注塑機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝研究-FST200si-II型雙曲肘撐板式合模裝置 【含10張CAD圖紙+文檔全套】
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譯文出處 ：Applied Mechanics and Materials Vols. 29-32 (2010) pp 646-650
基于Moldfolw軟件的復(fù)雜塑料殼體的注塑模設(shè)計(jì)
Zhenyu Zhao1, a, Long Liao1, b, Fei Tang1, c, Bai Liu1, d
1中國(guó)深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院
ayxpzzy01@163.com, bliaol@sziit.com.cn, ctangf@sziit.com.cn, dliubeny@tom.com
摘要：本文描述了Moldflow技術(shù)的重要作用和地位。通過(guò)應(yīng)用Moldflow/MPI軟件對(duì)殼體模具進(jìn)行CAE綜合分析，用模具注塑工藝參數(shù)，例如模具溫度，熔體溫度，注射時(shí)間和注射壓力來(lái)模擬產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程。這顯示了Moldflow技術(shù)在模具開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)于優(yōu)化塑料制品設(shè)計(jì)、優(yōu)化塑料模設(shè)計(jì)和優(yōu)化注射工藝參數(shù)等方面所起到的顯著作用。
關(guān)鍵詞：注塑模具；Moldflow；模具設(shè)計(jì)；MPI(Moldllow Plastics Insight)
1.前言
目前，大多數(shù)注塑模具設(shè)計(jì)師主要是根據(jù)他們自己在模具設(shè)計(jì)方面多年的經(jīng)驗(yàn)而設(shè)計(jì)模具的。由于塑料工件的多樣性，復(fù)雜性和設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有限，準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)出一種成本低、周期短、質(zhì)量好的產(chǎn)品，合格率高的模具和工藝方案是很困難的。為了使修正后的模型能正式投入生產(chǎn)，在一些無(wú)法修復(fù)的精密模具報(bào)廢的情況下，設(shè)計(jì)師往往需要反復(fù)不斷地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
Moldflow技術(shù)[1]無(wú)論在提高生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品質(zhì)量，還是在降低成本、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等方面，都具有很大的優(yōu)越性。利用Moldflow技術(shù)可以在模具加工前，使用計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)注射成型過(guò)程進(jìn)行模擬分析，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熔體的填充、保壓、氣穴、熔接痕、流動(dòng)前沿溫度和翹曲變形[2-6]等情況，以便設(shè)計(jì)者能盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)修改塑件和模具設(shè)計(jì)，減少甚至避免模具返修報(bào)廢、提高塑件質(zhì)量和降低成本等，具有重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。以一個(gè)塑料注射箱的模流分析為例，介紹Moldflow軟件在模具優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，對(duì)注塑制品的充模、氣穴、熔接痕等行為進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，為該制品的模具設(shè)計(jì)及注塑工藝參數(shù)的確定提供了理論依據(jù)，從而改善制品的成型質(zhì)量。
