基于Moldex3D的電纜接頭外套注塑仿真模擬

毛世明，修雪穎，黃兆閣

(1.山東外貿(mào)職業(yè)學院，山東青島 266000；2.青島科技大學高分子科學與工程學院，山東青島 266042)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速健康發(fā)展，塑料的使用范圍越來越廣泛，注塑模具技術(shù)也得到了前所未有的發(fā)展。傳統(tǒng)的依靠經(jīng)驗制作模具的方法已經(jīng)不能適應(yīng)當前市場的需求，越來越多的企業(yè)開始使用注射模流分析技術(shù)來對塑料模具進行輔助設(shè)計[1-2]。Moldex3D在原有傳統(tǒng)模流分析軟件的基礎(chǔ)上拓展了真實的三維模流分析技術(shù)，可以準確反映生產(chǎn)過程中的各種現(xiàn)象，同時，其也具有快速分析、運用簡單等特點，是一款優(yōu)秀的模流分析CAE軟件[3]。在Moldex3D這類CAE軟件的幫助下，設(shè)計者可以通過模擬塑料注塑過程，來準確預(yù)測塑料熔體在模具型腔內(nèi)部的流動狀態(tài)，了解制品在充模過程中的各項參數(shù)的分布情況，如溫度、壓力、剪切應(yīng)力、體積收縮率等，對于模具的設(shè)計、試模工藝參數(shù)的選定提供了極大的參考價值，可以顯著地縮短模具設(shè)計周期，是今后塑料模具相關(guān)企業(yè)規(guī)?；O(shè)計和生產(chǎn)模具的一個重點發(fā)展方向[4-6]。Moldex3D內(nèi)具有龐大的材料數(shù)據(jù)信息庫，對市場上常用的材料信息均有所儲存，可以從庫中尋找到合適的材料進行模流分析。同時Moldex3D也支持材料信息的輸入，可以建立使用者自己的材料庫[7]。

對于電纜接頭外套來說，在保證材料強度的同時，良好的絕緣性和阻燃性是至關(guān)重要的[8]。為此，筆者根據(jù)電纜接頭外套的要求，制備了一種聚丙烯(PP)/充油氫化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(O-SEBS)/阻燃劑(FR)阻燃復合材料，其拉伸強度達到7.73 MPa，拉斷伸長率為606%，極限氧指數(shù)為34%，UL 94阻燃等級達到V-0級別，兼具優(yōu)異的力學性能和阻燃性能，是制作電纜接頭外套的優(yōu)良材料。在上述基礎(chǔ)上，以電纜接頭外套為研究對象，利用Moldex3D的信息輸入功能，將自制的PP/O-SEBS/FR阻燃復合材料的信息導入軟件，并以此材料作為原料，對電纜接頭外套的注塑過程進行仿真模擬，然后對其成型工藝條件進行優(yōu)化改善，以保證外套成品的外觀質(zhì)量。

1 Moldex3D軟件模擬前處理

1.1 產(chǎn)品參數(shù)及造型

電纜接頭外套塑件共有兩件，分別標記為A件和B件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)圖1的設(shè)計圖紙，使用CATⅠA作圖軟件畫出兩個電纜接頭外套的三維模型并導入Moldex3D中，如圖2所示。經(jīng)Moldex3D Studio分析得到模型尺寸，兩個電纜接頭外套塑件的頂部直徑均為17.5 mm，高度均為94.5 mm，底部最大直徑均為40 mm，厚度分布為0.193～12.086 mm，平均厚度為6.140 mm，整體厚度比較均勻。這兩個塑件區(qū)別在于底部的裝配部位，樣式略有不同(詳見圖1)，對電纜接頭起保護作用。塑件總體積約為95.33 cm3，其細小部位和壁厚突變部位少，充模容易，不易發(fā)生遲滯現(xiàn)象。模擬所用的材料為自制的PP/O-SEBS/FR阻燃復合材料，將材料參數(shù)導入到軟件中進行模擬。該材料屬于剪切變稀聚合物，注塑時，推薦的模具溫度為50℃，熔體溫度為200℃，熔體溫度變化范圍為180～220℃，最大熔體溫度為230℃，最大剪切速率為100 000 s-1。

