí)間顯示了模腔在填充的時(shí)候每隔一定時(shí)間間隔的材料熔體注射到的位置。每根等高線描繪了模型每一個(gè)部分在同一時(shí)刻的充填。在填充開(kāi)始的時(shí)候，顯示為深藍(lán)色，最后填充的地方為深紅色。如果制品在充填的過(guò)程中發(fā)生了短射，那么未填充的部分（一般都為充填末端）是沒(méi)有顏色。從圖4 中可以看出，兩個(gè)方案都能滿(mǎn)足充填要求即充滿(mǎn)型腔。

圖4 充填時(shí)間圖

從分析結(jié)果可以看出，方案二充填時(shí)間只有0.22s，比方案一節(jié)省0.11s，可以明顯縮短成型周期。從圖4 中可以看出方案二4 個(gè)角充填時(shí)間基本一致，說(shuō)明方案二的流道布局更均勻，更有利于充型。

（2）充型壓力分析。

充型壓力顯示了在充型過(guò)程中模腔內(nèi)的壓力變化，充填時(shí)壓力分布均勻則充填平穩(wěn)，塑件壁厚成型均勻，充填效果好。在填充開(kāi)始前，模腔內(nèi)各處的壓力為零。熔體材料的前沿到達(dá)哪里，哪里的壓力才會(huì)增加，當(dāng)材料熔體前沿向前方移動(dòng)時(shí)已經(jīng)填充完的區(qū)域壓力會(huì)繼續(xù)增加。因?yàn)椴牧先垠w向前流動(dòng)需要一定的壓力支持，因此該結(jié)果取決于澆口位置與材料熔體的流動(dòng)前沿長(zhǎng)度。

從圖5 分析結(jié)果可以看出，方案二充填壓力布局更均勻，壓力損失小，更有利于塑件成型，說(shuō)明方案二的流道長(zhǎng)度和澆口位置明更合理。

圖5 流動(dòng)前沿壓力分布圖

（3）溫度場(chǎng)分析。

體積溫度描述了在熔體材料通過(guò)確定位置時(shí)材料熔體溫度的改變，這個(gè)溫度決定了塑件充型時(shí)的熔體結(jié)合時(shí)的狀態(tài)，這個(gè)溫度越高則熔體結(jié)合時(shí)熔體的融合狀態(tài)越好，產(chǎn)生熔接痕的溫度也就越高。所以，通過(guò)某一個(gè)特征的顯示，很難解釋清楚這些改變，在塑料熔體流動(dòng)中充填結(jié)束溫度比一個(gè)簡(jiǎn)單的平均溫度有更多的物理意義。

從圖6 分析結(jié)果可以看出，方案二的流動(dòng)前沿溫度更高，四周的溫度分布更均勻，說(shuō)明充填過(guò)程中熱量損失更小，充填更均勻，成型效果更好，得到的塑件壁厚也就越均勻。

圖6 流動(dòng)前沿溫度場(chǎng)分布圖

（4）熔接痕分析。

熔接痕是注塑成時(shí)熔融塑料匯合時(shí)的界限，通過(guò)熔接線的溫度和位置，可以發(fā)現(xiàn)一些塑件結(jié)構(gòu)上原有的缺點(diǎn)或者注塑成型后塑件的缺陷。熔接線一般導(dǎo)致的塑件缺陷有兩種情況，一種是塑件可能會(huì)在有熔接線的部位發(fā)生折斷或者變形等問(wèn)題，特別在低質(zhì)量的熔接線時(shí)，這樣的缺陷會(huì)使塑件有更多的部位將會(huì)受到應(yīng)力影響；二是熔接線會(huì)導(dǎo)致塑件的線條、凹凸部位或者塑件外觀面上的顏色發(fā)生改變，所以熔接線在模流分析時(shí)會(huì)被調(diào)整到塑件不重要的部位。