2. 成型工藝分析
該制品為塑料箱零件如圖l所示，采用ABS塑料，外表面質(zhì)量要求較高。采用Moldflow的MPI(Moldflow Plastics Insight)模塊對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行流動(dòng)分析。在分析中，通過(guò)對(duì)流動(dòng)過(guò)程的模擬分析，確定了澆口位置、數(shù)量及工藝條件，并且模擬仿真流動(dòng)過(guò)程，預(yù)測(cè)型腔壓力分布、溫度分布、鎖模力大小等，為實(shí)際模塑提供成型工藝參數(shù)。
(1)工藝參數(shù)的設(shè)置 完成分析后，選擇注塑原料。在此軟件中，有許多大公司的產(chǎn)品可供選擇，該案例選擇ABS材料，其牌號(hào)為工藝參數(shù)如表1所示。
表1 模流分析參數(shù)設(shè)置
注塑溫度
230℃
成型控制
填充控制
壓力90MPa
模溫
凸模55℃
速度、壓力切換
自動(dòng)
凹模80℃
保壓控制
80％注射壓力 6s
(2)最佳澆口位置的確定 MPI能自動(dòng)生成最佳澆口位置的相關(guān)信息，并以圖形形式顯示出最佳澆口所在區(qū)域，顏色越深的區(qū)域越適合選作澆口，如圖l所示塑料盒模型對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，選取圖形中間區(qū)域最佳。
圖1 塑料盒模型 圖2 填充時(shí)間
3.流動(dòng)分析結(jié)果
本文利用MPI軟件對(duì)填充時(shí)間、充模壓力、熔接痕、氣穴、最大鎖模力和翹曲分析進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的分析從中選定最佳的注漿方案。
(1)填充時(shí)間 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接影響到熔體的填充行為，而填充分析的最終目的也是為了獲得最佳澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。填充分析是從注射開(kāi)始到型腔被充滿(mǎn)的整個(gè)過(guò)程中的流動(dòng)前沿位置分析。該分析用來(lái)預(yù)測(cè)制件的填充行為是否合理，填充是否平衡，能否完成對(duì)制件的完全填充等。填充分析的目的是獲得最佳的澆口位置、澆口數(shù)目及最佳澆注系統(tǒng)布局等。如圖2所示為充模時(shí)間的分析結(jié)果，通過(guò)深淺不同的顏色反映了熔體流動(dòng)狀態(tài)變化以及充模過(guò)程，從中可知型腔是否充滿(mǎn)，充模過(guò)程是否平衡等。由圖2可知：充填時(shí)間為2.825s，顏色深淺過(guò)渡比較柔和。這表明此充填過(guò)程比較平緩，整個(gè)注塑件能在較短的時(shí)間內(nèi)被充滿(mǎn)，流動(dòng)平衡性較好，并且充模狀況合理。由此證明圖2所示的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)可行。
(2)氣穴 氣穴位置分布圖如圖3所示，圖中圓圈處表示氣穴，熔體前沿匯聚在注塑件內(nèi)部或型腔表層的氣泡，基本上都在注塑件四周側(cè)壁邊，并且基本集中在分型面上。該例中氣穴主要出現(xiàn)在塑料箱的內(nèi)表面，且大部分出現(xiàn)在分型面，故氣體在熔體充填時(shí)會(huì)自行排出，對(duì)產(chǎn)品的外觀品質(zhì)基本沒(méi)有影響。因此，氣體很容易通過(guò)模具分型面的間隙排出，沒(méi)有困氣現(xiàn)象，可有效地避免因氣穴而形成的注塑件表面瑕疵及焦痕等缺陷。
圖3 氣穴 圖4 熔接線(xiàn)