圖1 電纜接頭外套設(shè)計圖紙

圖2 電纜接頭外套模型

1.2 網(wǎng)格的修復與建立

將畫好的模型導入CAE doctor之中進行處理來優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量，對模型的缺陷之處進行修復。導出模型返回Moldex3D Studio程序中撒點建立Solid表面網(wǎng)格并進行手動修復。在修復表面網(wǎng)格缺陷之后最終對流道和塑件建立實體網(wǎng)格。圖3是接頭外套模型網(wǎng)格的建立及修復情況，針對塑件的精細部位進行了單獨加密撒點。

圖3 Solid網(wǎng)格模型和修復情況

1.3 澆注系統(tǒng)及冷卻水路的建立

流道應(yīng)設(shè)計成自然平衡式布置，以減少熔體的流動不平衡現(xiàn)象，減少熱損失和翹曲變形[9]。由于兩個接頭外套為裝配件，采用一模兩腔進行生產(chǎn)，流道分布和澆口形狀如圖4所示。依據(jù)設(shè)計規(guī)則，該塑件主流道位于模具中央，主流道尺寸?3～?5 mm，其余的橫向和豎向流道尺寸均為?5 mm，流道均采用冷流道。此外，采用潛式澆口澆注，澆口尺寸為?2～?4.5 mm。選用潛式澆口的優(yōu)點為其進料位置靈活，在塑件的分型面處不會有進料口的痕跡，且塑件從模具中被頂出時，澆口能被自動切斷無須進行后處理；其次，潛式澆口可以設(shè)置在塑件表面的隱蔽部位和筋位上，因此在成型時不會在塑件表面留下因噴射帶來的氣紋和噴痕等問題。建立起澆注系統(tǒng)之后，根據(jù)接頭外套的特點建立冷卻系統(tǒng)，如圖5所示。在接頭外套的外表面采用環(huán)形水路，在Moldex3D中設(shè)置屬性為冷卻水路，直徑為8 mm，在底部設(shè)置屬性為隔水板，直徑為10 mm，深入到模具內(nèi)部，能更好地提高冷卻效率，減少因冷卻不均勻造成的變形問題。

圖4 流道分布和澆口形狀

圖5 冷卻水路分布情況

1.4 成型工藝條件設(shè)置

本塑件的總體積約為95.33 cm3，冷流道體積約為13.88 cm3，一次射出成型過程中總注射量為109.21 cm3，采用2個潛式澆口澆注，單個澆口的注射量為54.61 cm3，注塑填充時間為0.8～1.5 s。結(jié)合工藝經(jīng)驗確定試模工藝參數(shù)如下：充填時間1 s、保壓時間3 s、冷卻時間12 s、熔體溫度210℃、模具溫度50℃、頂出溫度50℃、開模時間5 s。

2 基于Moldex3D軟件的模流分析結(jié)果

2.1 流動波前溫度分析

流動波前溫度顯示的是塑料熔體充填到產(chǎn)品某一位置時厚度方向上中間層的溫度。一般來說，厚度方向上中間層的溫度最高，因此中間層的溫度能夠直接反應(yīng)塑料熔體充填時的狀態(tài)，此值可以顯示熱量是如何在成型過程中被熔體所傳遞以及散逸的。塑件材料熔體流動波前溫度分析如圖6所示。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，流動波前溫度的范圍為209.9～212.4℃，溫度的變化很小，說明塑件材料熔體具有良好的充填效果，沒有出現(xiàn)較大的溫度差異。

圖6 塑件材料流動波前溫度分析

2.2 凹痕位移分析

凹痕是注塑件常見的表面缺陷，一般是因為塑件的壁厚增加導致其收縮率局部增大而引起的，經(jīng)常出現(xiàn)在壁厚突變或者尖角附近，比如加強筋、凸起等位置[10-11]。凹痕產(chǎn)生的根本原因是熱脹冷縮，與塑件外觀和保壓條件有密切的關(guān)系。塑件凹痕位移分析如圖7所示。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，在接頭外套表面的凸起部位，相較于其它部分凹痕略大，但90%左右的凹痕位移在0.024 mm以下，對表面質(zhì)量的影響微乎其微。