從圖7分析結(jié)果可以看出方案一的熔接線較多的分布在塑件的孔周邊，這樣會(huì)降低塑件的強(qiáng)度，減少使用壽命。方案二的熔接痕雖然主要在塑件的塑件表面處，但是根據(jù)溫度場(chǎng)分析可以得出熔接痕的溫度較高，冷卻后影響表面質(zhì)量的幾率很小，而且很容易調(diào)整。

圖7 熔接痕分布圖

（5）氣穴位置分析。

氣穴是在塑料熔體充填型腔時(shí)因?yàn)槿垠w包裹的氣體沒(méi)有及時(shí)排出導(dǎo)致在型腔內(nèi)形成氣泡，因此一般發(fā)生在兩個(gè)流動(dòng)前沿匯膠的地方，或者是在流動(dòng)的末端。氣穴的位置直接影響注塑成型結(jié)果，如導(dǎo)致型腔充不飽、塑件出現(xiàn)缺陷等。

從圖8 分析結(jié)果可以看出，方案一和方案二的氣穴都分布在塑件分型面和小結(jié)構(gòu)附近。由模具結(jié)構(gòu)可知這些部位都是裝配面，制造時(shí)會(huì)有一定的間隙，通過(guò)調(diào)整間隙可以順利排氣，因此氣穴并不會(huì)造成充型問(wèn)題。

圖8 氣穴分布圖

（6）翹曲變形結(jié)果分析。

翹曲變形是指塑件的形狀偏離模具型腔形狀所規(guī)定的范圍，是常見(jiàn)的注射成型缺陷。典型的表現(xiàn)為塑件有輕微扭曲，直邊向內(nèi)或向外彎曲等。翹曲變形是衡量塑件質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，產(chǎn)生翹曲的原因有塑料材料收縮、冷卻條件以及分子的取向。所以，翹曲變形是不可避免的，只能過(guò)模流分析檢驗(yàn)塑件的翹曲變形是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，并對(duì)注射工藝及模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

從圖9的分析結(jié)果可以看出兩個(gè)方案的變形都比較小，主要變形量是由材料的收縮引起的，滿(mǎn)足使用設(shè)計(jì)要求。但是方案二的總變形量小，且變形發(fā)生在塑件遠(yuǎn)端，此處有裝配的螺釘孔位，不影響和下蓋的配合。

圖9 翹曲變形結(jié)果圖

綜上分析可知，方案二從多個(gè)方面均優(yōu)于方案一。不緊可以縮短塑件成型周期，而且成型的塑件質(zhì)量好，變形小，滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。

5 總結(jié)

首先對(duì)實(shí)例進(jìn)行了有限元網(wǎng)格劃分，然后根據(jù)選取的塑料材料和注塑機(jī)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置，通過(guò)具體分析優(yōu)化了模具結(jié)構(gòu)。具體為：根據(jù)流動(dòng)前沿溫度對(duì)澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和注射工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化處理，使熔融充填更加均衡，保證了塑件的成型質(zhì)量；根據(jù)紋位置對(duì)澆注系統(tǒng)和注射工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化處理，減少了融合紋數(shù)量，同時(shí)將無(wú)法減少的融合紋移動(dòng)到塑件的非主要受力區(qū)域，保證了塑件使用時(shí)的強(qiáng)度；根據(jù)氣穴位置對(duì)澆注系統(tǒng)和注射工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化處理，將氣穴位置移動(dòng)到塑件的分型面或碰穿面處，對(duì)于無(wú)法排除的氣體在其附近設(shè)置頂桿，保證了氣體的順利排出，避免了充填時(shí)出現(xiàn)氣孔；根據(jù)冷卻介質(zhì)溫度對(duì)冷卻系統(tǒng)和注射工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化處理，降低了模具進(jìn)出口溫差，保證了模具各處溫度的均衡性；根據(jù)冷卻時(shí)間對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化處理，提高了生產(chǎn)效率；根據(jù)翹曲變形對(duì)澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和注射工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化處理，減少了塑件的翹曲變形，保證了塑件的質(zhì)量。