(3)熔接痕 當(dāng)2個(gè)或多個(gè)流動(dòng)前沿融合時(shí)，會(huì)形成熔接線(xiàn)。在熔接線(xiàn)位置上的分子趨向變化強(qiáng)烈，因此該位置的機(jī)械強(qiáng)度明顯減弱，熔接線(xiàn)在視覺(jué)上不太明顯。在這種情況下可以通過(guò)增加模具溫度和熔體溫度，使兩個(gè)相遇的熔體前沿融合得更好，增加螺桿速率也行，或改進(jìn)澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在保持熔體流動(dòng)速率的前提下減少流道尺寸，以減少產(chǎn)生的摩擦熱。如果不能消除熔接線(xiàn)，那么應(yīng)使其位于工件上較不敏感的區(qū)域，以防止影響制件的機(jī)械性能和外觀質(zhì)量。通過(guò)改變澆口位置或者改變工件壁厚可以改變?nèi)劢泳€(xiàn)的位置。
圖4顯示了塑件上熔接痕的位置，經(jīng)Moldflow優(yōu)化分析，采用提高模具溫度、把澆口適當(dāng)加大、適當(dāng)降低鎖模力、在熔接縫處開(kāi)設(shè)排氣系統(tǒng)等措施后，注塑出的產(chǎn)品熔接痕變得不明顯，降低了廢品率，能滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需要。由圖4分析結(jié)果可看出沒(méi)有大面積和連續(xù)的熔接痕，所以工件表面質(zhì)量不會(huì)受到影響。
(4)縮痕指數(shù) 縮痕現(xiàn)象就是指在成型品表面發(fā)生凹陷。雖然這些凹陷都較小，但只要從不同的角度觀看，卻是可見(jiàn)的?？s痕的可見(jiàn)性和它表面的紋理其實(shí)是零件顏色的作用，因此深度才是判別的標(biāo)準(zhǔn)。導(dǎo)致縮痕的主要原因是在冷卻過(guò)程中，因熱量收縮造成的。圖5顯示了縮痕深度的結(jié)果，縮痕深度非常小，縮痕不明顯，沒(méi)有影響產(chǎn)品的外觀。
圖5 縮痕 圖6 鎖模力曲線(xiàn)
(5)鎖模力曲線(xiàn) 在注塑機(jī)注射過(guò)程中，由于模具內(nèi)的熔脹力，模具分型面可能會(huì)分開(kāi)，從而導(dǎo)致飛邊的產(chǎn)生，因此必須為注射機(jī)提供一個(gè)鎖緊模具的力，這個(gè)力稱(chēng)為鎖模力，有了這個(gè)力就可以抵消熔料在型腔內(nèi)所產(chǎn)生的熔脹力。通常在滿(mǎn)足要求的前提下，鎖模力應(yīng)盡可能的小，較小的鎖模力不僅可以節(jié)約能源、降低成本，還可以延長(zhǎng)注塑機(jī)及模具的使用壽命，同時(shí)，模具的自然排氣也可以順利進(jìn)行，使模具的填充狀態(tài)更加容易控制。
注塑件在注射成型時(shí)注塑機(jī)的鎖模力分布圖如圖6所示。其最大鎖模力為86kN，可以利用該分析結(jié)果，幫助設(shè)計(jì)人員選擇不同型號(hào)的注塑機(jī)。由圖5可知，可以滿(mǎn)足客戶(hù)要求，且能正常生產(chǎn)。
(6)推薦螺桿速率 圖7是該方案推薦的螺桿曲線(xiàn)圖，其作用是調(diào)節(jié)螺桿進(jìn)入型腔的注入速度，保證塑料熔體充模速度一致，有利于改善工件的表面質(zhì)量和避免過(guò)高的剪切應(yīng)力。注射速度建議使用更均勻的流動(dòng)前沿的速度，這將有助于消除壓力峰值，同時(shí)可提高工件表面光潔度。在圖7中，XY定位注射壓力圖可以很容易地顯示壓力的變化。
(7)溫度 溫度主要包括流動(dòng)前沿溫度和充模結(jié)束時(shí)的體積溫度，流動(dòng)前沿溫度與熔接線(xiàn)圖綜合使用可分析出熔接線(xiàn)質(zhì)量的好壞，而充模結(jié)束時(shí)的體積溫度分布范圍越窄，則說(shuō)明充模質(zhì)量越好。兩種溫度分析結(jié)果如圖8、9所示。
流動(dòng)分析用于預(yù)測(cè)熱塑性聚合物在模具內(nèi)的流動(dòng)行為。Moldflow軟件模擬熔體從注射點(diǎn)開(kāi)始逐漸擴(kuò)散到相鄰點(diǎn)的流動(dòng)前沿，直到流動(dòng)前沿?cái)U(kuò)散并填充制件最后一個(gè)點(diǎn)為止，完成流動(dòng)分析計(jì)算。其最終目的是獲得保壓階段最佳時(shí)間段的設(shè)置，從而盡可能地減小由保壓引起的制件收縮、翹曲等質(zhì)量缺陷。流動(dòng)前沿溫度，合理的溫度分布應(yīng)該是均勻的，即這個(gè)模型的溫差不能太大。圖8為流動(dòng)前沿溫度模擬結(jié)果。從圖中可以看出，此模型的模溫分布比較均勻，說(shuō)明熔體在流動(dòng)過(guò)程中溫度下降緩慢，利于填充，且該產(chǎn)品溫度降幅較小，這意味著該塑件的表面質(zhì)量將會(huì)得到保證。