圖7 塑件凹痕位移分析

2.3 平坦度分析

在生產(chǎn)或者加工一些塑件時，其表面并不會絕對平坦，兩個平行平面之間的最短距離就是平坦度，也叫作平整度，其數(shù)值越小代表表面越平坦。圖8顯示了接頭外套須進行裝配的兩個底面的平坦度，其值分別為0.118 mm和0.107 mm，兩者差值為0.011 mm，兩個底面的平坦度相差不大，滿足裝配要求。

圖8 塑件接觸面平坦度分析

2.4 體積收縮率分析

體積收縮率是評價塑件尺寸穩(wěn)定性的一個重要指標，通過塑件體積收縮率的大小及分布情況可以看出塑件尺寸穩(wěn)定性的優(yōu)劣。塑件體積收縮率分析如圖9所示。由圖9可以看出，接頭外套側(cè)壁厚度較大，容易累積熱量，是導致此處位置體積收縮率比較大的重要原因，最大體積收縮率為8.490%。

圖9 塑件體積收縮率分析

2.5 翹曲結(jié)果分析

翹曲變形也是注塑件成型過程中比較常見的一種缺陷，圖10顯示了接頭外套的翹曲總位移。由圖10可以發(fā)現(xiàn)，最大位移為0.943 mm，在接頭外套的兩端翹曲變形相對較大，中間部分相對較小。由于所用材料沒加入玻璃纖維，因此，取向效應(yīng)帶來的翹曲變形忽略不計，溫度差異效應(yīng)和區(qū)域收縮差異效應(yīng)帶來的位移如圖11和圖12所示。從圖11和圖12的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由溫度差異效應(yīng)產(chǎn)生的總位移為0.297 mm，由區(qū)域收縮差異效應(yīng)產(chǎn)生的總位移為0.715 mm，這說明接頭外套的翹曲變形主要是由于收縮不均勻造成的。

圖10 塑件翹曲總位移分析

圖11 總溫度差異效應(yīng)位移

圖12 總區(qū)域收縮差異效應(yīng)位移

3 基于Moldex3D的正交試驗

3.1 正交試驗設(shè)計

采用正交試驗法，可從全面試驗中挑選出具有代表性的點進行較少的試驗分析，進而快速得到比較合理的數(shù)據(jù)和結(jié)論。運用這種方法，能分析出塑件在生產(chǎn)過程中最優(yōu)的成型參數(shù)組合，在提高生產(chǎn)效率的同時，還能保證產(chǎn)品具有較高的品質(zhì)[12-13]。在塑料注塑所有工藝參數(shù)中影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素有熔體溫度、模具溫度、注塑壓力、充填時間和保壓壓力等，因此，為了得到尺寸穩(wěn)定性最好的接頭外套產(chǎn)品，在初步分析結(jié)果得到的相關(guān)規(guī)律基礎(chǔ)上，以熔體溫度、模具溫度和充填時間作為三個因素，每個因素各取三個水平，設(shè)計了三因素三水平的正交試驗，并對其翹曲總位移和體積收縮率進行分析。Moldex3D軟件的材料加工精靈會根據(jù)材料特性推薦一個最佳參數(shù)，根據(jù)筆者制備的PP/OSEBS/FR阻燃復合材料，軟件推薦的熔體溫度為200℃、模具溫度50℃、充填時間1.0 s。根據(jù)材料精靈的推薦選擇和材料適合的加工溫度范圍設(shè)置三個因素的水平：熔體溫度(A)分別為190，200℃和210℃；模具溫度(B)分別為40，50℃和60℃；充填時間(C)分別為0.8，1.0 s和1.2 s。表1為設(shè)計的正交試驗的因素水平表。