由圖8分析結(jié)果可以看出料流前沿的最高溫度230.6℃，最低溫度223.8℃，注塑件的溫度差為6．8℃，該值在推薦值控制范圍20℃之內(nèi)，表示溫度差較小，這意味著注塑件表面的質(zhì)量可得到保證，工件可以充滿(mǎn)。圖8表明，當(dāng)材料的熔融溫度為228.9~230.6℃時(shí)，最低熔化溫度僅低于注射溫度223.8℃。所以材料
是會(huì)很好的融合，而不會(huì)出現(xiàn)熔接痕。穴蝕現(xiàn)象在熔合線(xiàn)和分型表面，排氣管道設(shè)置在熔接線(xiàn)開(kāi)口處。這樣不僅方便排氣，而且增加了熔合線(xiàn)的牢度。從圖8流動(dòng)前沿溫度圖和圖4熔接中，我們可以看出，當(dāng)熔體溫度約為230℃時(shí)，熔接痕形成。此時(shí)熔接痕不明顯，結(jié)果是最好的。
體積溫度反映了工件內(nèi)部產(chǎn)生的剪切熱。如果工件經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈的剪切作用，工件溫度將會(huì)上升。在模具填充階段，體積可以從圖9中看出，溫度圖（速度加權(quán)平均溫度）應(yīng)當(dāng)非常均勻。最低溫度是177.3℃，最高溫度為234.3℃，這變化滿(mǎn)足體積溫度的控制范圍。
圖7 推薦的螺桿速率 圖8 溫度
圖9 體積溫度 圖10 充模結(jié)束時(shí)壓力分布圖
(8)壓力 由圖10可以看出，在充模結(jié)束時(shí)的壓力分布狀況，分析充模壓力分布是否平衡，在最后充模的藍(lán)色部位壓力較低，整個(gè)塑件壓力差在35 MPa以下。在充模結(jié)束時(shí)，體積/壓力轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和填充壓力數(shù)據(jù)的影響是相同的。通常，體積/壓力控制轉(zhuǎn)換時(shí)的壓力在整個(gè)注塑成型周期中是最高的，此時(shí)壓力的大小和分布可通過(guò)該壓力圖進(jìn)行觀察，并在控制轉(zhuǎn)換時(shí)工件充型基本達(dá)到100％。由圖11可看出注塑過(guò)程中最大注射壓力為53.7Mpa，在圖中的紅色部分。圖中的灰色部分表明工件100%填充良好效應(yīng)。
(9)保壓過(guò)程 保壓過(guò)程是在填充過(guò)程的基礎(chǔ)上進(jìn)一步模擬，通過(guò)優(yōu)化得到合理的注射力和保壓壓力，為生產(chǎn)做準(zhǔn)備。圖12所示為保壓過(guò)程的模擬結(jié)果。注射壓力參數(shù)也是流動(dòng)分析的關(guān)鍵參數(shù)，直接影響到模具填充的好壞。從圖中可以看出，注塑壓力在注塑結(jié)束時(shí)達(dá)到最大值55MPa，小于注塑機(jī)的最大值，保壓壓力曲線(xiàn)與設(shè)定的基本相符。
圖11 體積/壓力控制轉(zhuǎn)換時(shí)的壓力 圖12 注射力和保壓壓力
4.結(jié)論
本文應(yīng)用Moldflow軟件對(duì)流動(dòng)情況進(jìn)行模擬、預(yù)測(cè)， 顯示前沿熔體流動(dòng)方向，填充過(guò)程中壓力和溫度的變化，氣穴和熔接痕的位置等，有利于工藝人員在調(diào)試之前預(yù)測(cè)可能存在的缺陷，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，提高質(zhì)量和減少制作注塑模具
的周期，為模具開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)加工提供指導(dǎo)作用。
致謝
感謝深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目（SY200806300273A），信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院團(tuán)隊(duì)創(chuàng)意工程（CXTD1-007）及其自然科學(xué)（LG-08001），和廣東省自然科學(xué)（9151802904000008）的財(cái)政支持。
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