表1 正交試驗因素與水平

3.2 體積收縮率和翹曲總位移極差分析

表2為電纜接頭外套的體積收縮率和翹曲總位移的正交試驗結(jié)果。

表2 體積收縮率和翹曲總位移正交試驗結(jié)果

表3為體積收縮率極差分析結(jié)果。從表3可知，因素A，B，C的最大體積收縮率的極差由大到小的順序為A＞C＞B。說明因素A(熔體溫度)對體積收縮率影響最顯著，因素C(充填時間)次之，而因素B(模具溫度)的極差為0.001，說明因素B對體積收縮率的影響微乎其微。從表3可以看出，各因素水平的變化對接頭外套的體積收縮率的影響趨勢，在選擇的水平范圍內(nèi)，熔體溫度越低，充填時間越長，接頭外套的體積收縮率越小，而模具溫度的變化對體積收縮率幾乎沒有影響。

表3 體積收縮率極差分析

塑件的最大體積收縮率越小，其尺寸穩(wěn)定性就越佳，品質(zhì)也相對較好，從而降低塑件產(chǎn)生質(zhì)量缺陷的概率?？梢苑治龀霎斎垠w溫度為190℃、模具溫度為60℃、充填時間為1.2 s時，接頭外套的最大體積收縮率最小，所以綜合可知，相對于接頭外套的最大體積收縮率來說，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A1B3C3。

表4為翹曲總位移極差分析結(jié)果。從表4可知，因素A，B，C的最大翹曲總位移的極差由大到小的順序為A＞C＞B。說明因素A(熔體溫度)對翹曲總位移影響最顯著，因素C(充填時間)次之，而因素B(模具溫度)的極差為0.001，說明因素B對翹曲總位移幾乎無影響。從表4可以看出，各因素水平的變化對接頭外套的翹曲總位移的影響趨勢，在選擇的水平范圍內(nèi)，熔體溫度越低，充填時間越長，接頭外套的翹曲總位移越小，熔體溫度變化引起的翹曲總位移變化最大，充填時間較小，而模具溫度的變化對翹曲總位移幾乎沒有影響。

表4 翹曲總位移極差分析

塑件的翹曲變形量越小，其尺寸穩(wěn)定性就越佳。從表4還可以分析出當熔體溫度為190℃、模具溫度為60℃、充填時間為1.2 s時，接頭外套的翹曲變形總量最小，所以綜合可知，相對于接頭外套的最大翹曲變形來說，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A1B3C3。

3.3 翹曲總變形與體積收縮率優(yōu)化后結(jié)果

以接頭外套的體積收縮率以及翹曲總位移這兩個判斷標準進行正交試驗，進行極差分析得出最優(yōu)工藝參數(shù)組合為熔體溫度190℃、模具溫度60℃、充填時間1.2 s時，在此工藝參數(shù)組合下的綜合結(jié)果最好。圖13和圖14是在最優(yōu)工藝參數(shù)組合下得到的體積收縮率以及翹曲總位移。結(jié)合圖9、圖10和圖13、圖14發(fā)現(xiàn)，與正交試驗前的初始結(jié)果進行對比，最優(yōu)工藝參數(shù)組合下的體積收縮率由8.490%降低為7.395%，翹曲總位移由0.943 mm降為0.813 mm，體積收縮率降低了12.9%，翹曲總位移降低了13.8%，說明用極差方法分析得到的接頭外套的最優(yōu)工藝參數(shù)組合基本可行。

圖13 最優(yōu)工藝參數(shù)組合下的體積收縮率分析

圖14 最優(yōu)工藝參數(shù)組合下的翹曲總位移分析

4 結(jié)論

(1)通過對接頭外套的體積收縮率以及翹曲總位移的極差分析發(fā)現(xiàn)，熔體溫度對體積收縮率和翹曲變形的影響最大，充填時間次之，模具溫度的影響最小。

(2)基于Moldex3D軟件對電纜接頭外套進行正交試驗，以體積收縮率和翹曲總位移作為判斷的標準，進行極差分析綜合得出的最優(yōu)工藝參數(shù)為A1B3C3，與正交試驗前的初始結(jié)果進行對比，體積收縮率由8.490%降低為7.395%，翹曲總位移由0.943 mm降為0.813 mm，體積收縮率降低了12.9%，翹曲總位移降低了13.8%。